1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 家庭用网状塑料垃圾框的结构设计及其成型模具设计 一、 模具工业的地位 众所周知，产品的生产离不开模具，特别是在生产力水平高度发达的今天，在生产行业里，模具工业更是有着其不可替代的地位。而其中的注射模具存在着机械操作简单设备成本低，人员易操作 等众多优点，随着时代的发展还具备了能制作结构复杂 ,精度很高的零件 ;可以采用多模腔来提高生产率 ,加装工业机械手及相应夹具后可全自动生产 ,不会发生操作失误和工伤 的优点。生活中也处处离不开注射成型制品，小到手机、电话，大倒汽车、飞机都有他的身 影，所以注射成型市场的前景还是非常的广阔的。 模具是利用其特定形状去成
2、型具有一定形状和尺寸的制品的工具。在各种材料加工工业 中广泛地使用着各种模具，例如金属铸造成型使用的砂型或压铸模具、金属压力加工使用的锻压模具、冷压模具及成型陶瓷、玻璃等制品使用的各种模具。 模具是现代工业，特别是汽车、拖拉机、航空、无线电、电机、电器、仪器、仪表、兵器、日用品等工业必不可少的工艺设备。锻件、冲压件、压铸件、粉末冶金零件以及非金属零件，如塑料、陶瓷、橡胶玻璃等制品都是用模具成型的。模具技术直接影响制造业的发展、产品更新换代 能力和产品竞争能力。模具工业潜力很大，前景广阔。近十多年来，美国、日本、德国等发达国家的模具总产值已超过机床总产值。模具技术进步极大地促进了工业产品生产发展
3、，因而深受赞誉。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”；在日本，模具被誉为“进入富裕社会的原动力”；在联邦德国，模具被冠之以“金属加工业中的帝王”之称；在罗马尼亚，有“模具就是黄金”之说。可见模具工业在世界各国经济发展具有极其重要的地位。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。 1 二、注射成型 2.1 塑料模具 成型塑料制品的模具叫 做塑料模具。对塑料模具的全面要求是 : 能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面均能满足使用要求的优质制品。以模具使用的角度，要求高效率、自动化、操作简便 ; 从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。塑料模具影响着塑料制品的质量。
4、首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、 各向同性性、外观质量，表面光洁度、气抱、凹痕、烧焦银纹等都有十分重要的影响。其次，在塑料加工过程中，模具结构对操作难 易程度影响很大。在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模和取制件过程中的手工劳动，为此常采用自动开合模和自动顶出机构。在全自动生产时还要保证制品能自动从模具上脱落。另外，模其对塑料制品的成本也有相当的影响。除简易模具外，一般来说制模费是十分昂贵的。一副优良的注射模具可生产制品百万件以上，压制模约能生产二十五万件。当批量不
5、大时，模具费用在制件成本中所占的比例将会很大，这时应尽可能地采用结构合理而简单的模具，以降低成本。 2 现代塑料制品生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三项重要 因素，尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺要求、塑料制件使用要求和造型设计起着重要作用。高效的全自动的设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其效能，产品的生产和更新都是以模具制造和更新为前提。由于工业塑件和日用塑料制品的品种和产量需求量很大，对塑料模具也提出了越来越高的要求，因此促使塑料模具生产不断向前发展。 2 2.2 注射模具的结构组成 按功能和作用来分，注射模具一般由以下几个部分组成， 如图 2.1 所示
6、。 （ 1）成形零部件成形零部件是指组成模具型腔直接形成塑件的零件。如成形塑件内 表面的凸模型芯 和成形塑件外表面的凹模以及各种成形杆、镶件等。图 2.1 所示的模具中凸模 13、 定模板 14 等都是成形零部件。 （ 2）合模导向机构合模导向机构是指保证动、定模合模时正确对合，保证塑件形状和尺寸的设计要求，并避免模具其他零部件发生碰撞和干涉的部分。常用的合模导向机构是导柱导套机构。如图 2.1 中导柱 12 和导套 16。 （ 3）浇注系统是指模具中由注射机喷嘴到型腔之间的进料通道。一般说来，它由主流道、分流道、浇口和冷料穴等组成，它直接影响到塑件能否成形及塑件质量的好坏。 （ 4）侧向分型
7、与抽芯机构 当塑件的侧向有凸凹形状或 孔时，在塑件推出之前，必须先把成形侧向凸凹形状的型芯或瓣合模块从塑件上脱开或抽出，塑件方能顺利脱模，合模时又须将其复位。侧向分型与抽芯机构就是为实现这一功能而设置的 。 图 2.1 注射模的结构 （ 5）推出机构 推出机构是指将塑件从模具中推出的机构，又称脱模机构。一般情况下，推出机构由推杆、推杆固定板、推板、主流道拉料杆等组成。如图2.1 所示中的推出机构包括有推杆固定板 8 、推板 9、拉料杆 10、推杆 11 等。 （ 6）加热冷却系统注射模具中，为了满足注射成形的工艺要求，有时还需设置加热和冷却系统，其作用是保证塑 料熔体的顺利充型和塑件的固化定型
8、，其常用的加热方法是在模具的内部或四周安装加热元件；冷却系统则是在模具上开设冷却水道，如图 2.1 所示中 15 。 （ 7）支承部件它包括各种支承块（垫块）、支承板（垫板）以及动模座板、定模座板等（如图 2.1 中 3、 6、 7 等）。它们与导向机构组装成模架。 此外，为了将型腔中的空气及注射成形过程中塑料本身挥发出来的气体排出模外，常常需要开设排气系统。 其常用的方法是在分型面上有目 的地开设排气槽， 小型模具由于排气量小，通常可直接利用推杆或活动型芯与模具之间的配合间隙和分型面直接排气 。 3 2.3 注塑成型模具的分类 不同的塑料成型方法使用着原理和结构特点各不相同的塑料成型模具。按
9、照成型加工方法的不同，可将塑料成型模具分为以下几类。 （ 1） 压制成型模具 压制成型模具简称压模。将塑料原料直接加在敞开的模具型腔内， 再将模具闭合，塑料在热和压力作用下成为流动状态并充满型腔，然后由于化学或物理变化使塑料硬化定型，这种成型方法叫压制成型，这种成型方法所用的模具叫压制成型模具。压制模具多用于成型热固性塑料，也有用来成型热塑性塑料的。另外还有不加热的冷压成型压制模具。用于成型聚四氟乙烯坯件。 （ 2） 压铸成型模具 压铸成型模具又称传递成型模具。将塑料原料加入预热的加料室，然后向压柱施加 压力，塑料在高温高压下熔融并通过模具的浇注系统，进入型腔，逐渐硬化成型，这种塑料成型方法叫
10、压铸成型，这种成型方法所用的模具叫压铸模具。压铸模具多用于热固性塑料的成型。 （ 3） 注射成型模具 塑料先加在注射机的加热料筒内，塑料受热熔融， 在注射机的螺杆或活塞推动下， 经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料在模具型腔内硬化定型，这就是注射成型的简单过程。注射成型所用的模具叫注射模具。注射模具主要用于热塑性塑料制品的 成型，但近年来也越来越多地用干热固性塑料成型。 注射成型在塑料制件成型中占有很大比重，世界塑料成 型模具产量中约半数以上是注射模具。 （ 4） 挤出成型模具 挤出成型模具又称机头。使处于粘流状态的塑料在高温高压下通过具有特定断面状的口模，然后在较低温度下定型，以生产具有
11、所需断面形状的连续型材的成型方法 叫挤出成型。用于塑料挤出成型的模具叫挤出成型模具。 （ 5） 中空制品吹塑成型模具 将挤出或注射出来的尚处于塑化状态的管状坯料，趁热放到模具成型腔内立即在管状坯料的中心通以压缩空气，管坯膨胀而紧贴于模具型腔壁上， 冷硬后即可得一中空制品。此种制品成型方法所用的模具叫中空制品吹塑模具。 （ 6） 真空或压缩空气成型模具 真空或压缩空气成型模具为一单独的阴模或阳模。 将预先制成的塑料片周边紧压在模具周边上，使加热软化，然后再在紧靠模具的一面抽真空，或在其反面充以压缩空气，使塑料片紧贴到模具上，冷却定型即得制品。此种成型方法，模具受力较小， 要求不高，甚至可用非金属
12、材料制作。 2 2.4 注射成型工艺过程 注射成形工艺过程包括成形前准备、 注射过程及塑件的后处理等。成形前的准备工作包括：对原料外观的检验及工艺性能的测定、预 热和干燥，注射机料筒的清洗，嵌件的预热和脱模困难时脱模剂的选用等。有时还需对模具进行预热。 注射过程一般包括： （ 1）加料 将粒状或粉状塑料加入到注射机的料斗中。 （ 2）塑化 加入的塑料在料筒中进行加热， 使其由固体颗粒转变成熔融状态并具有良好的可塑性，这一过程称为塑化。 （ 3）充模 塑化好的熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒前端，经过喷嘴、模具浇注系统进入并充满型腔，这一阶段称为充模。 （ 4）保压 在模具中熔体冷却收缩时，柱塞或螺杆
13、迫使料筒中的熔料不断补充到模具中，从而成形出形状完整、质地致密的塑件，这一阶段称为 保压。 （ 5）倒流 保压结束后，柱塞或螺杆后退，型腔中压力解除，这时型腔中的熔料压力将比浇口前方的高，如果浇口尚未冻结，型腔中的熔料就会通过浇口流向浇注系统，这一过程称为倒流。倒流使塑件产生收缩、变形及质地疏松等缺陷。如果保压结束时浇口已经冻结，那就不会存在倒流现象。 （ 6）冷却 塑件在模内的冷却过程是指从浇口处的塑料熔体完全冻结时起到塑件将从模腔内推出为止的全部过程。实际上冷却过程从塑料注入型腔起就开始了，它包括从充模完成、保压开始到脱模前的这一段时间。 （ 7）脱模 塑件冷却到一定的温度即可开模， 在推
14、出 机构的作用下将塑件推出模外。 塑件后处理包括：退火和调湿处理。退火处理是指将塑件在定温的加热液体介质（如热水、热的矿物油、甘油、乙二醇和液体石蜡等） 或热空气循环烘箱中静置一段时间，然后缓慢冷却。其目的是减少塑件内部产生的内应力，这在生产厚壁或带有金属嵌件的塑件时更为重要。调湿处理是指将刚脱模的塑件放在热水中，隔绝空气，防止塑件的氧化，加快吸湿平衡速度。其目的是使塑件的颜色、性能以及尺寸稳定。通常聚酰氨类塑件需进行调湿处理。 3 2.5 注射成形工艺条件 2.5.1 温度 （ 1） 料筒温度 料筒温度是决 定塑料塑化质量的主要依据。料筒温度低，塑化不充分；料筒温度过高，塑料可能会发生分解。
15、料筒温度的选择与各种塑料的特性有关，温度的分布一般应遵循前高后低的原则，即料筒的后端温度最低，喷嘴处的前端温度最高。 （ 2） 喷嘴温度 喷嘴温度应控制在防止塑料发生 “ 流涎 ” 现象。喷嘴温度一般略低于料筒最高温度。 （ 3） 模具温度 模具温度对塑料熔体的充型能力及塑件的内在性能和外观质量影响很大。模具温度高，塑料熔体的流动性就好，塑件的密度和结晶度就会提高，但塑件的收缩率和塑件脱模后的翘曲变形会增加，塑件的冷却时间会变长，生产率下 降。 模具温度的选择与塑料结晶性的有无、塑件的尺寸和结构、性能要求以及其他工艺条件（熔料温度、注射速度、注射压力、成形周期）等有关。 2.5.2 压力 （
16、1） 塑化压力又称背压，是指采用螺杆式注射机时，螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力。一般操作中，塑化压力应在保证塑件质量的前提下越低越好，其具体数值随所用塑料的品种而异，但很少超过 20 MPa 。 （ 2） 注射压力是指注射机柱塞或螺杆头部对塑料熔体所施加的压力。其大小取决于注射机的类型、模具结构、塑料品种、塑件壁厚等。 3 三、塑料制品的设计 塑料 制件设计视塑料成型方法和塑料品种性能不同而有所差异，塑料制件主要是根据使用要求进行设计，由于塑料有其特殊的物理机械性能，因此设计塑件时必须充分发挥其性能上的优点，避免或补偿其缺点，在满足使用要求的前提下，塑件形状应尽可能地做到简化模具结构
17、，符合成型工艺特点，在设计塑件时必须考虑以下几方面的 因素： (1)塑料的物理机械性能，如强度、刚性、韧性、弹性、吸水性以及对应力的敏感性 (2)塑料的成型工艺性，如流动性。 (3)塑料形状应有利于充模流动、排气、补缩，同时能适应高效冷却硬化 (热塑性塑料制品 )或快速受热固 化 (热固性塑料制品 ) 。 (4)塑件在成型后收缩情况及各向收缩率差异。 (5) 模具的总体结构， 特别是抽芯与脱出塑件的复杂程度。 (6) 模具零件的形状及其制造工艺。 3.1 壁厚 以充满型腔。塑件壁厚的最小尺寸应满足以下几方面要求 ： 即具有足够的强度和刚度 ; 脱模时能经受脱模机构的冲击与震动 ;装配时能承受紧
18、固力。塑料制件规定有最小壁厚值。它随塑料品种牌号和制品大小不同而异。壁厚过大， 不但造成原料的浪费，而且对热固塑料的成型来说增加了压塑的时间， 一且易造成固化不完全 ;对热塑性塑料则增加了冷却时间。根 据推算，制品壁厚增加一倍，冷却时间将增加四倍，使生产效率大大降低。另外也影响产品质量，如易产生气泡、缩孔、翘曲等缺陷。 热固性塑料的小型塑件，壁厚取 2.5- 1.6 毫米，大型塑件取 3.2- 8 毫米。布基酚醛塑料等流动性差者应取较大值，但一般不宜大于 10 毫米。脆性塑料如矿粉填充的酚醛塑件壁厚应不小于 3.2 毫米。热塑性塑料易于成型薄壁制件，壁厚能达到 0.25 毫米，但一般不宜小于
19、0.6- 0.9 毫米，常选取 2 -4 毫米。 3.2 支撑面 以塑件的整个底面作支承面是不合理的，因为塑件稍许翘曲或变形就会使底面不平。 常凸出的底脚 (三点或四点 )或凸边来作支承面，如图 3.1 所示。 图 3.1 用地脚或突边做支撑面 当塑件底部有加强筋时， 应使加强筋与支承面相差 0.5 毫米的高度，紧固用的凸耳或台阶应有足够的强度以承受紧固时的作用力，应避免台阶突然过渡和尺寸过小，如图 3.2 所示。 图 3.2 加强筋与支撑面 3.3 圆角 塑料制件除了使用上要求采用尖角之处外，其余所有转角处均应尽可能采用圆弧过渡， 因制件尖角处易产生应力集中， 在受力或受冲击振动时会发生破裂
20、， 甚至在脱模过程中即由于模塑内应力而开裂，特别是制件的内圆 角。一般，即使采用 R0.5 毫米的圆角就能使塑件的强度大为增加。塑件设计成圆角，使模具型腔对应部位亦呈圆角，这样增加了模具的坚固性，塑件的外圆对应着型腔的内圆角，它使模具在淬火或使用时不致因应力集中而开裂。同时圆角也增加了制件的美观。但是在塑件某些部位如分型面、型芯与型腔配合处等不便作成圆角而只能采用尖角。 3.4 孔的设计 孔均应设置在不易削弱塑件强度的地方。在孔之间和孔与边壁之间均应留有足够的距离。孔与孔边缘之间的距离应大于孔径，塑件上固定用孔和其它受力孔的周围可设计一凸边来加强，如图 3.3 所示。孔均应 设置在不易削弱塑件
21、强度的地方。在孔之间和孔与边壁之间均应留有足够的距离。孔与孔边缘之间的距离应大于孔径，塑件上固定用孔和其它受力孔的周围可设计一凸边来加强，如图3.3 所示。 图 3.3 孔的加强 四、注射成型的发展趋势 模具设计长期以来一直依靠人的经验和机械制图来完成。自从 20 世纪 80年代我国发展模具计算机辅助设计（ CAD）技术以来，这项技术得到了越来越快的发展，已在模具制造中显示出了巨大的优越性。从 20 世纪 90 年代开始发展的模具计算机辅助工程分析（ CAE）技术现在也已有许多企业应用，它对缩短模具制造 周期及提高模具质量有着显著的作用。一些工业发达国家的模具企业应用CAD 技术已从二维设计发
22、展到三维设计，而且三维设计已达 70%以上。我国大部分企业还停留在二维设计的水平上，能进行三维设计的企业还不到 20%。 CAE 软件的应用国外已较普遍，国内应用还比较少，而且在用于预测零件成形过程中可能发生的缺陷方面水平还比较低。模具设计技术及 CAD 和 CAE 软件今后应在下列几方面得到发展，不断提高其水平。 （ 1）模具设计资料库和知识库系统。 （ 2）模具工程规划及方案设计。 （ 3）模具材料和标准件的合理选用。 （ 4）模具刚性、 强度、流道及冷却通路的设计。 （ 5）塑料模具塑料成形过程的各种模拟分析（如注塑成形包括塑料充模、保压、冷却、翘曲、收缩、纤维取向等模拟分析）、热传导和
23、冷却过程的分析、凝固及结构应力分析等。计算浇注系统及模腔的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场的分布并分析其结果是非常复杂和非常费时间的。这一模拟技术已从中面流技术发展到了双面流技术，不久即可发展到既正确又快速的实体流技术，产生满足塑料件虚拟制造要求的三维注塑流动模拟软件。 （ 6）冲压模金属成形过程的模拟、起皱及破裂分析、应力应变和回弹分析等。 （ 7）压铸模压铸件成形流动模拟、热传导及凝固分析等。 （ 8）锻模锻件成形过程模拟及金属流动和充填分析等。 （ 9）提高设计和分析软件的快速性、智能化和集成化水平，并强化它们的功能，以适应模具的不断发展。 除了模具 CAD/CAE 技
24、术之外，计算机辅助工艺设计（ CAPP）技术在我国模具企业中也开始应用。由于大部分模具都是单件生产，其工艺规程有别于批量生产的产品，因此应用CAPP 技术难度较大，也很难有适应于各类模具和不同模具企业的 CAPP 软件。为了较好地应用 CAPP 技术，模具企业自身必须搞好开发和研究。虽然 CAPP 技 术的应用和推广要比 CAD和 CAE 难得多，但这也是一个发展方向，应予重视。基于知识的工程（ KBE）技术近年来已越来越受到重视。它是面向现代设计决策自动化的重要工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径。 KBE 技术作为一种新型的智能设计思想，将对模具的智能、优化设计产生重要的影响。 1 4参考文献 1许树勤 , 王文平 模具设计与制造 M 北京：北京大学出版社 ， 2005. 2 成都科技大学等 塑料成型模具 M北京： 轻工业出版社 ， 1987 3 张荣清 模具设计与制造 M 北京：高等教育出版社 ， 2003 4 Knights M. Micro molds make micro parts J. Plastics Technology, 2002, 12(1): 3847.
