塑料成型与模具设计论文

基于Pro/E毒消柜控制面板的注塑模具设计 梁江波 葛正浩 厉成龙 丁英杰 （陕西科技大学 陕西•咸阳 712081） 摘 要:借绍利用Pro/E软件对消毒柜控制面板注塑模具进行辅助设计的过程,重点阐述应用Pro/E模具模块分模的流程。指明采用模具CAD/CAM软件Pro/E来实现模具三维设计,可以大大缩短设计和制造周期,提高产品设计准确性,降低设计成本。 关键词: Pro/E模具；分模；消毒柜控制面板；EMX4.1模架设计专家系统 3D design of disinfectant tank’s faceplate injection mould based on Pro/Engineer Liangjiangbo Gezhenghao Dingyingjie Lichenglong （Shanxi University of Science & Technology, Xianyang, Shanxi, 712081,China） Abstract Introduce the process of designing the injection mould for disinfectant tank’s faceplate based on Pro/Engineer. Expanded the process of parting module on emphases. directed that 3D softwares have got extensive application. the softwares of Pro/E,can shorten the period of mould design and manufacture, it also lowered the product cost. Key words ：Pro/E；mould；parting module；disinfectant tank’s faceplate；manufacture 1 引 言 Pro/E是美国PTC公司开发的基于PC平台的CAD/CAM/CAE一体化软件,也是目前我国模具行业中应用最为广泛的设计软件之一。Pro/E有许多应用模块,在注塑模具设计中应用Pro/E制造模具模块和模架设计专家系统(EMX)可以非常方便快捷的设计出模具的全部内容。不仅效率高,而且直观性好,准确性高。本文以消毒柜控制面板注塑模设计为例介绍了由制件到注塑模具的设计成型过程。 2 制品实体造型 消毒柜控制面板采用Pro/E零件模块的成形实体功能,通过创建拉伸、抽壳、复制、阵列、倒圆角、剪切、加强筋等特征命令建立实体如图1-1。 图1-1 消毒柜控制面板的零件模型 3 制品的结构特征分析 制品的材料为ABS，这种通用塑胶易于成型和机械加工，具有优良的物理机械性能和低温抗冲击性，良好的电性能、耐磨性、尺寸稳定性、耐化学性，染色性，优良的流动性和良好的综合性能，成型工艺性好。 该制件为ZLD-38型消毒柜的控制面板,如图1-1所示。其上有6个固定孔，用螺钉将其固定在壳体上；有三个按键孔、一个VFD显示孔和一个侧向的门开关孔。控制电路板和电磁门开关在装配时要安装在其腔体内。可见面要求平整、光滑、色泽均匀一致，无气泡、裂纹、收缩、融合纹等注塑缺陷，分型面无飞边、毛刺；壁厚偏差一致，脱模斜度应不大于0.5。在将其安装在壳体上后，其上表面要贴pop贴。为了提高其强度在其内部设有加强筋。 4 零件成型工艺性分析 在模具结构中，采用侧浇口，两点进浇，采取一模两腔的布局，由于采用两点进浇，故减少了熔料在模腔内流动的距离，便于注射成型。顶出方式采用推板脱模，制件的固定柱采用顶管脱模方式。门锁孔采用斜导柱分型抽芯机构完成侧抽，内腔的控制板卡采用斜顶杆完成内侧抽。冷却方式采取水冷形式，冷却水孔布置采用直通式布置,各通道在模具外用软管连接，具体的结构见模具设计部分。 5 模具设计 利用Pro/E软件制造模块(CAM)中的模具型腔子模块进行分模设计,设计步骤如下: (1)打开Pro/E,新建→制造→模具型腔→取文件名(kzmb.mfg) →进入分模界面。(2)将工件作为参考零件装配到界面上,由于是第一次装配,所以可以用缺省装配。(3)通过控制层的图标把参考模型的基准面遮蔽,从而使图面简化。(4)建立工件体积块。可以通过手动草绘,也可通过自动设定参数直接生成。如图1-2所示。 图1-2 工件体积块 图1-3 模具体积块 图1-4 分型面1 (5)设置收缩率。通过用比例方式,对所有尺寸用公式S=1+α进行设置。 (6)创建模具体积块。通过创建球形拉料杆体积块、销体积块、内侧抽体积块，最终生成模具体积块。如图1-3所示。(7)设计分型面。在分模过程中,分型面的设计是最为关键。本例的分型面的建构步骤如下：①新建分型面→复制→制件所有外表面→填补外表面上的所有孔；②与零件底面重合处拉伸一平整曲面；③将复制曲面与拉伸曲面合并,并选对保留侧。分型面设计完成如图1-4、图1-5、图1-6、图1-7所示。 图1-5 分型面2 图1-6 分型面3 图1-7 分型面4 (8)拆模。步骤为:模具体积块→分割→2个体积块→所有工件→选取分型面,将工件分割开来,并分别定义名称rest、rest1、 rest2、rest3。将生成的体积块抽取生成模具成型零件,步骤为:模具元件→抽取。 (9)开模仿真。步骤为:模具进料孔→定义间距→定义移动。如图1-8所示。 图1-8 制件开模仿真图 6 用塑料顾问做模具的流动模拟分析 打开制件文件kzmb_molding.prt，单击应用程序菜单下的塑性顾问，单击 按钮，启动塑料顾问应用程序。对填充质量和压力降做出可视化分析，如下图所示。 图1－9 填充质量示意图 图1-10 预期质量示意图 图1-11 压力降示意图 在菜单条中依次点击Results→summary，打开“Results summary”对话框，制件的加工参数和流动的相关参数见图1-12。 图1-12 加工参数与流动的相关参数 7 制品注射模具的3D总装配设计 调用模架专家系统EMX4.1,选好模架类型和各模板尺寸, 把型腔和型心装进模架，设计完成浇注冷却系统、顶出系统及抽芯滑块装置，并装配好螺钉、导柱、导套等标准件如图1-13所示。 图1-13 完成后的模具总装配模型 图1-14 模具开模状态图 8 开模仿真 .依次点击EMX4.0→模具基体→装配元件→在弹出的“装配元件”对话框中按下 ，将所有的元件装配到模具总装配模型中去，完成后的模具开模状态图如图1-14所示。 9 结束语 本文以消毒柜控制面板为例介绍了利用Pro/E建立实体模型,并进行模具设计的整个过程。通过设计发现基于Pro/E的模具设计有如下优点:①能直接根据产品的三维数据生成模具的型心和型腔,提高设计的准确性。②利用标准模架库,减少了模具标准件的绘制,提高了效率。③实现了全三维的设计,直观,可靠。④统一的数据库使零件修改、模具修改非常方便。⑤根据加工要求可通过数控模块生成刀轨文件,通过后 置处理生成数控程序。 参考文献: [1] 林清安. Pro/Engineer模具设计[M].北京:北京大学出版社,2001. [2] 何满才.模具设计与加工-MASTERCAM[M].北京:人民邮电出版社,2002. [3] 葛正浩.Pro/ENGINEER Wildfire塑料模具设计入门与实践.化学工业出版社，2004. [4] 史铁梁.模具设计指导，机械工业出版社，2003. [5] 申开智.塑料成型模具，中国轻工业出版社，2002.

通过对课程塑料模具制造的过程我了解了以下下内容：1、产品设计；2、模具设计（用软件分模，选用模架及标准件并设计滑块）；3、工艺安排；4、按工艺顺序进行加工；5、钳工装配（主要配分型面）；6、试模。下面主要讲述上面每个过程的重点和要注意的问题。 、产品设计 这个过程中我们应注意的问题有：不能随意改变产品的结构（用户特殊要求除外）；不能随意改变产品大小（用户特殊要求除外）；在交图前应检查各尺寸是否正确及是否注明产品材料。 、模具设计 （一）首先必须要拟定模具结构形式： A、分型面位置确定：分型面应选在塑件的最大截面处；不影响塑件外观质量，尤其是对外观有明确要求的塑件，更要注意分型面对外观影响；有利于保证塑件的精度要求；有利于模具加工，特别是型腔加工；有利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设置；便于塑件的脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边(有的塑件需要定模推出的例外)；尽量减小塑件在合模平面上的投影面积，以减小所需锁模力；便于嵌件的安装；长型芯应置于开模方向。 B、型腔数量的确定：型腔数量主要是根据塑件的质量、投影面积、几何形状（有无抽心）、塑件精度、批量大小以及经济效益来确定，这些条件互相制约的，在确定设计方案时，须进行协调，以保证满足其主要条件。 C、型腔排列方式、模具结构形式的确定：型腔的排列涉及模具尺寸、浇注系统的设计、浇注系统的平衡、抽芯机构的设计、镶件及型芯的设计以及温度调节系统的设计。以上这些问题又与分型面及浇口的位置有关，所以在具体设计过程中，要进行必要的调整，以达到比较完善的设计结构。1）中大型塑件或带有侧向分型与抽芯（几个方向分型或抽芯）、且抽芯机构在动模时的小型精密塑件采用单型腔单分型面模具；2）塑件外观质量、尺寸精度要求高而采用点浇口时，用单型腔多分型面模具；3）尺寸精度要求一般的中小型塑件用多型腔单分型面或多型腔多分型面模具。 （二）塑料模具钢的选用： A、塑料模具钢的性能要求（1）要求材料有较高的硬度、好的耐磨性，其型面硬度应为30~60HRC，淬硬性>55HRC，有足够的硬化深度，材料中心部位有足够强韧性，以免脆断、塑性变形等。（2）要求材料具有一定的抗热性，能在150~250 C的温度下长期工作，且不氧化、不变形，尺寸稳定性良好。（3）要求材料具有一定的耐腐蚀性。（4）要求材料的焊接性能、锻造工艺性能良好。 B.、塑料模具钢的选用 冷压成型塑料模具多以低碳钢为主，型号可选用20、20Cr、12CrNi3A、40rC或DTI等。切削成型塑料模具，多以调质钢为主，先进行调质处理后再后再加工，型号可选用40、50、3Cr2Mo、4Cr3MoSiV、5CrNiMo、4Gr5MoSiV1或 4Cr5W2SiV1等。磨损强烈的热塑性和热固性塑料模具选用冷作模具钢制造，如Cr12、9Mn2V、Cr6 WV或7 Cr Mo NiMo等。高级塑料模具可选用超低碳马氏体时效钢，如18Ni（250）、18Ni（300）或18Ni（350）等。 （三）模架及标浇口设置所要考虑的因素： A、浇口的设置应达到平衡充模 B、浇口应位于厚壁处 C、浇口应远离薄壁特征 D、浇口的设置应实现同向流动 E、必要时增加浇口以减少充模压力 F、增加浇口以防止过保压 G、所用模具的类型，是2板式还是3板式模具？ H、热流道还是冷流道，或者混合流道 I、所希望的浇口类型，如边缘浇口、潜伏式浇口等 J、由于制件的功能而对浇口位置的限制 没有固定的原则来决定浇口应该或不应该设在制件的什么位置。设计师不同，他所认可的浇口最佳位置可能不同。本节将讨论浇口位置设计的一些原则，与制件充模流动分析相关的人员应对这些原则予以重视。 （四）模架及准件的选用： 在设计模具时，应尽可能地选用标准模架和标准件（包括通用标准件及模具专用标准件两大类，通用标准件如紧固件等，模具专用标准件如定位圈、浇口套、推杆、推管、导柱、导套、模具专用弹簧、冷却及加热元件），因为标准件有很大一部分随时可在市场上买到，这对缩短制造周期，降低制造成本极其有利。模架尺寸确定之后，对模具有关零件要进行必要的强度或刚度计算，以校核所选模架是否适当，尤其是对大型模具，这一点尤为重要。 、工艺安排前我们应先对塑料成型工艺的可行性分析： （1）接受设计任务（塑件产品零件工作图，若是实物零件，应绘制成二维工程图），在产品零件工作图上应注明所用塑料的品种、批量大小、尺寸精度与技术条件，产品的功用及工作条件。 （2）对产品图纸或提供的样品进行详细地分析和消化，注意检查以下项目。 A、产品尺寸精度及其图纸尺寸的正确性； B、脱模斜度是否合理； C、塑件厚度及其均匀性； D、塑料种类及其收缩率； E、塑件表面颜色及表面质量要求。 （3）了解该塑件材料的机械性能和物理性能，以及与注射工艺有关的参数。 （4）审核塑件的成型工艺性，讨论壁厚、肋板、圆角、表面粗糙度、尺寸精度、表面修饰、脱模斜度和嵌件安放的可行性，如果产品结构设计的成型工艺性不佳，可与设计者商榷，在不影响产品性能的前提下，由设计者对产品结构进行修改，以满足注塑成型工艺的需要。 （5）计算塑件的体积和质量。 、按工艺顺序进行机加。在模塑公司模具加工中心，加工模具主要有以下几种方法：车床加工、铣床加工、磨床加工、CNC加工、放电加工、线切割加工等。 几种模具加工方法的比较： 1）、车床加工 加工精度： 0.02mm 加工特性：适合孔、台阶、槽等一系列成型加工，可加工范围比较广。 2）、铣床加工 加工精度： 0.02mm 加工特性：适合孔、台阶、槽等一系列成型加工。 3）、磨床加工 加工精度： 0.001~ 0.005mm 加工特性:适合圆弧、斜面、槽等精密成型加工 4）、CNC加工 加工精度： 0.01mm 加工特性：适合公母模座、3D模仁及各类电极的粗精加工。 5）、放电加工 加工精度： 0.002~ 0.01mm 加工特性:适合于加工槽类、孔类及复杂成型类工件，可镜面加工。 6）、线切割加工 加工精度： 0.002~ 0.005mm 加工特性：加工精度高、光洁性好、操作方便，可加工上下异形工件。 、在模具制造过程中装配主要由钳工来完成 装配技术分为“分离”和“集成”两种类型。集成装配：A、焊接 B、固定 C、粘接 D、嵌入技术 E、90度角卡扣；分离装配包括： A、小于90度角卡扣 B、螺扣装配 C、中心装配 D、压机装配。压件装配：压件装配可以使塑料组件在最低的成本下进行高强度装配。例如对卡扣装配来说，由于应力松弛，高压装配的拉力强度随着时间的流逝而减少（见图3）。设计计算必须把它考虑进去。另外，必须作使用温度周期变化的试验，以保证设计的可行性；螺纹装配：螺纹装配由分离型、组合型螺杆或整体螺杆嵌件的运用组成。材料的挠曲模量给螺件的合理装配提供了指导。 例如， 带螺纹的螺丝的弯曲模量可以达到2800Mpa。如果需要使用公制的螺丝，或者螺纹装配需要多次来完成，这就需要采用金属的细纹嵌件。 、试模前我们应该了解该塑料件的机械性能和物理性能，以及与注射工艺有关的相关参数。公司里用的塑料最多就是聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。除此之外，我们还要确定成型设备。 (1)常用塑料的特性： （一）聚丙烯(PP) 聚丙烯（PP）作为热塑塑料聚合物于1957年开始商品化生产，是有规立构聚合物中的第一个。其历史意义更体现在，它一直是增长最快的主要热塑性塑料，1991年它的世界总产量达到240亿磅。它在热塑性塑料领域内有十分广泛的应用，特别是在纤维和长丝、薄膜挤压、注塑加工等方面。 化学和性质 PP是以金属有机有规立构催化剂（Ziegler－Natta型），使丙烯单体在控制的温度和压力条件下合成的。因所用催化剂和聚合工艺不同，所得聚合物的分子结构有三种不同类型的立体化学结构，数量也不一样。这三种结构是指等规聚合物、间规聚合物和无规聚合物。在等规聚丙烯（最常见的商品形式）中，甲基原子团都处在聚合物骨架的同一侧，这一结构很容易形成结晶态。等规形式的结晶性赋予它良好的抗溶剂和抗热性能。在前十年期间所用的催化剂技术使非等规异构体的生成达到最少程度，消除了对无价值的无规组分进行分离的必要性，简化了生产步骤。 （二）苯乙烯树脂ABS 三元聚合物ABS从本世纪40年代开始商业化，销量逐年增长，现已成为全球销量最大的工程热塑性塑料，仅美国的销量就于1989年超过了12亿磅。在大宗商品塑料与高性能工程热塑性塑料之间，ABS占据了独特的“过渡”聚合物的位置。 化学和性质 ABS的多能性来自于它的三个单体结构单元——丙烯睛、丁二烯和苯乙烯。每个组分都为最终聚合物提供了一套不同的有用的性能。丙烯睛主要提供了耐化学性和热稳定性；丁二烯提供了初度和冲击强度；苯乙烯组分则为ABS提供了硬度和可加工性。 有三种生产工艺——乳液法、连续本体法或悬浮法，任一种工艺方法所制得的ABS原料中的苯乙烯含量均为50％甚至更高。通常至少两种工艺结合使用，以使最终产物最佳化。ABS树脂属于两相体系：苯乙烯一丙烯睛共聚物（SAN）为连续相，丁二烯衍生橡胶为弹性体分散相。 实际上还有少量苯乙烯和丙烯睛在丁二烯橡胶上发生共聚合反应（接枝），本来不相容的硬SAN和橡胶相容起来。因此，人们可把ABS看作是第一个在商业上取得成功的聚合物合金之一。 （三）丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛（简称ASA） ASA聚合物是无定形材料，可以采用挤塑和注塑加工制成对气候影响有极好抵抗力的产品。三元共聚物ASA的机械性能通常类似于ABS树脂，不同的是ASA的性能受室外气候的影响要比ABS树脂小得多。 化学和性能 三元共聚物ASA可以用拥有专利权的专利反应工艺，或接枝工艺来生产。在反应法中，ASA是通过在苯乙烯和丙烯睛（SAN）的聚合反应过程中接技一种丙烯酸酯弹性体而制得，弹性体细粉末均匀地分散入并接校在SAN分子链上。 ASA杰出的耐候性来自于丙烯酸酯弹性体。对许多塑料而言，在日光辐射特别是在光谱的紫外线一端辐射与大气中氧气共同作用下，会发生脆化和变黄。ASA部件发生这种变化所需的时间比其它塑料长得多。 (2)选择成型设备： 根据成型设备的种类来进行模具，因此必须熟知各种成型设备的性能、规格、特点。例如对于注射机来说，在规格方面应当了解以下内容：注射容量、锁模压力、注射压力、模具安装尺寸、顶出装置及尺寸、喷嘴孔直径及喷嘴球面半径、浇口套定位圈尺寸、模具最大厚度和最小厚度、模板行程等，具体见相关参数。 要初步估计模具外形尺寸，判断模具能否在所选的注射机上安装和使用。 通过这么长时间的学习，运用塑料模具设计、机械制图、公差与技术测量、机械原理及零件、模具材料及热处理、模具制造工艺等先修课程的知识，分析和解决塑料模具设计问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识；使我逐步树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争意识，基本掌握塑料模具设计的一般规律，培养出了分析问题和解决问题的能力；通过计算、绘图和运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，进行塑料模具设计全面的基本枝能训练，为毕业打下一个良好的基础。