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編號(hào)： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目：玩具車輪輞的注射模設(shè) 計(jì)及CAE分析 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 年6月6日 摘 要 塑料作為一種在日常社會(huì)中廣泛利用的材料，其發(fā)展速度之迅猛，使塑料的加工和成型工藝也越來越受到重視。ABS材料的硬度、耐磨性、耐熱性較高，韌性、彈性、耐沖擊強(qiáng)度良好，因此成為了塑料玩具的主要材料之一。本論文以玩具車輪輞的注塑模具設(shè)計(jì)及CAE分析作為課題，主要研究以下內(nèi)容：根據(jù)玩具車輪輞成品的形狀、結(jié)構(gòu)及表面特性分析其成型工藝性，初步確定產(chǎn)品的的基本參數(shù)，并確定注塑成型方式；其次，采用UG和AUTOCAD軟件對(duì)玩具車輪輞設(shè)計(jì)三維模具圖形及繪制二維裝配圖，其中還包括分型面、型腔數(shù)量、排列方式的確定，型芯和型腔設(shè)計(jì)，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇標(biāo)準(zhǔn)件，確定模架等。然后使用CAE軟件MOLDFLOW模擬模具填充過程和冷卻過程進(jìn)行模流分析，并對(duì)模具進(jìn)行填充分析、流動(dòng)分析、冷卻分析、翹曲分析，校核模具的強(qiáng)度，并在熱處理方面的要求、尺寸的合理性、公差的準(zhǔn)確度以及表面粗糙度的設(shè)定等方面校核模具的實(shí)用程度。 關(guān)鍵詞:玩具車車輪輞；注射成型；塑料模具；MOLDFLOW；UG  Abstract As a kind of material widely used in daily life, plastic has been developing rapidly, making the processing and molding technology of plastics more and more important.The hardness, wear resistance and heat resistance of ABS material are high, toughness, elasticity and impact strength are good. Therefore, it has become one of the main materials of plastic toys.In this thesis, the design and CAE analysis of injection mould for toy wheel rim are mainly studied the following content:According to the toy wheel rim’s structure and the characteristics of the surface, the molding process is analyzed, the basic parameters of the product are preliminarily determined, and the injection molding method is determined.Secondly, UG and AUTOCAD software are used to design 3D mold graphics and two-dimensional assembly drawings of toy wheel rim, including the classification surface, the number of the cavity, the arrangement mode, the design of the core and the cavity, the design of the temperature regulation system, the design of the gating system,andthen choose the CN standard parts，finally finishi the mold’s frame selection.Then model flow analysis CAE software MOLDFLOW simulation mold filling process, cooling process, and mold filling analysis, flow analysis, cooling analysis, warpage analysis, check the strength of the mold, reasonable size, tolerance, surface roughness and material and heat requirements to verify the feasibility and reliability of the mold. Key words:Injection moulding;Toy’s plastic wheel rim;MOLDFLOW;Mould of plastics;UG  目 錄 1 緒論 1 1.1 注射模當(dāng)今概況 1 1.2 塑料模具的發(fā)展前景 2 1.3 制品分析 2 1.4 注塑成型概述 2 1.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)過程簡介及選題的意義 3 2 塑件及成型方案設(shè)計(jì) 3 2.1 基于UG軟件的三維模型創(chuàng)建 3 2.1.1 玩具車輪輞的三維模型設(shè)計(jì) 3 2.1.2 塑料玩具車輪輞的二維制視圖 4 2.1.3 玩具車輪輞的技術(shù)要求 4 2.2 玩具車輪輞的材料性能分析 5 2.3 關(guān)于ABS材料注射工藝參數(shù) 5 2.4 分型面設(shè)計(jì) 6 2.5 型腔數(shù)量及排布方式 7 3 基于MOLDFLOW軟件的玩具車輪輞模流分析 7 3.1 模型網(wǎng)格化處理 7 3.2 選擇材料 8 3.3 澆口位置的確定 9 3.4 建立模型澆注系統(tǒng) 10 3.5 玩具車輪輞模擬流動(dòng)分析 12 3.5.1 成型工藝參數(shù)設(shè)置 12 3.5.2 模擬流動(dòng)的數(shù)據(jù)分析 13 3.6 模具冷卻系統(tǒng)的分析 16 3.6.1 創(chuàng)建冷卻系統(tǒng) 17 3.6.2 回路冷卻液溫度分析結(jié)果 17 3.6.3 回路管壁溫度分析結(jié)果 17 3.6.4 塑件冷卻時(shí)間分析結(jié)果 18 3.6.5 塑件平均溫度分析結(jié)果 18 3.7 制品翹曲分析 18 3.8 塑件CAE結(jié)果分析 19 4 玩具車輪輞的注塑模具設(shè)計(jì) 19 4.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 4.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 4.2.1 主流道的設(shè)計(jì) 20 4.2.2 分流道的設(shè)計(jì) 21 4.2.3 分流道澆口的確定 23 4.2.4 冷料穴與拉料桿的設(shè)計(jì) 24 4.3 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 4.3.1 模具型腔、型芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 4.3.2 各零部件材料的確定 25 4.3.3 成型零件的工作尺寸計(jì)算 26 4.4 確定模架 28 4.4.1 各模板尺寸的確定 28 4.4.2 模架材料的選取 29 4.5 排氣槽的設(shè)計(jì) 29 4.6 合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 29 4.6.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 29 4.6.2 推出機(jī)構(gòu) 29 4.7 確定冷卻方案 30 4.7.1 冷卻液的選擇 30 4.7.2 冷卻系統(tǒng)的布局 30 4.8 裝配模具 30 5 注塑機(jī)的選擇 31 5.1 注塑量的計(jì)算 31 5.2 注射機(jī)的選擇 31 5.3 校核注射機(jī)工藝參數(shù) 32 5.3.1 公稱注射量的校核 32 5.3.2 注射機(jī)壓力的校核 32 5.3.3 鎖模力的校核 33 5.3.4 模具零件相關(guān)尺寸的校核 33 6 總結(jié) 34 致 謝 35 參考文獻(xiàn) 36 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第43頁 /共 36頁 1 緒論 近年來，我國的塑料制造生產(chǎn)工業(yè)蓬勃發(fā)展，主要得益于人造合成塑料的技術(shù)創(chuàng)新與完善，能應(yīng)用塑料制件的物品范圍越來越廣，而其制作成本也趨于更多的公司和企業(yè)接受的范圍。集可制造生產(chǎn)形狀復(fù)雜的制品、方便結(jié)合計(jì)算機(jī)電子技術(shù)、易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)于一身的注塑成型加工法，占據(jù)著塑料成型加工中極為重要的位置。注塑模具作為注塑成型方法的重要組成部分，對(duì)于近年來塑料模具產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和制造技術(shù)大幅度提升，模具生產(chǎn)制造的周期明顯縮短，塑料工業(yè)的迅速發(fā)展發(fā)揮著主導(dǎo)作用，并更加推動(dòng)著塑料模具的結(jié)構(gòu)精密化、體積大型化、制品復(fù)雜化的發(fā)展。由于塑料制品的應(yīng)用范圍極其廣泛，人們的生活方式與水平得到了巨大的改變，而在人們廣泛接觸的塑料制品的質(zhì)量問題無疑是最受關(guān)注的要點(diǎn)，影響其質(zhì)量的重要因素也成為了我們重點(diǎn)研究對(duì)象。我國注塑成型加工的技術(shù)已發(fā)展的相當(dāng)成熟，幾乎所有的熱塑性材料、多種熱固性塑料和橡膠都可以用利用此技術(shù)成型，使得目前注塑成型制品占制品總量30%以上，因此，對(duì)于注塑模具的設(shè)計(jì)更成為了分析的重點(diǎn)，而在傳統(tǒng)注塑模具技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)新或者結(jié)合新技術(shù)，使模具更加可靠的前提下的工作效率更高、制作成本更低也成為了注塑模具行業(yè)研究的主流。 1.1 注射模當(dāng)今概況 要得到制品的完整的尺寸與結(jié)構(gòu)，必然少不了在注塑加工過程中配合注射機(jī)Z作的注射模具。就材料而言，模具分為軟模和硬模。軟模具一般使用P20預(yù)硬化鋼，其中一些使用45號(hào)或更高的碳鋼。硬模為H-13(鉻鋼)或420(不銹鋼)等。一個(gè)完整的注射模包含著許多個(gè)零件，由此可以加工制作出各種系列的制件，其中核心的幾個(gè)零件有配合注射型腔使用的一種鑲嵌板，也稱定模板；配合動(dòng)模運(yùn)作的活動(dòng)板，需要隨著動(dòng)模沿著導(dǎo)柱方向工作，因此也稱其為動(dòng)模板；而型腔型芯則是鑲嵌于這兩塊板中發(fā)揮其作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，塑料模具技術(shù)與之結(jié)合起來，使材料加工成型領(lǐng)域有了里程碑式的改革。 美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）和德國西門子公司（SIEMENS）旗下分別出品了 Pro/Engineer簡稱（ProE）, Unigraphics（簡稱UG）這兩款強(qiáng)大的三維模型制作軟件，都有方便快捷的模具設(shè)計(jì)項(xiàng)目，更有美國達(dá)索公司旗下的SolidWorks軟件，創(chuàng)新出了世界上第一個(gè)適用于windows計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三維CAD系統(tǒng)，受到廣大開發(fā)者的學(xué)習(xí)使用。結(jié)合上述系列軟件的功能與其適用范圍，共同的特點(diǎn)大都是有方便的制圖，與建模功能，特別是對(duì)于三維模型與曲面模型。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型庫完整，調(diào)用方便簡單；典型結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)零件庫添加方便。 注射模CAE技術(shù)是以材料流變與熱學(xué)學(xué)術(shù)性理論為科研基礎(chǔ)，再通過電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，生成并模擬真實(shí)的熔體流動(dòng)過程，并通過圖形形象呈現(xiàn)出。充冷過程，從而獲得加工和成型過程中的壓力、溫度、速度等狀態(tài)參數(shù)，以獲得良好的充填模式，確定最佳的澆口位置和澆口數(shù)量，優(yōu)化流道系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少模具返修的成本，并節(jié)省設(shè)計(jì)者的寶貴時(shí)間。 1.2 塑料模具的發(fā)展前景 目前，國內(nèi)的塑料模具生產(chǎn)企業(yè)正在朝著現(xiàn)代化和規(guī)?；较虬l(fā)展，同時(shí)，“小 而專”、“小而精”依舊的發(fā)展的主流。在未來的模具設(shè)計(jì)制造中，更加廣泛、深入應(yīng)用CAD、CAM、CAE技術(shù)， 一種全新的制造技術(shù)——快速原型制造（RRM）技術(shù)的成熟運(yùn)用，以及熱流道技術(shù)得到推廣和越來越高的模具標(biāo)準(zhǔn)化程度等將完全滿足企業(yè)和用戶對(duì)模具制造“交貨周期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、“價(jià)格低”的要求。 1.3 制品分析 塑料玩具在玩具材料類別中占據(jù)這非常大的比例，而且其生產(chǎn)的工藝廣泛應(yīng)用到了大部分的塑料成型工藝，而注塑模具在玩具生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。注射成型的過程主要是將經(jīng)過處理后的塑料顆粒投入到注塑機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)中，在注塑機(jī)中塑料被加熱兒轉(zhuǎn)變成能夠便于成型的塑料熔體，再經(jīng)過塑料的推動(dòng)系統(tǒng)將這部分塑料熔體推進(jìn)塑料模具型腔中去，當(dāng)塑料熔體把塑料模具型腔全部填滿后，經(jīng)過預(yù)計(jì)的冷卻時(shí)間進(jìn)行保壓冷卻，脫模推出后便得到了塑料模具對(duì)應(yīng)的塑件。 車輛玩具作為兒童玩具的一大類，塑料玩具車輪也占據(jù)玩具車輪的主導(dǎo)地位。本文主要研究對(duì)象為塑料玩具車輪輞，其材質(zhì)為ABS塑料，所采用的加工工藝為注塑成型技術(shù)。 在廣大的塑件制品市場中，其表面質(zhì)量高要求、復(fù)雜化結(jié)構(gòu)大都因其需批量生產(chǎn)，而且為了積極響應(yīng)市場，對(duì)生產(chǎn)效率要求較高，均會(huì)采用注射成型工藝。 1.4 注塑成型概述 注射成型，簡而言之就是一個(gè)由固態(tài)原料轉(zhuǎn)化到熔融態(tài)流體，再轉(zhuǎn)化成固態(tài)產(chǎn)品的過程。而其具體的過程就是將采購回來的小固體原料，通過加料系統(tǒng)到達(dá)螺桿加壓，再由噴嘴流入低溫封閉型腔，冷卻硬化，保持型腔給定的形狀，開模取出橡膠片后完成一個(gè)完整的工作循環(huán)。 作為塑料模制中常用的方法，玩具零件的完整注塑工藝可分為以下步驟： 首先要準(zhǔn)備需注射成型的材料。按驗(yàn)證的比例制成生產(chǎn)用塑料原料。 若對(duì)制件的顏色有特殊要求，則第二步需要設(shè)計(jì)顏色附著方案。著色劑則是這個(gè)步驟需要用到的一類添加劑，在注射過程中添加，再使其混合均勻，即可達(dá)到既改變了制件的顏色又不影響其性能的要求。 在本次玩具塑件生產(chǎn)中，使用的原料為ABS所料，根據(jù)其材料的特點(diǎn)，以及工藝特性要求，需要在注塑前將原料水分去除，最常用的方法是使用烘干機(jī)來達(dá)到目的。。 在得到經(jīng)過各項(xiàng)處理后的原材料后，就可以利用注射機(jī)通過流道系統(tǒng)輸送材料的熔體進(jìn)入模具的型腔內(nèi)，在進(jìn)行冷卻處理。 在現(xiàn)代的注射成型的生產(chǎn)線中，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)，甚至全自動(dòng)的生產(chǎn)方式過程，而在調(diào)試時(shí)則只采用手動(dòng)方式。 1.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)過程簡介及選題的意義 在設(shè)計(jì)模具時(shí)，初步確定運(yùn)用UG軟件設(shè)計(jì)。首先，分析參考已制成的玩具塑料車輪輞，仔細(xì)測量其尺寸，在UG建模模塊上建立玩具車輪輞的3D模型結(jié)構(gòu)，完成后，直接保存的話得到的UG文件為.prt格式，然而要進(jìn)行CAE模流分析的話，其對(duì)應(yīng)的 Moldflow 軟件中，并不支持此文件格式，這就要使用到UG軟件的導(dǎo)出功能，使.prt格式的轉(zhuǎn)化為.stl格式，則可以將玩具車輪輞模型加載成功至MOLDFLOW軟件中，再利用其網(wǎng)格化模型，進(jìn)行玩具車輪輞的真實(shí)模擬流動(dòng)分析，模擬出塑件的實(shí)際生產(chǎn)情況，再結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，得出需要改進(jìn)的方面，如澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)的，得到與成型工藝相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)等等，以方便制作與之適合的成型工藝方案，并且可以在設(shè)計(jì)模具之前就可得知所需注意的問題，應(yīng)該在模具的哪部分進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，有利于模具澆口位置、澆注系統(tǒng)、注塑成型工藝、冷卻系統(tǒng)方案的選擇等等。 根據(jù)Moldflow軟件的仿真分析結(jié)果，利用ug軟件插件的注塑模具導(dǎo)向模塊，設(shè)計(jì)出具有參數(shù)化和特征造型特點(diǎn)的玩具車輪輞注射模具。首先，利用注塑模具向?qū)K中的初始化方案功能，加載輪輞的三維模型，定義模具坐標(biāo)系，并且設(shè)定收縮率，設(shè)計(jì)好塑件模具型腔的布局；再根據(jù)Moldflow軟件對(duì)輪輞的仿真分析結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)，創(chuàng)建分型面、分型區(qū)、型腔和型芯，并根據(jù)加載的標(biāo)準(zhǔn)件在模架上選擇相應(yīng)的模架。接下來完成模具頂桿、滑塊、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建。 和傳統(tǒng)的模具制造方法比較，我國模具設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的工作人員們幾乎均為依靠經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)逐漸積累下來的寶貴經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)磨具，然而這類經(jīng)驗(yàn)型的生產(chǎn)制造方式直接導(dǎo)致了模具的開發(fā)周期長，制造成本高昂，而模具的質(zhì)量也不能得到保證，已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)今自動(dòng)化、智能化、集成化和參數(shù)化的模具設(shè)計(jì)及制造的要求。 總的來說,本設(shè)計(jì)論文是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)上的模具設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)模具后在進(jìn)行注射熔體的流動(dòng)真實(shí)模擬分析，從而準(zhǔn)確顯示熔體流動(dòng)的推進(jìn)方式、充型過程中的壓力和溫度變化、氣穴位置和熔接痕跡等關(guān)鍵因素，成功避免了需要在實(shí)際試模生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的某些缺陷，并將這些缺陷加以改進(jìn)，大大縮短模具的開發(fā)周期并提高模具的質(zhì)量，通過這些操作以及步驟設(shè)計(jì)模具，無疑是模具設(shè)計(jì)制造業(yè)的一項(xiàng)重大革新。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，也使得我可以更加熟練的運(yùn)用所學(xué)過的知識(shí)于以后的生活以及工作中。 2 塑件及成型方案設(shè)計(jì) 2.1 基于UG軟件的三維模型創(chuàng)建 2.1.1 玩具車輪輞的三維模型設(shè)計(jì) 對(duì)于本次設(shè)計(jì)的玩具車輪輞塑件，仔細(xì)分析尺寸后，將其數(shù)據(jù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)上，并通過幾何制圖與拉伸成型等方法，成功建立出塑料玩具車輪輞的仿真三維模型。 圖2-1輪輞三維結(jié)構(gòu) 2.1.2 塑料玩具車輪輞的二維制視圖 玩具車輪輞二維圖如圖所示，單位為mm。 圖2-2輪輞二維圖形 2.1.3 玩具車輪輞的技術(shù)要求 玩具車輪輞作為小型玩具車車輪的核心部件，在組裝玩具車輪時(shí)，還要在輪輞外套上橡膠輪胎，才組裝成完整的車輪，所以對(duì)輪輞表面質(zhì)量一般即可。在玩具車運(yùn)作時(shí)，車輪輞承受著車輛的全部重量，并處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，考慮到車輛運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的場合多變，輪輞應(yīng)具有高的沖擊強(qiáng)度、力學(xué)強(qiáng)度，為滿足塑料玩具車輪輞的實(shí)際使用要求，選定ABS為其原料。根據(jù)國標(biāo) GB/T 14486-1993，選定玩具車輪輞的尺寸精度為MT5 級(jí)。 經(jīng)常使用的塑料材料公差等級(jí)的選取表如下表： 表2-1常用公差等級(jí) 2.2 玩具車輪輞的材料性能分析 ABS由丁二烯、丙烯腈和苯乙烯合成。各單體分別具有不同實(shí)際物理性能:丁二烯具有良好的機(jī)械性能，包括抗沖擊性和韌性；丙稀晴則具有突出的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且強(qiáng)度優(yōu)秀；苯乙烯易加工性優(yōu)秀、光滑度高、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，ABS材料易加工、蠕變小、尺寸穩(wěn)定性好、沖擊強(qiáng)度高。ABS塑料還具有吸濕性，熔化溫度在210~280℃，,流動(dòng)性良好，在成型前原料要進(jìn)行干燥處理。 ABS的主要性能指標(biāo)如下表： 表2-2 ABS主要性能 密度/g.cm-3 屈服強(qiáng)度/Mpa 拉伸強(qiáng)度/MPa 熔點(diǎn)/℃ 計(jì)算收縮率/% 1.02~1.08 50 38 130~160 0.4~0.7 2.3 關(guān)于ABS材料注射工藝參數(shù) 2.3.1 工藝過程概述 塑料玩具車輪輞采用的注射成型大體上分為三個(gè)過程，分別是注射前的準(zhǔn)備、注射過程、成型產(chǎn)品的后處理。 ⑴注射前準(zhǔn)備為保證注射成型順利進(jìn)行，保證塑件質(zhì)量，一般需要在注射前準(zhǔn)備原材料，還需要預(yù)處理，清洗，料筒，預(yù)熱插件和脫模劑的選擇。 ABS材料的預(yù)處理通常含有原材料的校驗(yàn)、干燥、預(yù)熱、染色等等步驟。 原材料檢驗(yàn)，即分析和檢驗(yàn)成型材料的質(zhì)量，檢驗(yàn)材料的物理機(jī)械性能特性(顏色是否符合要求，密度是否均勻等)和工藝性能(材料熔融后的流動(dòng)性能、在流道中溫度差異、產(chǎn)品成型后體積的變化、含水量等)的原料。 染色是指在原材料中添加一種添加劑，可以改變材料原來的顏色。常用的染色方法有三種：浮染法，將原料和著色劑按一定比例混合或直接加入注塑機(jī)料斗中。該方法簡單實(shí)用，僅適用于混合攪拌效果好的螺桿注射機(jī)；混合方法,將原料和著色劑按比例要求放入攪拌機(jī)中，然后加入適量潤濕劑攪拌混合均勻。這種染色方法比浮式染色方法好，因?yàn)樗褂锰厥獾幕旌掀鬟M(jìn)行染色；造粒法，將著色后的物料放入擠壓造粒機(jī)中造粒，使著色更加均勻。 預(yù)熱干燥:對(duì)于易吸潮的塑料ABS，注塑前必須進(jìn)行干燥處理，避免產(chǎn)品表面出現(xiàn)斑點(diǎn)、銀線、氣泡等缺陷，以及注塑過程中的水分降解。熱風(fēng)循環(huán)烘箱或紅外線烘箱可用于小批量生產(chǎn)。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，可采用負(fù)壓沸騰干燥或真空干燥，效果好，時(shí)間短。 為了便于脫模，對(duì)于ABS塑料在生產(chǎn)中推薦使用硬脂酸鋅作為脫模劑，價(jià)格相對(duì)便宜，并且效果良好。 ⑵通常完整的注射過程有以下幾個(gè)步驟。 塑化，即塑料的熔化，是指塑料被加熱到粘性流體狀態(tài)并具有良好塑性的整個(gè)過程。塑化后熔體的組成、密度、粘度和溫度分布比較均勻，保證了塑料熔體在下一次注塑過程中的良好流動(dòng)性。 注射充型是柱塞或螺桿從氣缸中的計(jì)量位置開始并通過注射液壓缸或活塞施加高壓以通過噴嘴和澆注系統(tǒng)快速進(jìn)入閉合模腔的過程，此過程也叫做注射成型。 在冷卻定型階段，產(chǎn)品在模具在冷卻系統(tǒng)的作用下逐漸冷卻至具有一定的剛度和強(qiáng)度，然后再進(jìn)行脫模。一般來說，脫模溫度不宜過高，否則，產(chǎn)品脫模后不僅收縮較大，而且脫模后易發(fā)生熱變形。由于模具溫度的限制，脫模溫度也不能太低。因此，合適的脫模溫度應(yīng)在塑性熱變形溫度和模具溫度之間。正常脫模時(shí)，型腔壓力與外界壓力之差不宜過大，否則脫模后容易在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)品在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)形狀尺寸變化或其它缺陷。 ⑶塑料零件的后處理。在熔融后的原材料于流道中流動(dòng)以及填充型腔時(shí)，由于各種原因可能導(dǎo)致產(chǎn)品收縮不一致，極有可能導(dǎo)致產(chǎn)品在成型后使用過程中出現(xiàn)一些不符合要求的異常情況，例如變形、開裂等,所以要仔細(xì)分析成型的過程，并設(shè)立消除缺陷的方案。對(duì)于ABS塑料，該方法是將從模具中取出的塑料部件置于一些恒溫的設(shè)備中或者液體中，延長其冷卻時(shí)間。 2.3.2 注塑工藝參數(shù) 選用的注射機(jī)為螺桿式注射機(jī)，根據(jù)注射原料以及注射機(jī)參數(shù)，設(shè)定料筒的溫度為150℃到200℃，噴嘴的溫度為170℃到180℃，模具的溫度偏低，為60℃到80℃之間，注射壓力為80到110MPa。 2.4 分型面設(shè)計(jì) 分型面的選擇原則： (1)有利于保證塑件的外觀質(zhì)量。 (2)正常情況下均選擇塑件的最大截面處作為分型面。 (3)盡可能使塑件留在動(dòng)模一側(cè)。 (4)對(duì)于精密制件，必須考慮其尺寸精度，使其在不會(huì)響其精度。 (5)動(dòng)定模的合模方向上，塑件的投影面積應(yīng)該設(shè)計(jì)得盡量小。 (6)合實(shí)際情況，合理分析后布局澆注系統(tǒng)與澆口位置。 (7)利于排氣。 (8)利于簡化模具結(jié)構(gòu)。 對(duì)于本文的塑料車輪輞，結(jié)合模具的設(shè)計(jì)情況和制件生產(chǎn)的難易度，在下圖所示出開設(shè)分型面。 圖2-3設(shè)立分型面 2.5 型腔數(shù)量及排布方式 由于本塑件尺寸較小，故使用一模多腔的模具生產(chǎn)形式，在提高塑件的生產(chǎn)效率方面，可以更加充分禾刂用生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力。 本文設(shè)計(jì)的玩具車輪輞塑件并不是精密型的產(chǎn)品，采用的精度一般在4-5級(jí)之間，且為中小批量生產(chǎn)，同時(shí)采用一模多腔結(jié)構(gòu)，即一模八腔結(jié)構(gòu)，對(duì)稱平衡布置。根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)和形狀，頂出機(jī)構(gòu)采用脫模板和推管頂出的頂出形式。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，澆道采用對(duì)稱平衡式，澆口采用側(cè)澆口，位置位于分型面上，如圖所示： 圖2-4型腔排布 3 基于MOLDFLOW軟件的玩具車輪輞模流分析 3.1 模型網(wǎng)格化處理 首先創(chuàng)建一個(gè)工程項(xiàng)目，然后在當(dāng)前的項(xiàng)目中，導(dǎo)入從UG中設(shè)計(jì)好的塑件模型再另存為.stl格式的文件，結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖3-1導(dǎo)入.stl文件格式模型 圖3-2塑件網(wǎng)格劃分 在新建的工程中成功導(dǎo)入塑件模型后，進(jìn)行創(chuàng)建網(wǎng)格——網(wǎng)格劃分的命令，操作結(jié)果如下圖所示。 網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)如下： 實(shí)體計(jì)數(shù):三角形:6036；已連接的節(jié)點(diǎn):3020；連通區(qū)域：1。面積:表面面積: 15.0976 cm^2。體積: 0.694062 cm^3?？v橫比:最大：28.2，平均：3.56，最小：1.17。邊細(xì)節(jié):自由邊：0；共用邊：9054；多重邊 ：0。取向細(xì)節(jié):配向不正確的單元：0。交叉點(diǎn)細(xì)節(jié):相交單元：0；完全重疊單元 ：0。匹配百分比:匹配百分比：85.9%；相互百分比：7.2%。 初步的網(wǎng)格劃分結(jié)果并不理想，進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)診斷不合理的網(wǎng)格，并對(duì)其進(jìn)行修改，經(jīng)過網(wǎng)格修復(fù)后的網(wǎng)格信息如下： 實(shí)體計(jì)數(shù):三角形:5692； 已連接的節(jié)點(diǎn):2848；連通區(qū)域：1。面積:表面面積: 15.0888 cm^2。體積: 0.693 cm^3。縱橫比:最大：12.9，平均：3.09，最?。?.17。邊細(xì)節(jié):自由邊：0；共用邊：8538；多重邊 ：0。取向細(xì)節(jié):配向不正確的單元：0。交叉點(diǎn)細(xì)節(jié):相交單元：0；完全重疊單元 ：0。匹配百分比:匹配百分比：90.5 %；相互百分比：89.6%。 經(jīng)分析，此網(wǎng)格診斷結(jié)果合理，并且滿足CAE模流分析要求。 3.2 選擇材料 對(duì)比分析塑料玩具車輪輞實(shí)體的結(jié)構(gòu)、性能，并且考慮其作為玩具車能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件之一，結(jié)合《注塑成型實(shí)用手冊(cè)》，選擇材料為ABS，材料的詳細(xì)信息如下所示： 系列：ACRYLONITRILE COPOLYMERS (ABS, ASA, ...) 牌號(hào)：Absolac 300 制造商：INEOS ABS 材料名稱縮寫：ABS 材料類型：Amorphous 材料ID：54404 等級(jí)代碼：BA003 推薦工藝如下表: 表3-1 ABS推薦工藝表 流變屬性如下圖所示： 圖3-3粘度曲線 圖3-4pvT數(shù)據(jù) 其中熔體密度/gcm-3：0.9319，固體密度/gcm-3:1.0577，繪制pvT（壓力，體積，溫度）數(shù)據(jù)如圖3-4所示： 3.3 澆口位置的確定 澆口位置與數(shù)目的確定對(duì)注塑加工件的質(zhì)量也有著有極大的影響，此時(shí)應(yīng)該遵循下列原則： (1) 澆口的設(shè)計(jì)應(yīng)該適于排氣，因?yàn)樵谧⑸淝?，流道和型腔?nèi)均含有大量氣體; (2) 澆口位置所在處，容易產(chǎn)生熔接痕，故不應(yīng)設(shè)在產(chǎn)品的主要表面; (3) 澆口是熔體從由流道直接進(jìn)入型腔的入口，必須設(shè)于有利熔體流動(dòng)至充滿型腔的位置; (4) 盡量避免或減少熔合線，并且使熔合線遠(yuǎn)離模具型腔中高壓力區(qū)域； (5) 熔體在流道內(nèi)流動(dòng)，以及填充型腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力降梯度，選擇合適的澆口位置，盡量降低此壓力降對(duì)充模的影響; (6) 盡量采用平衡澆口，使得熔體到達(dá)型腔的時(shí)間盡量控制為同時(shí)到達(dá)，可以使制件材料更加均勻，質(zhì)量更高; (7) 盡量避免將澆口設(shè)置于型腔中高壓力的區(qū)域； (8) 澆口應(yīng)盡量開設(shè)在不影響塑件外觀的位置，如邊緣底部； 結(jié)合澆口設(shè)計(jì)原則與塑件實(shí)體制品的情況分析，澆口位置的確定如下 圖3-5澆口位置 3.4 建立模型澆注系統(tǒng) 澆注系統(tǒng)是指從注射機(jī)的最上端噴嘴到模腔的進(jìn)料通道，具有傳遞質(zhì)量、傳遞壓力和傳遞熱量的功能，通常有四部分組成：主流道、分流道、澆口和冷料穴，詳細(xì)的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則如下： ① 硬塑料品種及其特性要求 現(xiàn)今，塑料材料的種類繁多，而對(duì)于其成型能力的也有著較大的差別，例如澆注系統(tǒng)的粘度特性、溫度范圍、流動(dòng)性能等參數(shù)不同，因此澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)緊密結(jié)合材料的充型和流動(dòng)特性的要求。 ② 流道中熔體參數(shù) 在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的流道時(shí)，應(yīng)盡量縮短流量，減少彎曲。流道部分的尺寸盡可能大，因?yàn)槿垠w在流經(jīng)流道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量了壓力的損失，應(yīng)盡量降低此損失量，讓熔體的充模能力更強(qiáng)。 ③ 確保進(jìn)料平衡 在滿足充模要求的前提下，為了縮短塑件成型的周期，澆注系統(tǒng)的容積應(yīng)該設(shè)計(jì)得盡量偏小。在型腔的布局上，應(yīng)采用平衡對(duì)稱的型腔布局方式，從而保證注塑模具能同時(shí)充滿，各型腔塑件質(zhì)量均勻。 ④ 制品收縮問題 在注射的過程中，對(duì)于設(shè)有直接澆口，且產(chǎn)品的水平面積較大，而在垂直方向上，厚度較小，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，容易引起產(chǎn)品變形，更容易產(chǎn)生收縮。更換多個(gè)澆口可以改善這種情況，但是每個(gè)澆口附近和其他部件之間的收縮仍然存在差異，這也將導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生和塑件變形，應(yīng)該特別注意。 ⑤ 防止型芯的變形和位移 在設(shè)計(jì)較為精密的模具澆注系統(tǒng)時(shí)，模具中會(huì)有側(cè)抽型芯或者嵌件，若采用直接澆口，會(huì)導(dǎo)致熔體流動(dòng)速度較快時(shí)，直接沖擊型芯或者嵌件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)沖壞型芯或者使得嵌件發(fā)生位移，從而導(dǎo)致脫模困難和廢品率嚴(yán)重上升。 ⑥ 對(duì)于注射熔體的時(shí)候 小的流道尺寸比大的流動(dòng)尺寸好,因?yàn)榭梢允沟脧U料的體積降到最小,而注射時(shí)所產(chǎn)生的粘滯熱是一種可以提高熔體溫度的有效方法,更可避色使用高料管溫度,因?yàn)槭褂酶吡瞎軠囟群芸赡軙?huì)造成熔膠裂解 ⑦ 流道的截面積應(yīng)大于流道的截面積,以使熔體更加快速地直接流入澆口區(qū)域。 ⑧ 盡可能地避免使塑件產(chǎn)生熔接痕,實(shí)在不可避免時(shí),應(yīng)該設(shè)計(jì)使其熔接痕產(chǎn)生 在塑件較為不重要的部位。 注塑模具的澆注系統(tǒng)有兩類排布方式，一類是平衡布局，另一類是非平衡式布局。采用平衡式布局澆注系統(tǒng)時(shí)，能最大限度確保各個(gè)型腔的溶體溫度、壓力、充模時(shí)間相等，使得熔體能夠同時(shí)到達(dá)各個(gè)型腔。采用此系統(tǒng)能確保各型腔成型后的塑件質(zhì)量均勻一致。其中平衡式的布局有多種形式： 圖3-6平衡式澆注系統(tǒng) 對(duì)于非平衡式流道澆注系統(tǒng)，其熔體由分流道流至各個(gè)型腔的澆口的各不相同。采用此澆注系統(tǒng)布局的，將使得各個(gè)型腔的產(chǎn)品冷卻速度不一樣，熔體的溫度，模具溫度、流道溫度也不同，使得產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響。 圖3-7非平衡式澆注系統(tǒng) 為了使非平衡布局的澆注系統(tǒng)打到熔體充模時(shí)能同時(shí)充滿各個(gè)型腔，需要對(duì)隔斷分流道及其相應(yīng)的澆口截面和長度尺寸分別進(jìn)行再次設(shè)計(jì)。通常是通過調(diào)整澆口截面尺寸來打到熔體充模流動(dòng)的平衡，但是仍然需要多次的試模與尺寸調(diào)整才能達(dá)到平衡。 然而實(shí)際上，即使經(jīng)過多次試模與修整，即時(shí)能確保各型腔同時(shí)充滿，仍不能保證各型腔澆口的凍結(jié)時(shí)間相同。因此，在各個(gè)型腔尺寸相同的情況下，同摸生產(chǎn)的塑件制品其尺寸性能不一定相同。由此可見，精密塑件成型時(shí)不宜采用多型腔非平衡式布局的澆注系統(tǒng)。 根據(jù)實(shí)物塑件的結(jié)構(gòu)和特征，再綜合各方面情況,采用平衡式布局手動(dòng)創(chuàng)建澆注系統(tǒng)，如下圖所示： 圖3-8澆注系統(tǒng)布局 3.5 玩具車輪輞模擬流動(dòng)分析 運(yùn)用moldflow軟件模擬塑料熔體實(shí)際的流動(dòng)以及填充模具型腔的過程分析，包括充填分析、保壓分析這兩個(gè)階段。通過模流分析后得出一系列的數(shù)據(jù)結(jié)果包括溫度、壓力和時(shí)間等工藝的詳細(xì)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，確定是否合理，或者存在成型缺陷問題：例如欠注、困氣、短射等等。 3.5.1 成型工藝參數(shù)設(shè)置 根據(jù)塑件分析所確定的成型工藝，和在3.2中選擇的制品成性材料，再結(jié)合moldflow軟件默認(rèn)推薦注射參數(shù)，得出成型方案： 材料：ABS，牌號(hào)為Absolac 300； 工藝：熱塑性塑料注射成型；澆注系統(tǒng)主流道為圓錐形，小段直徑D主=3mm，椎體 角度為1.5deg，分流道的截面直徑D分=6mm，冷卻系統(tǒng)管道直徑D冷=6mm，其他未注明的成型工藝條件均為根據(jù)所選材料軟件料推薦的默認(rèn)參數(shù)。 3.5.2 模擬流動(dòng)的數(shù)據(jù)分析 （1） 充填時(shí)間的分析 注射時(shí)，每個(gè)型腔對(duì)應(yīng)的澆口為單個(gè)澆口，完全填充型腔完成時(shí)間為0.6603s，由于設(shè)計(jì)的是平衡式澆注系統(tǒng)，塑料熔體均幾乎同時(shí)充滿各個(gè)型腔的末端。再從整個(gè)充填過程來看，熔體流動(dòng)均勻平穩(wěn)，分析成型后制品的總體充填效果良好，制品的質(zhì)量較好。 圖3-9充填時(shí)間 （2） 熔體流動(dòng)前沿的溫度數(shù)據(jù)分析 熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)前言溫度分布，反映著熔體在型腔內(nèi)的充填情況。其中，溫度數(shù)值在型腔中分布得越均勻、溫度差值越小，則可以得出熔體在充模時(shí)越流暢，塑件制品成型后質(zhì)量越好；相反則可能因塑件結(jié)構(gòu)問題產(chǎn)生各種產(chǎn)品缺陷。由下圖分析結(jié)果可知，此方案的流動(dòng)前沿溫度差值： =260.6-257.8=2.8℃ （式3-1） 此中遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通常流動(dòng)前沿溫差20℃，且溫度分布均勻合理，完全符合要求。 圖3-10熔體流動(dòng)前沿溫度差 （3） 剪切速率分析結(jié)果 剪切速率在熔體流動(dòng)時(shí)對(duì)其充滿型腔的程度有很大的影響，并關(guān)聯(lián)其制品的質(zhì)量。在注塑過程中，合理范圍內(nèi)的剪切速率會(huì)產(chǎn)生剪切熱，有利于塑料熔體的充型流動(dòng)；若剪切速率過大則反映出澆注系統(tǒng)的流道或澆口設(shè)計(jì)不合理，熔體流動(dòng)阻力過大，有可能會(huì)引塑料產(chǎn)品缺陷，例如分子鏈斷裂、制品變色、機(jī)械性能降低等等。 本塑件選擇的ABS塑料所允許的最大剪切速率為50000[1/s]，參照下圖所示，結(jié)果數(shù)據(jù)合理，切高剪切速率的位置均集中分布在澆口，符合要求。 圖3-11剪切速率分析結(jié)果 （4） 氣穴位置分析結(jié)果 在注塑成型的過程中，熔體流動(dòng)會(huì)夾雜著一定量的氣體隨著流道進(jìn)入型腔內(nèi)，而型腔內(nèi)也有氣體，若過多的殘留在型腔內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生氣泡、困氣等缺陷，嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。從下圖明顯表示出，于分型面上有少許的氣穴，但多出的的氣體均可從頂針、推管、分型面配合間隙以及動(dòng)定模板間隙排出。 圖3-12氣穴位置分析結(jié)果 （5） 注塑位置處壓力和鎖模力的對(duì)比分析結(jié)果 在注塑過程中，需要多大的注塑壓力以及鎖模力以及塑料熔體在充填型腔的過程中能否達(dá)到平衡充模，均可以通過注射位置處的壓力坐標(biāo)軸圖與鎖模力坐標(biāo)軸圖直接比較得出，并可以為選擇合理的注塑機(jī)作為參考。 如圖所示，結(jié)合moldflow軟件的分析日志，最大注射壓力為在時(shí)間0.6496 s時(shí)達(dá)到的20.8875 MPa；而在充填開始至充填結(jié)束之間，鎖模力最大值為0.66s時(shí)達(dá)到的3.6754 tonne（注：1tonne=10Mpa），在保壓期間，最大值在1.07s時(shí)達(dá)到的6.02 tonne，均符合注塑和鎖模的要求。 圖3-13注射位置處壓力與鎖模力坐標(biāo)軸圖對(duì)比 （6） 壓力的分布分析結(jié)果 為避免塑件在成型時(shí)由于壓力突變導(dǎo)致成型后產(chǎn)生飛邊、滯留、溢料、體積收縮偏大等缺陷，必須確保塑料熔體在充填時(shí)于流動(dòng)方向上的壓力減少梯度分布均勻，進(jìn)而確保塑件成型后的質(zhì)量。如下圖所示，注塑壓力為20.89MPa，壓力值屬允許范圍之內(nèi)，充填過程平衡穩(wěn)定，時(shí)間壓力均勻分布，總體工藝參數(shù)與要求差別不大，符合生產(chǎn)要求。 圖3-14注塑壓力分布分析結(jié)果 （7） 熔接線分析結(jié)果 熔接線又稱熔接痕，多數(shù)產(chǎn)生于澆口進(jìn)塑處的塑件、塑件孔或型芯周圍轉(zhuǎn)角較大的地方等等此類流速較差的位置，通常會(huì)在塑件表面行成一條線狀痕跡，偶爾在充絨料分流后重新交匯也會(huì)行成熔接痕。正常情況下無法避免產(chǎn)生的一些細(xì)小熔接痕，對(duì)于塑件整體質(zhì)量來說影響不大。若想減少熔接痕缺陷這一現(xiàn)象，應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)一個(gè)型腔對(duì)應(yīng)一個(gè)澆口的形式，并且選擇合理的位置。但是對(duì)于嚴(yán)重的熔接痕缺陷，往往會(huì)使塑件缺陷初力學(xué)性能變差，機(jī)械性能下降甚至在正常使用時(shí)損壞。 在下圖分析結(jié)果中，塑件成型后會(huì)存在少量的細(xì)小熔接痕，對(duì)于塑料玩具輪輞來說，外部還需安裝橡膠輪胎后才會(huì)正常使用，所以影響不大，滿足正常使用要求。 3-15熔接線分析結(jié)果 （8） 頂出時(shí)的塑件體積收縮率分析結(jié)果 根據(jù)分析結(jié)果顯示，塑件制品在頂出時(shí)收縮率在1.179%～5.858%之間。頂出時(shí)的體積收縮率反映出制品在成型星廚后的收縮情況，通常情況下應(yīng)小于3%。在分析結(jié)果圖中可看出，超出3%的大部分為分流道中凝料，少量位于輪輞邊緣，這對(duì)成型后制品是幾乎無影響的，而且收縮率分布在型腔內(nèi)分布得也較為均勻，符合要求。 圖3-16頂出時(shí)提及收縮率分析結(jié)果 3.6 模具冷卻系統(tǒng)的分析 合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成型后制品的質(zhì)量以及提高生產(chǎn)效率的保障。經(jīng)過對(duì)制件的結(jié)構(gòu)分析，型腔布局冷卻要求的分析，初步確定兩種冷卻方案對(duì)比分析。 3.6.1 創(chuàng)建冷卻系統(tǒng) 兩種方案的冷卻系統(tǒng)參數(shù)一致，只在排布方式上不同，如下圖所示： 圖3-17冷卻系統(tǒng)方案1 圖3-18冷卻系統(tǒng)方案2 3.6.2 回路冷卻液溫度分析結(jié)果 冷卻系統(tǒng)選用純水作為冷卻液，若冷卻液流入與流出溫度差過大，會(huì)導(dǎo)致模具溫度分布不均勻，制件的冷卻程度不平衡，參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，此溫度差應(yīng)小于2~3℃。分析結(jié)果如下圖所示： 方案一中℃， 方案二中℃，可知此兩者方案均符合要求。 圖3-19冷卻液溫度分析結(jié)果比較 3.6.3 回路管壁溫度分析結(jié)果 合理的冷卻系統(tǒng)中，冷卻回路中的管壁溫差應(yīng)小于5℃，而且溫度分布梯度越小，則說明冷卻效果越均勻。分析結(jié)果如下圖所示: 方案一中℃ 方案二中℃，可知兩種方案都符合要求。 圖3-20回路管壁溫度分析結(jié)果比較 3.6.4 塑件冷卻時(shí)間分析結(jié)果 塑件達(dá)到頂出溫度時(shí)間越短越優(yōu)，生產(chǎn)效率也隨之提升。從下圖分析結(jié)果可知，方案一中時(shí)間為2.526s，方案二中時(shí)間為2.575，兩種方案的冷卻周期幾乎相同。 圖3-21冷卻時(shí)間分析結(jié)果比較 3.6.5 塑件平均溫度分析結(jié)果 塑件平均溫度如圖所示，方案一中溫度峰值為38.68℃，最低溫度為29.12℃；方案二中的峰值溫度為41.48℃，最低溫度為32.48℃；可知方案一平均溫度要比方案二低3.2℃，相比可得方案一冷卻性能較好。 圖3-22塑件平均溫度分析結(jié)果比較 3.7 制品翹曲分析 在Moldflow的翹曲項(xiàng)目分析中，可以全面地在X、Y、Z各個(gè)方向上較為真實(shí)準(zhǔn)確分析造成制件翹曲變形的原因，而通常造成制件翹曲變形的原因有：壁厚不均、冷卻不均、分子去向不一致等等。從下圖可以看出，綜合分析所有翹曲變形因素后，制件的翹曲形變量非常小，已經(jīng)滿足工作精度要求。 圖3-23塑件翹曲變形結(jié)果分析 3.8 塑件CAE結(jié)果分析 本次模流分析對(duì)模擬仿真制件整個(gè)注塑成型過程的主要參數(shù)項(xiàng)目進(jìn)行了研究，其中各項(xiàng)目均符合要求，而在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行了兩種方案對(duì)比分析，通過結(jié)合模具實(shí)際情況（如冷卻水道排布與模具各零件結(jié)構(gòu)的位置干涉性）以及參數(shù)化設(shè)計(jì)的合理性考慮后得出，第一種方案較適合此類結(jié)構(gòu)簡單的小型制品，如下圖所示。 4 玩具車輪輞的注塑模具設(shè)計(jì) 4.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 總的來說，注塑模具的精度要求決定著設(shè)計(jì)的難易程度。在生成塑件時(shí)，注塑模具是安裝在注射機(jī)上發(fā)揮其作用的，正常工作的時(shí)候，模具的定模部分部件安裝在注射機(jī)的定模版上，這樣做是為了固定型腔位置，使注射機(jī)能穩(wěn)定注射，動(dòng)模部分部件則是與注射機(jī)動(dòng)模板一起活動(dòng)，以完成生產(chǎn)過程中模具的開模、合模工作。在合模過程中，模具合緊后，凹模和凸模之間便形成了和塑件制品外形結(jié)構(gòu)一致的封閉空間，同時(shí)注射機(jī)將塑化的熔體注入模具的型腔內(nèi),途徑由噴嘴再到澆注系統(tǒng)。而在動(dòng)、定模開?；蛘吆夏５臅r(shí)候，為了能較好得配合工序的進(jìn)行，作為導(dǎo)向作用的四個(gè)導(dǎo)柱就屬于整個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的核心。型腔內(nèi)的保壓和塑件的冷卻定型，設(shè)在熔體完全充滿型腔之后，再驅(qū)動(dòng)模具動(dòng)模部分沿著分型面打開，凝料和成型的塑件制品緊密連在凸模上。當(dāng)動(dòng)模推出一定距離后，再經(jīng)推出機(jī)構(gòu)將制品從凹模上推出。 模具的總體結(jié)構(gòu)在UG軟件中設(shè)計(jì)如下圖： 圖4-1模架及模具三維結(jié)構(gòu)圖 圖4-2模架和模具的二維剖視圖結(jié)構(gòu) 4.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.2.1 主流道的設(shè)計(jì) 主流動(dòng)通道的形狀是設(shè)計(jì)為圓錐形的，以便于熔體流動(dòng)和在模具打開期間從主流動(dòng)通道平穩(wěn)地提取冷凝物。澆口套必須設(shè)計(jì)成單獨(dú)且方便地組裝和拆卸，因?yàn)樗c高溫塑料熔體和噴嘴反復(fù)接觸，從而容易損壞零件。 （1） 主流道尺寸 1） 主流道的長度：對(duì)于本文中設(shè)計(jì)的玩具車輪輞，屬于小型玩具制件，故L主取50mm。 2） 主流道小端直徑：對(duì)于主流道的較小一端直徑 d ，比噴嘴直徑 d0大一些，一般為 d=d0 +（0.5~1）mm=（3+1）mm=4mm （式4-1） 3) 主流道大端直徑：對(duì)于主流道的形狀，通常設(shè)計(jì)為有一個(gè)錐形 1~2斜度這里取 2）的上小下部大，這樣更方便取出成型后的凝料，并且方便熔體的流動(dòng)推進(jìn)，即主流道大端直徑d＇為 d＇= d+2 L主tanα≈7.5mm （式4-2） 式中α=2。 4） 主流道球面半徑： （式4-3） 5） 球面的配合高度為h=3mm。 （2）在主流道中的冷凝體 V主=L主(R主2+r主2+ R主r主)=3.14/3 50（3.75+2+3.752）mm =1339.05mm=1.34cm （式4-4） （3）主流道當(dāng)量半徑 Rn =（2+3.75）/2mm=2.875mm （式4-5） （4）主流道澆口套的形式 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)零件，主澆道襯套是可選的。在反反復(fù)復(fù)的裝卸模具時(shí)，需要是主流道和噴嘴連在一起，就會(huì)造成兩個(gè)部件的高頻率磨損。通?？紤]到上述因素單獨(dú)設(shè)計(jì)，便于拆卸和更換。在澆口套的材質(zhì)方面，也要慎重的考慮，進(jìn)行強(qiáng)化處理。因?yàn)樵谧⑸錂C(jī)噴嘴與主流道裝配的同時(shí)，有可能因?yàn)閺?qiáng)大沖擊力而變形。所以在設(shè)計(jì)時(shí)通常使模版厚度略大于澆口套的長度。根據(jù)塑料模具設(shè)計(jì)手冊(cè)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩者相差僅為0.02 mm，設(shè)計(jì)中常用的是t8a或t10a碳素工具鋼，熱處理淬火表面硬度為50～55 HRC，其三維結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖4-3澆口套 4.2.2 分流道的設(shè)計(jì) 分流道指的是熔體從主流道下端然后流向各個(gè)澆口的距離。在一模多腔的澆注系統(tǒng)中，為了改變流經(jīng)主流道的熔體流動(dòng)的方向，并使其穩(wěn)定均勻地流至各型腔中，必須合理地設(shè)計(jì)分流道。 綜合各方面考慮，最終設(shè)計(jì)分流道布局如上圖3-5所示。在設(shè)計(jì)分流器的橫截面形狀時(shí)，通常有圓形、方形、梯形、半圓形和正六邊形。在熔體流經(jīng)澆注流道時(shí)，流動(dòng)通道中的壓力隨其表面積的變化而變化，且表面積越大，熱損失越大。因此，流動(dòng)通道的橫截面積應(yīng)該適中，而不是太大或太小。從澆注效率的角度來看，在設(shè)計(jì)流道的截面時(shí)，應(yīng)盡量提高流道的截面面積與周長的比值，使得流道設(shè)計(jì)更具合理性。所以綜合考慮，選擇圓形截面的流道。 圖4-4分流道截面形狀 圖4-5部分圓形分流道 對(duì)于本論文中設(shè)計(jì)的塑料輪輞，其質(zhì)量小于200g，壁厚小于3mm的塑件，分流道的當(dāng)量直徑可以參考經(jīng)驗(yàn)公式： D=0.2654 （式4-6） 上式中：m——流經(jīng)分流道的熔體的質(zhì)量（g） D——分流道直徑（mm） L——分流道長度（mm） 代入得：D=0.2654 =5.58mm，再參考表3-1，即D可取6mm。 表4-1部分塑料常用圓形橫截面分流道尺寸推薦范圍 4.2.3 分流道澆口的確定 分流道澆口是流道與型腔之間的一條長度短、橫截面小的通道，即熔體進(jìn)入型腔的入口。澆口的設(shè)計(jì)及位置選擇是否合理，決定著塑件能否高效率地成型。常見的澆口形式有：點(diǎn)澆口、直接澆口、爪型澆口、側(cè)澆口、環(huán)形澆口、輪輻式澆口、潛伏式澆口。 本文中的玩具車輪輞分型面精度要求不高，表面粗糙度要求不高，屬于小體積塑件，因此綜合考慮選用側(cè)澆口為宜。 （1） 側(cè)澆口尺寸的確定 1） 計(jì)算側(cè)澆口的深度。查閱《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中各種澆口的尺寸計(jì)算表，可得側(cè)澆口的深度h計(jì)算,公式為 h=nt=0.72mm=1.4mm （式4-7） 式中，t為成型后制品的壁厚，本塑件制品t=2mm；n是塑件的成型系數(shù)，本文中的 制品材料為ABS，它的成型系數(shù)n=0.7。 在生產(chǎn)中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，制品澆口的深度一般先取小值，若在以后的試模時(shí)發(fā)現(xiàn)問題的話可以更加方便處理，并根據(jù)表4-9中推薦的ABS側(cè)澆口的厚度為1.2~1.4mm，再綜合與同學(xué)們的討論，結(jié)果決定此處澆口深度h取1.4mm。 2） 計(jì)算側(cè)澆口的寬度。查閱《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中側(cè)澆口和點(diǎn)澆口的推 薦值表，再結(jié)合塑件側(cè)表面的尺寸大小以及實(shí)際情況，最終決定澆口處的寬度B可取1mm。 3） 計(jì)算側(cè)澆口的長度。查閱《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》中大量的澆口計(jì)算經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，再綜合考慮型腔的大小決定去澆口長度為0.7mm，即 L澆=0.7mm （2）側(cè)澆口剪切速率的校核 1）澆口的當(dāng)量半徑的確定。由面積相等可得πR=Bh，由此矩形澆口當(dāng)量半徑 R澆=()0.5。 2）校驗(yàn)熔體在澆口中流動(dòng)時(shí)的剪切速率 ①確定注射時(shí)間：根據(jù)選取注射機(jī)的公稱注射量為125cm3，可取t=1.6s： ②計(jì)算澆口的體積流量： q澆=V塑/t=713.6/1.6=446mm3/s (式4-8) ③ 計(jì)算澆口的剪切速率： r澆=3.3qv/(∏Rn3),則()1.5 （式4-9） r澆==s-1=3.33.393104/［3.14(31.3/3.14)1.5］（式4-10） =2.58104 s-1 經(jīng)查閱，本文中設(shè)計(jì)的分流道的最佳剪切速率5103~5104s-1之間，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的矩形側(cè)澆口的剪切速率適合，所以，澆口的剪切速率校核合格。 4.2.4 冷料穴與拉料桿的設(shè)計(jì) 澆注系統(tǒng)中的冷穴位于主澆道的端部，靠近分型面移動(dòng)模具的一側(cè)。如果流道較長，則冷穴位也位于流道的末端。塑料件注射成型時(shí)，噴嘴前部和熔體流動(dòng)前部的溫度較低，會(huì)形成溫度較低的一部分流體。冷料直接流入型腔會(huì)影響塑件的質(zhì)量，冷料穴的作用是收集這些冷料，避免冷料進(jìn)入型腔中。 冷料穴位于型芯動(dòng)模板上，在本次成型設(shè)計(jì)中，將其設(shè)于主流道垂直方向向下處，有效防止熔體剛剛進(jìn)入流道時(shí)的冷鋒沖入模腔。用動(dòng)模固定板搭配推管將塑料件推出。打開模具時(shí)，利用冷凝液在球頭上的結(jié)合力使冷凝液從主流道襯套中排出。 拉料桿的作用是將主流道中的凝固物料從澆口套中拉出。本澆注系統(tǒng)采用z型拉桿(如下圖所示)。工作時(shí)，z形掛鉤能順利拉出澆口套內(nèi)的主流道冷凝的物料。推出時(shí)，主澆道內(nèi)的冷料通過推出機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的拉桿推出模具，然后人工取出。 圖4-6拉料桿Z字型鉤 4.3 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 合模過程結(jié)束后，便在模具內(nèi)形成一個(gè)封閉的空間，可以使得原料熔體填充入其中。這個(gè)封閉的空間也成為型腔，所以型腔的結(jié)構(gòu)和大小也決定這所制得的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和大小，并且上述這些部件統(tǒng)稱為模制部件。而這些成形零件、部件時(shí)除了對(duì)表面的質(zhì)量有要求外，剛度、強(qiáng)度、耐磨性和合理的結(jié)構(gòu)也是必要的要求，因?yàn)樵谧⑸涞倪^程中高溫的熔體是與其直接沖撞的，必會(huì)受到摩擦力的影響，以及高壓剪切力。 4.3.1 模具型腔、型芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 型腔在定模版上，型芯則在動(dòng)模板設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖4-7、4-8所示，考慮到分型面較為簡單，宜采用注塑機(jī)直接驅(qū)動(dòng)開合模的方式。 圖4-7型腔結(jié)構(gòu)形式 圖4-8型芯結(jié)構(gòu)形式 4.3.2 各零部件材料的確定 為保證成型產(chǎn)品的質(zhì)量，必須適當(dāng)選擇成型件的質(zhì)量。通過對(duì)塑件的全面分析，認(rèn)為塑件的成型件應(yīng)具有足夠的剛度，強(qiáng)度，耐磨性和良好的疲勞強(qiáng)度性能。同時(shí)應(yīng)考慮其加工性能和拋光性能。由于該塑件為中小批量生產(chǎn)，故采用P20 (美國牌號(hào))作為型腔的嵌入式凹模鋼，熱處理后的硬度為HRC 28 - 38。模芯體積較小，脫模時(shí)由于塑料件磨損，采用高合金工具鋼Cr12 MoV作為材料，經(jīng)熱處理后具有一定的硬度HRC 43 - 48。 4.3.3 成型零件的工作尺寸計(jì)算 在我們平常上課中，《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》作為我們的一本上課教材之一，對(duì)于其中的中尺寸計(jì)算表4-15，總結(jié)歸納得適用于本模具的部分零件尺寸計(jì)算方法如下表4-2： 表4-2型芯與型腔工作尺寸計(jì)算公式 (1) 型腔的徑向尺寸 其中塑件實(shí)體外部輪廓最大的徑向尺寸的轉(zhuǎn)換：ls1=mm=mm，相應(yīng)的塑件制造公差△1=0.44mm。 根據(jù)表3-2中計(jì)算公式： Lm=（Ls+LsScp-x△） （式4-11） 可得: Lm=(21.22+21.220.0055-0.60.44)mm =21.07mm （式4-12） 在上式中，Scp的數(shù)據(jù)為平均收縮率，塑料ABS的成型后的收縮率范圍為0.4％～0.7％，其范圍在表2-2中可以得知，為了計(jì)算方便則取它的平均收縮率值Scp==0.0055；X是系數(shù), 在通常情況下范圍為0.5～0.8之間,它的數(shù)值是跟隨著制件所要求的精度和尺寸變化而變化，在這里對(duì)于此塑件取X=0.6；數(shù)值△是塑料上相應(yīng)尺寸的公差，查閱國家標(biāo)準(zhǔn)塑件尺寸公差表（GB/T14486-1993）公差等級(jí)MT5級(jí)A種公差，基本尺寸屬于18~24mm，可得標(biāo)注公差的尺寸公差值為0.44；數(shù)值δZδZ=△（下同）, 是塑件上相應(yīng)尺寸制造公差。 (2) 型腔的深度計(jì)算 塑件的垂直方向上的長度轉(zhuǎn)化：塑件高度的最大尺寸Hs1=4mm=4.12mm，相應(yīng)的△s1=0.24mm；塑件上部凸紋高度的最大尺寸Hs2=1mm=1.10mm,相應(yīng)的△s2=0.2mm。 根據(jù)表3-2中計(jì)算公式可得： HM1=[(1+Scp)Hs1- X1△s1] =[(1+0.0055)4.12-0.550.24]mm =4.01mm （式4-13） HM2=[(1+Scp)Hs2- X2△s2]=[(1+0.0055)