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新工具使新機(jī)器設(shè)計(jì)最優(yōu)
當(dāng)加工鋁時(shí)，我們主要關(guān)心的是：鋁粘住加工切削邊緣的傾向；保證有好的碎片排屑形成切削邊緣；和保證工具有足夠的中心強(qiáng)度來(lái)承受切削力而不被破壞。
技術(shù)發(fā)展，比如：Makino MAG系列，已經(jīng)使工具商重新考慮任何工藝水平的機(jī)器技術(shù)。用正確的加工和編程思路是很重要的。
材料，涂料和幾何形狀是與減小我們所關(guān)注問(wèn)題相關(guān)系的工具設(shè)計(jì)的三個(gè)因素。如果這些因素不能一起很好的配合，成功的調(diào)整磨削是不可能的。為了成功進(jìn)行高速鋁加工，理解這三個(gè)因素是很必要的。
使組合邊緣最小化
當(dāng)加工鋁時(shí)，一個(gè)失敗的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削邊緣。這種情況會(huì)很快削弱工具的切削能力。由粘著的鋁形成的組合邊緣會(huì)導(dǎo)致工具變鈍，以至不能切削材料。工具材料選擇和工具涂料選擇是被工具設(shè)計(jì)者用來(lái)減小組合邊緣出現(xiàn)的主要工藝。
亞微米微粒碳化物材料要求很高的鈷濃度來(lái)獲得良好的微粒結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度屬性。隨著溫度的升高，鈷與鋁發(fā)生反應(yīng)，鈷使鋁與暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦鋁開(kāi)始粘住工具，鋁會(huì)在快速的在工具上形成組合邊緣，使工具不可用。
在切削的進(jìn)程中，減小鋁粘合著的工具的暴露碳化物的秘訣就是找到正確的碳化物的平衡來(lái)提供足夠的材料強(qiáng)度。在加工鋁時(shí)，為了減小粘附，使用能提供足夠硬度的紋理粗糙的碳化物來(lái)獲得平衡，來(lái)使變鈍變慢。
工具涂料
當(dāng)嘗試減小組合邊緣時(shí)，第二個(gè)應(yīng)該考慮的工具設(shè)計(jì)因素是工具涂料。工具涂料的選擇包括：TiN, TiAIN, AITiN，鉻氮化物，鋯氮化物，鉆石和鉆石般的涂料（DLC）。擁有這么多的選擇，航空航天磨削商店需要知道在鋁的高速加工應(yīng)用中哪一種工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂裝應(yīng)用進(jìn)程使這些選項(xiàng)不合適鋁的應(yīng)用。PVD涂裝進(jìn)程建立了兩個(gè)使鋁粘住工具的模式---表面的粗糙程度和鋁與工具涂料之間的化學(xué)反應(yīng)。PVD進(jìn)程形成了一個(gè)表面，這表面是比底層材料更粗糙的。由這個(gè)進(jìn)程形成的表面“凹凸”使工具中的鋁在凹處快速集結(jié)。由于涂料有金屬晶體和鐵晶體特征，PVD涂料是可以和鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的。一種TiAIN涂料通常是包含鋁的，這鋁很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化學(xué)反應(yīng)特性將會(huì)導(dǎo)致工具和工作片體粘在一起，以致形成組合表面。
OSG Tap and Die主導(dǎo)的試驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)在高速加工鋁時(shí)，一個(gè)沒(méi)有涂染過(guò)紋理粗糙的碳化物的工具的表面優(yōu)于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染過(guò)的工具。這個(gè)試驗(yàn)不意味著所有工具涂料將減小工具的表現(xiàn)。鉆石和DLC涂料可生成一個(gè)非常光滑的化學(xué)惰性的表面。在切削鋁材料時(shí)，這些涂料很認(rèn)為是能非常有效的提高工具的壽命。
鉆石涂料被認(rèn)為是表現(xiàn)最佳的涂料，但這種涂料要一個(gè)很可觀的成本。對(duì)于表現(xiàn)價(jià)值，DLC涂料提供最佳成本，增加大約20%-25%的總工具成本，而壽命相對(duì)于未涂染過(guò)紋理粗糙的碳化物的工具來(lái)是，是增長(zhǎng)得很明顯的。
幾何形狀
高速鋁加工工具設(shè)計(jì)的拇指定律就是使微粒排屑空間最大化。這是因?yàn)殇X是一種非常柔軟的材料。Federate通常是可以增長(zhǎng)的，它生成更多更大的微粒。
Makino MAG-Series航空航天磨削機(jī)器，比如MAG4,要求額外關(guān)注工具幾何休和工具強(qiáng)度。擁有強(qiáng)大的80-hp的心軸的 MAG-Series機(jī)器將折斷工具如果他們不是用足夠的中心強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。
總的來(lái)說(shuō)，鋒利的切削邊緣一直都可以用來(lái)避免鋁的延伸。一個(gè)鋒利的切削邊緣將形成高剪切和高表面清潔，形成一個(gè)更好的表面和使表面振動(dòng)最小化。結(jié)果是用優(yōu)良的紋理碳化物材料比紋理粗糙的碳化物材料更有可能獲得一個(gè)鋒利的切削邊緣。但由于鋁能粘住紋理好的材料，長(zhǎng)久保持這各邊緣是不太可能的。
粗略的折衷方案
紋理粗糙的材料是最好的折衷。那是一種很強(qiáng)大的材料，它能擁有一個(gè)可觀的切削邊緣。試驗(yàn)結(jié)果表明；在獲得長(zhǎng)的工具壽命的同時(shí)擁有好的表面的可以的。通過(guò)工具來(lái)進(jìn)行油霧冷卻是可以改進(jìn)切削邊緣的保持的。霧化逐漸使工具冷卻，消除溫度急增的問(wèn)題。
螺旋角度是一個(gè)額外的工具幾何考慮因素。傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，當(dāng)加工鋁時(shí)，帶有高螺旋角度的工具已經(jīng)被運(yùn)用。高螺旋角度可以使微粒更快地從部分脫離，但卻增加力和熱，這是由切削運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。一個(gè)高螺旋角被用在工具上，并且很大數(shù)量的凹槽可以使微粒排泄。
當(dāng)以非常高的速度加工鋁時(shí)，由增加的力形成的熱量可能會(huì)引起微粒與工具焊接在一起。此外，一個(gè)有很高螺旋角的切削表面將比低角度的更快產(chǎn)生微粒。僅僅利用兩個(gè)凹槽工具設(shè)計(jì)使低螺旋角和足夠微粒排泄區(qū)域成為可能。由OSG主導(dǎo)的延伸性試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)展新工具流水線(xiàn)時(shí)，這被證明是最成功的方法。
New tools maximize new machine designs
The primary tooling concerns when machining aluminum are: minimizing the tendency of aluminum to stick to the tool cutting edges; ensuring there is good chip evacuation form the cutting edge; and ensuring the core strength of the tools is sufficient to withstand the cutting forces without breaking.
Technological developments such as the Makino MAG-Series machines have made tooling vendors rethink the any state-of-the-art machine technology. It is vital to apply the right tooling and programming concepts.
Materials coatings and geometry are the three elements in tool design that interrelate to minimize these concerns. If these three elements do not work together, successful high-speed milling is not possible. It is imperative to understand all three of these elements in order to be successful in the high-speed machining of aluminum.
Minimize Built-Up Edge
When machining aluminum, one of the major failure modes of cutting tools the material being machined adheres to the tool cutting edge. This condition rapidly degrades the cutting ability of the tool. The built-up edge that is generated by the adhering aluminum dulls the tool so it can no longer cut through the material. Tool material selection and tool coating selection are the two primary techniques used by tool designers to reduce occurrence of the built-up edge.
The sub-micron grain carbide material requires a high cobalt concentration to achieve the fine grain structure and the material’s strength properties. Cobalt reacts with aluminum at elevated temperatures, which causes the aluminum to chemically bond to the exposed cobalt of the tool material. Once the aluminum starts to adhere to the tool, it quickly forms a built-up edge on the tool rendering it ineffective.
The secret is to find the right balance of cobalt to provide adequate material strength, while minimizing the exposed cobalt in the tools for aluminum adherence during the cutting process. This balance is achieved using coarse-grained carbide that provides a tool of sufficient hardness so as to not dull quickly when machining aluminum while minimizing adherence.
Tool coatings
The second tool design element that must be considered when trying to minimize the built-up edge is the tool coating. Tool coating choices include TiN, TiAIN, AITiN, chrome nitrides, zirconium nitrides, diamond, and diamond-like coatings(DLC). With so many choices, aerospace milling shops need to know which one works best in an aluminum high-speed machining application.
The Physical Vapor Deposition (PVD) coating application process on TiN, TiCN, TiAIN, and AITiN tools makes them unsuitable for an aluminum application. The PVD coating process creates two modes for aluminum to bond to the tools――the surface roughness and the chemical reactivity between the aluminum and the tool coating.
The PVD process results in surface that is rougher that the substrate material to which it is applied. The surface”peaks and valleys” created by this process causes aluminum to rapidly collect in the valleys on the tool. In addition, the PVD coating is chemically reactive to the aluminum due to its metallic crystal and ionic crystal features. A TiAIN coating actually contains aluminum, which easily bonds with a cutting surface of the same material. The surface roughness and chemical reactivity attributes will cause the tool and work piece to stick together, thus creating the built-up edge.
In testing performed by OSG Tap and Die, it was discovered that when machining aluminum at very high speeds, the performance of an uncoated coarse-grained carbide tool was superior to that of one coated with TiN, Ticn, TiAIN, or ALTiN. This testing does not mean that all tool coatings will reduce the tool performance. The diamond and DLC coatings result in a very smooth chemically inert surface. These coatings have been found to significantly improve tool life when cutting aluminum materials.
The diamond coatings were found to be the best performing coatings, but there is a considerable cost related to this type of coating. The DLC coatings provide the best cost for performance value, adding about 20%-25%to the total tool cost. But, this coating extends the tool life significantly as compared to an uncoated coarse-grained carbide tool.
Geometry
The rule of thumb for high-speed aluminum machining tooling designs is to maximize space for chip evacuation. This is because aluminum is a very soft material, and the federate is usually increased which creates more and bigger chips.
The Makino MAG-Series aerospace milling machines, such as the MAG4, require an additional consideration for tool geometry-tool strength. The MAG-Series machines with their powerful 80-hp spindles will snap the tools if they are not designed with sufficient core strength.
In general, sharp cutting edges should always be used to avoid aluminum elongation. A sharp cutting edge will create high shearing and also high surface clearance, creating a better surface finish and finish and minimizing chatter or surface vibration. The issue is that it is possible to achieve a sharper cutting edge with the fine-grained carbide material than the coarse grained material. But due to aluminum adherence to the fine-grained material, it is not possible to maintain that edge for very long.
Coarse compromise
The coarse grained material appears to be the best compromise. It is a strong material that can have a reasonable cutting edge. Test results show it is able to achieve a very long tool life with good surface finish. The maintenance of the cutting edge is improved using an oil mist coolant through the tool. Misting gradually cools down the tools, eliminating thermal shock problems.
The helix angle is an additional tool geometry consideration. Traditionally when machining aluminum a fool with a high helix angle has been used. A high helix angle lifts the chip away from the part more quickly, but increases the friction and heat generated as result of the cutting action. A high helix angle is typically used on a tool with a higher number of flutes to quickly evacuate the chip from the part.
When machining aluminum at very high speeds the heat created by the increased friction may cause the chips to weld to the tool. In addition, a cutting surface with a high helix angle will chip more rapidly that a tool with a low helix angle. A tool design that utilizes only two flutes enables both a low helix angle and sufficient chip evacuation area. This is the approach that has proven to be the most successful in extensive testing performed by OSG when developing the new tooling line, the MAX AL.
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 31 頁(yè) 共 31 頁(yè)
1引言
1.1 模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位
模具是制造業(yè)的一種基本工藝裝備，它的作用是控制和限制材料（固態(tài)或液態(tài)）的流動(dòng)，使之形成所需要的形體。用模具制造零件以其效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，材料消耗低，生產(chǎn)成本低而廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中。
模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，是國(guó)際上公認(rèn)的關(guān)鍵工業(yè)。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，它在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力。振興和發(fā)展我國(guó)的模具工業(yè)，正日益受到人們的關(guān)注。早在1989年3月中國(guó)政府頒布的《關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策要點(diǎn)的決定》中，將模具列為機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位。
模具工業(yè)既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分，又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要領(lǐng)域。模具在機(jī)械，電子，輕工，汽車(chē)，紡織，航空，航天等工業(yè)領(lǐng)域里，日益成為使用最廣泛的主要工藝裝備，它承擔(dān)了這些工業(yè)領(lǐng)域中60%～90%的產(chǎn)品的零件，組件和部件的生產(chǎn)加工。
模具制造的重要性主要體現(xiàn)在市場(chǎng)的需求上，僅以汽車(chē)，摩托車(chē)行業(yè)的模具市場(chǎng)為例。汽車(chē)，摩托車(chē)行業(yè)是模具最大的市場(chǎng)，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，這一市場(chǎng)占整個(gè)模具市場(chǎng)一半左右。汽車(chē)工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，汽車(chē)工業(yè)重點(diǎn)是發(fā)展零部件，經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)和重型汽車(chē)，汽車(chē)模具作為發(fā)展重點(diǎn)，已在汽車(chē)工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策中得到了明確。汽車(chē)基本車(chē)型不斷增加，2005年將達(dá)到170種。一個(gè)型號(hào)的汽車(chē)所需模具達(dá)幾千副，價(jià)值上億元。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，汽車(chē)將不斷換型，汽車(chē)換型時(shí)約有80%的模具需要更換。中國(guó)摩托車(chē)產(chǎn)量位居世界第一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)摩托車(chē)共有14種排量80多個(gè)車(chē)型，1000多個(gè)型號(hào)。單輛摩托車(chē)約有零件2000種，共計(jì)5000多個(gè)，其中一半以上需要模具生產(chǎn)。一個(gè)型號(hào)的摩托車(chē)生產(chǎn)需1000副模具，總價(jià)值為1000多萬(wàn)元。其他行業(yè)，如電子及通訊，家電，建筑等，也存在巨大的模具市場(chǎng)。
目前世界模具市場(chǎng)供不應(yīng)求，模具的主要出口國(guó)是美國(guó)，日本，法國(guó)，瑞士等國(guó)家。中國(guó)模具出口數(shù)量極少，但中國(guó)模具鉗工技術(shù)水平高，勞動(dòng)成本低，只要配備一些先進(jìn)的數(shù)控制模設(shè)備，提高模具加工質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，溝通外貿(mào)渠道，模具出口將會(huì)有很大發(fā)展。研究和發(fā)展模具技術(shù)，提高模具技術(shù)水平，對(duì)于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著特別重要的意義[1]。
1.2 各種模具的分類(lèi)和占有量
模具主要類(lèi)型有：沖模，鍛摸，塑料模，壓鑄模，粉末冶金模，玻璃模，橡膠模，陶瓷模等。除部分沖模以外的的上述各種模具都屬于腔型模，因?yàn)樗麄円话愣际且揽咳S的模具形腔是材料成型。
（1）沖模：沖模是對(duì)金屬板材進(jìn)行沖壓加工獲得合格產(chǎn)品的工具。沖模占模具總數(shù)的50%以上。按工藝性質(zhì)的不同，沖?？煞譃槁淞夏?，沖孔模，切口模，切邊模，彎曲模，卷邊模，拉深模，校平模，翻孔模，翻邊模，縮口模，壓印模，脹形模。按組合工序不同，沖模分為單工序模，復(fù)合模，連續(xù)模。
（2）鍛模：鍛模是金屬在熱態(tài)或冷態(tài)下進(jìn)行體積成型是所用模具的總稱(chēng)。按鍛壓設(shè)備不同，鍛模分為錘用鍛模，螺旋壓力機(jī)鍛模，熱模鍛壓力鍛模，平鍛機(jī)用鍛模，水壓機(jī)用鍛模，高速錘用鍛模，擺動(dòng)碾壓機(jī)用鍛模，輥鍛機(jī)用鍛模，楔橫軋機(jī)用鍛模等。按工藝用途不同，鍛?？煞譃轭A(yù)鍛模具，擠壓模具，精鍛模具，等溫模具，超塑性模具等。
（3）塑料模：塑料模是塑料成型的工藝裝備。塑料模約占模具總數(shù)的35%，而且有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。塑料模主要包括壓塑模，擠塑模，注射模，此外還有擠出成型模，泡沫塑料的發(fā)泡成型模，低發(fā)泡注射成型模，吹塑模等。
（4）壓鑄模：壓鑄模是壓力鑄造工藝裝備，壓力鑄造是使液態(tài)金屬在高溫和高速下充填鑄型，在高壓下成型和結(jié)晶的一種特殊的制造方法。壓鑄模約占模具總數(shù)的6%。
（5）粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工藝分類(lèi)粉末冶金模有：壓模，精整模，復(fù)壓模，熱壓模，粉漿澆注模，松裝燒結(jié)模等。
模具所涉及的工藝繁多，包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造，塑料，橡膠加工，金屬材料，鑄造（凝固理論），塑性加工，玻璃等諸多學(xué)科和行業(yè)，是一個(gè)多學(xué)科的綜合，其復(fù)雜程度顯而易見(jiàn)[2]。
1.3 我國(guó)模具工業(yè)的現(xiàn)狀
自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)逐漸起飛，也為模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。20世紀(jì)90年代以后，大陸的工業(yè)發(fā)展十分迅速，模具工業(yè)的總產(chǎn)值在1990年僅60億元人民幣，1994年增長(zhǎng)到130億元人民幣，1999年已達(dá)到245億元人民幣，2000年增至260～270億元人民幣。今后預(yù)計(jì)每年仍會(huì)以10%～15%的速度快速增長(zhǎng)。 目前，我國(guó)17000多個(gè)模具生產(chǎn)廠點(diǎn)，從業(yè)人數(shù)五十多萬(wàn)。除了國(guó)有的專(zhuān)業(yè)模具廠外，其他所有制形式的模具廠家，包括集體企業(yè)，合資企業(yè)，獨(dú)資企業(yè)和私營(yíng)企業(yè)等，都得到了快速發(fā)展。其中，集體和私營(yíng)的模具企業(yè)在廣東和浙江等省發(fā)展得最為迅速。例如，浙江寧波和黃巖地區(qū)，從事模具制造的集體企業(yè)和私營(yíng)企業(yè)多達(dá)數(shù)千家，成為我國(guó)國(guó)內(nèi)知名的“模具之鄉(xiāng)”和最具發(fā)展活力的地區(qū)之一。在廣東，一些大集團(tuán)公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，為了提高其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，紛紛加入了對(duì)模具制造的投入。例如，科龍，美的，康佳和威力等知名集團(tuán)都建立了自己的模具制造中心。中外合資和外商獨(dú)資的模具企業(yè)則多集中于沿海工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，現(xiàn)已有幾千家。
在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中，企業(yè)自產(chǎn)自用的約占三分之二，作為商品銷(xiāo)售的約占三分之一。其中，沖壓模具約占50%（中國(guó)臺(tái)灣：40%），塑料模具約占33%（中國(guó)臺(tái)灣：48%），壓鑄模具約占6%（中國(guó)臺(tái)灣：5%），其他各類(lèi)模具約占11%（中國(guó)臺(tái)灣：7%）。
中國(guó)臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)，分為萌芽期（1961～1981），成長(zhǎng)期（1981～1991），成熟期（1991～2001）三個(gè)階段。
萌芽期，工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備與技術(shù)的不斷改進(jìn)。由于紡織，電子，電氣，電機(jī)和機(jī)械業(yè)等產(chǎn)品外銷(xiāo)表現(xiàn)暢旺，連帶使得模具制造，維修業(yè)者和周邊廠商（如熱處理產(chǎn)業(yè)等）逐年增加。在此階段的模具包括：一般民生用品模具，鑄造用模具，鍛造用模具，木模，玻璃，陶瓷用模具，以及橡膠模具等。
1981年～1991年是臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速且高度成長(zhǎng)的時(shí)期。有鑒于模具產(chǎn)業(yè)對(duì)工業(yè)發(fā)展的重要性日益彰顯，自1982年起，臺(tái)灣地區(qū)就將模具產(chǎn)業(yè)納入策略性工業(yè)適用范圍，大力推動(dòng)模具工業(yè)的發(fā)展，以配合相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的外銷(xiāo)策略，全力發(fā)展整體經(jīng)濟(jì)。隨著民生工業(yè)，機(jī)械五金業(yè)，汽機(jī)車(chē)及家電業(yè)發(fā)展，沖壓模具與塑料模具，逐漸形成臺(tái)灣模具工業(yè)兩大主流。從1985年起，模具產(chǎn)業(yè)已在推行計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)和制造等CAD/CAM技術(shù)，所以臺(tái)灣模具業(yè)接觸CAD/CAM/CAE/CAT技術(shù)的時(shí)間相當(dāng)早。
成熟期，在國(guó)際化，自由化和國(guó)際分工的潮流下， 1998年，由臺(tái)灣地區(qū)政府委托金屬中心執(zhí)行“工業(yè)用模具技術(shù)研究與發(fā)展五年計(jì)劃”與“工業(yè)用模具技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展計(jì)劃”，以協(xié)助業(yè)界突破發(fā)展瓶頸，并支持產(chǎn)業(yè)升級(jí)，朝向開(kāi)發(fā)高附加值與進(jìn)口依賴(lài)高的模具。1997年11月間臺(tái)灣憑借模具產(chǎn)業(yè)的實(shí)力，獲得世界模具協(xié)會(huì)（ISTMA）認(rèn)同獲準(zhǔn)入會(huì)，正式成為世界模具協(xié)會(huì)會(huì)員。整體而言，臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)在這一階段的發(fā)展，隨著機(jī)械性能，加工技術(shù)，檢測(cè)能力的提升，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，臺(tái)灣模具廠商供應(yīng)對(duì)象已由傳統(tǒng)的民用家電，五金業(yè)和汽機(jī)車(chē)運(yùn)輸工具業(yè)，提升到計(jì)算機(jī)與電子，通信與光電等精密模具，并發(fā)展出汽機(jī)車(chē)用大型鈑金沖壓，大型塑料射出及精密鍛造等模具[3]。
1.4 我國(guó)模具技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
20世紀(jì)80年代開(kāi)始，發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的模具工業(yè)已從機(jī)床工業(yè)中分離出來(lái)，并發(fā)展成為獨(dú)立的工業(yè)部門(mén)，其產(chǎn)值已超過(guò)機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)值。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的模具工業(yè)發(fā)展也十分迅速。近年來(lái)，每年都以15%的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展。許多模具企業(yè)十分重視技術(shù)發(fā)展。加大了用于技術(shù)進(jìn)步的投入力度，將技術(shù)進(jìn)步作為企業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α４送?，許多科研機(jī)構(gòu)和大專(zhuān)院校也開(kāi)展了模具技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。模具行業(yè)的快速發(fā)展是使我國(guó)成為世界超級(jí)制造大國(guó)的重要原因。今后，我國(guó)要發(fā)展成為世界制造強(qiáng)國(guó)，仍將依賴(lài)于模具工業(yè)的快速發(fā)展，成為模具制造強(qiáng)國(guó)。
中國(guó)塑料模工業(yè)從起步到現(xiàn)在，歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)，有了很大發(fā)展，模具水平有了較大提高。在大型模具方面已能生產(chǎn)48（約122CM）大屏幕彩電塑殼注射模具，6.5KG大容量洗衣機(jī)全套塑料模具以及汽車(chē)保險(xiǎn)杠和整體儀表板等塑料模具，精密塑料模方面，以能生產(chǎn)照相機(jī)塑料件模具，多形腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具。經(jīng)過(guò)多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)，模具的電加工和數(shù)控加工技術(shù)，快速成型與快速制模技術(shù)，新型模具材料等方面取得了顯著進(jìn)步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計(jì)制造周期等方面作出了貢獻(xiàn)。
盡管我國(guó)模具工業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，部分模具已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量仍滿(mǎn)足不了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，每年仍需進(jìn)口10多億美元的各類(lèi)大型，精密，復(fù)雜模具。與發(fā)達(dá)國(guó)家的模具工業(yè)相比，在模具技術(shù)上仍有不小的差距。今后，我國(guó)模具行業(yè)應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行不斷的技術(shù)創(chuàng)新，以縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的距離。
（1）注重開(kāi)發(fā)大型，精密，復(fù)雜模具；隨著我國(guó)轎車(chē)，家電等工業(yè)的快速發(fā)展，成型零件的大型化和精密化要求越來(lái)越高，模具也將日趨大型化和精密化。
（2）加強(qiáng)模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用；使用模具標(biāo)準(zhǔn)件不但能縮短模具制造周期，降低模具制造成本而且能提高模具的制造質(zhì)量。因此，模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用必將日漸廣泛。
（3）推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)；模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。實(shí)踐證明，模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向，可顯著地提高模具設(shè)計(jì)制造水平。
（4）重視快速模具制造技術(shù)，縮短模具制造周期；隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷出現(xiàn)，模具的制造水平也在不斷地提高，基于快速成形的快速制模技術(shù)，高速銑削加工技術(shù)，以及自動(dòng)研磨拋光技術(shù)將在模具制造中獲得更為廣泛的應(yīng)用[4]。
2 設(shè)計(jì)過(guò)程
根據(jù)指導(dǎo)老師說(shuō)給的零件實(shí)體，通過(guò)觀察和分析，所設(shè)計(jì)的連接座零件如圖2.1所示:
圖2.1 零件圖
2.1 塑件的分析及塑料成型工藝性能
2.1.1 塑件性能工藝分析
塑件的尺寸較大，精度等級(jí)一般，性能要求一般，為大批量生產(chǎn)，采用一模二腔來(lái)提高生產(chǎn)率，塑件壁薄，對(duì)制品不進(jìn)行二次加工。
澆口采用側(cè)澆口，適用于一模二腔，大大提高生產(chǎn)率，澆口截面為圓形。
材料的成型工藝性能
塑件采用ABS，ABS的主要工藝性能有：
（1）性能特點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性較好，耐寒性參，光、氧作用下易降解，機(jī)械性能比聚乙烯好，有良好的高頻絕緣性，不受溫度影響，但低溫變脆，不耐磨，易老化。
（2）成型特點(diǎn)：成型時(shí)收縮大，成型性能好，易變形翹曲，尺寸穩(wěn)定性好，柔軟性好，有“鉸鏈”特性。
（3）模具設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)：因有“鉸鏈”特性，注意澆口位置設(shè)計(jì)；防收縮，變形；收縮率為1.3%～1.7%
（4）使用溫度：10C～120C
（5）主要用途：板、片、透明薄膜、繩、絕緣零件、汽車(chē)零件、閥門(mén)配件、日用品、耐腐蝕零件，制作一般機(jī)械零件[5]。
ABS的主要注塑成型條件如表2.1:
表2.1 材料參數(shù)
密度
0.09～0.91（㎝）
比體積
1.00～1.11
吸水率
0.01～0.03
收縮率
1.0～3.0
熔點(diǎn)
170～176 t（C）
熱變形溫度
102～115 t（C）56～67 t（C）
抗拉屈服強(qiáng)度
37（）
抗彎強(qiáng)度
67.5（）
體積電阻系數(shù)
>（）
擊穿強(qiáng)度
30
模具溫度
80～90
2.1.2 塑件的尺寸和精度要求
塑件的總體尺寸主要取決于塑料品種的流動(dòng)性。而塑件的尺寸精度受到各個(gè)方面因素的影響，如模具制造精度及使用后的磨損，塑料收縮率的波動(dòng)，成型工藝條件的變化，塑件的形狀，飛邊厚度的波動(dòng)，脫模斜度及成型后塑件尺寸變化等。該零件要求采用精度等級(jí)為7級(jí)的尺寸公差。
2.2 分型面的選擇
分型面的形成與塑件幾何形狀，脫模方法，模具類(lèi)型及排氣條件，澆口形式等有關(guān)，常見(jiàn)的形式有水平分型面，垂直分型面，斜分型面，階段分型面，曲線(xiàn)分型面。
分型面的選擇原則:
便于塑件脫模
（1）在開(kāi)模時(shí)盡量使用塑件留在動(dòng)模內(nèi)；
（2）應(yīng)有利于側(cè)面分型和抽芯；
（3）應(yīng)合理安排塑件在型腔中的方位。
考慮和保證塑件尺寸的外觀不遭損壞
盡力保證塑件尺寸的精度要求（如同心度等）；
有利于排氣；
盡量使模具加工方便。
2.3 型腔數(shù)目的確定與排列形式
為了使模具與注射機(jī)的生產(chǎn)能力相匹配，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性，并保證塑件精度，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定型腔數(shù)目。
常用的方法有四種：
根據(jù)經(jīng)濟(jì)性確定型腔數(shù)目；
根據(jù)注射機(jī)的額定鎖模力確定型腔數(shù)目；
根據(jù)注射機(jī)的最大注射量確定型腔數(shù)目；
根據(jù)制品精度確定型腔數(shù)目。
本設(shè)計(jì)采用根據(jù)注射機(jī)的最大注射量確定型腔數(shù)目的方法來(lái)確定。
式中 Ｇ– 注射機(jī)的最大注射量（g）
單個(gè)制品的質(zhì)量（g）
澆注系統(tǒng)的質(zhì)量（g）
由于本塑件精度一般，考慮到塑件尺寸較大，故設(shè)計(jì)型腔數(shù)目為2個(gè)。單型腔在模板上排列形式通常有圓形、H形、直線(xiàn)形及復(fù)合形。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：盡可能采用平衡式排列，確保制品質(zhì)量的均一和穩(wěn)定；型腔布置與澆口開(kāi)設(shè)部位應(yīng)力應(yīng)求對(duì)稱(chēng)，以便防止模具承受偏載而產(chǎn)生鎰料現(xiàn)象。盡量使型腔排列得緊湊，以便減小模具的外形尺寸[6]。
2.4 注射機(jī)的選擇
注射機(jī)額定注射量每次注射量不超過(guò)最大注射量的80%，即
式中 n — 型腔數(shù)
—澆注系統(tǒng)重量（g）
—塑件重量（g）
—注射機(jī)額定注射量（g）
初定壓力機(jī)：并根據(jù)塑件注射機(jī)技術(shù)規(guī)格，查《塑件制品成型及模具設(shè)計(jì)》教材附錄E，選用 XS-Z—60型注射機(jī)。
主要技術(shù)參數(shù)如表2.2：
表2.2 注射機(jī)參數(shù)
標(biāo)稱(chēng)注射量
60
螺桿（柱塞）直徑
38
注射壓力
122
注射行程
170
注射方式
柱塞式
合模力
N
最大成型面積
130
模板最大行程
180
模具最大厚度
200
模具最小厚度
70
模板尺寸
300440
拉桿空間
190300
合模方式
液壓-機(jī)械
推出形式
中心推出
電動(dòng)機(jī)功率
11
定位圈尺寸
機(jī)器外形尺寸
3.610.851.55
2.5 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
澆注系統(tǒng)是指模具中從注射機(jī)噴嘴起到型腔入口為止的塑料熔體的流動(dòng)通道，或是在此通道內(nèi)冷凝的固體塑料。澆注系統(tǒng)一般可分為普通澆注系統(tǒng)和無(wú)流道澆注系統(tǒng)兩類(lèi)。普通澆注系統(tǒng)一般由主流道、分流道、澆口和冷料穴四部分組成。本設(shè)計(jì)采用普通澆注系統(tǒng)。
澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指注射模設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它對(duì)注射成型周期和塑件質(zhì)量（如外觀、物理性能、尺寸精度等）都有直接影響，設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循以下原則：
（1）結(jié)合型腔布局考慮，應(yīng)考慮以下三點(diǎn)：
盡可能采用平衡式布置，以便設(shè)置平衡式分流道。
型腔布置和澆口開(kāi)設(shè)部位力求對(duì)稱(chēng)，防止模具承受偏載產(chǎn)生溢料現(xiàn)象。
型腔排列要盡可能緊湊，以減少模具外形尺寸。
（2）熱量及壓力損失要小，為此澆注系統(tǒng)流程要盡量短，斷面尺寸盡可能大，盡量減少?gòu)澱?，表面粗糙度要底?
（3）確保均衡進(jìn)料，盡可能使塑料熔體在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)入各個(gè)型腔的深處及角落，即分道盡可能采用平衡式布置。
（4）塑料耗量要少，在滿(mǎn)足各型腔充滿(mǎn)的前提下，澆注系統(tǒng)容積盡量要小，以減少塑料的耗量。
（5）消除冷料：澆注系統(tǒng)應(yīng)能捕集溫度較低的“冷料”，防止其進(jìn)入型腔，影響塑件的質(zhì)量。
（6）排氣良好：澆注系統(tǒng)應(yīng)能順利地引導(dǎo)塑料熔體充滿(mǎn)型腔各個(gè)角落，使型腔的氣體能順利排出。
（7）防止塑件出現(xiàn)缺陷 ： 避免熔體出現(xiàn)充填不足或塑件出現(xiàn)氣孔、縮孔、殘余應(yīng)力、翹曲變形或尺寸偏差過(guò)大以及塑料流將嵌件沖壓位移或變形等各種成型不良現(xiàn)象。
（8）塑件外觀質(zhì)量 ：根據(jù)塑件大小、形狀及技術(shù)要求，做到去除修整澆口方便，澆口痕跡無(wú)損塑件的美觀和使用。
（9）生產(chǎn)效率：盡可能使塑件不進(jìn)行或少進(jìn)行后加工，成形周期短，效率高。
（10）塑料熔體流體特性：大多數(shù)熱塑性塑料熔體的假塑性行為，以充分利用[7]。
如圖2.2所示：
圖2.2 澆口套
2.5.1 主流道的設(shè)計(jì)
主流道是連接注射機(jī)噴嘴與分流道的一段通道，通常和注射機(jī)噴嘴在同一軸線(xiàn)上，斷面為圓形，帶有一定的錐度。
其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：
主流道圓錐角，對(duì)流動(dòng)性參的塑料可取，內(nèi)壁粗糙度為。
主流道大端呈圓角，半徑，以減小料流轉(zhuǎn)向過(guò)渡時(shí)的阻力。
在模具結(jié)構(gòu)允許的情況下，主流道應(yīng)盡可能短，一般小于，過(guò)長(zhǎng)則會(huì)影響熔體的順利充型。
對(duì)小型模具可將主流道襯套與定位圈設(shè)計(jì)成整體式，但在大多數(shù)情況下是主流道襯套和定位圈設(shè)計(jì)成兩個(gè)零件，然后配合固定在模板上，主流道襯套與定模座板采用過(guò)渡配合，與定位圈的配合采用間隙配合[8]。
主流道襯套一般選用制造，熱處理強(qiáng)度為52HRC～56HRC。
主流道主要參數(shù)如表2.3：
表2.3 主流道參數(shù)
主流道圓錐角
內(nèi)壁粗糙度
主流道大端半徑
主流道長(zhǎng)度
L=49
主流道襯套材料
2.5.2 冷料穴的設(shè)計(jì)
冷料穴一般位于主流道對(duì)面的動(dòng)模板上。其作用就是存放料流前鋒的“冷料”，防止“冷料”，進(jìn)入型腔而形成冷接縫；此外，在開(kāi)模時(shí)又能將主流道凝料從定模板中拉出。冷料穴的尺寸宜稍大于主流道大端的半徑，長(zhǎng)度約為主流道大端直徑。
冷料穴的形式有以下三種：
（1）與推桿匹配的冷料穴；
（2）與拉料桿匹配的冷料穴；
（3）無(wú)拉料桿的冷料穴。
冷料穴主要技術(shù)參數(shù)：
冷料穴直徑：
冷料穴長(zhǎng)度：
2.5.3 分流道的設(shè)計(jì)
分流道是主流道與澆口之間的通道，一般開(kāi)設(shè)在分型面上，起分流作用和轉(zhuǎn)向作用。多型腔模具盡量采用平衡式分流道，能讓熔融塑料幾乎同時(shí)到達(dá)每個(gè)型腔的進(jìn)料口，以致塑料到每個(gè)型腔的壓力和溫度是相同的，這樣不易產(chǎn)生熔接痕和填充不足等缺陷。多型腔模具必須設(shè)置分流道，單型腔大型塑件在使用多個(gè)澆口時(shí)也要設(shè)置分流道。分流道的截面形狀：通常分流道斷面形狀有圓形、矩形、梯形、U形和六角形等。為了減少流道內(nèi)的壓力損失和傳熱損失，希望流道的截面積大，表面積小。分流道的尺寸：對(duì)于壁厚小于3mm，質(zhì)量在200g以下的塑件，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式確定分流道直徑。
式中 m－流經(jīng)分流道的塑件量（g）
L－分流道長(zhǎng)度（mm）
D－分流道直徑（mm）
（3）分流道布置
分流道的布置取決于型腔的布局，兩者相互影響。分流道的布置形式分平衡式與非平衡式兩種。
（a）平衡式布置
平衡式布置要求從主流道至各個(gè)型腔的分流道，其長(zhǎng)度、形狀及斷面非平衡布置都必須對(duì)應(yīng)相等，達(dá)到各個(gè)型腔同時(shí)均衡進(jìn)料，以保證各型腔成型出的塑件在強(qiáng)度、性能及質(zhì)量上的一致性。常用形式：H型排列和圓形排列。
（b）非平衡布置
非平衡式澆注系統(tǒng)分兩種情況，一種是各個(gè)型腔的尺寸和形狀相同，只是諸型腔距主流道的距離不同；另一種是各型腔大小與主流道長(zhǎng)度均不相同，為了使各個(gè)型腔同時(shí)均勻進(jìn)料，必須將各個(gè)型腔的澆口做成不同的截面。
（4）分流道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（a）分流道對(duì)熔體的阻力要小，在首先保證足夠的注射壓力使塑料熔體順利充滿(mǎn)型腔的前提下，分流道的截面積與長(zhǎng)度要取小值，尤其對(duì)于小型塑件更為重要。分流道轉(zhuǎn)折處要以圓弧過(guò)渡。
（b）各型腔均衡進(jìn)料，為此當(dāng)塑件形狀、大小相同時(shí)，各分流道的截面積和長(zhǎng)度都要對(duì)稱(chēng)相等，各支分流道長(zhǎng)度也要一致，并要取短。平衡式布置的分流道能滿(mǎn)足這點(diǎn)。當(dāng)一模同時(shí)成形幾個(gè)不同形狀及大小或不同重量的逆件時(shí)，各分流道的截面積和長(zhǎng)度要與塑件相對(duì)應(yīng)。
（c）表面粗糙度要求達(dá)到Ra0.8為佳。
（d）分流道較長(zhǎng)時(shí)，要在分流道的末端開(kāi)設(shè)冷料井。
（e）分流道的位置可單獨(dú)開(kāi)設(shè)在定模板或動(dòng)模板上，也可同時(shí)開(kāi)設(shè)在動(dòng)、定模板上，合模后形成分流道的截面形狀，這主要取決于模具結(jié)構(gòu)、塑料特性和塑件脫出方法。通常分流道多開(kāi)設(shè)在模具一邊，以有利于開(kāi)模時(shí)將流道凝料脫出。
（f）分流道與澆口的連接外要加工成斜面，并用圓弧過(guò)渡，有利于塑料熔體的流動(dòng)和填充[9]。
綜上所述，本設(shè)計(jì)采用平衡式布置，通常四個(gè)型腔以下的H形和圓形排列能達(dá)到最佳的熱平衡和塑料和流動(dòng)平衡。
2.5.4 澆口的設(shè)計(jì)
澆口是連接分流道與型腔之間的一段細(xì)短通道，它是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。澆口的形狀、位置和尺寸對(duì)塑件的質(zhì)量影響很大。其主要作用是：
（a） 型腔充滿(mǎn)后，熔體在澆口處首先凝結(jié)，防止其倒流；
（b） 較容易切除澆口凝料；
（c）對(duì)于多型腔模具，可以用平衡進(jìn)料；對(duì)于多澆口單型腔模具，用以控制熔接縫的位置。
澆口的理想尺寸很難用理論公式計(jì)算，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，取其下限，然后在試模過(guò)程中逐步加以修正。一般澆口的截面積為分流道面積的3%～9%，截面形狀常為矩形或圓形，澆口長(zhǎng)度為0.5mm～2mm,表面粗糙度Ra不低于0.4。
（1）澆口的類(lèi)型和特點(diǎn)
（a）非限制性澆口
又稱(chēng)直澆口、直接澆口或注流道型澆口。在多型腔模中又稱(chēng)為進(jìn)料口。在單型模腔中，塑料熔體直接流進(jìn)型腔，因而壓力損失小，進(jìn)料速度快，成形比較容易，對(duì)各種塑料都能適應(yīng)。它傳遞壓力好，保壓補(bǔ)縮作用強(qiáng)，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，制造方便。但去澆口困難，澆口痕跡明顯；澆口附近熱量集中，冷凝較遲，易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，也容易產(chǎn)生縮孔或表面凹陷。它特別適于大型塑件、厚壁塑件和熔體粘度特別高的塑料品種成形。當(dāng)澆口位置特殊，不能采用沖擊型澆口時(shí)，也可以采用直接澆口。
（b）限制性澆口
型腔與分流道之間采用一段距離很短（約0.5mm～2mm）、截面積很?。s為分流道截面積的0.03～0.09）的通道相連接，此通道稱(chēng)為限制性澆口，它對(duì)澆口的厚度和快速凝固等可以進(jìn)行限制。限制性澆口具有以下特點(diǎn)：
塑料熔體通過(guò)此類(lèi)澆口時(shí)，所受的剪切速率大，致使塑料熔體的表面粘度有所降低，有利于充模流動(dòng)；
塑料熔體通過(guò)此類(lèi)澆口時(shí)，受到的磨擦作用強(qiáng)，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使塑料熔體溫度略有上升，從而增加了熔體的流動(dòng)性；
塑料熔體通過(guò)小澆口時(shí)，壓力損失大，降低了型腔的壓力，有利于模具鎖緊；
澆口處截面尺寸較小，熔體容易凝固，補(bǔ)料時(shí)間好控制，減小了由于長(zhǎng)時(shí)間補(bǔ)料造成的內(nèi)應(yīng)力；
澆口尺寸較小，封閉凍結(jié)快，可縮短成型周期；
對(duì)于一模多腔或采用多澆口的模具，由于其阻力大，容易實(shí)現(xiàn)各澆口的平衡進(jìn)料；
澆口痕跡小，不影響塑件外觀。
本塑件采用限制性澆口中的點(diǎn)澆口：
特點(diǎn)：又稱(chēng)橄欖形澆口或菱形澆口，是一種截面尺寸特小的圓形澆口。澆口位置限制性小，去除澆口后殘留痕跡小，不影響塑件外觀。開(kāi)模時(shí)澆口可自動(dòng)拉斷，有利于自動(dòng)化操作。澆口附近由補(bǔ)料造成的應(yīng)力小，但對(duì)于薄壁塑件因剪切速率過(guò)高，由于分子高度定向而造成局部應(yīng)力產(chǎn)生開(kāi)裂。為改善這一情況，在不影響使用的前提下，可局部增加澆口處塑件壁厚，以圓弧R過(guò)渡[10]。
應(yīng)用范圍：廣泛用于兩板式多型腔模具及斷面尺寸較小的塑件；但塑件容易形成接紋、縮孔、凹陷等缺陷，注射壓力損失較大，對(duì)殼體件排氣不良。
（2）澆口位置的選擇：澆口開(kāi)設(shè)的位置對(duì)制品的質(zhì)量影響很大，在確定澆口位置時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
澆口應(yīng)開(kāi)設(shè)在能使型腔各個(gè)角落同時(shí)充滿(mǎn)的位置；
澆口應(yīng)設(shè)在制品壁厚較厚的部位，以利于補(bǔ)縮；
澆口的位置選擇應(yīng)有利于型腔中氣體的排出；
澆口的位置應(yīng)選擇在能避免制品產(chǎn)生熔合紋的部位。
對(duì)于帶細(xì)長(zhǎng)型芯的模具，用中心頂部進(jìn)料方式以避免型芯受沖擊變形。
澆口應(yīng)設(shè)在不影響制品外觀的部位，不要在制品中承受彎曲載荷或沖擊載荷的部位設(shè)澆口。
2.6 成型部分的尺寸設(shè)計(jì)
塑料在成型加工過(guò)程中，用來(lái)充填塑料熔體以成型制品的空間稱(chēng)為型腔。而構(gòu)成這個(gè)型腔的零件叫做成型零件，通常包括凹模、凸模、小型芯、螺紋型芯或型環(huán)等。
2.6.1 凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凹模又稱(chēng)陰模，它是成型塑件外輪廓。
其結(jié)構(gòu)形式分為：整體式凹模和組合式凹模。
本設(shè)計(jì)采用整體式凹模，它是由一整塊金屬材料（也稱(chēng)定模板或凹模板）直接加工而成。其特點(diǎn)是為非穿通式模體，強(qiáng)度好，不易變形。但由于加工困難，故只適用于小型且形狀簡(jiǎn)單的塑件成型。
2.6.2 凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凸模（即型芯）是成型塑件內(nèi)表面的成型零件，通?？煞譃檎w式和分體式兩種類(lèi)型。組合式凸模又分為整體裝配式和鑲件組合式。
本設(shè)計(jì)采用整體裝配式凸模，它是將凸模單獨(dú)加工后與動(dòng)模板進(jìn)行裝配而成。
2.6.3 成型零件工作尺寸計(jì)算
成型零件的工作尺寸是指凸模和凹模直接構(gòu)成塑件的尺寸，它通常包括凸模和凹模的徑向尺寸（包括矩形和異形零件的長(zhǎng)度和寬）、凸模和凹模的高度尺寸以及位置（中心距）尺寸等。
塑件的公差：塑件的公差規(guī)定按單向極限制，制品外輪廓尺寸公差取負(fù)值“-”，制品內(nèi)腔尺寸公差取正值“+”，而制口中心距尺寸公差按對(duì)稱(chēng)分布原則計(jì)算，即取“”。
模具制造公差：實(shí)踐證明，模具制造公差可取塑件公差的～，即=（～），而且按成型加工過(guò)程中的增減趨向取“+”“-”符號(hào)，型腔尺寸不斷增大，則取“+，”，型腔尺寸不斷減小則取“-，”，中心距尺寸取“”。
模具的磨損：實(shí)踐證明，對(duì)于一般中小型塑件，最大磨損量可取塑件公差的，即=，對(duì)于大型塑件則可取以下。另外對(duì)于型腔底面（或型芯端面），因與脫模方向垂直，故磨損量=0。
塑件的收縮率：成型后的收縮率與多種因素的關(guān)，通常按平均收縮率計(jì)算。 S=
模具在分型面上的合模間隙：由于注射壓力和模具分型面平面的影響，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)模、定模注射時(shí)存在一定的間隙。一般當(dāng)模具分型面平面度較高、表面粗糙度較低時(shí)，塑件產(chǎn)生的飛邊也小。飛邊厚度一般為0.02～0.1mm。
PP：由S=0.6, S=1.4，則 S===1%
=，公差由塑料模具技術(shù)手冊(cè)表2-37，SJ1372公差數(shù)值表查[11]。
2.6.4 型腔的內(nèi)徑計(jì)算
塑件外徑與型腔內(nèi)徑的關(guān)系：
式中 D － 型腔內(nèi)徑尺寸（mm）
D－ 塑件外徑基本尺寸（mm）
S － 塑件平均收縮率
－ 塑件公差
－ 模具制造公差 一般為（）， 取
查表PP塑料的收縮率1%～3%
平均收縮率 S=（1%+3%）/2=2%
型腔徑向尺寸的計(jì)算：
=
型腔高度尺寸的計(jì)算：
=
2.6.5 型芯的內(nèi)徑計(jì)算：
式中 D－型芯內(nèi)徑尺寸（mm）
－型芯外徑尺寸（mm）
S － 塑件平均收縮率
－ 塑件公差
型芯徑向尺寸的計(jì)算：
=
型芯高度的尺寸計(jì)算：
=
2.7 零件加工工藝流程
2.7.1 定模型芯
定模型芯是主要工作零件，這套模具的生產(chǎn)批量為大批量，且塑件成型時(shí)有一定的腐蝕性，因此選用的材料要具有良好的耐磨性，因此選用718S鋼材（注：此鋼材的性能特好，是做塑料的專(zhuān)用材料，具有良好的耐磨性，耐腐蝕性）。
同時(shí)考慮到此塑件對(duì)尺寸精度和表面要求一般，在對(duì)材料進(jìn)行粗加工后，留0.5mm的單邊，淬火、低溫回火后，用電火花機(jī)放電到位即可。
其澆道襯套孔要與襯套配合，在粗加工后，留單邊0.2mm～0.5mm的余量，熱處理后采用慢走絲割出即可。
綜上所述，定模型芯加工工藝如下：
開(kāi)料：開(kāi)出長(zhǎng)寬高為31531532的毛坯。
磨基準(zhǔn)：按照零件圖基準(zhǔn)方位在平面磨床上磨出基準(zhǔn)面，同時(shí)磨平各面，留0.1mm～0.3mm單邊余量。
按照要求在銑床上鉆螺紋孔，運(yùn)水孔。
在數(shù)控銑床上采用銑刀銑出兩條澆道和銑出分流道，同時(shí)按照要求要求銑出四個(gè)型腔的形狀，留單邊余量0.2mm～0.5mm。
送熱處理車(chē)間進(jìn)行熱處理：淬火使其表面硬度達(dá)到56HRC～60HRC。
按照要求要求加工型芯表面，保證型芯的平行度，垂直度，要求型芯磨光后六面見(jiàn)光。
電火花放電：
工件準(zhǔn)備：模塊材料為718S鋼，銑、磨按圖紙要求加工成型，熱處理56HRC～60HRC后，六面見(jiàn)光，保證平行度及垂直度。
電極制作：電極材料為紫銅，最好選用銅鎢合金。
校正、裝夾、安裝合格。
用慢走絲割出澆口襯套孔，鑲嵌孔。
對(duì)成型面進(jìn)行研磨達(dá)到圖樣表面粗糙度的技術(shù)要求[12]。
2.8 模具加工工藝流程
根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和制造工藝，模架的基本組成零件有兩種：導(dǎo)柱、導(dǎo)套等回轉(zhuǎn)零件；模板等平板零件。
導(dǎo)柱、導(dǎo)套的加工主要是內(nèi)、外圓柱面的加工，平板內(nèi)零件的制造過(guò)程主要進(jìn)行平面加工和孔隙加工，它們?cè)谀＞咧衅鸲ㄎ坏膶?dǎo)向作用，保證凹凸模在工作時(shí)具有正確的相對(duì)位置，除了要保證導(dǎo)柱，導(dǎo)套配合表面尺寸形狀精度外，還應(yīng)該保證導(dǎo)柱、導(dǎo)套各自配合面之間的同軸度要求。
導(dǎo)柱、導(dǎo)套一般采用低碳鋼進(jìn)行滲碳、淬火處理，也可選用碳素工具鋼T10淬火處理，淬火處理硬度58HRC～62HRC。
根據(jù)分析，導(dǎo)柱、導(dǎo)套加工工藝過(guò)程如下：
備料～粗車(chē)、半精車(chē)內(nèi)外圓柱表面～熱處理～研磨導(dǎo)柱中心孔～粗磨、精磨配合表面～研磨導(dǎo)柱、導(dǎo)套重要配合表面。
2.8.1 凸模加工工藝過(guò)程如下
下料～鍛造～退火～粗加工～精磨基面準(zhǔn)面～劃線(xiàn)～工作型面半精加工～淬火、回火～磨削～修研。
2.8.2 凹模加工工藝過(guò)程如下
下料～鍛造～退火～粗加工～精磨基面準(zhǔn)面～劃線(xiàn)～型孔半精加工～型孔精加工～淬火、回火～精磨（研磨）。
2.8.3 模架的裝配
導(dǎo)柱、導(dǎo)套與模板之間一般采用過(guò)盈配合，裝配時(shí)可采用手動(dòng)壓力機(jī)將導(dǎo)柱壓入動(dòng)模板的導(dǎo)柱孔，復(fù)位機(jī)構(gòu)的裝配復(fù)位桿與固定板一般采用過(guò)渡配合。模架的裝配比較簡(jiǎn)單，主要是用螺釘將裝有導(dǎo)套的定模板連接起來(lái)。
2.8.4 模具表面強(qiáng)化處理工藝特點(diǎn)及應(yīng)用
滲碳處理：滲碳處理是向模具零件表面滲入氮原子的過(guò)程。
模具滲氮前應(yīng)加工到尺寸精度和表面粗糙度，最好是經(jīng)過(guò)試模確認(rèn)完全合格后再進(jìn)行滲氮處理根據(jù)模具的技術(shù)要求分別采用以下兩種工藝路線(xiàn)：
精密模具：備料～鍛造～退火或回火～調(diào)質(zhì)～半加工～裝配～試?！珴B氮～研磨拋光～裝配
一般模具：備料～粗加工～調(diào)質(zhì)～精加工～滲氮～研磨～裝配
2.8.5 總裝的技術(shù)要求
（1）裝配后的模具安裝表面的平行誤差不大于0.05；
（2）模具閉合后分型面應(yīng)均密合；
（3）導(dǎo)柱、導(dǎo)套滑動(dòng)靈活，推件時(shí)推桿和卸料板動(dòng)作一致；
（4）合模后動(dòng)模部分和定模部分的型芯必須緊密接觸。
2.8.6 試模
模具在裝配完成之后，在交付生產(chǎn)時(shí)試模，其目的是檢查模具在設(shè)計(jì)制造上是否存在缺陷，若有，則排除，對(duì)模具成型工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)以有利于模具成型工藝的確定和提高。
2.9 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)冷卻通道時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：
冷卻水孔盡可能多、孔徑盡可能大；
盡量保證塑件收縮均勻，維持模具的熱平衡；
盡可能使冷卻水孔至型腔表面的距離相等當(dāng)塑件壁厚均勻時(shí)，冷卻水孔與型腔表面的距離應(yīng)處處相等；
強(qiáng)化澆口處的冷卻；
應(yīng)降低進(jìn)水與出水的溫差；
冷卻水孔應(yīng)避免設(shè)在塑件熔接痕處；
合理選擇冷卻水道的形式；
合理確定冷卻水管接頭位置；
冷卻系統(tǒng)的水道盡量避免與模具上其他結(jié)構(gòu)（如推桿、小型芯孔等）發(fā)生干涉現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)要通盤(pán)考慮；
冷卻水管進(jìn)出接頭應(yīng)埋入模板內(nèi)，以免模具在搬運(yùn)過(guò)程中造成損壞。
注塑模溫對(duì)塑料熔體的流動(dòng)、固化定型、生產(chǎn)率以及塑件的形狀和尺寸精度有著直接的影響。注射成型時(shí)，不同的塑料對(duì)模溫有著不同的要求，控制適宜的模溫來(lái)保證塑料熔體具有最佳的流動(dòng)性，易于充滿(mǎn)型腔，并使塑件脫模后的收縮、翹曲變形小，形狀與尺寸穩(wěn)定，具有較高的物理力學(xué)性能以及較高的表面質(zhì)量。
通過(guò)調(diào)節(jié)溫度與控制系統(tǒng)可收到如下效果：
改善成型性能：可以使模塑溫度保持是適應(yīng)于塑料的規(guī)格溫度，以改善成型性能；
穩(wěn)定尺寸精度：如果塑模溫度發(fā)生變化，則塑料的收縮率也會(huì)有很大的變動(dòng)，尤其對(duì)結(jié)果性塑件，因此，若塑模溫度保持一定，收縮率也就得到穩(wěn)定，塑件的尺寸精度自然就穩(wěn)定了；
減少塑件變形：提高塑件精度；
改善塑件表面質(zhì)量：消除外觀缺陷，合理的模溫可提高塑件的外觀質(zhì)量和降低表面粗糙度[13]。
2.9.1冷卻系統(tǒng)的計(jì)算
模具為中小型，可用下面的方法簡(jiǎn)單計(jì)算，如下：
計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)從型腔中散發(fā)出的總熱量（Q總=Q1）：
（1）計(jì)算每次需要的注射量（Kg或cm3）
G=G件+G澆
=14.8x10 -3 +0.72x1.05
=0.77Kg
（2）確定生產(chǎn)周期（s）
t=t注 + t冷 + t脫
=50s（式中數(shù)值查表得）
（3）求使用的塑料單位熱流量Qs（Kj/Kg）
查表得ABS單位熱流量 310～400 Kj/Kg
（4）求每小時(shí)需要注射的次數(shù)
N=3600/50
=72次
（5）求每小時(shí)的注射量（Kg/h）
W=N.G
=72x0.77
=55.44 Kg/h
（6）求從型腔內(nèi)發(fā)出的總熱量（Kj/h）
Q總=Q1=N.G.Qs=W.Qs=55.44 x 350=19404 Kj/h
2.9.2 求冷水的體積流量（m3/min）
（1）V=q.v=Q/60 / ρ1.C1（T出 – T進(jìn)）
式中，ρ為密度 103Kg/m3，C1為水的比熱熔 C1=4.187J/（Kg.℃），T出為水管出口設(shè)定溫度，T進(jìn)為水管進(jìn)口設(shè)定溫度，Q為凹模帶走的熱量（Kj/h）取ΔT=T進(jìn)-T出=5℃。
（2）q.v=1/3 x 19404/60 / 10x4.187x5℃
=5x10 -3 m3/min
（3）求冷卻水管的直徑d（mm）
查表 得 d=8mm
（4）求冷卻水的平均流速（m/s）；
查表 得 Vmin=1.66m/s
計(jì)算凹模上應(yīng)設(shè)冷卻管的總長(zhǎng)度（m），由于傳熱面積A=πdL。所以：
l=A/πd =0.298m=298mm
求凹模所需冷卻管根數(shù)
n=L/B=490/160≈3
以上為模具冷卻系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程，由于模具下模板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不好設(shè)置冷卻管道，因此冷卻管道只設(shè)在上模板中。
表2.4 流道尺寸
冷卻水管直徑d（mm）
最低流速v（m/s）
冷卻水體積流量v（m3/min）
8
1.66
5.0 x 10 -3
10
1.32
6.2 x 10 -3
12
1.10
7.4 x 10 -3
15
0.87
9.2 x 10 -3
20
0.66
12.4 x 10 -3
2.10 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
為了保證注射模準(zhǔn)確合模與開(kāi)模，在注射模中必須設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是導(dǎo)向、定位以及承受一定的側(cè)向壓力。
本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
設(shè)計(jì)導(dǎo)柱和導(dǎo)套時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）導(dǎo)柱應(yīng)合理地均勻布置在模具分型面的四周，導(dǎo)柱中心至模具外緣應(yīng)有足夠的距離，以保證模具的強(qiáng)度。
（2）導(dǎo)柱的長(zhǎng)度應(yīng)比型芯（凸模）端面的高度高出6mm～8mm，以免型芯進(jìn)入凹模時(shí)與凹模相碰而損壞。
（3） 導(dǎo)柱和導(dǎo)套應(yīng)有足夠的耐磨度和強(qiáng)度，常采用低碳鋼經(jīng)滲碳0.5mm～0.8mm，淬火48～55HRC,也可采用T8A碳素工具鋼，經(jīng)淬火處理。
（4）為了使導(dǎo)柱能順利地進(jìn)入導(dǎo)套，導(dǎo)柱端部應(yīng)做成錐形或半球形，導(dǎo)套前端要倒角。
（5）導(dǎo)柱設(shè)在動(dòng)模一側(cè)可以保護(hù)型芯不受損傷，而設(shè)在定模一側(cè)則便于順利脫模取出塑件，因此可根據(jù)需要而決定裝配方式。
（6） 一般導(dǎo)柱滑動(dòng)部分的配合形式按H8/f8，導(dǎo)柱和導(dǎo)套固定部分配合按H7/k6，導(dǎo)套外徑的配合按H7/k6。
（7）除了動(dòng)模、定模之間設(shè)導(dǎo)柱、導(dǎo)套外，一般還在動(dòng)模座板與推板之間設(shè)置導(dǎo)柱和導(dǎo)套，以保證推出機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動(dòng)。
（8）導(dǎo)柱的直徑應(yīng)根據(jù)模具大小而決定，可參考標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)選取[14]。
導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)如圖2.3：
圖2.3 導(dǎo)柱
導(dǎo)套結(jié)構(gòu)如圖2.4：
圖2.4 導(dǎo)套
2.10 脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在注射成型的每一循環(huán)中，都必須使塑件從模具型腔中或型芯上脫出，模具中這種脫出塑件的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為脫出機(jī)構(gòu)（或稱(chēng)推出機(jī)構(gòu)、頂出機(jī)構(gòu)）。
設(shè)計(jì)脫模機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：
結(jié)構(gòu)可靠：機(jī)械的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、可靠、靈活，并有足夠的剛度和強(qiáng)度。
保證塑件不變形、不損壞。
保證塑件外觀良好。
盡量使塑件留在動(dòng)模一邊，以便借助于開(kāi)模力驅(qū)動(dòng)脫模裝置，完成脫模動(dòng)作。
根據(jù)以上原則，在模具上設(shè)計(jì)頂桿的大小與位置，頂桿就是脫模推出機(jī)構(gòu)，即將塑件從型芯上頂出。頂桿見(jiàn)零件圖，頂出時(shí)受力均衡，直徑都為。
頂出行程計(jì)算：
式中 —所需頂出行程
—型芯成型高度
e —頂出行程富裕量（mm）
=15+5=20（mm）
所需開(kāi)模行程計(jì)算
式中 —開(kāi)模行程（mm）；
—塑件及澆注系統(tǒng)在開(kāi)模方向上的總投影高度（mm）；
—?jiǎng)佣Ｐ托就怀龇中兔娴母叨瓤偤停╩m）；
e —取件及取出澆注系統(tǒng)凝料的開(kāi)模行程富裕量（mm）；
。
推桿機(jī)構(gòu)如圖2.5：
圖2.5 推桿
2.11 壓力機(jī)的校核
2.11.1 最大注射量的校核
式中 —注射機(jī)公稱(chēng)質(zhì)量注射量
—注射機(jī)最大注射量的利用系數(shù)，取0.8
—塑件的質(zhì)量
—澆注系統(tǒng)等廢料的質(zhì)量
塑件質(zhì)量5.72g，澆注系統(tǒng)質(zhì)量3.63g。
則每次注射所需塑料量為45.72+3.63=26.51g。
注射機(jī)的最大注射量600.8=48g>26.51g，故能滿(mǎn)足要求[15]。
2.11.2 鎖模力與注射壓力的校核
鎖模力可按校核
式中 p—模具型腔內(nèi)塑料熔體平均壓力（），一般為注射壓力的0.3～0.6倍，通常為20～40， 取25。
A—塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之和（cm）
F—注射機(jī)額定鎖模力（N）
投影面積估算
=7259.68+180+50.24+8
=7497.92mm=7.50cm
代入上式得 F=257.50=187.5（KN）
由于F=500KN 故滿(mǎn)足
2.11.3 注射機(jī)開(kāi)模行程的校核
式中 —注射機(jī)行程（SK=170mm）
—脫模距離（頂出距離）
—塑件高度+澆注系統(tǒng)高度
則 ++10=52+17+10=79mm<170mm
故能滿(mǎn)足要求。
結(jié)束語(yǔ)
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)與能力的綜合應(yīng)用和檢測(cè)，是每一個(gè)合格的大學(xué)生的必經(jīng)工程，也是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅培養(yǎng)了我們正確的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)也讓我們掌握了工程設(shè)計(jì)的一般程序和方法，以及鍛煉了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們大量閱讀了各種技術(shù)資料及手冊(cè)，而且對(duì)塑料零件的性能等問(wèn)題進(jìn)行了研究。因此，本次設(shè)計(jì)不僅加深了自己對(duì)專(zhuān)業(yè)所學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步提高了我們的繪圖能力。
我在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中知識(shí)能力得到了一個(gè)質(zhì)的飛躍，這對(duì)我們將來(lái)都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。并且，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還得到了其他老師和各組同學(xué)的熱忱幫助，在此表示感謝！
由于本人知識(shí)有限，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，因此設(shè)計(jì)中難免還存在著或多或少的不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正，本人將不勝感激。
致 謝
大學(xué)最后一次的作業(yè)---畢業(yè)設(shè)計(jì)做完了，這是個(gè)很艱巨而又漫長(zhǎng)的任務(wù)，以我個(gè)人的能力不可能完成這么龐大的工程。所以，在這里，我要非常感謝張躍老師以及系里其他的老師對(duì)我的幫助和指導(dǎo)，還有在我遇到困難伸出援手的同學(xué)們，在我們共同努力之下，讓我很順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。再一次感謝你們對(duì)我的幫助。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 李建軍，李德群主編 ．模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及模具CAD [M]．北京機(jī)械工業(yè)出版社，2005．
[2] 鄧明等編著．現(xiàn)代模具制造技術(shù)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2005．
[3] 二代龍震工作室編著．PRO/MOLDESIGN Wildfire 2.0 模具設(shè)計(jì)[M]．電子工業(yè)出版社，2005．
[4] 葉久新，王群主編．塑料制品成型及模具設(shè)計(jì)[M]．湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005．
[5] 孫玉芹等主編．機(jī)械精度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．科學(xué)出版社，2004．
[6] 陳再枝，藍(lán)德年編著．模具鋼手冊(cè)[M]．冶金工業(yè)出版社，2002．
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[11] 王文廣，田雁主編．塑料配方設(shè)計(jì)～第二版[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2004．
[12] 詹友剛編著．PRO/ENGINEER中文野火版2.0基礎(chǔ)教程[M]．清華大學(xué)出版社．
[13] 李預(yù)斌編著．精通PRO/ENGINEER中文野火版[M]．中國(guó)青年出版社．
[14] 張沛頎等編著．PRO/ENGINEER野火版進(jìn)階設(shè)計(jì)[M]．人民郵電出版社，2004．
[15] 李世國(guó)等編著．PEO/ENGINEER WILDFIRE中文版范例教程[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2004．