胶套注塑模具设计说明书

题目：胶套注塑模具设计

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摘要  文章主要介绍塑料胶套注塑模具的设计方法。本课题从产品成型工艺性出发，通过分析模具的四大系统（浇注系统，顶出系统，冷却系统及成型结构系统），注塑成型机的选择与相关参数的校核，设计出一套一模四穴的注塑模具。

关键词：胶套；塑件材料；成型工艺；注塑模设计

1 绪论

1.1我国塑料模具现状

工业制造加工的主要设备是模具，而国民经济部门发展的首要工业之一也是模具行业。塑料模具应用尤其广泛，机械界、电子界、航空界、仪器仪表界以及日常用品等领域都在应用。随着塑料制件快速的更新速度和质量的不断提高，许多有实力的公司和研究院不断的研究CAD/CAE/CAM技术，并取得了较大的突破。在20世纪80年代中期先进国家的CAD/CAM技术已开始进入实用阶段，经过多年的推广应用，模具设计软件化和模具制造数控化已在我国模具企业成为现实。一些著名的CAD/CAM软件如UG、Pro/E、Solidworks等都带有地注塑模设计模块。可以运用计算机辅助设计(CAD)来设计注射模具，可以大概确定了注塑、挤出、中空吹塑等塑料成型工艺过程的计算机仿真分析。因为我国模具制造基础较差，不同地区的发展更是不一致，所以从整体上来看，我国跟世界先进水平和国内市场需求量相比较，存在不小的距离[1]。

CAD/CAM/CAE技术已经得到越来越多的运用在注塑模的设计制造上，尤其是CAD/CAM技术的应用更为广泛，并获取了较明显的硕果。利用计算机辅助设计软件对制件零件结构进行分析、模具重要零件的设计、数控机床加工已经成为精密模具、大型模具设计制造的重要方法。运用电子信息工程技术使塑料模具设计制造技术水平有更大提升。但减少了生产前的辅助工作，更是为加大模具出口创建了很好的环境因素，同时对应减少了模具设计以及制造的时间。另外，日渐稳定的气体辅助注塑成型技术以及热流道技术的广阔运用，结构不规则、精密、大型模具的生产水平有了不小的提升，模具的使用时间和生产速度也逐渐得到提升。当前中国经济还是处在快速发展状态，世界经济全球化发展越来越显著，为快速提升中国模具业奉献了优良环境跟时机。一是我国模具行业会继续快速迸发，其次是模具工业也慢慢向中国进展还有国际企业到国内进行模具购买的势态同样很突出。所以着眼将来，国外和我国的模具市场整体发展形势优良，也许我国模具会在优越的市场条件下得以快速进展，我国会变成模具大国，还会步入模具强国的队伍中。“十一五”期间，我国模具制造水准不但在产量和质量的双方面有较明显的提升，还有行业组成模块、制件设计生产水准、企业制度同样会获得很好的开创成果。

每个行业对模具的索求日趋增多，技术要求也日趋创新，是因为国民经济和工业制造技术的不断发展。尽管模具品种较多，而它走向主要尽可能是满足市场需求，还有高深的技术成分，尤其是当前国内还不能满足自己的需求，仍是需要从其他国家购买模具。模具标准件品种、份额、加工水准、制造密集度等对模具工业的总体发展都有很大关系。所以，部分重要的模具标准件的开发也一定要当作重点来开发，其中它们的开发速度应该比模具的开发速度快，如此，我国的模具标准化水准才能得到及时提升，继而提升模具制造品质，减少模具制造时间，减少模具生产费用。因为我国模具在全球市场上具有优良的性价比，所以对那些卖到国外优势好的模具也必须作为主要的开发对象。据上文提到的需要含有高技术、数目多、具有发展趋势特征、销售优良的原则确定重点开发项目，不仅选择的项目应该当前已经具有相应的技术含量，更是有机会、有能力发展起来。

1.2课题的背景和意义

胶套是人们日常生活中必不可少的日用品，形式根据鞋子的不同而多样化，本毕业课题的任务是设计一个外观新颖的胶套，完成其3D造型，并且完成其注塑模的设计。完成该任务对于设计者的产品外观设计和模具设计能力都会有很大的提高，所以进行本课题的研究是一项很有意义的事情。

2 塑件分析

2.1 设计任务书

 （1） 塑料制品名称：胶套构件

 （2） 塑料原料：PC

 （3） 收缩率：0.5%

 （4） 生产批量：大批量

 （5） 塑件图：胶套塑件的二维图如图2-1所示。本二维图是在CAD环境中设计出的。

图2-1 塑料胶套塑件二维图

2.2塑件的尺寸精度分析

本塑件结构复杂程度一般，带有较多的圆角、凹槽，塑件外轮廓高度为102mm。侧面没有孔，不需要采用侧抽芯机构成型，该塑件表面粗糙度要求不高，其它尺寸都没有公差要求[2]。

2.3 壁厚分析

热塑性塑件壁厚过大会引起缩孔、翘曲变形、气泡等现象；热固性塑料制件壁厚过大会造成制件内部固化不均匀而影响制件强度。但是塑件壁厚过薄也会影响其成型能力和强度以及装配时所承受的紧固力等。该制品是胶套，形状不规则，产品壁厚基本相同，所用材料一定要据有优良的流动性。正确确定产品壁厚大小，使壁厚尽量相同，不然因为冷却和固化速度差异会出现内应力，造成产品的走样和产生缺陷。胶套是需求量大的产品，材料为PC。

2.4 圆角分析

塑料产品设计有圆角，可以提高它成型时候的流动性。然而当塑件没有圆角时，通常会在棱角的地方出现应力集中，容易受外界影响而产生缺陷。该设计的塑件都选用的圆角半径为R14mm。

2.5 脱模斜度分析

因为制件温度回到常温后发生收缩，模具型芯、型腔中凸出的部分被牢牢地包住，导致制件不易脱模，而强行脱模则引诱制件外观刮伤等。考虑取出制品时的难易，制品设计时一定要注意跟开模方向一致，设计满足脱模强度。当制品高度较小时才可以没有斜度，最小的脱模斜度跟塑料特性、收缩大小、制品的外观轮廓等有联系[3]。

本塑件脱模斜度为：1°~2 °  

通常凸模的脱模斜度大于凹模的，脱模斜度随着凸模的高度和凹模的深度增大而减小。在不破坏轮廓的条件下，脱模斜度尽可能不要太小，使制品可以顺利取出。

2.6 材料的选择

PC 聚碳酸酯化学和物理特性 PC是一种非晶体工程材料，具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC的缺口伊估德冲击强度（otched Izod impact stregth）非常高，并且收缩率很低，一般为0.1%~0.2%。密度一般在1.2g/cm^3, PC有很好的机械特性，但流动特性较差，因此这种材料的注塑过程较困难。在选用何种品质的 PC材料时，要以产品的最终期望为基准。如果塑件要求有较高的抗冲击性，那么就使用低流动率的PC材料；反之，可以使用高流动率的PC材料，这样可以优化注塑过程。 

 1、干燥处理：PC材料具有吸湿性，加工前的干燥很重要。建议干燥条件为100C到200C，3~4小时。加工前的湿度必须小于0.02%。

2、熔化温度：260~340C。 

3、模具温度：70~120C。   

4、注射压力：尽可能地使用高注射压力。

5、注射速度：对于较小的浇口使用低速注射，对其它类型的浇口使    用高速注射。典型用途 电气和商业设备（计算机元件、连接器等），器具（食品加工机、电冰箱抽屉等），交通运输行业（车辆的前后灯、仪表板等）。 

2.6.1 PC注射工艺参数

注射类型：螺杆式螺杆转速：20～0r/min

喷嘴类型：直通式；温度：　230～250°C

料筒温度：前段　240～280°C；中段　260～290°C；后段　240～270°C　

模具温度：90～110°C注射压力：80～130MPa

保压力　：40～50MPa注射时间：0～5S

保压时间：20～80S冷却时间：20～50S

成型时间：50～130S　

2.7 塑件的计算

计算塑件重量是为了选用注射机及确定模具型腔数。

根据设计手册可查PC的成型收缩率成:0.5% 密度为1.2g/ cm³ 成型温度：230～250℃。

计算塑件的体积：V≈17.25cm³（通过软件计算）

计算塑件重量：W=Vρ＝17.25cm³×1.2g/cm³=20.7g

故塑件的重量为：20.7g

3 分型面与型腔布局

3.1 分型面的设计

开模时能拿出制件跟流道系统凝料的可分开的接触面叫做分型面。正确的确定分型面对模具生产、制品品质、以及使用性能都存在着较多的关联，设计模具的时候应该按照制品的形状、主流道和分流到形状、尺寸要求、取件方式、排气系统和生产工艺等全方位思考，正确确定，是使制品可以很好地制造的前提[5]。

选择分型面的方向尽可能跟注塑机开模方向成九十度角，非一般情形时选用跟注塑机开模方向平行。选择分型面时要满足一下几点：

(1) 确定在制品外观最大轮廓处。

(2) 要符合制件的表面质量规定。

(3) 开模的时候要尽可能让制品在动模一侧，通常在动模板上设置推出装置比较容易。

(4) 应尽量确保制件的精度规定。

(5) 要方便侧面分型以及抽芯。

(6) 应有利于排气。

(7) 便于模具加工制造。

因为该制品的外形不规则，确定分型面的时候，要符合上述的几点。然后结合制品外形还有模具设计、生产、制造的规定，我决定选用的分型面如图3-1所示。

图3-1 分型面

3.2 型腔的布局

要确保模具和注射机的生产能力相符合，增加制造效益，以及确保制品的精度，设计模具的时候必须定好型腔个数。模具的型腔个数可以按照制品的精度大小、生产批量、模具生产费用和选用注射机的最大注射量以及锁模力大小等因素来决定。生产数量不大时用一个型腔模具；生产数量较大时则选用两个及以上型腔模具。但假设制件很大，型腔数会遭到选用的注射机的最大成型面积跟注塑量的约束。原因是两个及以上型腔模具的不同型腔的成型环境跟熔体流到每个型腔的速度不一样，导致制品精度要求较好时，通常选用一个型腔的模具。

本制品精度要求较低，而且大批量制造，允许选用两个及以上型腔的模具。该制品外形轮廓不规则，如果型腔数太多，将增加模具制造难度，提高模具费用，所以选择四个型腔的模具[6]。

图3-2 型腔布置

3.3 注塑机的选择

模具只可以安装在跟它相符合的注塑机上才能运行。所以模具设计时要清楚模具跟注塑机之间的关联，明确注塑机的技术要求。

注塑机主要是用来生产热塑性塑料的，然而现在在成型热固性塑料制件中也有使用。按注塑机外形可分为：立式注塑机、卧式注塑机和角式注塑机三种，使用较普遍的是卧式注塑机。三种注塑机虽然长的不一样但大多都含有闭模锁模系统跟注塑系统构成。作业时模具安装在动模座板和定模座板上，通过闭模系统闭模然后锁死模具，注塑系统把原料运送到料筒中加热至塑化，然后把熔融的塑料射到模具型腔中。以下介绍注塑机的种类：

卧式注射机：注塑系统跟闭模锁紧装置的中心线都呈水平布置的注塑机。卧式注射机重心低，操作简易，且制品推出便可以自东东下落，便于到达无需人工作业。常用的卧式注射机型号有XS-ZY-30、XS-ZY-60、XS-ZY-125、XS-ZY-300、XS-ZY-500、XS-ZY-1000等，XS是塑料成型机，Z是注塑机，Y是螺杆式，30、60等数字是注射机的最大注塑量(或g)。

立式注射机：注塑系统跟闭模装置的中心线跟地面成九十度的注射机。立式注射机安装面积小模具装卸简易，但其重心不稳定装料不便，顶出的制品不能自行下落需人工作业。

角式注射机：注塑系统跟闭模装置的中心线成九十度布置的注塑机。这类注塑机不能完全无误差的注塑和确保压力跟锁模力[7]。

根据全方位考虑以及考虑制品材质ABS的特性最终决定采用卧式注射机。由三维软件建模分析计算出胶套制品的体积及质量参考上一章第七节。

浇注系统凝料体积地预算，根据以往经验公式按制品体积的1/5~1倍来计算。选取0.5来算，所以一次射到模具型腔内的熔料体积为：

=  (4+0.5)=17.25×4.5=77.625cm3  

因为=77.625cm3 则V公=V总/0.8=97.03cm3，由上述计算初步选择最大注塑量为300cm3的注塑机，注射机型号为XS-ZY -300,其主要参数如下表3-1 ：

表3-1 注塑机主要参数

浇注系统是指注射模中从主流道始端到型腔之间的熔体进料通道，浇注系统可分为普通流道浇注系统和无流道凝料浇注系统两类，本设计中采用普通流道浇注系统。正确设计浇注系统对获得优质的塑料制品极为重要[8]。

4.1 浇注系统组成

冷流道浇道系统一般包括以下几个部分，如图4-1所示。

图4-1 浇注系统

1-主流道， 2-分浇道1，  3-分浇道2， 4-分浇道3，5-浇口，6-型腔， 7-冷料穴

4.2 确定浇注系统的原则

注塑机喷嘴到模具型腔浇口的这一段塑料流动的通道叫做流道系统或浇注系统。浇注系统可以将熔融状态的塑料布满凹模，同时把注射压力传到凹模的每个角落，最终成型出结构精密、轮廓了然、外表光亮以及尺寸准确的制品。流道系统通常分成普通浇注系统跟热浇道浇注系统。常用到的浇注系统有主流道、浇口、分流道以及冷料穴等构成。对于浇注系统设计的基本原则有：

(1) 认识塑料的特性 注塑成型时注塑机料筒中的塑料已变为粘流状态，所以认识用来成型塑料熔融状态的流动性能、温度和剪切速率跟粘度有着及其重要的关系。设计流道系统的时候必须要适用于相关塑料的成型特性，使制品得以完好成型。

(2) 要尽可能的减小或防止产生熔接痕  在浇口位置的选择时，还要注意尽可能防止熔接痕的产生。熔体流动时不要有过多分流次数。

(3) 使凹模中的气体顺利排出  流道系统必须可以使熔融状态的塑料布满凹模的每个角落，以至于可以把流道系统和凹模中已存在气体排到模外。不可以有在填充过程中有气体的存在而导致制品出现凹痕、气泡、烧焦等成型缺陷出现。

(4) 避免凸模的走样以及镶件的错位  流道系统设计时必须尽可能地防止熔融态的塑料直接冲击较小的凸模或镶件，才能避免塑料的冲击力导致小的凸模走样以及镶件的错位。

(5) 尽可能选用流程不长便可以使熔体布满凹模  当确定浇口位置时，如果是较大的模具应尽量以较短的流程布满凹模，使熔料的热量和压力的损耗减到最小。保持较理想地流动状态，让制品可以完好成型。所以确定合适的浇口位置必须尽量让流道没有弯折，增加流道的表面的光洁度。

4.3 主流道的设计

把熔融状的塑料到达凹模时的第一段通道称作主流道，其外形轮廓跟大小对塑料的流动快慢以及填充速度有重要的关系。主流道通常是圆锥形，锥度为2°~5°，它的小端直径要比喷嘴直径大0.5~1mm，可以让其与喷嘴更好对中。主流道内表面粗糙度通常是Ra0.8um上下。

主流设计时还应注意：

(1) 为了方便把主流道凝料取出，主流道跟喷嘴必须紧密对接，主流道进料的地方要做成球面凹坑，其球面半径为R=R+(1～2)mm,凹入深度3～5mm。

(2) 要减小熔料地流动阻力，主流道尾端跟分流道连接的地方要用圆角过渡，半径为r=1～4mm。

(3) 主流道衬套跟定模座板选用H7/m6过渡配合，跟定位圈的配合选用H9/f9间隙配合。

卧式注射机使用的模具中，主流道通常与分型面呈九十度，主流道的外形轮廓跟大小如图4-2所示。

图4-2主流道结构形式

主流道的尺寸

注塑机型为XS-ZY-300，查表知射嘴直径为3，喷嘴球面半径为12，根据图4-3，主流道各尺寸如下所示：

图4-3 主流道尺寸示意图

α ＝2°  

H＝3.0㎜  95㎜  4.27㎜

4.4 分流道的设计

接连主流道跟浇口的进料通道叫作分流道。在只有一个型腔的模具中，一般没有分流道，但是在两个及以上的模具型腔中，通常都设有分流道，熔体随着分流道前进时，应快速地布满型腔，流动过程中热量地消耗应尽量减少以及应尽量减少阻力。还可以把塑料熔体均匀的布满到每一个型腔，故选用平衡式分流道如图4-2所示。分流道的长度应尽可能的小而直径应尽可能的大，然而要减小浇注系统的回料分流道的直径也不能太大。太大直径的分流道冷却速度不快，而且还增加模塑时间。

4.5 浇口的设计

分流道跟型腔之间的熔体通道叫做浇口也叫做进料口。浇口的选用以及位置的确定是否适合，对制品是否可以完整和高质量的注塑成型有着重要的影响[9]。

浇口可分为非性浇口及性浇口。性浇口是流道系统里截面尺寸最小的地方，通过截面积地改变，让分流道中的塑料熔体速度加大，增加剪切速率，减小粘度，让它变成最好的流动状态，可以快速均匀地布满凹模。非性浇口是浇口系统中截面尺寸最大的地方，它对中大型筒类，壳类制品凹模有引料跟进料后的施压作用。

浇口种类很多，各式形状浇口的尺寸跟特点及使用环境差异。一般有点浇口、扇形浇口、直接浇口跟侧浇口、潜伏式浇口等。本次设计选用的是侧浇口。侧浇口国外叫做标准浇口，它的特点如下：

浇口位置地选择叫作边缘浇口通常设置在分型面上，在制品外侧进料。侧浇口是常见的方形截面浇口，它能便捷地调整填充时的剪切速率跟封闭时间。它截面形状简单，加工方便；浇口位置随意设置，浇口容易取除且痕迹不大。经常应用在两板式多型腔模具以及断面尺寸较小的制品，还具有对每种塑料的成型适应性都很好的特点。

浇口的位置选择原则[10]：

1. 熔体在型腔内流动时，其动能损失最小。要做到这一点必须使：

1)流程(包括分支流程)为最短；

2)每一股分流都能大致同时到达其最远端；

3)应先从壁厚较厚的部位进料；

4)考虑各股分流的转向越小越好。

2. 有效地排出型腔内的气体。

根据以上设计原则，此设计采用点浇口。

图4-4 浇口图

5 注射模成型零部件的设计

5.1 成型零部件的要求及选材

直接跟塑料熔体接触形成制件内外形轮廓的零件叫做成型零件，形成制件外形的成型零件叫做凹模(或型腔)，形成制件内部轮廓的成型零件叫做凸模(或型芯)。因为型芯、型腔件直接跟高温，高压的熔体接触，而且在脱模时还重复跟塑料产生相对运动。所以型芯、型腔件必须具有一定的硬度、刚度、强度、耐磨性、耐腐蚀性跟足够小的表面粗糙度。

注塑模具的组成部件比较复杂，普通的注射模也有较多零件构成。这些零件在作业时所处的情况跟作用各异，所以对材料的要求也各异。然而，因为塑料制件的轮廓、大小和精度都不一样，制件的需求数量跟塑料种类也各异。所以必须注意每个对应情况，对注射模零件的材料进行选择。注塑模钢材的性能要求如下：

(1) 机械加工性能良好；

(2) 抛光性能优良；

(3) 不易被磨损以及抗疲劳性能优良；

(4) 型芯部分强度高；

(5) 具有耐腐蚀性能；

(6) 有一定的热硬性。

本设计凸凹模板皆选用CrWMn的模具钢。

5.2 成型零部件的结构设计

5.2.1凹模（型腔）的设计

1、凹模的种类主要有以下两种：

(1) 整体式凹模

直接在模架板上制造凹模。其优点是加工成本低。然而一般模架的模板材料是常用的中碳钢，但是它的使用寿命不长，如果选用好的材料模板加工整体型腔，那么制造成本就会很高。

一般情况下当成型1万次以内制件的模具或制件精度要求不高，形状简易的模具可以选用整体式型腔。

(2) 组合式凹模结构

通常由两个以上的零件构成的凹模叫作组合式凹模。根据组合方式的差异，组合式凹模结构可分为局部镶嵌式、整体嵌入式、侧壁镶拼式、底部镶嵌式和四壁拼合式等形式。

1) 整体嵌入式凹模

把比制件外形较大较好的材料加工成型腔，然后把这个型腔镶到模板中固定。其优点是“好钢用在刀刃上”。同时确保了型腔的使用寿命，还能做到合理利用高价的钢材。当型腔磨损后具有维修和更换简便的特点。

2) 局部镶入式凹模

当外形轮廓不规则跟某些局部较容易磨损的型腔，把不方便制造或是容易磨损的部分设计成嵌入形式，安装到凹模主体上。同时做到节省了模具材料以及做到让被磨损的型腔易于维修。

3) 四壁拼合式凹模

如果是大型轮廓不规则的型腔，选用把型腔四周制造后嵌到模具里，然后再跟底板组合。这样既易于加工又省料。

2、本设计采用整体嵌入式凹模，凹模二维图如下所示：

图5-1 型腔二维图

5.2.2凸模（型芯）的设计

1、 凸模结构设计  按结构凸模分为整体式跟组合式两大类。

1) 整体式结构  大多用在工艺试验跟小型模具上形状不复杂的型芯，其结构牢固，但制造不方便，用钢量较多。

2) 组合式结构  为了便于加工，形状不规则的凸模往往选用拼接组合式结构。这种类型是把凸模单独制造出来后再装入模板内。

2、小凸模的结构设计  小凸模是成型制件上的槽或小孔。小凸模单独加工后放入模板中。

3、 螺纹凸模跟螺纹型环结构设计  螺纹凸模跟螺纹型环，前者是成型制件上内螺纹而后者是成型制件外螺纹的活动嵌件。

1) 螺纹凸模的结构  螺纹凸模可分成直接成型制件上的螺纹孔以及固定螺母镶件两种，这两种螺纹凸模的结构不存在太大差异。用来成型制件上螺孔的螺纹型芯在设计时一定要注意塑料的收缩率，它的表面粗糙度要小于Ra<0.4um，通常都有0.5°的脱模斜度，螺纹凸模跟模板的配合是H8/f8。

2) 螺纹型环的结构  型环跟模板的配合用H8/f8，配合长度为3~5mm，为了安装方便配合段之外还要有3°~5°的脱模斜度[11]。

4、本设计采用组合式中的整体嵌入式凸模，结构如下图所示：

图5-2 型芯二维图

5.3 成型零部件工作尺寸的计算

成型零件的工作尺寸是指成型零件上用来成型制件部分的长度，成型零件的制造精度跟质量决定了制件的精度跟质量。制件尺寸的精度会约束工作尺寸的计算，跟制件尺寸精度有关系的因素较多，主要是模具加工公差、模具的磨损量跟制件收缩率等因素。所以计算工作零件尺寸的时候必须按照上面提到的三个因素来计算。