弧形盒注塑模具设计
1 引言:模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被称为“点铁成金”的“磁力工业”，可见其重视程度。当今，“模具就是经济效益”的观念，己被越来越多的人所接受。模具广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、仪器仪表、通信、建筑、玩具、家用电器和轻工业等行业，是世界各国经济建设的支柱产业。
由于我国塑料模具起步晚于西方欧美等国家，加上起初技术水平的限制，致使我国前期塑料模具发展缓慢。随着我国加入国际世贸组织，国内塑料模具工业开始迅速发展，体现在塑料模具相关零件逐步标准化，产品技术含量不断提高，生产加工自动化程度不断提高，制造周期不断缩短，然而，这样快的发展速度仍旧跟不上市场要求，近些年来国产塑料模具在国内市场中的满足率在逐年提高，但进口的塑料模具目前仍占我国市场的20％以上。相比于国外塑料模具的先进水平相比，依然存在不小的差距，主要在于一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口，而国内一些低档塑料模具却供过于求，另外一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势，导致市场竞争激烈，这样就给塑料模具产业带来了巨大的挑战，同时也带来更多的机遇，从整体上看机遇是大于挑战的。
近些年来，大型塑料模具已能生产单套重量达到60t以上的注塑模，精密塑料模具的精度已达到2μm，制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模，高速模具方面已能生产挤出速度达6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤出和低发泡钢塑共挤等各种模具。模具设计、加工以及各种管理将向数字化、信息化方向发展CAD/CAE/CAM/CAPP等将向智慧化、集成化和网络化的方向发展。
总的来说，中国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，塑料模具的发展在未来将会有很好的前景。
2 产品成型工艺分析
2．1 产品结构性能简介
本课题为弧形盒注塑模具设计，其外形结构如下图所示。设计该弧形盒的注塑模具可能遇到的难点：塑件可以直接脱模，分型面的选择应是最大投影面。浇口位置的选择应不影响塑件的外表形状，拟用侧浇口形式。本设计要求材料为ABS，一模两腔。
如图2-1所示该塑件为弧形盒，整个塑件质量为6.73g。塑件最大圆弧半径为105mm，最小圆弧半径为25mm。整体高度为15mm。壁厚均为1mm。
(a) 侧视图 (b) 俯视图
图2-1弧形盒注塑件
2．2 产品工艺分析
2.2.1 ABS塑件的性能
本设计中选用ABS为制件材料。ABS塑料具有良好的综合物理力学性能，它具有聚苯乙烯的良好成型性，聚丁二烯的韧度，聚丙烯腈的化学稳定性和表面硬度，其抗拉强度可达35~50MPa，使用温度在-40℃~100℃，耐热，耐腐，耐油，耐磨，而且尺寸稳定，加工性能优良，适合于一般的机械零件，减磨耐磨零件，传动零件和电信结构件。
ABS塑料的性质和材料性能：ABS塑料为淡黄色不透明，非结晶塑料，密度为1.02~1.05g/cm3，ABS是无定型聚合物，无明显熔点，熔融流动温度不太高，在160~190℃范围具有充分的流动性，而且热稳定性较好，在约285℃时才出现分解现象，因此具有较广的加工温度。ABS具有有一定的吸湿性，含水量为0.3%~0.8%，成型时会在制件上产生斑痕，云纹，银丝，气泡等缺陷，故在成型之前要对其进行干燥处理，在80~90℃下干燥2~3h便可以满足各种成型要求。ABS具有较小的成型收缩率，收缩变化范围约在ε=0.3%~0.8%，弹性模量×，柏松比μ=0.3。
2.2.2 ABS成型工艺
注塑是ABS塑料最重要的成型方法，在设计模具时，为了生产出合格的塑料制件，除了应掌握注塑成型工艺过程外，还应对所选用的注塑机的有关技术参数进行全面的了解。注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机的动模板和定模板上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态。这就需要较核该模具所需要的锁模力。是否在注塑既允许范围内。另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过较核。经分析，本设计适应采用螺杆卧式注塑机。其螺杆式注塑机的工艺参数如下表：
表2-1 ABS塑料的注射工艺参数
注塑机类型 喷嘴形式 喷嘴温度/℃ 料筒温度/℃
螺杆式注塑机 直通式 190~200 前段 中段 后段
200~220 220~240 190~200
模具温度/℃ 注射压力/ MPa 保压力/ MPa 注射时间/s
60~85 85~120 50~80 3~5
保压时间/s 冷却时间/s 成型周期/s 成型温度/℃
15~30 15~30 40~70 160~190
3 注塑工艺方案
3．1 设计步骤
注塑模具的结构设计一般按如下步骤进行，在本章只作简要概述，初步拟订设计方案，具体详细设计依据及计算放在后面进行论述。
（1）确定型腔的数目；
（2）选定分型面；
（3）确定浇注系统；
（4）确定成型零部件；
（5）确定合模导向机构；
（6）确定脱模顶出机构；
（7）温度调节系统分析；
（8）绘制模具结构草图；
（9）典型零件的仿真加工；
3．2 模具工艺方案
（1）根据产品的技术和经济要求拟采用一模两腔结构。
（2）分型面选在塑件的最大投影面上，因为本设计采用的组合式结构，这样便于塑件脱模，排气效果好，同时也便于加工。
（3）浇注系统主流道采用常用的圆锥形，分流道的截面形状为圆形，冷料穴采用拉料杆的冷料穴。浇口的设计采用侧浇口形式，利于充模、便于塑件与冷凝料的分离、有利于修整塑件上留下的痕迹。
（4）顶出机构采用推杆推出机构，推杆对称分布。
3．3 设计软件的选择
三维CAD软件种类很多，国内外模具设计大多采用了三维设计手段，在模具设计与制造上发生了很大的变化。三维通用机械CAD 软件如Pro /E、UG和CATIA，它们都是参数化功能极强的三维模具设计软件，并且都具有完备的自动化设计功能。还有一些专用模具软件。国外的模具设计，特别是型腔模设计均采用三维CAD 设计，生成的三维模型直接用于CAM进行编程，再到CNC加工中心去加工，具有极高的工作效率。
CAE技术提供了可靠的保证。在模具投产之前，CAE软件可以预算测模具结构有关参数的正确性。例如可以采用流动模拟软件来考察熔体在模具腔内的流动过程，从此来改进浇注系统的设计，提高试模的一次成功率。可以用保压和冷却分析软件来考察熔体的凝固和模温的变化。以此来改进冷却系统，调整成型工艺参数，提高塑料制件的质量和生产效率，还可以采用应力分析软件来预测塑件出模后的变形和翘曲。模腔的几何数据能相互地转换为曲面的机床刀具加工轨迹，提高型腔和型芯的加工精度和效率。
3．4 注射机的选择
在设计模具时，为了生产出合格的塑料制件，除了应掌握注塑成型工艺过程外，还应对所选用的注塑机的有关技术参数进行全面的了解。注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态。这就需要较核该模具所需要的锁模力是否在注塑既允许范围内。
3.4.1 所需注射量的计算
1．塑件质量、体积计算
由proe软件分析得知塑件的体积为6.41068 cm3，ABS的平均收缩率取0.55%，则塑件型腔体积 V1=6.05809 cm3。
2．浇注系统凝料体积的初步估算
可按塑件体积的0.6倍计算，由于该模具采用一模两腔，所以浇注系统凝料体积为V2=2×V1×0.6=2×6.05809×0.6≈7.269708 cm3 。
3.4.2 注塑机型号的选择
根据以上计算初步选择注塑机的型号为：XS-ZY-60
表3-1 XS-ZY-60型卧式注塑机主要技术参数
注塑机型号 XS-ZY-60
注射容量/ cm3 60
注射压力/MPa 122
锁模力/kN 500
开合模行程/mm 180
最大注射面积/ cm2 320
喷嘴球半径/mm 12
喷嘴孔直径/mm 4
对注射机注射工艺参数校核如下：
1） 注塑压力校核
塑件成型所需压力与注射机类型、喷嘴形式、塑料流动性、制品形状及尺寸、浇注系统、型腔流动阻力等因素有关。设计模具时，可参考各种塑料的注射成型工艺确定塑件的注射压力，再与注射机的额定压力相比较。
P≥kP0
式中：
P — 注射机注射压力；
k—安全系数k=1.25～1.4；
P0 —塑件成型时所需的注射压力 对于ABS 常取80～110Mpa。
注射压力的范围为100 Mpa～140Mpa，XS-ZY-60的注射压力 P=122Mpa，满足条件。
2）注塑量的校核
Vr≤0.8Vmax
式中：
Vr— 成形塑件所要求的注塑量
Vmax —注塑机一次所能注射量Vmax=60cm3
由于该模具采用一模两腔，所以浇注系统体积为Vr=2V1+ V2 ≈19.28588cm3，故Vmax≥Vr/0.8≈66.1146/0.8≈24.2323cm3 ，满足要求。
3）锁模力的校核
当高压的塑料熔体充满型腔时，会产生一个沿注射机轴向的很大的推力，其大小等于制件与浇注系统在分型面上垂直投影之和乘以型腔内塑料熔体的平均压力。该推力应小于注射机额定的锁模力F，否则注射成型时会因锁模力不紧发生一边跑料现象。锁模力F应满足：
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