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玩具汽車上蓋模具設(shè)計及型腔加工仿真設(shè)計
目 錄
1前言…………………………………………………………………………………1
2 總體方案論證………………………………………………………………………3
3具體設(shè)計說明………………………………………………………………………4
3.1塑件三維造型………………………………………………………………………4
3.1.1塑件測繪…………………………………………………………………………4
3.1.2塑件造型…………………………………………………………………………4
3.2模具設(shè)計計算………………………………………………………………………5
3.2.1塑件材料性能分析………………………………………………………………5
3.2.2型腔數(shù)的確定……………………………………………………………………5
3.2.3型腔壁厚計算……………………………………………………………………6
3.3澆注系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………………………7
3.3.1澆口位置選擇……………………………………………………………………7
3.3.2 澆注系統(tǒng)平衡……………………………………………………………………7
3.3.3澆注系統(tǒng)設(shè)計計算………………………………………………………………7
3.4分型面設(shè)計…………………………………………………………………………9
3.5冷卻系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………………………11
3.5.1設(shè)計計算…………………………………………………………………………11
3.5.2冷卻流道結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………12
3.6頂出系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………………………13
3.7模架設(shè)計……………………………………………………………………………15
3.8模流分析……………………………………………………………………………16
3.9型腔加工仿真………………………………………………………………………22
3.9.1加工零件工藝審查………………………………………………………………22
3.9.2 毛坯的選擇……………………………………………………………………22
3.9.3 基準(zhǔn)選擇………………………………………………………………………22
3.9.4 Master CAM 9.0仿真加工……………………………………………………22
4結(jié)論……………………………………………………………………………………24
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………25
致謝………………………………………………………………………………………26
附錄………………………………………………………………………………………30
摘要：本課題設(shè)計是對玩具汽車的模具設(shè)計和成型零件的加工仿真。設(shè)計過程中采用Pro/E Wildfire 2.0進(jìn)行三維造型、分型面設(shè)計和模流分析，使用EMX 4.1模塊進(jìn)行模具整體設(shè)計，使用Master cam 9.0進(jìn)行模具型腔仿真加工。
本模具依據(jù)廠方給定的注塑機(jī)型號和經(jīng)濟(jì)性確定型腔為一模四腔；考慮模具中的成型位置及精度等諸多種因素的影響，選取分型面在塑件的底面；為使塑件能夠快速均勻冷卻，冷卻流道布置為環(huán)繞式；為使鑲塊結(jié)構(gòu)不發(fā)生泄漏，使用負(fù)壓冷卻水系統(tǒng)；采用平衡式分流道、側(cè)澆口，使型腔同時得到均勻的充填和成型；頂出機(jī)構(gòu)是制品的脫模裝置，依據(jù)塑件結(jié)構(gòu)采用12根頂桿；由于塑件是薄壁結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)注塑不完整，通過模流分析驗證注塑流體可以充滿型腔，符合設(shè)計要求。根據(jù)設(shè)計參數(shù)，使用EMX對模具整體設(shè)計。分析型腔的加工工藝，在Master cam 9.0中完成刀具路徑設(shè)定，確定數(shù)控加工代碼，通過仿真加工確定是否滿足加工要求。
通過使用模具設(shè)計應(yīng)用軟件，使模具設(shè)計效率大大提高，完全符合設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：模具設(shè)計；加工仿真；注塑模具；CAM技術(shù)
The design of the toy automobile top shell mould And
the simulation processing of the mold cavity
Abstract: This topic is to design the toy automobile mold and the simulation processing of the mold cavity. In the design process, Pro/E Wildfire 2.0 were used to construct carries on the three dimensional modeling, design demould the plane and analyse mold flows, the EMX 4.1 modules were used to carry on the mold overall design, Master cam 9.0 were used to carry on the mold cavity simulation processing.
This mold according as the injection molding machine model and the efficient deterministic cavity which assigns based on the factory is four cavities ; Considered in the mold takes shape the position and the precision and so on the various many kinds of factors influence, a selection divided profile is modeling a bottom surface; In order to cause to model to be able the fast uniform cooling, cools the flow channel arrangement for to surround the type; In order to cause to inlay the block structure not to occur divulges, use negative pressure cooling water system; Uses a balance -like divided flow channel, the side runner, at the same time the causing cavity obtains even fills and takes shape; prop up the organization is the product taking off patterns installment, go on the basis models a structure to use 12 mandril ; Because models are the thin-wall construction possibly appears casts not completely, get across flows the analysis confirmation the mold to cast the fluid to be possible the filling cavity, conforms to the design requirement. According to the design variable, uses EMX for the mold overall design. The analysis cavity processing technics, completes the cutting tool way hypothesis in Master cam 9.0, the definite numerical control processing code, through the simulation processing determined whether satisfies the processing request.
Through the use mold design application software, makes the mold rated capacity to enhance greatly, conforms to the design requirement completely.
Key words: mold design; processing simulation; enjection mould; cam technology
1前言
近年來，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展和通用工程塑料在強(qiáng)度和精度等方面的不斷提高，塑料制品的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，如：家用電器、儀器儀表，建筑器材，汽車工業(yè)、日用五金等眾多領(lǐng)域，塑料制品所占的比例正迅猛增加。一個設(shè)計合理的塑料件能代替多個傳統(tǒng)金屬件。工業(yè)產(chǎn)品和日用產(chǎn)品塑料化的趨勢不斷上升。
采用模具生產(chǎn)制件具有生產(chǎn)效率高，質(zhì)量好，切削少，節(jié)約能源和原材料，成本低等一系列優(yōu)點，模具成型已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段，成為多種成型工藝中最具有潛力的發(fā)展方向。模具是機(jī)械、電子等工業(yè)的基礎(chǔ)工業(yè)，它對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展起著越來越大的作用。
一個國家模具生產(chǎn)能力的強(qiáng)弱、水平的高低，直接影響著許多工業(yè)部門的新產(chǎn)品的開發(fā)和老產(chǎn)品的更新?lián)Q代，影響著產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高。對塑料模具的全面要求是：能高效地生產(chǎn)出外觀和性能均符合使用要求的制品。模具制造要求模具零件的加工工藝性能好，選材合適，制造容易，成本低廉。應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)塑料制品質(zhì)量和模具之間的關(guān)系，模具的形狀、尺寸精度、表面粗糙度、分型面的位置、脫模方式對塑件的尺寸精度、形位精度、外觀質(zhì)量影響很大。
發(fā)展概況和應(yīng)用背景
塑料工業(yè)近20年來發(fā)展十分迅速，早在7年前塑料的年產(chǎn)量按體積計算已經(jīng)超過鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和，塑料制品在汽車、機(jī)電、儀表、航天航空等國家支柱產(chǎn)業(yè)及與人民日常生活相關(guān)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。塑料制品成形的方法雖然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具產(chǎn)量中約半數(shù)以上是注塑模具。
隨著塑料制品復(fù)雜程度和精度要求的提高以及生產(chǎn)周期的縮短，主要依靠經(jīng)驗的傳統(tǒng)模具設(shè)計方法已不能適應(yīng)市場的要求，在大型復(fù)雜和小型精密注射模具方面我國還需要從國外進(jìn)口模具。
我國模具工業(yè)目前技術(shù)水平參差不齊，懸殊較大。從總體上來講，與發(fā)達(dá)工業(yè)國家及港臺地區(qū)先進(jìn)水平相比，還有較大的差距。
在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技術(shù)設(shè)計與制造模具方面，無論是應(yīng)用的廣泛性，還是技術(shù)水平上都存在很大的差距。在應(yīng)用CAD技術(shù)設(shè)計模具方面，僅有約10%的模具在設(shè)計中采用了CAD，距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走；在應(yīng)用CAE進(jìn)行模具方案設(shè)計和分析計算方面，也才剛剛起步，大多還處于試用和動畫游戲階段；在應(yīng)用CAM技術(shù)制造模具方面，一是缺乏先進(jìn)適用的制造裝備，二是現(xiàn)有的工藝設(shè)備（包括近10多年來引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備）；在應(yīng)用CAPP技術(shù)進(jìn)行工藝規(guī)劃方面，基本上處于空白狀態(tài)，需要進(jìn)行大量的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)工作；在模具共性工藝技術(shù)，如模具快速成型技術(shù)、拋光技術(shù)、電鑄成型技術(shù)、表面處理技術(shù)等方面的CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用在我國才剛起步。計算機(jī)輔助技術(shù)的軟件開發(fā)，尚處于較低水平，需要知識和經(jīng)驗的積累。中國模具行業(yè)中的技術(shù)人員，只占從業(yè)人員的8%~12%左右，且技術(shù)人員和技術(shù)工人的總體技術(shù)水平也較低。由于市場競爭的加劇和企業(yè)信息化的需要,企業(yè)對計算機(jī)輔助模具設(shè)計有著強(qiáng)烈的需求。國內(nèi)外學(xué)者在模具CAD技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,并進(jìn)行了一些實用系統(tǒng)的開發(fā)。但是,目前大多數(shù)的模具CAD系統(tǒng)是基于二維CAD平臺(如AutoCAD)開發(fā)的,在計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,這種二維模具CAD系統(tǒng)已不能滿足要求。當(dāng)前逐漸完善起來的三維CAD軟件,如Pro/E、UG、等具有強(qiáng)大的造型、裝配功能和豐富的輔助設(shè)計手段,為三維模具CAD系統(tǒng)的開發(fā)與研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
本課題是對玩具汽車上殼制品進(jìn)行測繪、模具設(shè)計、模具型腔仿真加工及數(shù)控編程。課題來源于生產(chǎn)實踐?；谏a(chǎn)實踐之上的對小汽車制品的模具設(shè)計以及仿真加工。在設(shè)計過程中要解決小汽車制品測繪、模具設(shè)計、在模具設(shè)計時對分型面的選擇、澆口形式與位置的確定、型腔位置的安排、定模冷卻水道的設(shè)置、工藝分析及數(shù)控編程及加工仿真等問題。小汽車制品的幾何尺寸進(jìn)行測量后要進(jìn)行合理的后處理。模具分型面處在同一平面時不需要一定的角度，所以選擇底面為分型面。本模具設(shè)計采用側(cè)澆口，并要避開制品點畫線所示的高光量區(qū)域。為使流道平衡,應(yīng)使各型腔距主流道距離均等。由于所成型的制品形狀簡單且?guī)缀纬叽巛^小,因此可采用冷卻水道圍繞型腔鑲件的冷卻方式。模具方案設(shè)計完成后對型腔進(jìn)行仿真加工及數(shù)控編程。據(jù)此方案可以達(dá)到設(shè)計的預(yù)期效果。并且大大提高了注塑模的質(zhì)量和效率。
2總體方案論證
本課題的設(shè)計目的是對玩具汽車上殼的三維造型及優(yōu)化、塑料注射模具設(shè)計、模具型加工仿真及數(shù)控編程。其中：a. 制品的尺寸精度要求：長度方向小于0.50，厚度方向小于0.10； b. 制品材料：ABS；c. 制品表面粗糙度：不低于實物表面；d. 制品生產(chǎn)批量：5萬；e. 制品其他要求：符合設(shè)計規(guī)范。在進(jìn)行零件的三維造型之前，首先對塑件進(jìn)行測繪，繪制塑件二維工程圖，然后根據(jù)工程圖進(jìn)行塑件的三維造型，再進(jìn)行型腔的設(shè)計主要是分型面的設(shè)計，接著就是把分型后的型腔裝配組件調(diào)入EMX4.1進(jìn)行整個模架的設(shè)計，最后進(jìn)行仿真加工及數(shù)控編程。
首先是對塑件進(jìn)行測繪。由于該塑件大都為曲面實際測量有一定困難所以采用多次取斷面進(jìn)行測量的方法。測繪好后使用Pro/E Wildfire2.0進(jìn)行三維造型。主要采用拉伸、除料、抽殼等步驟造型。在三維造型之后可以通過Pro/E Wildfire2.0下的“塑料顧問”進(jìn)行模流分析，通過計算可以驗證塑料膠體能不能完全填充滿型腔。而后使用Pro/E Wildfire2.0下的EMX4.1模塊進(jìn)行整個模架設(shè)計。根據(jù)工廠現(xiàn)有設(shè)備的注射量、鎖模力等方面進(jìn)行考慮，還有塑件的精度等級確定采用一模四腔。要確保塑件及澆注系統(tǒng)所需的注射量不超過注射機(jī)最大容量的80％。接著對各個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，首先是澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)分為主流道、分流道、澆口、冷料穴等。主流道的中心線與注射機(jī)噴嘴的中心線在同一條直線上。由于主流道與高溫高壓的熔融塑料接觸所以外面要加個澆口套。澆口套要進(jìn)行淬火處理，這樣可以延長模具的使用壽命。分流道的半徑與塑料種類和所需熔融塑料的體積有關(guān)，本模具設(shè)計取6mm。主流道與分流道采用圓角過渡，這樣可以減小料流轉(zhuǎn)向過渡時的阻力。分流道的布置要均勻處理，確保熔融塑料由主流道到各分流道的距離相等。分流道表面不必很光，可以使熔融塑料的冷卻皮層固定，有利于保溫。分流道與澆口采用圓弧過渡，有利于熔料的流動及填充。澆口主要有兩個作用，一是起控制作用，二是壓力撤銷后封鎖型腔，不產(chǎn)生倒流。在整個模架設(shè)計中所有的模架零部件都在EMX中根據(jù)自己計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，所有零部件的三維造型都會在設(shè)計完成夠自動生成，對以后的二維工程圖的繪制提供依據(jù)。模具設(shè)計完成后，進(jìn)行型腔的加工工藝分析，在確定加工工藝步驟后，在Master CAM 9.0 中進(jìn)行刀具路徑設(shè)定完成仿真加工，而后輸出數(shù)控程序。
3具體設(shè)計說明
3.1塑件三維造型
3.1.1塑件的測繪
塑件為玩具汽車上蓋，使用游標(biāo)卡尺對塑件進(jìn)行測繪。我們最終設(shè)計制造的是這個玩具的模具，而我們所取的塑件是模具生產(chǎn)出來的大量塑件中的一個，由于制造的原因，塑件在出模后不可避免的會產(chǎn)生一定的變形，因此對該零件的測量數(shù)值需要進(jìn)行分析處理。如對塑件較大尺寸誤差的進(jìn)行修正，對相同形狀處所測不同尺寸的取均值進(jìn)行圓整，對一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后繪出零件的測繪草圖。由于條件限制所以采用多次取斷面進(jìn)行測量的辦法。
量具：游標(biāo)卡尺（0～300、0.02） 垂直卡尺等。
測繪時應(yīng)該注意做到以下幾點：
a. 測繪過程中必須把被測物體放在工作平面上；
b. 采用多次測量求平均值；
c. 正確地讀取數(shù)據(jù)。
該塑件外形尺寸約為102.88×31.46×33.55 mm，制品投影面積約為13885.12mm2,體積約為 9.383 cm3。
3.1.2塑件三維造型
塑件測繪草圖出來以后，應(yīng)該根據(jù)塑件的測繪圖，對塑件的進(jìn)行三維造型。三維造型可以選用Pro/e Wildfire2.0軟件，三維造型的所有參數(shù)與測繪的數(shù)據(jù)一致。首先打開三維軟件Pro/e Wildfire2.0，進(jìn)入零件設(shè)計界面，然后在豎直面內(nèi)畫玩具汽車的中間截面的斷面圖，點擊命令，向兩邊進(jìn)行放樣拉伸，接著在繪制好的曲面上進(jìn)行除料繼續(xù)使用命令，選擇其中的去除材料命令，由于塑件玩具汽車的上蓋的外殼所以還要進(jìn)行薄壁處理。由于該塑件大都是曲面都是圓滑過渡所以在三維造型中要使用倒圓角命令。
三維造型如圖3-1所示：
圖3-1 塑件三維造型
3.2模具設(shè)計計算
3.2.1塑件材料性能分析
塑件材料ABS，密度取1.01g/ cm3，脫模斜度取1°，ABS收縮率（0.3～0.8）%，取0.5% 。
成型性能：
a. 無定形料，流動性中等，比聚苯乙烯、AB差，但比聚碳酸脂，聚氯乙烯，溢邊值為0.04mm左右
b. 吸濕性強(qiáng)，必須充分干燥，表面要求光澤的塑件必須經(jīng)長時間的預(yù)熱干燥
c. 成型時宜取高料溫、高模溫，但料溫過高易分解（分解溫度為≧250℃）。對精度較高的塑件，模溫宜娶50～60℃；對光澤、耐熱塑件，模溫宜取60～80℃。注射壓力高于聚苯乙烯。用柱塞式注射機(jī)成型時，料溫為180～230℃，注射壓力為（1000～1400）×105Pa。
用螺桿式注塑機(jī)成型時，料溫為160～220℃，注射壓力為（700～1000）×105Pa。
塑件的尺寸精度一般是根據(jù)使用要求確定的，但還必須充分考慮塑料的性能及成型工藝的特點。由于該塑件是作為普通的兒童玩具，要求其外表面光滑，既不會在使用過程中對人造成傷害，還要必須考慮其外形的美觀。因此取一般精度等級為6級。
3.2.2型腔數(shù)的確定
型腔的數(shù)量是由廠方給定的注塑機(jī)型號XS—ZY—125來確定的 ，并且從塑件的尺寸精度考慮，由于該制品精度等級6所以型腔數(shù)控制在四腔之內(nèi)，并且零件是汽車玩具上殼，體積小，大批量生產(chǎn)，從注塑經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)來確定。
熱塑性塑料注射機(jī)型號：XS—ZY—125
具體參數(shù)如下表：
表3-1 注塑機(jī)參數(shù)
型號
XS—ZY—125
螺桿（柱塞）直徑／mm
42
注射容量/ cm3
125
注射壓力/( 105Pa)
120
鎖模力/(kN)
900
最大注射面積/ cm2
320
模具厚度
最大/mm
300
最小/mm
200
模板行程/mm
300
噴嘴
孔直徑/mm
4
球半徑/mm
12
定位孔直徑/mm
100
注射時間s
1.6
動，定模固定板尺寸mm
428×458
以機(jī)床的注塑能力為基礎(chǔ)，每次注射量不超過注射機(jī)最大注射量的80%
（3-1）
式中 N—型腔數(shù)；
S—注射機(jī)的注射量，g；
—澆注系統(tǒng)的質(zhì)量，g；
—塑件質(zhì)量，g；
塑件體積=9.383 cm3 ； 塑件質(zhì)量=9.383×1.1≈10.3 g ；
澆注系統(tǒng)體積=15.79 cm3 ；
=15.79×1.1≈17.89 g ；
經(jīng)計算：N≤4
因此型腔數(shù)確定為一模四腔。
額定鎖模力：
選用注射機(jī)的鎖模力必須大于型腔壓力產(chǎn)生的開模力，不然模具分型面要分開而產(chǎn)生溢料。注射時產(chǎn)生的型腔壓力對柱塞式注射機(jī)因注射壓力損失較大，所以型腔壓力為注射壓力的40%～70%；而有預(yù)塑裝置的注射機(jī)及螺桿式注射機(jī)損失較小，所以型腔壓力較大。另外，對不同流動性的塑料，不同的噴嘴和模具結(jié)構(gòu)形式，其壓力損失也不一樣。一般熔料經(jīng)噴嘴時其注射壓力達(dá)60～80MPa，經(jīng)澆注系統(tǒng)入型腔時則型腔壓力一般為25～50MPa。
鎖模力和成型面積的關(guān)系由下式確定：
（3-2）
式中 ：—鎖模力，kN；
—型腔壓力，一般取40～50 MPa ；
A —澆道、進(jìn)料口和塑件的投影面積，mm2；
計算：×A/1000=50×13885.12÷1000=694.256 KN
=900KN
所以：≧×A/1000 公式成立
3.2.3 型腔壁厚計算
型腔和底是一體的，其壁厚h可按下式計算：
（3-3）
式中 t—側(cè)壁厚度，mm ；
p—型腔壓力，一般取50MPa ；
l—側(cè)壁邊長，l=102.88mm ；
E—彈性模量，鋼取2.058,MPa
—允許變形量，cm (取0.05)；
h—承受塑料壓力部分側(cè)壁高度，h=25.44mm；
H—側(cè)壁全高，H=33.55mm.
計算得：t≥23.44mm
3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計
3.3.1 澆口位置選擇
模具設(shè)計時，澆口的位置及尺寸要求比較嚴(yán)格，初步試模后還需進(jìn)一步修改澆口尺寸，無論采用何種澆口，其開設(shè)位置對塑件成型性能及質(zhì)量影響很大，因此合理選擇澆口的開設(shè)位置是提高質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，同時澆口位置的不同還影響模具結(jié)構(gòu)?？傊顾芗哂辛己玫男阅芘c外表，一定要認(rèn)真考慮澆口位置的選擇，通常要考慮以下幾項原則：
a. 盡量縮短流動距離；
b. 澆口應(yīng)開設(shè)在塑件壁厚最大處；
c. 必須盡量減少熔接痕；
d. 應(yīng)有利于型腔中氣體排出；
e. 考慮分子定向影響；
f. 避免產(chǎn)生噴射和蠕動；
g. 澆口處避免彎曲和受沖擊載荷；
h. 注意對外觀質(zhì)量的影響。
根據(jù)本塑件的特征，綜合考慮以上幾項原則，確定每個型腔使用一個進(jìn)澆點，澆口點在塑件分型面上，對塑件外觀影響很小，人工切除澆注系統(tǒng)殘料。
3.3.2 澆注系統(tǒng)的平衡
對于中小型塑件的注射模具己廣泛使用一模多腔的形式，設(shè)計應(yīng)盡量保證所有的型腔同時得到均勻的充填和成型。一般在塑件形狀及模具結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)將從主流道到各個型腔的分流道設(shè)計成長度相等、形狀及截面尺寸相同（型腔布局為平衡式）的形式，否則就需要通過調(diào)節(jié)澆口尺寸使各澆口的流量及成型工藝條件達(dá)到一致，這就是澆注系統(tǒng)的平衡。顯然，我們設(shè)計的模具是平衡式的，即從主流道到各個型腔的分流道的長度相等，形狀及截面尺寸都相同。
3.3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計計算
澆注系統(tǒng)是塑料熔體自注射機(jī)的噴嘴射出后，到進(jìn)入模具型腔以前所流經(jīng)的一段路程的總稱。澆注系統(tǒng)是由主流道、分流道、進(jìn)料口、冷料穴等組成。在設(shè)計澆注系統(tǒng)時應(yīng)考慮下列有關(guān)因素：
a. 塑料成形特性 設(shè)計澆注系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)所用塑料的成形特性的要求，以保證塑件質(zhì)量。
b. 塑件大小及形狀 根據(jù)塑件大小，形狀壁厚、技術(shù)要求等因素，結(jié)合選擇分型面考慮設(shè)置澆注系統(tǒng)的形式、進(jìn)料口數(shù)量及位置，保證正常成形。還應(yīng)注意防止流料直接沖擊塑件及細(xì)弱型芯或型芯受力不勻，以及應(yīng)充分估計可能產(chǎn)生的質(zhì)量弊端和部位等問題，從而采取相應(yīng)的措施或留有修整的余地。
c. 型腔數(shù) 設(shè)置澆注系統(tǒng)還應(yīng)考慮到模具是一模一腔還是一模多腔，澆注系統(tǒng)需按型腔布局設(shè)計。
d. 塑件外觀 設(shè)置澆注系統(tǒng)時應(yīng)考慮到去除、修整進(jìn)料口方便，同時不影響塑件的外表美觀。
e. 注射機(jī)安裝板的大小 在塑件投影面積比較大時，設(shè)置澆注系統(tǒng)時應(yīng)考慮到注射機(jī)模板大小是否允許，并應(yīng)防止偏離模具中心開設(shè)主流道，造成注射時受力不勻。
f. 成形效率 在大量生產(chǎn)時設(shè)置澆注系統(tǒng)還應(yīng)考慮到在保證成形質(zhì)量的前提下盡量縮短流程，減少斷面積以縮短填充及冷卻時間，縮短成形周期，同時減少澆注系統(tǒng)損耗的塑料。
g. 冷料 在注射間隔時間，噴嘴端部的冷料必須除去，防止注入型腔影響塑件質(zhì)量，在設(shè)計澆注系統(tǒng)時應(yīng)考慮儲存冷料的措施。
A. 澆口設(shè)計：
一般情況下，如圖3-2所示的澆口，其參數(shù)通取數(shù)值如下：
a. d=注射機(jī)噴嘴孔直徑+（0.5～1）mm；
b. a=2°～4°（對流動性差的塑料等情況，也有取3°～6°；
c. D≈流道的寬度mm；
d. H按具體情況選擇，一般為3～8mm；
e. R=注射機(jī)噴嘴的球面半徑+（2～3）mm；
f. r按具體情況一般取1～3mm；
g. L應(yīng)盡量縮短，若L值大，使塑料降溫過多，損耗大，一般不超過60mm，如需要很長時應(yīng)采用熱延長噴嘴等諸措施。
圖3-2 澆口參數(shù)
B. 分流道設(shè)計：
確定分流道的尺寸應(yīng)考慮以下因素：
a. 塑件的形狀和壁厚 要能充分填滿模腔，充分傳遞注射壓力，保證補(bǔ)縮；
b. 澆口和型腔的距離 為了克服流動阻力，應(yīng)按分流道的長短決定分流道的粗細(xì)；
c. 對澆道硬化的考慮 澆道過粗則固化時間過長，影響成型周期；
d. 成型材料的種類 按流動性大小決定澆道的斷面；
e. 加工澆道的工具 應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)刀具的輪廓和尺寸。
由于模具是一模四腔，采用平衡式分流道，側(cè)澆口。
設(shè)計如圖3-3、圖3-4所示如下：
圖3-3 流道參數(shù)
3.4分型面的設(shè)計
如何確定分型面，需要考慮的因素比較復(fù)雜。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆注系統(tǒng)設(shè)計、塑件的結(jié)構(gòu)工藝性及精度、嵌件位置形狀以及推出方法、模具的制造、排氣、操作工藝等多種因素的影響，因此在選擇分型面時應(yīng)綜合分析比較，從幾種方案中優(yōu)選出較為合理的方案。選擇分型面時一般應(yīng)遵循以下幾項原則：
a. 分型面應(yīng)選在塑件外形最大輪廓處；
b. 便于塑件順利脫模，盡量使塑件開模時留在動模一邊；
c. 保證塑件的精度要求；
d. 滿足塑件的外觀質(zhì)量要求；
e. 便于模具加工制造；
f. 對成型面積的影響；
g. 對排氣效果的影響；
h. 對側(cè)向抽芯的影響。
根據(jù)以上原則確定分型面在塑件最底面。
在做分型面之前，先進(jìn)入Pro/E Wildfire 2.0下的制造模塊，選擇子菜單。去掉默認(rèn)選擇，選擇mm為單位。首先要做的是把塑件的三維造型調(diào)入，其次選擇型腔工件的大小，這里我們選擇一模四腔，接著制作分流道的制作，選擇[特征]→[型腔組件]→[流道]制做完成流道。制作分型面，首先，復(fù)制整個塑件表面，接著對塑件的破孔進(jìn)行修補(bǔ)，使用[平整]命令，接著和先前復(fù)制的塑件外表面進(jìn)行[合并]，再創(chuàng)建底平面，使用[拉伸]命令分割整個工件，在和先前合并的曲面再次合并，使之成為一個曲面。接著[分割]整個工件。完成整個分型面的制作。之后[抽取]分型面分割的上下兩工件（全選），生成凸模（圖3-5）、凹模（圖3-6）。
通過Pro/E Wildfire 2.0軟件制作分型面效果圖（圖3-7）：
圖3-5 分型面
圖3-6 型芯
圖3-7 型腔
3.5冷卻系統(tǒng)設(shè)計
3.5.1設(shè)計計算
模具設(shè)計冷卻裝置的目的，一是防止塑件脫模變形；二是縮短成型周期；三是使結(jié)晶性塑料冷凝形成較低的結(jié)晶度，以得到柔軟性、擾曲性、伸長率較好的塑件。冷卻形式一般在型腔、型芯等部位合理地設(shè)置通水冷卻水路，并通過調(diào)節(jié)冷卻水流量及流速來控制模溫。冷卻水一般為室溫冷水，必要時也有采用強(qiáng)迫通水或低溫水來加強(qiáng)冷卻效率。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計對塑料質(zhì)量及成型效率直接有關(guān)，尤其在高速、自動成型時更應(yīng)注意。
A. 設(shè)計冷卻管道考慮因素：
a. 模具結(jié)構(gòu)形式，如普通模具、細(xì)長型芯的模具及脫模機(jī)構(gòu)障礙多的或鑲塊多的模具，對冷卻系統(tǒng)設(shè)計直接有關(guān)；
b. 模具的大小和冷卻面積；
c. 塑件熔接痕位置；
B. 冷卻水孔的開設(shè)原則：
a. 邊離型腔的距離一般保持在15～25mm，距離太近則冷卻不宜均勻，太遠(yuǎn)則效率低。水孔直徑一般在8mm以上，根據(jù)模具大?。ㄋ芗亓浚Q定；
b. 孔通過鑲塊時，應(yīng)該考慮鑲套管等密封問題；
c. 孔管路應(yīng)暢通無阻；
e. 管接頭（冷卻水嘴）的位置盡可能放置在不影響操作的一側(cè)；
f. 冷卻水孔管路最好不開設(shè)在型腔塑料熔接的地方，以免影響塑件強(qiáng)度；
C. 冷卻計算：單位時間內(nèi)進(jìn)入模具應(yīng)除去的總熱量Q，可以用下式計算：
Q=W1 × a （3-5）
式中 W1—單位時間內(nèi)進(jìn)入模具的塑料的重量g
a—克塑料的熱容量(J/g) 查表6-171 得130 J/g
經(jīng)計算：Q=66.6525×1.1÷1.6×130≈5957.067 J
則帶走上述熱量，所需的冷卻水量按下式計算：
（3-6）
式中 W—通過模具冷卻水的重量(g/h)
T3—出水溫度℃ 查表得 ABS模具溫度40～60℃
T4—入水溫度℃ 取常溫24℃
K—熱傳導(dǎo)系數(shù)；凹模板或凸模板鉆孔的冷卻水道K=0.64
經(jīng)計算： W≈357.997 g/h
由下式可以計算出冷卻水道的直徑：
（3-7）
式中 p —冷卻液容重g/cm3
L —冷卻水道長度cm
d—冷卻水道直徑cm
經(jīng)計算：d≈1.068 cm 取12mm
3.5.2冷卻流道結(jié)構(gòu)設(shè)計
本模具采用一模四腔結(jié)構(gòu)，為使各個塑件都能均勻冷卻，設(shè)計如圖3-8：
圖3-8 冷卻流道
普通冷卻系統(tǒng)是將壓力水送入模具冷卻系統(tǒng)，由于模具使用鑲塊結(jié)構(gòu)，當(dāng)水道通過鑲拼結(jié)構(gòu)時會發(fā)生漏水問題，這里使用美國Logic Devices公司研制的一種負(fù)壓冷卻水系統(tǒng)，通過特殊的容積泵來抽吸泵送模具冷卻水路中的冷卻水，使冷卻水系統(tǒng)形成負(fù)壓，即使冷卻水系統(tǒng)直接通過鑲拼模塊的鑲拼縫，而不采用特殊的密封裝置，也不會發(fā)生漏水的問題。
3.6頂出系統(tǒng)設(shè)計
塑件在模具中冷卻定型時，由于熱收縮其體積和尺寸逐漸縮小，在塑料的軟化溫度以前熱收縮并不造成對型芯包緊力，但制品固化后繼續(xù)降溫則會對型芯產(chǎn)生包緊力，包緊力帶來的正壓力，垂直于型芯表面，脫模溫度越低正壓力越大，脫模時必須克服該包緊力所產(chǎn)生的摩擦力。
注射模具的頂出系統(tǒng)是制品的脫模裝置。在設(shè)置頂出系統(tǒng)時，首先需要確定當(dāng)模具開啟后，制品的留模形式，頂出系統(tǒng)必須是建立在制品所滯留的模具部分中。通常，由于注塑機(jī)的頂出機(jī)構(gòu)是設(shè)置在動模板一側(cè)，因此大多數(shù)模具的頂出系統(tǒng)是安裝在動模中的。本套模具設(shè)計每個塑件用三根直徑3的推桿頂出，總共使用12根。
推桿直徑確定：
薄壁塑件收縮使型芯全面積所受總壓力：
（3-8）
E—塑料拉伸彈性模量；2/GPa
—塑料收縮率；0.5%
—塑料泊松比；0.33
t—壁厚；1
l—型芯長；
經(jīng)計算得：FP=9.37×104
推桿設(shè)計：
穩(wěn)定裕度：
（3-9）
穩(wěn)定裕度對于鋼錐桿取2。
對于常見的等截面圓形推桿直徑：
（3-10）
F0—臨界負(fù)荷，N
F—一根推桿允許的負(fù)荷，N
L—等斷面推桿為推桿全長
經(jīng)計算得：d=1.96
結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)取推桿直徑為3mm。
根據(jù)模具各零件的設(shè)計參數(shù)繪制模架結(jié)構(gòu)裝配圖如圖3-9：
a.主視圖
b.俯視圖
圖3-9 裝配結(jié)構(gòu)圖
3.7模架設(shè)計
使用Pro/E “專家模座系統(tǒng)” EMX4.1設(shè)計整個模架，“專家模座系統(tǒng)” 是Pro/E系統(tǒng)的一個模塊，專門用來創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)模座零件及滑塊、斜銷等其他附件，此外，在EMX系統(tǒng)中還能自動產(chǎn)生2D工程圖及BOM表，是一個功能相當(dāng)強(qiáng)大且使用上非常方便的工具。
“專家模座系統(tǒng)”有下列幾個重要的特點：
a. 2D的操作接口，使用方便；
b. 易于修改及重新定義；
c. 內(nèi)建非常豐富的模座組件數(shù)據(jù)庫；
d. 可動態(tài)模擬開模動作及干涉檢查。
在做模架之前，首先設(shè)置工作目錄到特定文件夾，[EMX4.1]→[項目]→[新建]設(shè)置項目名稱（不可以和前面的型腔型芯的名稱組件相同），加載型腔型芯組件命令，使用默認(rèn)裝配，[項目]→[準(zhǔn)備]設(shè)定每個工件是屬性，[項目基體]→[組件定義]→[載入/保存組件]→→→[載入]→如下圖3-10所示為模架基本體，根據(jù)設(shè)計計算和模具手冊設(shè)定各板參數(shù)，并且[添加設(shè)備]→[定位環(huán)]、[復(fù)位銷]、[澆口襯套]。最后根據(jù)型腔型芯組件的尺寸設(shè)定[型腔切口]
完成基本設(shè)置[確定]后，EMX4.1自動生成整個模架，接下來是設(shè)定頂桿和冷卻水道，通過[EMX]→[頂桿]、[水線]設(shè)定，完成后如圖3-11所示：
圖3-10 組件定義
圖3-11 模具三維裝配圖
開模模擬圖3-12：
圖3-12 開模圖
3.8模流分析
使Pro/E Wildfire2.0的“塑料顧問”對塑件進(jìn)行模流分析，“塑料顧問”（Plastic Advisor），是Pro/E系統(tǒng)的外掛程序之一，屬于計算機(jī)輔助工程（CAE）分析軟件，專門用來處理塑料射出成型的模流分析，使設(shè)計者能在模具設(shè)計階段，對塑料在模穴中的填充情況能有所掌握。
使用“塑料顧問”作模流分析必須先了解幾個重要的特點，現(xiàn)分述于下
a. 直接讀取Pro/E 3D模型資料，無需另外創(chuàng)建網(wǎng)格；
b. 計算時將膠體視為牛頓流體，即線性的假設(shè)；
c. 著重的初期填充分析，并不支持后填充及冷卻；
d. 內(nèi)建相當(dāng)豐富的塑料數(shù)據(jù)庫，包括世界知名企業(yè)。
運(yùn)行Plastic Advisor,按下窗口上方圖標(biāo)工具欄→出現(xiàn)Molding Parameters對話框，在Specific Material區(qū)域按下[Search]→出現(xiàn)Search criteria對話框，在對話框的Search Fields區(qū)域按下[Add]→出現(xiàn)Add Search Fields對話框，選取Family name→按下[Add]，回到Search Criteria對話框，在對話框右側(cè)Substring處鍵入abs，按下[OK]后，出現(xiàn)Select Thermoplastics material對話框，在Select Thermoplastics material 對話框中列出了數(shù)據(jù)庫中搜索到的ABS材料。在對話框中選取標(biāo)號1的材料→按下[Select]→回到Molding Parameters對話框，按下[確定]完成材料的選擇。按下窗口上面圖標(biāo)工具欄的→出現(xiàn)Analysis Selection 對話框（圖3-13）。
運(yùn)行下面界面中的各項：
圖3-13 分析選擇界面
按下[Start]→系統(tǒng)開始進(jìn)行計算：
測試第一項結(jié)果如圖3-14下：
圖3-14 模具窗口測試
測試第二項結(jié)果分析如圖3-15所示，測試后結(jié)果圖4-16。
圖3-15 注塑表面分析結(jié)果
圖3-16 注塑表面效果圖
分析結(jié)果顯示注射表面完全可以達(dá)到要求。
測試第三項結(jié)果分析如圖3-17所示：
圖3-17 填充性能分析
分析結(jié)果顯示選用此塑料可以很容易的填滿型腔，但品質(zhì)可能不佳，故窗口上方的燈亮黃色，意味著不滿意但可以接受。
測試第四項結(jié)果分析如圖3-18所示，測試結(jié)果如圖3-19所示。
圖3-18 冷卻分析結(jié)果
圖3-19 冷卻效果分析圖
分析結(jié)果顯示圖中紅色區(qū)域的溫度比其他的區(qū)域溫度高出很多，這是由于這部分膠體比較厚實，在同等時間內(nèi)比其他區(qū)域冷卻的比較慢。但這并不影響塑件的質(zhì)量和使用。
測試第五項結(jié)果分析如圖3-20所示，測試結(jié)果如圖3-21所示。
圖3-20 表面凹陷分析結(jié)果
圖3-21 表面凹陷效果圖
分析結(jié)果顯示圖示區(qū)域為下沉斑紋，但由于在塑件內(nèi)部并且下沉的的深度小于0.05mm不影響外觀和使用要求。結(jié)合前面的冷卻質(zhì)量分析結(jié)果，這是由于這個部位冷卻較慢所引起的。
綜合上述分析，可以了解到制品完全達(dá)到設(shè)計使用要求。
3.9 型腔加工仿真
3.9.1加工零件工藝審查
A. 零件結(jié)構(gòu)特點：
該零件是注塑模的型腔，矩形外表面和動模板配合，型腔結(jié)構(gòu)以曲面為主加工比較復(fù)雜。由于型芯在注塑時需要承受一定的壓力和溫度，故該零件需要有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和韌性。
B. 主要技術(shù)要求：
零件圖上的主要技術(shù)要求有：a. 熱處理：HB230～270；b. 銳角去毛刺倒鈍；c. 未注圓角R=0.25mm；d. 孔與基準(zhǔn)C的垂直度公差等級為7級。
加工表面及其要求:矩形配合面的表面粗糙度Ra=1.6μm、與基準(zhǔn)A的垂直度公差為0.01mm；分模面的平面度公差為0.01mm，與基準(zhǔn)A的平行度公差為0.015mm；內(nèi)輪廓表面的粗糙度為Ra=0.8μm。
C. 零件材料：
由于大批量生產(chǎn)及型腔結(jié)構(gòu)簡單，成型零件的材料選用淬硬性模具鋼9Mn2V。
3.9.2 毛坯的選擇
a. 考慮到零件所需的性能，選用鍛件作毛坯；
b. 確定毛坯的形狀、尺寸：選用模具鋼9Mn2V鍛件280×160×60（mm）；
3.9.3 基準(zhǔn)選擇
加工中心的一次裝夾希望能夠進(jìn)行在該基準(zhǔn)下的全部加工，這樣可以降低由于基準(zhǔn)不重合而導(dǎo)致的基準(zhǔn)不重合度誤差。根據(jù)對工件的加工的初步分析在毛坯的初次裝夾后可以完成加工，故選用毛坯的初始輪廓面為裝夾基準(zhǔn)。
3.9.4 Master CAM 9.0仿真加工
Master cam 9.0是一套被模具行業(yè)廣泛采用的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，CAM部分提供了完整的二軸，三軸，四軸和五軸銑削加工方式。利用Master cam 9.0的CAM部分選擇加工方式、加工刀具、設(shè)定加工參數(shù)、計算NC刀具路徑、實體切削模擬結(jié)果等步驟，在檢驗一切無誤后，選擇對應(yīng)的后處理器將刀具路徑轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床所能接受的NC代碼，再利用DNC方式傳輸給CNC控制器進(jìn)行加工。
材料設(shè)置 在生成刀具路徑時，只有選用當(dāng)前材料列表中的材料來生成刀具路徑。在主菜單中依次選擇[NC utils]→[Def.matls]選項，彈出Material List對話框，在對話框中列出了當(dāng)前材料列表中的材料名稱。在Material List 對話框中單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出快捷菜單，單擊[Create new]該選項是用來創(chuàng)建新的材料，彈出Material Definition對話，在Material輸入框：輸入新的材料名字（45鋼）；在Base cutting speed 輸入框：設(shè)置材料的基本切削線速度（100m/min）；在Base feed per tooth/revolution 輸入框：設(shè)置材料的基本進(jìn)刀量（500mm）。
工件設(shè)置 工件的設(shè)置包括設(shè)置工件的大小、原點、材料等，在主菜單中選擇[Toolpaths]→[Job setup]選項后，彈出Job setup 對話框。直接輸入X=280，Y=160，Z=60；設(shè)定工件原點坐標(biāo)，在Stock origin框中輸入X=0，Y=0，Z= 5.65984。
工序步驟：
a. 使用直徑20mm的平頭銑刀銑削出外輪廓，轉(zhuǎn)速1500，粗銑削進(jìn)給量5mm,進(jìn)給次數(shù)3，精銑削進(jìn)給量0.5mm，進(jìn)給次數(shù)2，加工余量0.4mm；
b. 使用直徑100mm的面銑刀銑削上平面，轉(zhuǎn)速1000，銑削深度5.66mm，加工余量0.4mm；
c. 使用直徑6mm的球頭銑刀進(jìn)行放射形曲面粗銑削，轉(zhuǎn)速1500，進(jìn)給量2mm，加工余量0.4mm；
d. 使用直徑3mm的球頭銑刀進(jìn)行放射形曲面精加工，轉(zhuǎn)速3000，加工余量0.3mm；
e. 使用直徑3mm的球頭銑刀進(jìn)行平行曲面精加工，轉(zhuǎn)速3000，加工余量0.3mm；
f. 使用直徑5mm的鉆刀加工中心孔，轉(zhuǎn)速1500，進(jìn)給深度60mm。
刀具路徑控制管理如圖3-22：
圖3-22 刀具控制器
仿真加工效果如圖3-23所示：
圖3-23 仿真加工效果圖
4 結(jié)論
這次為期三個多月的畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，在這段時間里我結(jié)合設(shè)計課題和設(shè)計任務(wù)書的要求，首先進(jìn)行畢業(yè)實習(xí)，在工廠中對模具結(jié)構(gòu)有了理性的認(rèn)識，對模具設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，同時對塑料模具設(shè)計和制造進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，了解模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并制定了設(shè)計方案和計劃。
按照畢業(yè)進(jìn)度安排，我先對塑件進(jìn)行測繪，確定尺寸精度和加工要求，并對其進(jìn)行加工工藝分析，確定了各個零件之間的關(guān)系，對模具整體按照設(shè)計手冊進(jìn)行設(shè)計計算，取得各個零件的設(shè)計參數(shù)，繪制了模具裝配圖，在確定模具整體結(jié)構(gòu)參數(shù)后使用EMX進(jìn)行模架的生成，確認(rèn)設(shè)計無誤后繪制零件圖。最后實現(xiàn)型腔的仿真加工。
通過這次畢業(yè)設(shè)計我對模具結(jié)構(gòu)有了清楚的認(rèn)識，了解了注塑模具的工作方式，對型腔、型芯等主要零件的設(shè)計及要求有了初步知識。能夠?qū)δ＞咴O(shè)計中出現(xiàn)的問題予以解決，正確選取了型腔數(shù)、模具結(jié)構(gòu)尺寸。在模具設(shè)計中，精度要求的確定是至關(guān)重要的一步，要綜合考慮尺寸精度及配合要求，特別是各模板及型腔、型芯等配合精度要求高的部件，其精度確定的合理與否將影響到塑件的質(zhì)量，從而對產(chǎn)品的使用性能及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生很大的影響。
在設(shè)計中由于使用最新的模具設(shè)計軟件是工作效率大大提高，并且提高了模具結(jié)構(gòu)的合理性。但由于實踐工程經(jīng)驗的欠缺，在設(shè)計中對零件的加工精度和成型零件的加工工藝的確定由很多不足之處，在以后的工作學(xué)習(xí)中還有待改進(jìn)。
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致 謝
本人在這次畢業(yè)設(shè)計中，充分利用這四年所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識和平時自學(xué)的軟件應(yīng)用，特別是在工程領(lǐng)域分析問題，解決問題的方法。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我對Pro/E、Master CAM有了進(jìn)一步的掌握，對于使用Pro/E三維造型和使用EMX制作模架感到很是方便，對其中“塑料顧問”模塊有的新的認(rèn)識，通過這個模塊在先前就可以了解到制品注射成型后的質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計要求，對于使用Master cam9.0進(jìn)行仿真加工和數(shù)控編程中的實際加工問題進(jìn)行了分析，對于AUTO CAD有的使用進(jìn)一步的練習(xí)。在使用過程中對這些應(yīng)用軟件的優(yōu)缺點有了很深的印象，充分利用它們的優(yōu)點對我的設(shè)計幫助很大，不僅效率高了而且對工作質(zhì)量有很大的益處。
本人在本次玩具汽車模具設(shè)計中承蒙劉道標(biāo)老師的悉心指導(dǎo)和幫助，在畢業(yè)設(shè)計過程中提供了很多寶貴的資料、設(shè)計和方向、設(shè)計思路，以及模具結(jié)構(gòu)原理方面的知識，在此向他表示衷心的感謝。因本人工程實踐經(jīng)驗與理論水平有限，時間較短促，設(shè)計過程中難免存在錯誤，請讀者批評指正。
附 錄
序號 名稱 圖幅 數(shù)量
1 塑件測繪圖 A3 1
2 模具零件圖 A4 11
3 模具零件圖 A3 5
4 模具零件圖 A2 3
5 模具裝配圖 A0 1
6 三維圖冊 1 冊
7 數(shù)控代碼 1 冊
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