1、1 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 电池盖的注塑模具设计 一、 选题的背景、意义 塑料由于具有质量轻、强度高、耐磨损、消音减振、电性能好及便于成型加工等优点，在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的 家用电器、日用品等 领域中得到了广泛的应用。塑料制品成形的方法虽然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料模具市场中塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。塑料模具工业近 20 年来发展十分迅速，早在 7 年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品 注塑模具由于一次能够成型结 构复杂、尺寸精确、精度较高的产品，因此，适用于高效率、大批量生
2、产制品的方式。而作为现代塑料工业中极为重要的一种加工技术的注塑成型技术，是指将受热融化的塑料材料快速注入闭合的模具型腔内，经过冷却固化定型后，得到和模具型腔形状一致的塑料制品的成型方法。据统计，全世界每年注塑制品的产量约占整个塑料制品总产量的 30 ，而其中每年生产的塑料注射模具占所有塑料模具总数量的50 。在国外塑料加工行业约有 95 的制品靠模具生产，其中注塑模具的产量占塑料成型模具总产量的 50 以上。在我国，塑料工业随着国民经济整体稳定健康发展 实现了跨越式发展，连续十年经济技术指标稳步大幅递增，总产值居轻工行业第三位，出口居第五位，以成为中国国民经济持续发展重要的支柱产 业之一 1。
3、 1.1 注塑模具制造技术现状 注射模具在注射制品成型中起着极其重要的作用，除了塑料制品的表面质量、成型精度完全由模具决定之外，塑料制品的内在质量、成型效率也受模具左右，所以如何高质量、简明、快捷、规范化地设计注塑模具，成为发挥注塑成型工艺优越性，扩大注塑制品应用的首要问题。总体有以下三点： 发展不平衡，产品总体水平较低。虽然个别企业的产品已达到或接近国际先 进水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生产周期、寿命等指标与国外先进水平相比尚有较大差距。包括生产方式和企业管理在内的总体水平与国外工业发达国家相比尚有 10年以上的差距。 工艺装备落后，组织协调能力差。虽然部分企业经过近几年
4、的技术改造，工艺装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外，但大部分企业的工艺装备仍比较落后。更主要的是，企业组织协调能力差，难以整合或调动社会资源为我所用，从而就2 难以承接比较大的项目。 大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足。一方面是技 术人员比例低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少 ;更重要的是观念落后，对创新和开发不够重视。模具企业不但要重视模具的开发，同时也要重视产品的创新。 1.1.1 塑料注射模 CAD/CAE/CAM 的发展概况及趋势 近 20 年来，塑料流学变、计算机技术、集合与特征技术和数控加工技术的突飞猛进为注塑产品开发中采用新技术创造了条件。注塑
5、模 CAD/CAE/CAM 技术进入了实用化阶段，并在生产中发挥着越来越大的作用。 塑料注射模 CAD/CAM 是伴随着通用机械 CAD/CAM 技术发展而不断深化的。从 20 世纪 60 年代基于线框模型 的 CAD 系统开始，到 70 年代以曲面造型为核心的 CAD/CAM 系统， 80 年代实体造型技术的成功应用， 90 年代基于特征的参数化实体 /曲面造型技术的完善，为塑料注射模采用 CAD/CAE/CAM 技术提供了可靠的保证。目前在国内外市场已涌现出一批成功应用于塑料注射模的 CAD/CAE/CAM 系统 2。 现在国外一些著名的商品化三维造型软件都带有独立的注射模设计模块，如美国
6、 PTC公司的 Pro/E、 UGS公司的 UG-II、 SDRC公司的 I-DEAS系统。这 3个 CAD/CAM系统目前在塑料模具工业中的应用最为广泛。 此外还有美国 CV公司的 CADDS系统、法国 MATRA公司的 EUCLID系统、法国 DASSAULT公司的 CATIA系统、英国 DELCAM公司的 DUCT系统、日本造船信息系统株式会社的 Space-E系统和日本 UNISYS株式会社的 CAD-CEUS系统等都各具特色，拥有各自的用户 群3。而且 CAD/CAE/CAM技术已被广泛应用于模具设计和生产， UG、 Pro/E、 CAM、 Solidworks等软件日益体现出其在模
7、具设计与加工中的优越性。与此同时，基于 AutoCAD的二维绘图仍起着不可替代的重大作用。 近 十余年来，我国对塑料注射成形 CAE技术也开展了系统而深入的研究。华中科技大学、上海交通大学、郑州大学和南昌大学等都相继取得了可喜 的成果 4。如 华中科技大学模具技术国家重点实验室在最近推出的商品化塑料注射成形集成化仿真系统 HSCAE6.10，从 1989年推出 HSCAE1.0版到如今的 6.10版，经历了从二维分析到三维分析，从实用化到商品化，从局部试点到大面积推广应用的进程。该软件系统已成为塑料制品设计、模具结构优化和工程师培训的有力工具， HSCAE仿真系统目前已在国内 80多家工厂和学
8、校 推广应用 57。但 考虑到国内大部分中小型模具企业的生产设备条件，有相当比重的结构零件仍需按传统方法加工，也就必不可少的需要 AutoCAD在二维绘图方面发挥其重要作用。国内的大部分注塑模具企业还是用二维绘图为主的传统设计工作方法，其工作流程，如图 所示。 3 图 1 注塑模具的传统设计流程 随着电子、信息等高新技术的不断发展，模具的发展呈现了以下趋势： 模具 CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化发展 高水平的设计人员的培养 与先进制造技术的结合 模具设计向最优化方向发展 1.2 我国塑料模具的发展趋势 由于塑料工业的快速发展及上述各方面差距的存在 ， 因此我国今后塑料
9、模具的发展速度必将大于模具工业总体发展速度。“十 五”期间 ， 预计每年可望达到 12 %以上的市场增长率。塑料模具生产企业在向着规模化和现代化发展的同时，“小而专”、“小而精”仍旧是一个必然的发展趋势。从技术上来说 ， 为了满足用户对模具制造的“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求 ， 以下的发展趋势也较为明显： 在模具设计制造中将全面推广 CAD/CAM/CAE技术 快速原型制造 （ RPM） 及相关技术将得到更 好的发展 高速铣削加工将得到更广泛的应用 模具高速扫描及数字化系统将在逆向工程中发挥更大作用 电火花铣削加工技术将得到发展 超精加工和复合加工将得到发展 4 热流
10、道技术将得到推广 气体辅助注射技术和高压注射成形等工艺将进一步发展 模具标准化程度将不断提高 优质材料及先进表面处理技术将进一步受到重视 模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展 模具自动加工系统的研制和发展 虚拟技术将得到发展 1.3 注射成型工艺 又称注塑成型。将塑料原料在注射机料筒内加热熔化，通过推杆或螺杆向前推压至喷嘴，迅速注入封闭模具内，冷却后即得塑料制品。注射成型主要用于热塑件塑料，也可用于流动性较大的热固性塑料。能生产形状复杂、薄壁、有金属或非金属嵌件的塑料制品。 工艺原理及过程： 注塑成型主要分为四个阶段，充填、保压、冷却和开模。充填过程是指从高聚物熔体进入型腔到充满型腔这一阶段
11、。在充填阶段，柱塞或螺杆向前推动，熔体通过流道、浇口快速进入模腔内，模腔压力持续上升直到模腔充满。在这阶段，熔体的充填位置、速度、温度、压力和应力等都发生显著的变化。这阶段熔体的充填状态与浇口、流道的设置，模具温度、熔体温度、注射速度（ 时间）和注射压力等参数有关。 注射机基本作用有两个： 加热熔融塑料，使其达到黏流状态； 对黏流的塑料施加高压，使其射进模具型腔。下面以螺杆式注射机为例，介绍注射成型工艺过程， 如图 2所示。 图 2 螺杆式注塑机示意图 充填结束后，注塑过程从注射阶段进入保压阶段，注塑机控制系统也从速度控制切换到压力控制。在保压阶段，注射进模具型腔内的熔体在模壁的冷却作用下而产
12、生收缩，为了得到致密而且尺寸一致的产品，而对熔体保持一定的压力进行补偿，以填补熔体在模腔中收缩5 后的空间。在这阶段，熔体的流速很小，温度变化也小， 但是压力变化很大。此阶段所涉及的参数有保压时间和保压压力。 保压结束，保压压力撤除，浇口封闭后，再也没有熔体进入模腔，注塑过程进入冷却阶段，熔体在模腔内继续冷却、固化定型，直到制品有足够的刚度从模腔中脱出。制品冷却的是否均匀和冷却的速度与冷却管道的尺寸、设置、冷却液的温度和流速有关。这个过程持续到制件完全固化并能从模腔内安全取出，开模取出制件后，一个注塑成型周期完成。 具体操作是：将颗粒状态或粉状塑料从注射机的料斗送进加热筒中经过加热熔融塑化成为
13、粘流态熔体，在注射机柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过喷 嘴注入模具型腔，经一定时间的保压冷却定型后可保持模具型腔所赋予的形状，然后开模分型获得成型塑件。这样就完成了一次注射工作循环（如图 3）。（当螺杆头部的熔体压力达到能够克服注射油缸活塞退回的阻力时，在螺杆转动的同时，逐步向后退回，料筒前端的熔体逐渐增多，当螺杆退到一定位置时，即停止转动和后退，以上过程称为预塑。） 图 3 注射成形工作循环 工艺参数包括温度、压力及时间等。 （ a）温度 注塑成型过程中的温度主要有熔料温度和模具温度。熔料温度影响塑化和注塑充 模，模具温度影响充模和冷却成型。 （ b）压力 注塑成型过程的压力主要包括
14、注塑压力、保压压力。 （ C）时间 注塑成型周期主要由充填时间、保压时间、冷却时间、开模时间组成。 1.4 Pro/E 分型技术 Pro/E中 有两类特征可用于将工件分割为模具型腔：一是由曲面特征；二是实体特征。前者是用分型曲面分割工件，后者是用体积块分割工件。 特征编辑法 特征编辑法是运用模具模块中的曲面特征拉伸、旋转、扫描、混合、平整、复制等工具，通过合并、裁剪、延伸等编辑手段，制作出适合的分型曲面。 阴影分型法 阴影分型法的构造原理是：当一个光源（其方向与开模方向相反）照射在参考模型上时，系统复制参考模型上受到光源照射到的曲面部分而产生一个阴影曲面主体，并将曲面上的孔进行填补，然后自动将
15、其外部边界延伸到所要分割工件的表面，生成一个覆盖型的阴影分型注 射 保 压 冷 却 开 模 顶 出 制 件 合 模 注 射 螺杆预塑 合 模 6 面。 裙边分型法 裙边分型法创建分型面的原理是：首先利用 Pro/E系统提供的侧面影像曲线功能，求出零件在分型方向的最大剖面处的轮廓（包括破孔）曲线。然后系统可以有选择地将这些曲线，按指定的方向自动延伸到模具毛坯的边缘，并将破孔自动补上，以创建分 型面。 体积块分型法 采用体积块分型法分割工件时不需要制作分型面，用聚集体积块方法配合拉伸、旋转等实体特征，创建几个体积块后，再进行体积块的分割与合并。这种方法对于制作模具上的镶拼件、型芯等 非常有效 8。
16、 二、 注塑模具相关研究的最新成果及动态 2.1 CAD/CAE/CAM在塑料注塑模具中的应用 以电池盖为例，介绍 CAD/CAE/CAM技术在其模具设计及制造过程中的应用。 模具是塑料成型生产必需的工艺装备，过去的模具设计工作主要依靠技术人员的经验，而模具的加工制造有在很大程度上依赖于工人的操作技能，因此模具 设计水平低、加工质量差、生产周期长、使用寿命短，新产品更新换代以及正常的成型生产经常因为模具问题而受到干扰。近年来，随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展， CAD/CAM技术的发展和应用越来越普遍，出现了很多可以用于注塑模具设计和制造的软件，其中 PRO/ENGINEER技术近年来在中国
17、应用的最广泛的模具设计软件之一。电池盖机构设计采用 PRO/E用于 CAD/CAM，对电池盖的结构进行设计，避免了以前过多的依赖设计人员的经验，而是设计出来的产品更加科学化、合理化。在实际生产过程中，应用 PRO/ENGINEER软件， 将原来结构模具设计 模具型腔、型芯二维设计 工艺准备 模具型腔、型芯设计三维造型 数控加工指令编程 数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达 40%以上。 2.2 注塑模热流道技术的最新进展及应用 注塑模热流道技术是一种无浇注系统凝料的注塑成 型技术 910。其 原理是对
18、模具的浇注系统进行加热，使塑料熔体在流道中一直保持熔融状态，以避免在成型周期中产生浇注系统凝料。热流道技术是一门先进的热塑性塑料注塑成型技术，与普通流道 成型技术相比，热流道技术具有节省原料、产品质量稳定、成本低廉，尤其是模塑制品的内在品质较普通模塑制品高，其应用日渐 广泛 11。 2.2.1 热流道技术进展 2.2.1.1 喷嘴的设计与技术进展 7 喷嘴是热流道系统的终端，也是热流道系统的关键部位，其作用是将熔体送到模具的型 腔或附加的 2次冷流道。为使流道内的塑料保持熔融状态，往往需要加热，使其处于高温；而在成型制件的型腔部分，为使制件尽快冷却固化，提高生产效率，常需强制冷却，使其处于较低
19、温度，两者之间又要接触（联接），因而存在温差，这是热流道模具中产 生热平衡问题的根源，也是热流道系统必须考虑的重要问题之一。热流道系统喷嘴的功能应满足以下要求： 使喷嘴内的熔体温度恒定，温度分布特性接近直线，避免喷嘴的过量加热。 喷嘴与模具之间需要有热绝缘，避免热量损失，维持喷嘴内熔体温度恒定。 喷嘴与流道板间无泄漏。 方便清洗、拆卸和调换损坏零件。 为了使喷嘴头部的温度迅速降低到与型腔温度相当，必须对喷嘴进行冷却或者采用热传 导方式使喷嘴头部降温。图 4是喷嘴在浇口区常见的冷却方式，图 4（ a） 在模板上直接钻冷却 水孔，图 4（ b） 在浇口处设置可替换的嵌件，此嵌件能提供较好的冷却，在
20、浇口磨损时也能替换，图 4（ c） 的喷嘴头部有导热性好的铜嵌件，冷却效果更好。在这项技术上，各热流道供应商提供的热喷嘴都有自己的特点，如日本本田技研工业株式会社设计的一种新型加热喷嘴，该喷嘴的头部包裹热传导环，使该处热量迅速传导至模板，而喷嘴体则安装加热装置，在喷嘴体和头部之间开绝热凹槽，阻止喷嘴体的热量传递给喷嘴头部，这种结构可以避免脱模时制品拉丝。美国 Abdeslam Bouti等人也设计了一种类似的喷嘴，不同的是在需冷却的浇口附近加热传导环，没有凹槽 。此外， D-M-E的喷嘴采用高导热的铂铜合金接头也起到了很好的降温效果。 1 冷却管道 2 密封圈 3 铜嵌件 图 4 浇口区的常见
21、冷却方式 喷嘴按浇口类型常分为开放式喷嘴、顶针式喷嘴和针阀式喷嘴。开放式喷嘴和顶针式喷 嘴属于热力闭合，靠塑料熔体的冷却冻结实现浇口闭合；针阀式喷嘴则属于机械闭合，依靠8 针阀的运动来控制浇口的闭合，因此可消除塑料熔体的流涎，还可提高制件浇口处的表面质量。但是，采用普通液压与气压控制的针阀会产生 0.3-0.5s的运动延迟，同时针阀运动的控制精度不高，这对精密细小薄壁制 件的充填过程影响很大。为了解决这问题，台湾中原大学Shia-Chung Chen等 人 12采用高压控制，当气压 达到 100个大气压时可使针阀响应时间低于 15 ms，如果活塞尺寸与压力大小适当，响应时间可达 12ms；用此
22、方法进行顺序注塑，制品的表面质量和拉伸强度得到提高，注塑压力较单浇口注塑降低很多。 Ewikon公司开发的电子自动控制的针阀热流道系统可使针阀移动精度达到 0.05mm，一个控制单元最多可同时检测 8个针阀状态，主要适合喷嘴流道直径 6-9mm的热流道系统。而荷兰 synventive公司推出的热喷嘴 阀针在外部微调 1.5mm，即使不打开油缸，也可确保一次操作即可精确调整阀针的高度。在喷嘴的创新设计上，加拿大标准模具有限公司发明了一种具有多轴可调节的歧管和喷嘴，可方便地实现塑料熔体流动方向的调节，实现不规则的浇口设计。而 Roberto D Sicilia等人设计了一种针对双层注射的共注喷嘴
23、，并可以实现动态供料，主要创新在于同一喷嘴中有 2个流道，可同时注射两种不同材料，并使两种材料较好地结合； Mold-Master公司和 Husky公司也有共注喷嘴的相关专利。除此之外， HUSKY的超级流体尖端， Dynisco公司的熔体流阀控制技术， Ewikon共轴针技术与夹芯技术都代表了喷嘴设计的技术前沿。 2.2.1.2 流道板的技术进展 流道板是热流道系统的中心元件，其作用是将塑料熔体恒温地经分流道送入各个喷嘴， 要求熔体在热流道板内压力损失小，没有停料死角，在分流道布置上应尽可能地采用平衡式 布置，均匀地分配物料；流道板与模具间绝热良好，以减少热损失；还需要保证流道板与喷嘴间无泄
24、漏；除此之外，热流道板需要具备足够的刚度，以承受热流道元件以及注射机的机械载荷。热流道板的结构有也内热式和外热式之分。流道板的结 构形状较多，通常有 H形、Y形和 X形三种排布 方式 910，如图 5所 示。 H形排布的流道板的分布面积比 Y形和 X形大，而且流道有 90。的转折分叉，此种结构的熔体传输压力损失较大。根据型腔数目的不同，热流道板多采用多层及平衡流道的组合设计，最多可达 148腔，一般大于 16腔模具布局需要采用多层流道。 图 5 流道板的常见排布方式 流道板的设计需要满足不同客户的需要，要求对客户的需求迅速做出响应，因此必须采 9 用计算机辅助设计 （ CAD） 与计算机辅助分
25、析 （ CAE） 结合，不断提高设计过程的智能化，缩短开发时间。浙 江大学来建良 等人 13开发的 热流道计算机辅助设计系统能根据用户提供的参数，或者用户只需要作简单的选择就可以自动生成热流道系统结构； Patric A Tooman等人 14提出的热流道板设计方法更具有人性化，客户提供流道与喷嘴参数在设计过程中可以不断修改完善，从而最大程度上满足客户需求。流道板的结构也有较多的创新设计，日本MITSUBISHI公司开发了一种上下两板拼合的流道板结构，两板通过燕尾槽连接在一起，保证了配合要求又易于加工；而 NAT RES COUNCII。开发的流道板则有流道套、上下拼合板三部分 组成，方便加工
26、的同时还能有效防止熔体泄漏； RICOH KK开发的流道板由分块板件连接一起而组成，非常易于拆卸，加工也较为方便，但要求有较高的配合精度。流道板的结构花样繁多，但都是出于满足客户的需要与开发周期的缩短考虑。 2.2.2 热流道技术的发展趋势 塑料工业的发展为热流道技术提供了广阔的市场前景，热流道技术发展迅速，其技术含量也越来越高，但也面临着新的挑战，热流道的使用与维护需要更加便，其发展可归结为以下几个面： （ 1）降低成本，要求完全实现自动化的同时增加其可靠性与实用性。 （ 2）满足塑料加工新方法与新材料的要求，如装饰模塑与多组分模塑，新塑料品种的加工等。如 synventive公司推出一系列
27、细长的喷嘴，适合用于织物背面注塑的应用。 （ 3）喷嘴的微型化。成型极小零件是精密注射成型的趋势，对于小型腔，要求喷嘴之间的距离不断缩短。 Guenther公司已经推出了喷嘴距仅为 9mm的热流道系统；德国 HASC0公司新推出的 HT000微型热流道系统可容纳一次注射量 20g的熔体，型腔数最多可达 16腔，单个零件重 0.05-2g，微型浇口的直径最小可以达到 0.4mm； MHT公司推出的 M04型 喷嘴在 380下，用尺寸为 0.4mm的热接头浇口可成功成型仅有 20rng重的聚砜制 件 1516。 （ 4）热流道新材料的使用。要求开发出具有好的热传导及高温下机械强度高的材料，以及能满
28、足有磨损性、腐蚀性塑料成型要求的材料。另外，使用钛合金和反射铝箔实现绝热，使耗电量和热损失最小化。 （ 5）热流道元件的标准化。标准化使元件的互换性与热流道的普及大大增强，这对缩短模具设计与制造周期，降低产品开发成本将起积极的推动作用。 （ 6）计算机辅助技术在热流道中的应用更加普及。计算机应用技术将日益 广泛，使其在热流道设计与制造，以及产品的生产中的作用越来越大，使产品的开发周期大大缩短，并且提高一次成功率。 10 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 3.1 研究内容 本设计项目的内容是对电池盖进行模具设计。 3.2 技术路线及方法 （ 1）根据注塑产品
29、图进行注塑工艺分析，确定该零件是否适宜采用注塑方式进行生产，或者确定在不改变注塑件功能要求情况下，改变注塑件的形状能否获得更好的注塑工艺。 （ 2）根据注塑件的形状特点、生产批量要求以及企业的模具制造能力，确定采用单工序模、复合 模还是连续模加工该注塑件。 （ 3）进行塑件材料的性能分析及材料选择、凸凹模工作尺寸的计算、脱模力的计算、注射速率、合模导向机构的设计、浇注系统的设计、排气系统的设计、温度调节系统的设计等，并考虑注塑工艺条件、和影响工作尺寸的因素（塑件收缩率、 凸凹模工作尺寸的制造公差、凸凹模使用过程中的磨损量、模具在分型面的合模间隙）。 （ 5）根据注塑工序的设计结果，确定模具的总
30、体结构、选择模架、设计工作部件及辅助部件，必要时还应注意注射机的选择、注塑模的选材。 （ 6）绘制模具总装图和零部件图。 3.3 研究 难点 （ 1） 模具工作零件的 设计 与工艺路线； （ 2） 模具 总体结构的确定； （ 3）如何 灵活应用 注塑 工艺设计、 注塑 模设计的方法 。 3.4 预期达到的目标 所设计的模具能用于生产实践 四、论文详细工作进度和安排 2010.11.15-2010.11.20 下达任务书； 2010.11.21-2011.01.10 查阅资料，完成文献综述和 2 篇外文翻译； 2011.01.11-2011.02.25 完成开题报告； 2011.02.26-2011.03.29 完成毕业实习及报告，第 6 周返校，保证设计时间； 2011.03.30-2011.05.09 完成注塑模具的 设计 ，绘制出工程图； 2011.05.09-2011.05.20 完成毕业 论文 初稿； 2011.05.21-2011.05.26 完成毕业 论文 终稿，答辩前准备； 2011.05.27-2011.05.29 毕业答辩。 五、参考文献
