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摘要
塑料工業(yè)飛速發(fā)展，塑料制品在日常生活中占據(jù)著非常重要的地位。而塑料模具已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志，并在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，公司的效益。所以主要依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無法滿足市場的要求。模具CAD/CAM/CAE技術(shù)已經(jīng)成為一種解決設(shè)計(jì)和制造中各種難題的手段，必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法。
本次設(shè)計(jì)過程中，在參考國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上基于三維工程軟件Pro/E和模流分析軟件MoldFlow進(jìn)行了液晶顯示器底座的模型重構(gòu)以及整套模具設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)的模流分析。本文主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究：
1) 利用Pro/E進(jìn)行液晶顯示器底座造型設(shè)計(jì)；
2) 運(yùn)用Pro/E進(jìn)行分型面設(shè)計(jì)，并生成成型零件；
3) 運(yùn)用Pro/E外掛工具EMX進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模架設(shè)計(jì)包括澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等一系列設(shè)
計(jì)；
4) 運(yùn)用MoldFlow對模型進(jìn)行冷卻分析、流動(dòng)分析、翹曲分析，并根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)
計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得比較合理的設(shè)計(jì)結(jié)果；
5) 在相關(guān)計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上完成了液晶顯示器底座整幅模具設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 Pro/E；模具設(shè)計(jì)；液晶顯示器底座；模流分析
Abstract
With the rapid development of the plastics industry, plastic products in daily life occupy a very important position. The plastic mold has become an important indicator of the level of the country's manufacturing industry and largely determines the quality of the product, the company's benefit. Therefore, the traditional injection mold design mainly rely on the experience does not meet the market demands. Die CAD/CAM/CAE technology has become a solution to various problems in the means of design and manufacture, will replace the traditional mold design.
The design process, in reference to the extensive literature at home and abroad based on three-dimensional engineering software Pro/E and mold flow analysis software MoldFlow reconstruct and design the model of the liquid crystal display base and carry out the related mold flow analysis. This article in the following aspects of a more detailed study:
1) Using Pro/E modeling to design the liquid crystal display base;
2) Using Pro/E to sub-surface to design and produce molded parts;
3) Using Pro/E plug-in tool for standard EMX mold design includes gating system, cooling system and a series of design;
4) Using MoldFlow obtain the cooling analysis, flow analysis and warping analysis. Based on the results of the analysis to optimize the design obtain a more reasonable design results;
5) Based on the relevant calculations and analysis, LCD base mold design is completed.
Keywords Pro/E mold design LCD base mold flow analysis
II
目 錄
1 緒論 1
1.1 模具工業(yè)的地位 1
1.2 國外塑料模具發(fā)展概況 1
1.3 我國塑料模具發(fā)展概況 1
1.4 本文研究內(nèi)容 2
2 塑件結(jié)構(gòu)及成型工藝分析 3
2.1 塑件結(jié)構(gòu)分析 3
2.2 產(chǎn)品成型工藝性分析 3
2.2.1 塑件的分析 3
2.2.2 材料性能分析 3
2.2.3 ABS的注射成型過程 4
3 分型面選擇及型腔數(shù)目確定 5
3.1 型腔數(shù)目的確定 5
3.2 分型面位置的確定 5
4 注射機(jī)的選擇和校核 7
4.1 注射機(jī)的主要參數(shù) 7
4.2 塑件體積和澆注系統(tǒng)凝料體積的初步估算 7
4.3 選擇注塑機(jī) 7
4.4 注塑機(jī)的相關(guān)參數(shù)的校核 8
4.4.1 注射壓力校核 8
4.4.2 鎖模力校核 8
5 成型零件設(shè)計(jì)及模架選取 9
5.1 成型零件鋼材的選用 9
5.2 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
5.3 成型零件工作尺寸的計(jì)算 9
5.3.1 凹模徑向尺寸的計(jì)算 10
5.3.2 凹模深度尺寸的計(jì)算 10
5.3.3 凹模上芯子徑向尺寸的計(jì)算 10
5.3.4 凹模上芯子高度尺寸的計(jì)算 11
5.3.5 凸模徑向尺寸的計(jì)算 11
5.3.6 凸模高度尺寸的計(jì)算 11
5.4 成型零件尺寸的計(jì)算 11
5.5 各模板尺寸的選擇 12
5.6 模架各尺寸的校核 13
6 澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14
6.1 主流道的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14
6.2 分流道的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14
6.3 澆口的設(shè)計(jì)和計(jì)算 16
6.4 校核主流道的剪切速率 17
6.5 冷料穴的設(shè)計(jì) 17
6.6 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 18
6.6.1 冷卻系統(tǒng)的簡單計(jì)算 18
6.6.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18
7 脫模機(jī)構(gòu)及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20
7.1 推出方式確定 20
7.2 脫模力的計(jì)算 20
7.3 推桿直徑的計(jì)算和校核 21
7.4 排氣槽的設(shè)計(jì) 22
8 注射工藝參數(shù)的確定及模流分析 23
8.1 MoldFlow簡介 23
8.2 模型的網(wǎng)格劃分 23
8.3 確定注射工藝參數(shù) 24
8.4 冷卻分析 24
8.4.1 塑件表面溫度分布 24
8.4.2 雷諾數(shù)分布 24
8.4.3 冷卻介質(zhì)溫度變化 25
8.5 流動(dòng)分析 25
8.5.1 填充結(jié)束時(shí)制品的總體溫度 25
8.5.2 注射位置處壓力 26
8.5.3 鎖模力 26
8.5.4 氣穴 27
8.5.5 熔接痕 27
8.6 翹曲分析 28
8.6.1 Z軸收縮不均引起的變形量 28
8.6.2 Z軸冷卻不均引起的變形量 28
8.6.3 Z軸取向因素引起的變形量 29
9 模具總裝及模具動(dòng)作過程 30
9.1 模具總裝 30
9.2 模具動(dòng)作過程 30
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
附錄 35
附錄 1 35
附錄 2 44
57
1 緒論
1.1 模具工業(yè)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。使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)是制造業(yè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，同時(shí)本身又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域，在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家被稱為“點(diǎn)鐵成金”的“磁力工業(yè)”。美國工業(yè)界認(rèn)為“模具工業(yè)是美國工業(yè)的基石”；德國則認(rèn)為是所有工業(yè)中的“關(guān)鍵工業(yè)”；日本模具協(xié)會(huì)也認(rèn)為“模具是促進(jìn)社會(huì)繁榮富裕的動(dòng)力”，同時(shí)也是“整個(gè)工業(yè)發(fā)展的秘密”，是“進(jìn)入富裕社會(huì)的原動(dòng)力”。日本模具產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過日本機(jī)床總產(chǎn)值。如今，世界模具工業(yè)的發(fā)展甚至已超過了新興的電子工業(yè)。
1.2 國外塑料模具發(fā)展概況
注塑成型是最大量生產(chǎn)塑料制品的一種成型方法，二十多年來，國外的注塑模CAD技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速。70年代已開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)對熔融塑料在圓形、管形和長方形型腔內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行分析。80年代初，人們成功采用有限元法分析三維型腔的流動(dòng)過程，使設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)理論分析并結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)，在模具制造前對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)和修改，以減少試模時(shí)間，提高模具質(zhì)量。近十多年來，注塑模CAD技術(shù)在不斷進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究的同時(shí)，十分注意向?qū)嵱没A段發(fā)展，一些商品軟件逐步推出，并在推廣和實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)、提高和改善。
1.3 我國塑料模具發(fā)展概況
我國塑料模具發(fā)展迅速。目前，塑料模具在整個(gè)模具行業(yè)中所占比重約為30%，在模具進(jìn)出口中的比重高達(dá)50～70%。隨著中國機(jī)械、汽車、家電、電子信息和建筑建材等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這一比例還將持續(xù)提高。
據(jù)介紹，在生產(chǎn)汽車時(shí)，各種功能性零部件都要靠模具成型，僅制造一款普通轎車約需200多件內(nèi)飾件模具，而制造保險(xiǎn)杠、儀表盤、油箱、方向盤等所需的大中型塑料模具，從模具行業(yè)生產(chǎn)能力看，目前滿足率僅約50%。塑料建材大量替代傳統(tǒng)材料也是大勢所趨，目前全國塑料門窗和塑管普及率將達(dá)到30%～50%，塑料排水管市場占有率將超過50%，大大增加對模具的需求。據(jù)專家預(yù)測，模具市場的總體趨熱是平穩(wěn)向上的，在未來的模具市場中，塑料模具的發(fā)展速度將高于其它模具，在模具行業(yè)中的比例將逐步提高。
近年來，我國塑料模具在高技術(shù)驅(qū)動(dòng)和支柱產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求的推動(dòng)下，形成了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)鏈條，從上游的原輔材料工業(yè)和加工、檢測設(shè)備到下游的機(jī)械、汽車、摩托車、家電、電子通信、建筑建材等幾大應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，塑料模具發(fā)展一片生機(jī)。
目前，我國模具工業(yè)地域特點(diǎn)明顯，主要表現(xiàn)為：東南沿海地區(qū)發(fā)展快于中西部地區(qū)，南方的發(fā)展快于北方。模具生產(chǎn)最集中的地區(qū)在珠江三角和長江三角地區(qū)，約占全國模具產(chǎn)值的2/3以上。塑料模具與模具整個(gè)行業(yè)的地域分布相似，浙江、江蘇、廣東塑料模具位于全國前列，其產(chǎn)值在全國模具總產(chǎn)值中的比例達(dá)到70%。
1.4 本文研究內(nèi)容
當(dāng)今世界，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電腦已經(jīng)是日常生活中的必需品，而液晶顯示器已經(jīng)是現(xiàn)在的主流顯示器，由于電腦的大量需求，液晶顯示器也同樣需要大批量生產(chǎn)，而且現(xiàn)在很多消費(fèi)者都注重電腦的美觀性，底座作為顯示器的一部分，它的美觀性也是很重要的。本設(shè)計(jì)正是基于Pro/E的液晶顯示器底座的注塑模具設(shè)計(jì)，利用CAD/CAM/CAE技術(shù)在較短模具開發(fā)周期，較低模具生產(chǎn)成本，使整個(gè)產(chǎn)品更具市場競爭力。
2 塑件結(jié)構(gòu)及成型工藝分析
2.1 塑件結(jié)構(gòu)分析
如圖2-1、2-2所示是利用Pro/E對底座進(jìn)行造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維圖，并且對其進(jìn)行了渲染。該產(chǎn)品為不規(guī)則形體，其最大輪廓尺寸為280mm×160mm×37mm。對于底座的設(shè)計(jì)要求首先是強(qiáng)度的要求，所以底座內(nèi)部設(shè)有很多加強(qiáng)筋并且在加強(qiáng)筋相交處用空心圓柱連接，起到進(jìn)一步加固作用(如圖2-2所示)。底座上有4個(gè)倒扣要與液晶顯示器進(jìn)行配合，所以要保證其一定的精度(如圖2-3所示)。圖2-1所示的是底座的外觀面，所以要求其表面光滑美觀，無磨損、無脫模痕跡、無熔接痕、無氣泡、等影響外觀的缺陷。
圖2-1 底座外觀 圖2-2 底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2-3 底座上四個(gè)扣位
2.2 產(chǎn)品成型工藝性分析
2.2.1 塑件的分析
該塑件平均壁厚2mm，外形尺寸比較大，所以塑料熔體流程比較大，所需的注射壓力會(huì)比較大。該塑件的精度等級比較低，屬于一般精度等級。
2.2.2 材料性能分析
(1) 使用性能 綜合性能好，沖擊強(qiáng)度、力學(xué)強(qiáng)度較高，尺寸穩(wěn)定，耐化學(xué)性，電氣性能良好，易于成型和機(jī)械加工，其表面可鍍鉻，適合制作一般的機(jī)械零件、減摩零件、傳動(dòng)零件和結(jié)構(gòu)零件。
(2) 成型性能
1) 無定型塑料。其品種很多，各品種的機(jī)電性能及成型特性也各有差異，應(yīng)按品種來確定成型方法及成型條件。
2) 吸濕性極強(qiáng)。含水量應(yīng)小于0.3%（質(zhì)量），所以必須充分干燥，要求表面光澤的塑件應(yīng)要求長時(shí)間預(yù)熱干燥。
3) 流動(dòng)性中等。溢邊料0.04mm左右。
4) 模具設(shè)計(jì)時(shí)要注意澆注系統(tǒng)，選擇好進(jìn)料口位置、形式。推出力過大或機(jī)械加工時(shí)塑件表面呈現(xiàn)白色痕跡。
(3) ABS的主要性能指標(biāo) 見下表2-1
表2-1 ABS的性能指標(biāo)
密度/g·cm-3
1.02~1.08
屈服強(qiáng)度/Mpa
50
比體積/ cm3·g-1
0.86~0.98
拉伸強(qiáng)度/Mpa
38
吸水性/%
0.2~0.4
拉伸彈性模量/Mpa
1.4×103
熔點(diǎn)/℃
130~160
抗彎強(qiáng)度/Mpa
80
計(jì)算收縮率(%)
0.4~0.7
抗壓強(qiáng)度/Mpa
53
比熱容/kg·℃
1470
彎曲彈性模量/Mpa
1.4×103
2.2.3 ABS的注射成型過程
1) 成型前的準(zhǔn)備。對ABS的色澤、粒度和均勻度等進(jìn)行檢測，由于ABS吸水性較大，成型前需進(jìn)行充分的干燥；
2) 注射過程。塑件在注射機(jī)料筒內(nèi)經(jīng)過加熱、塑化達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具型腔成型，其過程可分為充模、壓實(shí)、保壓、倒流和冷卻五個(gè)階段；
3) 塑件的后處理。處理的介質(zhì)為空氣和水，處理溫度為60~75℃，處理時(shí)間為16~20s。
3 分型面選擇及型腔數(shù)目確定
3.1 型腔數(shù)目的確定
利用MoldFlow軟件對塑件進(jìn)行最佳澆口位置的模擬分析，如圖3-1所示（工藝參數(shù)采用默認(rèn)），最佳澆口位置位于塑件上表面的中間，但是把澆口設(shè)在此位置顯然會(huì)破壞塑件的美觀性，觀察發(fā)現(xiàn)塑件的尾部雖然不是最好的澆口位置，但是在最佳澆口區(qū)域范圍之內(nèi)，所以這是可以接受的?？紤]到塑件尺寸和模具結(jié)構(gòu)尺寸的大小關(guān)系，又考慮到型腔的平衡布置和澆口開設(shè)部位的對稱，所以采用一模兩腔布置。
圖3-1 最佳澆口位置
3.2 分型面位置的確定
模具取出塑料件或澆注系統(tǒng)凝料的面為分型面，它的確定是否合理將直接影響模具設(shè)計(jì)的成功與否。
分型面選擇的原則重要有以下幾點(diǎn)[1]：
1) 分型面的選擇應(yīng)便于塑件脫模并簡化模具結(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)盡可能使塑件留在動(dòng)模一側(cè)；
2) 分型面的選擇應(yīng)考慮塑件的技術(shù)要求，當(dāng)塑件表面有同軸度、平行度等要求時(shí)，應(yīng)盡可能將其置于同一半模內(nèi)，否則，將會(huì)由于合模誤差影響塑件精度；
3) 分型面應(yīng)盡量選擇在不影響塑件外觀的位置，并使其產(chǎn)生的飛邊易于清理和修整；
4) 分型面的選擇應(yīng)有利于排氣，為此應(yīng)盡量使分型面與充模時(shí)型腔料流末端重合，以利于排氣；
5) 分型面的選擇應(yīng)便于模具零件的加工；
6) 分型面的選擇應(yīng)考慮注射機(jī)的技術(shù)參數(shù)，注塑成型時(shí)所需要的鎖模力與塑件在合模方向的投影面積成正比，所以選擇分型面時(shí)，應(yīng)盡量選擇塑件在垂直合模方向上投影面積較小的表面，以減少鎖模力。
此塑件的分型面不是很難確定，主分型面位置如圖3-2紅線框所示。底座上的插孔的分型面還未確定，起初的想法是做一個(gè)芯子，但是做抽心勢必會(huì)增加模架的復(fù)雜程度，所以最終方案是把芯子和定模做成一體，缺點(diǎn)是增加了模具的加工難度。
如圖3-3所示的是通過一系列的操作最終完成的分型面。
圖3-2 分型面位置 圖3-3 分型面
4 注射機(jī)的選擇和校核
4.1 注射機(jī)的主要參數(shù)
注射模是安裝在注射機(jī)上的，因此在設(shè)計(jì)注射模具時(shí)應(yīng)該對注射機(jī)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行必要的了解，以便設(shè)計(jì)出符合要求的模具，同時(shí)選定合適的注射機(jī)型號。從模具設(shè)計(jì)角度考慮，需要了解注射機(jī)的主要參數(shù)有：公稱注射量、公稱注射壓力、注射速率、塑化能力、鎖模力、合模裝置的基本尺寸、開合模速度、空循環(huán)時(shí)間等[2]。
以下簡介幾個(gè)參數(shù)：
1) 公稱注塑量 指注射機(jī)對空注射的情況下，螺桿一次最大行程所注射的塑料體積，它在一定程度上反映注塑機(jī)的注射能力，標(biāo)志著注射機(jī)能成型最大體積的塑料制品。
2) 注射壓力 為了克服熔料流經(jīng)噴嘴，流道和型腔時(shí)的流動(dòng)阻力，螺桿(或柱塞)對熔料必須施加足夠的壓力，我們將這種壓力稱為注射壓力。
3) 注射速率 為了使熔料及時(shí)充滿型腔，除了必須有足夠的注射壓力外，熔料還必須有一定的流動(dòng)速率，描述這一參數(shù)的為注射速率或注射時(shí)間或注射速度。
4.2 塑件體積和澆注系統(tǒng)凝料體積的初步估算
通過Pro/E建模設(shè)計(jì)分析計(jì)算得塑件體積：
V塑=2.1×102cm3
澆注系統(tǒng)凝料體積在沒有設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的情況下是無法確定的，所以需借住經(jīng)驗(yàn)公式來估算，在這里澆注系統(tǒng)的凝料按塑件體積的0.2倍來計(jì)算，故一次注入模具型腔塑料熔體的總體積：
V總=2V塑+V澆=2V塑+0.2V塑=2×2.1×102+0.2×2.1×102=462cm3 式(4.1)
4.3 選擇注塑機(jī)
注射機(jī)的最大注射量應(yīng)大于制品的重量或體積(包括流道及澆口凝料飛邊)，通常注射機(jī)的實(shí)際注射量最好是注射機(jī)的最大注射量的80％，所以選用的注射機(jī)最大注射量應(yīng)為0.8V機(jī)≥V總，所以V機(jī)≥V總/0.8=462/0.8=577.5 cm3。根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，查找國產(chǎn)注射成型機(jī)，初選注射機(jī)型號為XS-ZY-1000臥式注射機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見下表4-1
表4-1 注射機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
理論注射容量/ cm3
1000
拉桿空間/mm
650×550
螺桿柱塞直徑/mm
85
最大模具厚度/mm
300
V注射壓力/Mpa
121
最小模具厚度/mm
200
注射行程/mm
260
合模方式
兩次液壓動(dòng)作
注射方式
螺桿式
定位圈直徑/mm
150
合模力/N
45×105
噴嘴球半徑/mm
12
模板最大行程/mm
700
噴嘴口孔徑/mm
4
4.4 注塑機(jī)的相關(guān)參數(shù)的校核
4.4.1 注射壓力校核
查表4-1[2]可知，對于材料是ABS的厚壁制件所需要的注射壓力為80~110Mpa，這里取P0=90Mpa，該注塑機(jī)的公稱注射壓力P公=1000Mpa，注射壓力安全系數(shù)k1=1.1~1.3，這里取1.2，則：
k1P0 =1.2×90=117＜P公 式(4.2)
所以，注塑機(jī)注射壓力合格。
4.4.2 鎖模力校核
鎖模力是注射機(jī)鎖模裝置施加于模具的最大夾緊力。鎖模力的作用在于平衡和克服模腔壓力產(chǎn)生的使模具沿分型面張開的力，保持模具緊密鎖合，防止溢料。
1) 塑件在分型面上的投影面積A塑。通過Pro/E軟件測量得A塑=39711.5mm2。
2) 澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積A澆。因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)還未設(shè)計(jì)，所以采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，在這里取A澆=0.2A塑。
3) 塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上的總的投影面積A總。則：
A總= 2A塑+ A澆=2A塑+0.2A塑=2×39711.5+0.2×39711.5= 87365.3mm2 式(4.3)
4) 模具型腔內(nèi)的膨脹力F脹。則：
F脹=A總P模=87365.3×35≈31×105N 式(4.4)
式中
P模--型腔的平均計(jì)算壓力值。P模是模具型腔內(nèi)的壓力，通常取注射壓力的20%~40%，大致范圍為25~40Mpa。對于粘度較大的精度較高的塑料制品應(yīng)取較大值。ABS屬于中等粘度塑料及有精度要求的塑件，故P模取35Mpa。
由表4-1可得該注塑機(jī)的公稱合模力F鎖=45×105N，合模力的安全系數(shù)為k2=1.1~1.2這里取1.2。則：
k2F脹=1.2F脹=1.2×31×105=37.2×105N＜F鎖 式(4.5)
所以該注射機(jī)合模力合格。
對于其他安裝尺寸的校核要等到模架選定，結(jié)構(gòu)尺寸確定后方可進(jìn)行。
5 成型零件設(shè)計(jì)及模架選取
5.1 成型零件鋼材的選用
成型零件材料選用的要求如下[2]：
1) 材料高度純潔；
2) 良好的冷、熱加工性能；
3) 拋光性能優(yōu)良；
4) 淬透性高；
5) 耐磨性和抗疲勞性能好；
6) 具有耐腐蝕性和一定的耐熱性。
在這里采用廣泛用于制造塑料和壓鑄模型腔的45鋼，45鋼調(diào)質(zhì)處理后有較好的綜合力學(xué)性能。
5.2 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1) 凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凹模是成型制品的外表面的成型零件。按凹模結(jié)構(gòu)的不同可將其分為整體式、整體嵌入式、組合式和鑲拼式四種。根據(jù)對塑件的結(jié)構(gòu)分析，本設(shè)計(jì)采用整體式凹模。如圖5-1所示。
2) 凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凸模是成型塑件內(nèi)表面的成型零件，通常可以分為整體式和組合式兩種類型。通過對塑件的結(jié)構(gòu)分析，選用整體式凸模。如圖5-2所示。
圖5-1 凹模 圖5-2 凸模
5.3 成型零件工作尺寸的計(jì)算
成型零件工作尺寸計(jì)算方法一般有兩種：一種是平均值法，即按平均收縮率、平均制造公差和平均磨損量進(jìn)行計(jì)算；另一種是按極限收縮率、極限制造公差和極限磨損量進(jìn)行計(jì)算。前一種計(jì)算方法簡便，但不適用于精密塑件的模具設(shè)計(jì)；后一種計(jì)算方法能保證所成型的塑件在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，但計(jì)算比較復(fù)雜。
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的塑件精度要求只需一般精度等級就能滿足要求，所以采用平均值法計(jì)算成型零件尺寸，塑件尺寸公差按照塑件零件圖中給定的公差計(jì)算。
5.3.1 凹模徑向尺寸的計(jì)算
塑件尺寸的轉(zhuǎn)換：
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差。
式(5.1)
式(5.2)
式(5.3)
式(5.4)
式(5.5)
式中
--塑件的平均收縮率，查表1-2[2]可得ABS的收縮率為0.3%~0.8%，所以平均收縮率（下同）；
--系數(shù)，查表4-15[2]可知一般在0.5~0.8之間，此處取、、；
--塑件上相應(yīng)尺寸的公差（下同）；
--塑件上相應(yīng)尺寸制造公差，對于中小型零件取（下同）。
5.3.2 凹模深度尺寸的計(jì)算
塑件尺寸的轉(zhuǎn)換：
，相應(yīng)的塑件制造公差。
式(5.6)
式中
--系數(shù)，查表4-15[1]可知一般在0.5~0.7之間，此處取。
5.3.3 凹模上芯子徑向尺寸的計(jì)算
塑件尺寸的轉(zhuǎn)換：
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差。
式(5.7)
式(5.8)
式中
--系數(shù)，查表4-15[2]可知一般在0.5~0.8之間，此處取、。
5.3.4 凹模上芯子高度尺寸的計(jì)算
塑件尺寸的轉(zhuǎn)換：
，相應(yīng)的塑件制造公差。
式(5.9)
式中，--系數(shù)，查表4-15[2]可知一般在0.5~0.8之間，此處取。
5.3.5 凸模徑向尺寸的計(jì)算
塑件尺寸的轉(zhuǎn)換：
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差；
，相應(yīng)的塑件制造公差。
式(5.10)
式(5.11)
式(5.12)
式中
--系數(shù)，查表4-15[2]可知一般在0.5~0.8之間，此處取。
5.3.6 凸模高度尺寸的計(jì)算
塑件尺寸的轉(zhuǎn)換：
，相應(yīng)的塑件制造公差。
式(5.13)
式中
--系數(shù)，查表4-15[2]可知一般在0.5~0.8之間，此處取。
5.4 成型零件尺寸的計(jì)算
塑料模型腔在注射成型過程中，在型腔全部充滿的瞬間，熔體壓力可達(dá)到一較高值。型腔必須具有足夠的壁厚以承受熔體充模時(shí)產(chǎn)生的高壓，否則可能因強(qiáng)度不足，產(chǎn)生塑性變形甚至破裂；或因剛度不足，產(chǎn)生大的彈性變形，引起成型零部件在其接觸或配合表面出現(xiàn)較大的間隙，形成溢料或飛邊，降低塑料制品的精度和影響塑料制品脫模。所以計(jì)算成型零件的壁厚是很有必要的。
型腔的強(qiáng)度與剛度是型腔應(yīng)具備的力學(xué)性能的兩個(gè)方面，根據(jù)分析，塑料模具型腔對強(qiáng)度與剛度并非在各種情況下都提出較高要求，而是有側(cè)重的。對于大尺寸型腔，剛度不足是主要矛盾，應(yīng)首先對模具剛度進(jìn)行校核；對于中小尺寸型腔，在其發(fā)生大的彈性變形之前，內(nèi)應(yīng)力往往已經(jīng)超過許用應(yīng)力，因而強(qiáng)度是主要矛盾，設(shè)計(jì)型腔側(cè)壁和底板厚度應(yīng)按強(qiáng)度計(jì)算。
本設(shè)計(jì)的塑件屬于中小型尺寸，所以強(qiáng)度不足是主要矛盾，應(yīng)按強(qiáng)度計(jì)算型腔側(cè)壁和底板厚度。
側(cè)壁厚度：
式(5.14)
式(5.15)
底板厚度：
式(5.16)
型腔與型腔之間的壁厚：
型腔與型腔之間的壁厚沒有確切的計(jì)算式，所以按經(jīng)驗(yàn)選取，在這里取。
式中
--型腔高度，；
--型腔長度，；
--型腔寬度，；
--模具型腔內(nèi)最大的熔體壓（型腔壓力估算公式確定，一般是30~50MPa）；
--許用應(yīng)力（一般中碳鋼許用應(yīng)力為160MPa）。
5.5 各模板尺寸的選擇
模具的大小主要取決于塑件的大小和結(jié)構(gòu)。對于模具而言，在保證足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，結(jié)構(gòu)越緊湊越好，可以以塑件布置在推桿推出范圍之內(nèi)及復(fù)位桿與型腔保持一定距離為原則來確定模架大小。
通過計(jì)算可得凹模的外形尺寸：長×寬×高=454mm×350mm×99mm，凸模的外形尺寸尺寸：長×寬×高=454mm×350mm×40mm。所以按模架標(biāo)準(zhǔn)板尺寸A板厚度取125mm，B板厚度取63mm。墊塊高度＞推出行程+推板厚度+推桿固定板厚度=37+40+25=102mm，選定C為125mm。導(dǎo)柱間距要大于454mm×350mm，并且應(yīng)該大于這個(gè)間距多一些，否則會(huì)影響到定模板和動(dòng)模板的強(qiáng)度。復(fù)位桿長度方向上的間距＞454mm。
根據(jù)上述分析計(jì)算，模架尺寸已經(jīng)確定為模架序號為5號，板面為500mm×630mm。本設(shè)計(jì)分型面采用單分型面，采用推桿脫模，所以模架結(jié)構(gòu)形式為A1型的標(biāo)準(zhǔn)模架。模架的外形尺寸：寬×長×高=500mm×630mm×393mm如圖5-3所示。
圖5-3 模架示意圖
5.6 模架各尺寸的校核
根據(jù)所選注射機(jī)來校核選用的模架的各個(gè)尺寸。
模具平面尺寸：500mm×630mm＜550mm×650mm（拉桿空間），校核合格。
模具高度尺寸：393mm，700mm＞393mm＞300mm（模具的最大和最小厚度），校核合格。
本設(shè)計(jì)選用的是全液壓式鎖模機(jī)構(gòu)的注射機(jī)，所以開模行程與模具的厚度有關(guān)。
模具的開模行程：
式(5.17)
S＜700mm（模板最大行程），校核合格。
式中
--模具的閉合高度；
--塑件脫模所需的推出距離；
--包括澆注系統(tǒng)在內(nèi)的塑件高度。
6 澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1 主流道的設(shè)計(jì)和計(jì)算
主流道是塑料熔體進(jìn)人模具型腔時(shí)最先經(jīng)過的部位，它將注射機(jī)噴嘴注出的塑料熔體導(dǎo)入分流道或型腔。其形狀為圓錐形，便于熔體順利地向前流動(dòng)，開模時(shí)主流道凝料又能順利地拉出來。另外，由于澆口套與高溫塑料熔體及注射機(jī)噴嘴反復(fù)接觸，因此設(shè)計(jì)中常設(shè)計(jì)成可拆卸更換的澆口套。
（1）主流道的計(jì)算
1) 主流道的尺寸：在Pro/E創(chuàng)建的模架上通過測量可得主流道的長度L主=159.5mm。
2) 主流道小端直徑：d=注射機(jī)噴嘴尺寸+(0.5~1)mm=(7.5+0.5)mm=8mm。
3) 主流道大端直徑：，式中。
4) 主流道球面半徑：SR0=注射機(jī)噴嘴球頭半徑+(1~2)mm=(18+2)mm=14mm。
5) 球面的配合高度：h=3mm。
（2）主流道的凝料體積
知道主流道的各個(gè)尺寸，通過Pro/E畫出主流道三維圖，利用分析工具可得到主流道的凝料體積V主=14.5cm3。如圖6-1所示。
圖6-1 主流道凝料
（3）主流道的當(dāng)量半徑。
（4）主流道澆口套的材料：主流道澆口套為標(biāo)準(zhǔn)件可選購。主流道小端入口處與注射機(jī)噴嘴反復(fù)接觸，易磨損，對材料要求嚴(yán)格，所以設(shè)計(jì)中采T10A。熱處理淬火表面硬度為50~55HRC，并且主流道球面需進(jìn)行硬化處理。
6.2 分流道的設(shè)計(jì)和計(jì)算
由于型腔是一模兩腔布置，所以必須設(shè)計(jì)分流道。分流道是主流道與澆口之間的通道。在設(shè)計(jì)分流道時(shí)主要考慮的是盡量減少熔體流動(dòng)時(shí)的壓力損失和溫度降低，同時(shí)盡量減少分流道的容積，采用的是平衡式分流道。
（1）分流道的長度
在第5章的計(jì)算中，型腔與型腔之間的距離取的是60mm，在這里取分流道的長度
L分=58mm。
（2）分流道截面形狀和尺寸
常用的截面形狀有圓形、梯形、U形、半圓形和矩形等。在分流道的設(shè)計(jì)中既要有大的截面積以減少熔體流動(dòng)的壓力損失；同時(shí)又要求流道的表面積小，以減少熔體的傳熱損失。因此，常用流道的截面積與周長之比來表示流道的效率。該比值越大，表示流道的效率越高。查得圓形和正方形流道的效率最高。但正方形截面的流道不利于冷凝料的推出，圓形的需開設(shè)在分型面兩側(cè)，且對應(yīng)兩部分必須相吻合，加工較困難。最常用的是梯形和U形截面，因加工方便，且熱量的損失和流動(dòng)阻力不大，在實(shí)際生產(chǎn)中的到了廣泛的應(yīng)用。
經(jīng)過分析，本設(shè)計(jì)采用U型截面分流道，其表面粗糙度Ra的值取1.6μm，其具體的截面形狀尺寸如圖6-2所示。
圖6-2 分流道截面尺寸
（3）凝料體積
知道分流道的截面尺寸和分流道的長度尺寸，通過Pro/E畫出分流道的三維圖，利用分析工具測得分流道的凝料體積V分=3.23cm3。如圖6-3所示。
圖6-3 分流道凝料
（4）校核剪切速率
確定注射時(shí)間：查表4-8[2]得t=2.5s。
分流道體積流量：
式(6.1)
剪切速率：
式(6.2)
該分流道的剪切速率處于澆口主流道與分流道的最佳剪切速率5×102~5×103S-1之間。所以，分流道內(nèi)熔體的剪切速率合格。
6.3 澆口的設(shè)計(jì)和計(jì)算
澆口是連接流道—型腔的一段細(xì)短通道，是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，起著調(diào)節(jié)控制料流速度、補(bǔ)償時(shí)間及防止倒流等作用，對于多型腔模具，澆口還能用來平衡進(jìn)料。
澆口的形狀、尺寸和進(jìn)料位置對塑件的質(zhì)量影響很大，塑件上的一些質(zhì)量問題，如缺料、縮孔、白斑、熔接痕、翹曲等現(xiàn)象，常常是由于澆口的設(shè)計(jì)不合理而造成的。因此正確設(shè)計(jì)澆口，對保證塑件的質(zhì)量是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。
澆口的類型主要有直接澆口、側(cè)澆口、護(hù)耳澆口、輪輻澆口、爪形澆口、點(diǎn)澆口、潛伏澆口等。其中直接澆口適用于體積較大的深腔殼體塑件及高粘度塑料；側(cè)澆口適用于中小型塑件的多型腔模具，其直接優(yōu)點(diǎn)是截面形狀簡單、易于加工、便于試模后修正，缺點(diǎn)是在制件的外表面留有澆口痕跡；爪形澆口適用于內(nèi)孔小且同軸度要求較高的細(xì)長管狀塑件；點(diǎn)澆口常用于成型各種殼類、盒類零件，其優(yōu)點(diǎn)是澆口位置能靈活的確定，澆口痕跡較小，易于自動(dòng)斷料，缺點(diǎn)是由于澆口截面積小，流動(dòng)阻力大，需要提高注射壓力。
該塑件的最佳澆口位置已經(jīng)確定，位于塑件的尾部，所以采用矩形側(cè)澆口，并用塔接式進(jìn)料。采用矩形澆口，易于加工，便于試模修正，采用塔接式進(jìn)料，不影響塑件的外觀表面，保證了塑件的美觀度。如圖6-2所示。
圖6-2 矩形側(cè)澆口塔接式進(jìn)料
（1）側(cè)澆口尺寸的確定
查表4-9[2]得到ABS材料采用的矩形側(cè)澆口的厚度h=0.8~1.5mm，寬度b=（3~10）h，長度L=0.7~2mm。
該塑件屬于中小型塑件，如果澆口尺寸設(shè)計(jì)的不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致填充不滿、較多的熔接痕等等一系列的缺陷，所以澆口尺寸選定后還需不斷進(jìn)行優(yōu)化。初步選定的澆口尺寸：h=1.5mm，b=9mm，L=1mm。
（2）校核剪切速率
1) 確定注射時(shí)間：查表4-8[2]得t=2.5s。
2) 澆口體積流量：
式(6.3)
3) 剪切速率：
式(6.4)
該矩形側(cè)澆口的剪切速率處于澆口與分流道的最佳剪切速率5×103~5×104S-1之間。所以，澆口的剪切速率合格。
6.4 校核主流道的剪切速率
1) 確定注射時(shí)間：查表4-8[2]得t=2.5s。
2) 主流道體積流量：
式(6.5)
3) 剪切速率：
式(6.6)
該主流道內(nèi)熔體的剪切速率處于澆口與分流道的最佳剪切速率5×102~5×103S-1之間。所以，主流道的剪切速率合格。
6.5 冷料穴的設(shè)計(jì)
冷料穴位于主流道正對面的動(dòng)模板上，其作用主要是收集熔體前鋒的冷料，防止冷料進(jìn)入模具型腔而影響制品的表面質(zhì)量。常見的主流道冷料穴結(jié)構(gòu)有帶Z形頭拉料桿的冷料穴、帶球形頭的冷料穴、帶尖錐頭拉料桿的冷料穴及無拉料桿的冷料穴。
本模具采用較為常見的帶Z形頭拉料桿的冷料穴，結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。開模時(shí)，利用拉料桿通過鉤頭拉住穴內(nèi)冷料，使凝料從襯套中脫出。
圖6-3 Z型拉料桿
6.6 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
6.6.1 冷卻系統(tǒng)的簡單計(jì)算
冷卻系統(tǒng)的計(jì)算很復(fù)雜，下面只進(jìn)行簡單的計(jì)算。需要說明的是，冷卻系統(tǒng)的簡單計(jì)算可能不符合實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，所以還需根據(jù)實(shí)際情況修改水路的尺寸以及調(diào)整水路的布置方式。
(1)單位時(shí)間內(nèi)注入模具中的塑料熔體總質(zhì)量W
1) 塑料制品的體積：
V=V主+V分+nV塑=（14.5+3.23+2×2.1×102）cm3=437.73cm3 式(6.7)
2) 塑料制品的質(zhì)量：
通過Pro/E的分析工具測得m=214.2g=0.2142kg
3) 塑件的壁厚為2.5mm，查表4-34[1]可得冷卻時(shí)間t冷=13.7s，取注塑時(shí)間t注=2.5s，脫模時(shí)間t脫=8s，則注塑周期：
t=t冷+t注+t脫=13.7+2.5+8=24.2s 式(6.8)
由此得每小時(shí)注射次數(shù)：
N=(3600/24.2)次=148次 式(6.9)
4) 單位時(shí)間內(nèi)注入模具中的塑料熔體的總質(zhì)量：
W=Nm=148×0.2142=31.7kg/h 式(6.10)
(2)確定單位質(zhì)量的塑件在凝固時(shí)所放出的熱量Qs
查表4-35[2]可知ABS的單位熱流量Qs的值的范圍在（310~400）KJ/kg 之間。故可取Qs=370KJ/kg。
(3)計(jì)算冷卻水的體積流量qv
設(shè)冷卻水道入口的水溫為，出水口的水溫為，取水的密度，水的比熱容為。則根據(jù)公式可得：
式(6.11)
計(jì)算至此，查表4-30[2]發(fā)現(xiàn)，要使冷卻水處于湍急狀態(tài)，模具的冷卻孔的直徑要達(dá)到25mm，這顯然是不符合實(shí)際情況的，所以本模具的冷卻水路設(shè)計(jì)將根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則以及工廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
6.6.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：
1) 冷卻水道的孔壁至型腔表面的距離應(yīng)盡可能相等，一般取15~25mm；
2) 冷卻水道數(shù)量盡可能多，而且要便于加工。一般水道直徑選用?6.0，?8.0，?10.0，兩平行水道間距取40~60mm；
3) 所有成型零部件均要求通冷卻水道，除非無位置。熱量聚集的部位強(qiáng)化冷卻，如電池兜、喇叭位、厚膠位、澆口處等。A板，B板，水口板，澆口部分則視情況定；
4) 降低入水口與出水口的溫差。入水，出水溫差會(huì)影響模具冷卻的均勻性，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)標(biāo)明入水，出水方向，模具制作時(shí)要求在模坯上標(biāo)明。運(yùn)水流程不應(yīng)過長，防止造成出入水溫差過大；
5) 盡量減少冷卻水道中“死水”(不參與流動(dòng)的介質(zhì))的存在；
6) 冷卻水道應(yīng)避免設(shè)在可預(yù)見的膠件熔接痕處；
7) 保證冷卻水道的最小邊距(即水孔周邊的最小鋼位厚度)，要求當(dāng)水道長度小于150mm時(shí)，邊間距大于3mm；當(dāng)水道長度大于150mm時(shí)，邊間距大于5mm；
8) 冷卻水道連接時(shí)要由O型膠密封，密封應(yīng)可靠無漏水；
9) 對冷卻水道布置有困難的部位應(yīng)采取其它冷卻方式，如鈹銅、熱管等；
10) 合理確定冷卻水接頭位置，避免影響模具安裝、固定。
根據(jù)上述冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，凹模的冷卻水路采用蛇形串聯(lián)布置，水路之間的間距為40mm，布置兩個(gè)入水口和兩個(gè)出水口，水路直徑取10mm，水路至型腔表面的距離為15mm。如圖6-4所示。凸模的冷卻水路采用串聯(lián)布置，考慮到水路有可能會(huì)干涉到推桿，所以采用的水路布置如圖6-5所示，布置兩個(gè)入水口和兩個(gè)出水口，水路直徑取10mm，水路至型腔表面的距離為15mm。
圖6-4 凹模水路
圖6-5 凸模水路
7 脫模機(jī)構(gòu)及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
7.1 推出方式確定
脫模機(jī)構(gòu)是指注射成型后使塑件從凸模或凹模上脫出的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)脫模機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：
1) 保證塑件不因頂出而變形損壞及影響塑件外觀；
2) 應(yīng)盡量使開模時(shí)塑件留在動(dòng)模，以利用注射機(jī)的移動(dòng)部分推出塑件；
3) 推出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要準(zhǔn)確、靈活、可靠，無卡死與干涉現(xiàn)象；
4) 機(jī)構(gòu)本身要有足夠的剛度、強(qiáng)度和耐磨性。
脫模機(jī)構(gòu)按推出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可分為：一次推出、二次推出、順序脫模等不同類型。本模具采用一次推出機(jī)構(gòu)，用推桿進(jìn)行脫模。需要注意的是，該塑件的大部分表面是弧形面，所以用推桿脫模必須把推桿頭部加工與塑件表面貼合的圓弧面。如圖6-6所示。
圖6-6 推桿頭部形狀
7.2 脫模力的計(jì)算
塑件內(nèi)壁長寬尺寸與壁厚之比：
式(7.1)
所以此塑件為薄壁矩形塑件。
脫模時(shí)所需的脫模力：
式(7.2)
式中
--矩形型芯短邊長度(mm)；
--矩形型芯長邊長度(mm)；是塑件壁厚(mm)；
--塑料的彈性模量（MPa）；
--凸模被包緊部分的長度(mm)；
--脫模斜度()；
--塑料成型的平均收縮率(%)；
--塑料與鋼之間的摩擦因素；
--由與決定的無因次數(shù)， ；
--塑料的泊松比；
--塑件在與開模方向垂直的平面上的投影面積(mm2)，當(dāng)塑件底部有通孔時(shí)，項(xiàng)視為零,這里。
7.3 推桿直徑的計(jì)算和校核
推桿的直徑：
式(7.3)
式中
--推桿直徑（mm）；
--推桿長度（mm），這里取推桿的平均長度；
--推桿數(shù)量，這里初步取15根推桿；
--推桿材料的彈性模量（MPa）；
--安全系數(shù)，取。
推桿直徑的校核：
式(7.4)
式中
--推桿材料的需用壓應(yīng)力，。
符合強(qiáng)度要求。
根據(jù)上面的分析計(jì)算，推桿的數(shù)量和直徑雖然已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，但是需要考慮到塑件實(shí)際的復(fù)雜程度和塑件的質(zhì)量要求，所以還要對推桿的直徑、數(shù)量、布置進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。如圖6-7所示是經(jīng)過調(diào)整后推桿的布局。
圖6-7 推桿位置
7.4 排氣槽的設(shè)計(jì)
排氣槽應(yīng)開設(shè)在型腔最后填充的部位，如塑件、流道、冷料穴的澆注終端。該塑件由于采用側(cè)澆口進(jìn)料，熔體填充型腔的最后部位位于分型面處，已經(jīng)足夠進(jìn)行排氣，所以本模具不需要另行開設(shè)排氣槽。
8 注射工藝參數(shù)的確定及模流分析
8.1 MoldFlow簡介
MoldFlow軟件作為行業(yè)技術(shù)的主導(dǎo)和領(lǐng)先者，由一維黏性流動(dòng)、二維黏性流動(dòng)發(fā)展到今天的黏彈性模擬、三維模擬及新型注射工藝的模擬[3]。MPI(Moldflow Part Insight)作為其主要產(chǎn)品之一，集成有填充保壓(Flow)、冷卻(Cool)、翹曲(Wrap)、纖維取向(Fiber)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Stress)和收縮(Shrink)、氣體輔助成型分析(Gas)等分析模塊[3]，可以對整個(gè)注塑過程進(jìn)行模擬仿真,幫助設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可以發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)和注塑成型過程中存在的問題,從而方便地修改設(shè)計(jì)方案,有效地縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本。
8.2 模型的網(wǎng)格劃分
做模流分析的第一步就是網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響后面的諸多分析，又由于此塑件有許多孔和加強(qiáng)筋，縱橫比肯定會(huì)很大，所以劃分網(wǎng)格之后要仔細(xì)的對網(wǎng)格進(jìn)行修改。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖8-1所示，進(jìn)行網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)，得到一下數(shù)據(jù)連通區(qū)域?yàn)?，自由邊為0，相交單元為0，完全重疊單元為0，最小縱橫比為1.155，最大縱橫比為47.235，匹配率為89.5%?？梢园l(fā)現(xiàn)跟之前分析的一樣網(wǎng)格的縱橫比比較大，而且冷卻分析對網(wǎng)格的質(zhì)量要求比較高，所以必須修改網(wǎng)格縱橫比，控制最大縱橫比在20之內(nèi)。通過手動(dòng)修改縱橫比之后進(jìn)行網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)顯示，最大縱橫比為19.918，滿足分析要求。對網(wǎng)格進(jìn)行單元質(zhì)心距離分析(如圖8-1)發(fā)現(xiàn)有很多單元質(zhì)心距離太近，如果不進(jìn)行修改，做冷卻分析時(shí)可能會(huì)發(fā)生分析失敗，所以必須對質(zhì)心距離太近的單元進(jìn)行修改。圖8-2所示的是全部修改完成的網(wǎng)格。
圖8-1 未修改的網(wǎng)格及質(zhì)心距離分析結(jié)果
圖8-2 修改過后的網(wǎng)格
8.3 確定注射工藝參數(shù)
熔體溫度24℃，型腔溫度50℃，冷卻管道直徑10mm，冷卻介質(zhì)為水，冷卻水溫度25℃，入口雷諾數(shù)10000。整個(gè)注射成型周期30s，其中注射、保壓及冷卻時(shí)間22s，頂出時(shí)間8s。
8.4 冷卻分析
8.4.1 塑件表面溫度分布
如圖8-3所示，可以看出塑件表面溫度分布比較均勻，說明冷卻水路的布置合理，可以達(dá)到所需的冷卻效果。
圖8-3 塑件表面溫度分布
8.4.2 雷諾數(shù)分布
如圖8-4所示，動(dòng)定模入口處的雷諾數(shù)都為10000，表明所設(shè)置的工藝參數(shù)都比較合理。
圖8-4 雷諾數(shù)分布
8.4.3 冷卻介質(zhì)溫度變化
由圖8-5可知，入口和出口處水溫的溫差為1℃，冷卻水路長度設(shè)計(jì)滿足冷卻要求。設(shè)計(jì)冷卻水路時(shí)不要為了省事而將部分或全部水路串聯(lián)起來，否則會(huì)因整個(gè)水路過長而導(dǎo)致水溫持續(xù)升高，降低模具與制品的冷卻效果，延長頂出時(shí)間，降低勞動(dòng)生產(chǎn)效率。
圖8-5 冷卻介質(zhì)溫度變化
8.5 流動(dòng)分析
8.5.1 填充結(jié)束時(shí)制品的總體溫度
填充結(jié)束時(shí)制品的最高溫度不可接近或超過材料的降解溫度。如圖8-6所示，填充結(jié)束時(shí)制品的最高溫度250.6℃，此制品的材料是ABS，降解溫度是270℃，所以冷卻水路的設(shè)計(jì)滿足冷卻要求。
圖8-6 填充結(jié)束時(shí)制品的總體溫度
8.5.2 注射位置處壓力
如圖8-7所示為制品進(jìn)料口位置的壓力在注射、保壓、冷卻整個(gè)過程中的變化圖，可以看出最大注射壓力為82MPa，所以選用的注塑機(jī)的注射壓力足以滿足要求。隨后壓力迅速降為64MPa的保壓壓力，一直持續(xù)11s左右，11s以后，壓力下降為0。
圖8-7 注射位置處壓力XY圖
8.5.3 鎖模力
如圖8-8所示，此模具所需的最大鎖模力為350.5MPa，大于注射壓力，所以滿足使用要求。如果鎖模力低于或接近注射壓力，會(huì)造成模具分型面的密閉不良，從而產(chǎn)生溢料飛邊大的現(xiàn)象。
圖8-8 鎖模力XY圖
8.5.4 氣穴
氣穴形成的原因分成兩類：
1) 由于排氣不良等原因造成熔體中水分或揮發(fā)成分被封閉在成型材料中所形成的起泡。
2) 由于熔體冷卻固化時(shí)體積收縮而產(chǎn)生在制品厚壁或加強(qiáng)筋、凸臺等壁厚不均勻出的氣泡。
如圖8-9所示，此制品氣泡出現(xiàn)的主要位置一個(gè)是在分型面處，一個(gè)是在加強(qiáng)筋處，并且數(shù)量不是很多。實(shí)際上分型面處排氣應(yīng)該是很好的，由于做模擬沒有考慮分型面處的排氣問題，所以事實(shí)上分型面處是不存在氣泡的。而加強(qiáng)筋不在外觀表面，所以加強(qiáng)筋上的氣泡是可以接受的。
圖8-9 氣穴
8.5.5 熔接痕
熔接痕產(chǎn)生的原因很多，最主要的原因是在填充過程中出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上流動(dòng)前沿相匯合時(shí)不能很好的融合在一起而產(chǎn)生的。熔接痕不僅影響注塑件的外觀質(zhì)量,更重要的是損害其力學(xué)性能,應(yīng)盡量控制。經(jīng)MoldFlow分析得到的熔接痕位置如圖8-10所示，主要集中在制品的頭部，原因是熔料在匯合處融合不完全，可通過適當(dāng)提高料溫、提高注塑壓力來改善。
圖8-10 熔接痕
8.6 翹曲分析
8.6.1 Z軸收縮不均引起的變形量
如圖8-11所示的是Z軸方向上由于收縮不均引起的變形，最大變形量為0.4363mm，變形量不是很大，不影響制品的外觀。
圖8-11 Z軸收縮不均引起的變形量
8.6.2 Z軸冷卻不均引起的變形量
如圖8-12所示的是Z軸方向上由于冷卻不均引起的變形，最大變形量為0.0733mm，變形量很小，對制品的外觀沒有影響。
圖8-12 Z軸冷卻不均引起的變形量
8.6.3 Z軸取向因素引起的變形量
如圖8-13所示的是Z軸方向上由于取向因素引起的變形，可以看出取向因素對變形沒有影響。
圖8-13 Z軸取向因素引起的變形量
9 模具總裝及模具動(dòng)作過程
9.1 模具總裝
1) 安裝前先要清理模板平面定位孔及模具安裝面上的污物、毛刺。
2) 模具安裝采用整體安裝法。先在機(jī)器下面導(dǎo)軌上墊好板，模具從側(cè)面進(jìn)入機(jī)架內(nèi)，定模入定位孔，并放正，慢速閉合模板，壓緊模板。然后用壓板或螺釘壓緊定模，并初步固定動(dòng)模，然后慢速開閉模具，保證開閉模具時(shí)平穩(wěn)、靈活、無卡住現(xiàn)象，然后固定動(dòng)模。
3) 調(diào)節(jié)鎖模機(jī)構(gòu)，保證有足夠的開模距離及鎖模力，使模具閉合適當(dāng)。
4) 慢速開啟模板直至模板停止后退為止，調(diào)節(jié)頂出裝置，保證頂出距離。開閉模具觀察頂出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，動(dòng)作是否平衡、靈活、協(xié)調(diào)。
5) 模具裝好后，待料筒及噴嘴溫度上升到距離注射溫度20℃~30℃時(shí)，即可校正噴嘴澆口套的相對位置及弧面接觸情況，可用紙片放在噴嘴和澆口套之間，觀察兩者的接觸印痕，檢查吻合情況，須使松緊合適，校正后擰緊定位螺釘，緊固定位。
6) 開空車運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察模具各部分運(yùn)行是否正常，然后才可注射試模。
液晶顯示器底座模具總裝3D爆炸圖，如圖9-1所示。
液晶顯示器底座模具裝配圖，如圖9-2所示。
圖9-1 液晶顯示器底座模具總裝爆炸圖
9.2 模具動(dòng)作過程
模具安裝在XS－ZY－1000型注射機(jī)上，動(dòng)模座板15固定在注射機(jī)的動(dòng)模板部分，定模座板07固定在注射機(jī)的定模板上。注射機(jī)合模后，注射機(jī)噴嘴伸入到模具中與澆口套05的入料口處實(shí)現(xiàn)對接。對接后，熔融的ABS經(jīng)主流道、分流道和澆口進(jìn)入型腔內(nèi)；經(jīng)保壓，冷卻后塑件成型。
開模時(shí)，定模板02與動(dòng)模12從分型面處分開，動(dòng)模向后運(yùn)動(dòng)，Z型拉料桿18帶動(dòng)澆注系統(tǒng)的冷凝料及塑料制品一起向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主流道中的凝料完全拉出一段距離后，注射機(jī)的頂桿作用在推板14上，使得澆注系統(tǒng)中的冷凝料和塑料制件在Z型拉料桿18和推桿的作用下一起推出，完成脫模過程。
合模時(shí)，注射機(jī)鎖模機(jī)構(gòu)工作，推板14在復(fù)位桿20的作用下，回到初始狀態(tài)，動(dòng)、定模完全閉合，回到成型位置，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。
圖9-2液晶顯示器底座模具總裝圖
01-內(nèi)六角螺釘；02-定模板；03-內(nèi)六角螺釘;04-定位圈；05-澆口套；06-凹模；07-定模座板；08-O型密封圈；09-導(dǎo)柱；10-導(dǎo)套；11-水嘴；12-動(dòng)模板；13-推桿固定板；14-推板；15-動(dòng)模座板；16-凸模；17-推桿；18-拉料桿；19-推桿；20-復(fù)位桿；21-內(nèi)六角螺釘；22-內(nèi)六角螺釘；23-內(nèi)六角螺釘；24-推桿；25-EP圓盤；26-開槽沉頭螺釘；27-墊塊
結(jié)論
傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)絕大部分依靠經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作，基本上每個(gè)人所走的步驟都是相同的。不同之處主要在于每個(gè)人所設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品的差異，以及所花費(fèi)的時(shí)間及最后成品的質(zhì)量。而采用與傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)不同的思路，運(yùn)用Pro/E+EMX進(jìn)行聯(lián)合設(shè)