模具设计论文范文

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在我国塑料工业发展中，计算机的应用起到了重要作用。计算机技术在模具设计领域的应用，大大缩短了模具设计时间，尤其计算机辅助工程（CAE）技术的大规模推广，解决了塑料产品开发、模具设计及产品加工中的薄弱环节。更在提高生产率、保证产品质量、降低成本等方面体现出现代科技的优越性。但是现代技术并不能替代专业设计人员的经验，在塑料模具设计时制品材料的选择是决定模具设计时模具材料选用的重要因素。怎样选用合适的材料，是模具设计中一个重要的问题。

一、塑料制品材料的选用对模具设计的影响

一般来说，并没有不好的材料，只有在特定的领域使用了错误的材料。因此，设计者必须要彻底了解各种可供选择的材料的性能，并仔细测试这些材料，研究其与各种因素对成型加工制品性能的影响。本文只就传统的热塑性材料进行分析以说明问题。在注射成型中最常用的是热塑性塑料。它又可分为无定型塑料和半结晶性塑料。这两类材料在分子结构和受结晶化影响的性能上有明显不同。一般来说，半结晶性热塑性塑料主要用于机械强度高的部件，而无定型热塑性塑料由于不易弯曲，则常被应用于外壳。这是材料选用的大框，其次，还要根据填料和增强材料继续选择。

（一）根据填料和增强材料进行选择的分析

热塑性塑料可分为未增强、玻璃纤维增强、矿物及玻璃体填充等种类产品。玻璃纤维主要用于增加强度、坚固度和提高应用温度；矿物和玻纤则具较低的增强效果，主要用于减少翘曲。玻璃纤维会影响到成型加工，尤其会对部件产生收缩和翘曲性。所以，玻璃纤维增强材料不能被未增强热塑性塑料或低含量增强材料来替代，而不会有尺寸改变。玻璃纤维的取向由流动方向决定，这将引起部件机械强度的变化。试验（从注射成型片的横向和纵向截取了10个测试条，并在同一个拉力测试仪上对它们的机械性能进行了比较）表明，对添加了30％玻璃纤维增强的热塑性聚酯树脂，其横向的拉伸强度比纵向（流动方向）低了32％，挠曲模量和冲击强度分别减少了43％和53％。

在综合考虑安全因素的强度计算中，应注意到这些损失。

在一些热塑性塑料中加入了一系列增强材料、填料和改性剂来改变它们的性质。由这些添加剂产生的性能变化必须认真地从手册或数据库中查阅，更好的是听取原材料制造厂家的专家的技术建议。以选用最为合适的材料。

（二）考虑湿度对材料性能影响

一些热塑性材料，特别是PA6和PA66，吸湿性很强。这可能会对它们的机械性能和尺寸稳定性产生较大的影响。在进行设计时，应特别注意这种性能，考虑其对产品性能的影响。

模具材料的选用取决于制品材料，细致分析制品材料后，才能在模具设计时选用最为合适的模具材料。

（三）塑料制品模具材料选用

细致分析塑料制品使用的材料后，选取最为合适的模具材料。目前我国市场常见的、适合热缩性材料的模具材料有：非合金型塑料模具钢（即碳素钢）、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、整体淬硬型塑料模具钢、耐腐蚀型塑料模具钢几种。在模具材料选取时，根据制品材料是否改性和增加填充剂，添加何种添加剂来选取适合的模具材料。例如：制作形状复杂的大、中型精密塑料制品时，其模具材料可选用预硬型塑料模具钢；制造复杂、精密且生产时间较长，需要高寿命模具时刻采用时效硬化型塑料模具钢。具体选用时主要还是要针对塑料制品的材料和模具预计使用情况选取。适宜的材料加上合理的设计将极大的提高模具使用周期，同时也可以提高产品质量。

二、壁厚及相关注意事项对产品性能的影响

在工程塑料零件的设计中，还有一些设计要点要经常考虑，其中对于壁厚的设计尤为重要，壁厚设计的合理与否对产品影响极大，改变一个零件的壁厚，对以下主要性能将有显著影响：零件重量、在模塑中可得到的流动长度、零件的生产周期、模塑零件的刚性、公差、零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙等。

（一）塑料模具设计工艺中的基础要求

在设计的最初阶段，有必要考虑一下所用材料是否可以得到所要求。流程与壁厚比率对注塑工艺中模腔填充有很大影响。如果在注塑工艺中，要得到流程长、而薄，则聚合物应具有相当的低熔融粘度（易于流动熔解）是非常必要的。为了深入了解聚合物熔化时的流动性能，可以使用一种特殊的模具来测定流程。

增加壁厚不仅决定了机械性能，还将决定成品的质量。在塑料零件的设计中，很重要的一点是尽量使均匀。同一种零件壁厚不同可引起零件的不同收缩性，根据零件刚性不同，这将导致严重的翘曲和尺寸精度问题。为取得均匀的，模制品的厚壁部分应设置模心。此举可防止形成空隙，并减少内部压力，从而使扭曲变形减至最小。零件中形成的空隙和微孔，将使横截面变窄，内应力升高，有时还存在切口效应，从而大大降低其机械性能。不同壁厚塑料制品的模具设计时，模腔的要求也不同，根据制品的要求，设计模具的模腔及脱模斜度，斜度要与塑胶制品在成型的分模或分模面相适应；是否会影响外观和壁厚尺寸的精度。

（二）热塑性塑料设计中的指标分析

热塑性塑料一般具有高的延展性和弹性，不需要像具有高刚性、低延展性和低弹性的金属一样指定严格的范围。设计者在决定热塑性塑料模具制品的成本方面起了关键作用，合理且不影响产品性能的、缩小公差，较少成本是可以实现的。一般商业上可接受的产品与标准尺寸的偏差不高于0.25-0.3%，但这还需要与应用时的具体要求相结合来判断。精确的模具可以有效的缩小制品公差，从而降低制品成本。因此，模具精密度对制品生产厂家具有重要意义。

三、塑料模具设计时对收缩值的考虑

为了不对塑料部件制定过分严格的范围，必须要注意一些影响塑料制品尺寸准确性的因素。模具制造的标准必须严格遵守，同时要特别注意脱模斜度的重要性，因为它决定了脱模容易与否及防翘曲性能。

还有一个与产品设计相关的重要问题是，当成型品是由不同材料或不同壁厚制成时，其模后收缩值与方向和厚度相关如果复杂的成型对加工的要求非常严格，必须要获得模具原型有关收缩值和翘曲行为的准确数据玻璃增强材料的这一性质最为明显。玻璃纤维的取向性可在水平方向和垂直方向产生具有显著性差异的收缩，从而导致尺寸不准确。塑料制品的几何形状对收缩也有影响，进而影响到产品的性能，这也是设计者值得关注的一点。因此在此类制品模具设计时要注意制品脱模收缩后的尺寸是否为产品要求尺寸，否则因制品模后收缩值的影响，极有可能导致产品尺寸不符合标准。

结论：

与产品模后性能相关问题还有许多，设计人员可以参考手册进行设计。总之，在塑料制品模具设计时要充分考虑可能影响制品尺寸、性能、外观等多方面因素，综合利弊，选用适合的材料，合理的设计，才能保证产品的性能。

参考文献

[1]张国栋.模具设计概述[J].中国模具设计，2003,6.

[2]李海龙.注塑模具设计[J].模具前沿，2005,12.

[3]肖海燕.模具设计之材料选用[J].西安机械设计，2006,1.

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2挤压过程模拟

2.1模拟模型建立

将上述设计的挤压模具结构导入铝型材专用挤压模拟软件hy-erxtrude中，对其挤压过程进行模拟。根据挤压过程中金属变形程度及流经的区域建立模拟模型，按照不同区域划分网格。工作带部分网格最小0.4mm，挤压坯料最大网格尺寸6mm，这样避免了挤压过程中金属流动而造成的网格畸变和重划［4］。挤压工艺参数设计:挤压筒直径140mm，挤压速度1mm/s，坯料预热温度480℃，模具预热温度460℃，挤压比27.45，得出型材出口金属流速结果如图4所示。

2.2模拟结果分析

从型材出口金属流速分布可知，T形悬臂部分的金属流速慢仅15.58mm/s，而矩形空心的左上角流速过大达到37.76mm/s，速度相差过大，造成型材出口流速不均匀，使得型材扭曲变形，产品不合格。

3模具结构优化及结果验证

3.1模具结构优化

(1)从工作带的长度方面，根据型材出口的金属流速分布情况，因T形悬臂部分的型材厚度为3.2mm，而其他部分为2.8mm，而且悬臂部分远离挤压中心，金属流速必然不均匀。因此调整工作带长度，微调悬臂横梁部分的工作带长度到10mm，悬臂竖直部分中间工作带长度从8.7mm向两侧逐渐减小到6.8mm。优化后的模孔工作带如图5所示。(2)采用分流孔来调整金属流速［5］，将两个分流桥分别向左上方，左下方平移2mm，使得桥中心向左平移，与挤压中心更接近，这样有利于金属的均匀流动，型材矩形部分的变形更均匀。同时，平移后右边分流孔变大，悬臂T形部分不受分流桥的遮挡，金属流动更趋于均匀。优化后的分流桥结构如图6所示。

3.2模具结构优化模拟结果

保持挤压工艺参数不变，根据反复的挤压过程模拟和结构参数优化，最后得到如图7所示的型材金属流速分布图。从模拟结果可以看出型材流速得到很大的改善，很接近理论平均挤压速度27.45mm/s，金属流动均匀，保证了产品质量。

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2搭扣的侧抽芯设计

该手机外壳共有7个内扣，采用斜顶机构成型并脱模。斜顶也叫斜销、斜方，是利用顶针板顶出的垂直运动转换成水平运动以处理制品内部倒扣的机构，主要由斜顶本体和固定部分组成。斜顶角度、针板顶出行程和倒扣水平脱模距离之间的关系如图4所示。斜顶角度和顶针板顶出行程的确定应以保证倒扣水平脱模为依据。模具成型零部件结构如图5所示，其中内凹搭扣的斜顶1如图6所示。由于斜顶较小，斜顶单边开槽单边导滑。手机外壳共有外侧搭扣5个，加上外侧转轴孔均须滑块外侧抽芯机构成型。搭扣的侧抽芯排布如图7所示，共设有3个动模滑块机构。由于扣位尺寸较小，采用滑块镶针成型方便加工和维修，用螺钉将滑块镶针固定在滑块上。

3顶针和模仁设计

手机外壳底面筋位骨位窄细并纵横交错，适合用扁顶针。顶针和斜顶的分布集中于手机外壳边缘处，为了便于型芯模仁的加工、装配与维修，采用镶块式的组合式型芯模仁，如图8所示。这样既能简化加工过程，缩短加工时间，又有利于排气。

4模具整体设计

手机外壳模具整体成型零部件结构如图5所示，2D总装图如图3(a)所示。高温熔体注射入型腔后，经过保压冷却，模具首先在A分型面分模，取出浇注系统废料并完成2个内侧转轴孔定模滑块的侧抽芯，由图3(a)中小拉杆23限制分模距离。接着模具在B分型面分模，完成图5中滑块3、滑块4、滑块5动模滑块的侧抽芯，由图3(a)中固定在面板上的限位板32和限位螺钉31控制分型距离后，顶出机构顶针和斜顶开始动作，完成内扣的侧抽芯并将产品推离型芯完成脱模过程。合模时，顶出机构由复位杆10和弹簧复位。

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2浇注系统设计

浇注系统需要根据不同塑胶产品进行浇注系统设计。一般由：主流道、分流道、冷料井、进料口等几部分组成。应遵循以下几个方面来完成。主流道：可以把它理解成由注塑机喷嘴开始到分流道上的熔融塑料的流动通道。分流道：是连接主流道末端和浇口之间的一段流道。多型腔模具结构当中必不可少，单型腔结构中有时可以忽略。一般来说分流道的截面积最好要略小于主流道截面积这样可以有效的避免流动过程中的压力损失。冷料井：又称冷料穴，是在塑料模具注射成型过程中储存注射间隔期间产生的冷料或废料，防止冷料残渣进入型腔而影响塑料产品表面质量。进料口：也称浇口，是分流道和型腔间的狭小的通道，也是整个浇注系统最为短小的部分。作用在于利用紧缩流动面而使进料达到加速的效果，可使进料流动性良好；浇口的种类繁多有直浇口，潜伏式浇口，点浇口等。因需求而异，设计浇口应注意是否有外观要求及流动、平衡、溶解纹的要求。浇道方式——绝热浇道、热浇道、无浇道、直接进胶，间接进胶及其他有效方式。排气——对保证产品品质至关重要，利用多种形式进行排气，注意防止产品真空吸附及模具拉不开。

3冷却系统的设计

冷却对模具生产影响很大，冷却系统的设计即要保证冷却有效还要保证加工简单，结合本套模具特点冷却系统设计为直流冷却。结构简单，冷却可靠，方便加工及安装操作。

模具设计完成以后，必须对模具的整体进行复核。可以组织相关部门对模具的结构设计，加工难度，注塑特点进行讨论和审核。如遇到产品改动问题需要通知客户进行复审。以对总体结构，加工可行性及绘图过程中的疏漏作一次全面的检查，对改动部位做出标示，避免因设计失误造成模具的相关问题。减少不必要的浪费。