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1、苏州大学本科生毕业设计（论文）摘要本文运用三维绘图软件Solidworks进行塑料锥齿轮的模具设计，实现计算机辅助设计（CAD）以及计算机辅助制造（CAM）。运用Moldflow进行模拟分析（CAE），进行制品成型的流动分析和充型分析，以此为依据，分析可能的缺陷和改进措施。首先，根据零件大小确定排样、模架类型，确定初步的成型工艺；然后运用Moldflow进行填充、保压、冷却、翘曲分析；根据分析结果，修订成型工艺，使用Solidworks中的imold插件来生成模具的型腔，并装配模架，实现由计算机来辅助设计模具。这样的设计方法可以保证产品质量和性能，同时也验证模具制造时的注意和工艺，缩短了模具制
2、造周期和成本。关键词：Solidworks，Moldflow，注塑，锥齿轮Abstract In this paper, three-dimensional drawing software , Solidworks , was used in the plastic bevel wheel mold design , supported by computer-aided design (CAD) as well as computer-aided manufacturing (CAM) . The cast simulated analysed by Moldflow (CAE) , to
3、 make out the ability of flow and molding , and this analysis is the basis of the possible defects . First , determine the layoutmold type , based on part size , and the initial molding process . Then using Moldflow to carry out filling, packing, cooling, warpage analysis . Based on the results, rev
4、ised molding process, and use the imold plug-ins in Solidworks to generate the mold cavity ,then assemble with the carriers . So , the design was aided by the computer . In this way we can improve measures to ensure product quality and performance , also , verify the point and processes of the mold
5、, to reduce the time and cost of the mould manufacturing . Keywords:. Solidworks , Moldflow , plastic cast , bevel wheel前言随着人类社会的进步，材料的使用也发生着变化。从石器时代开始，人类就在寻找更新、更好的材料，制作不同的器物和工具。到目前为止，人类所使用的材料可以分为四大类：木材、水泥、钢铁和塑料1。塑料，作为高分子聚合物，它的性能和应用可以说是无穷无尽，同时，塑料的生产成本比金属要低，使得塑料制品在一些领域逐渐代替金属材料，在农业、包装、运输、电气、化工、建筑、航空航天
6、、仪表以及日用品都离不开塑料。塑料制品的获得方法有很多，与金属材料相比，塑料制品不仅可以通过机械加工获得，还可以通过成型加工直接获得，而不同的材料就需要用不同的成型工艺和加工方法。部分塑料产品必须依靠模具来成型，例如手机、电脑的外壳，饮料瓶等等。因此，模具的设计直接与塑料制品的复杂程度、美观程度、结构工艺性相关。同时，制品的设计必须考虑模具设计的问题，从而避免制品出现缺陷。本文所要分析的塑料锥齿轮就是塑料制品代替金属制品的一个例子。第一章 锥齿轮的设计1.1注塑材料的选择齿轮是机械传动中运用最为广泛的一种，其结构紧凑，传动比稳定。塑料齿轮更具有金属齿轮所不具有的高耐磨性、质量更轻，而且对润滑的
7、要求相对要低。而塑料齿轮的成型方法也使得可以进行大批量生产，同时不必考虑齿轮结构的复杂程度。另一方面，塑料齿轮有其不可避免的缺陷。由于塑料对温度比较敏感，成型时具有收缩性，因此塑料齿轮精度较差，对环境要求高，强度也不高，使用寿命短。注塑齿轮被广泛运用于载荷不高，运转平稳的机构，如仪表、玩具、汽车、打印机等常见的地方。塑料齿轮常用材料有两种聚甲醛Polyoxymethylene （POM）和聚酰胺Polyamide（PA）。PA品种有很多，常见的有PA6，PA66，PA610，PA11，PA12。PA具有良好的耐腐蚀性，对大多数酸碱盐都有抵抗力，还对芳香族化合物呈惰性，能抵御汽油、酒精、脂肪的侵
8、蚀，但不耐强酸和氧化剂。PA的缺点是易吸水，耐光性差2。PA可用于制造各种轴承、齿轮、储油器，各种外壳、垫圈、，传动带、砂轮胶粘剂、电器线圈、电缆接头，各种螺钉、螺母、滑轮套、衬垫、轴承保持架、汽车和拖拉机上各种输油管、活塞、绳索、传动皮带，纺织机械工业设备零雾料，以及日用品和包装薄膜等2。 PA材料颗粒 POM棒料图1-1POM是一种没有侧链，高密度，高结晶度的线性聚合物，具有良好的综合性能。自润滑性能和耐磨性能比较优越，可在-40100范围内长期使用，具有良好的耐油性和耐过氧化物的能力，但不耐酸，不耐强碱，不耐紫外光照射。POM吸水性小，尺寸稳定，有光泽，是热塑性树脂中最坚韧的2。其性能参
9、数见表1。表1 POM各项参数密度g /cm31.39吸水率0.2连续使用温度-50-110屈服抗拉强度MPa63屈服拉应变10极限抗拉强度MPa极限拉应变31抗冲击韧度Kj/缺口冲击韧度Kj/6洛氏硬度MPa135邵氏硬度MPa85抗弯强度MPa弹性模量MPa2600软化温度150热变形温度HDT155热线膨胀系数1.1热导率W/(mK)031摩擦系数0.35本文选择POM作为注塑材料，根据POM的性能设计时应注意以下要求：（1）模具设计方面2POM具有高弹性，浅的侧凹可以强行出模流道和浇口：可以使用任何类型的浇口使用热流道必须设计流动阻力较小的浇注系统，避免流道内有死角设计合理的顶出脱模机
10、构，以免因热膨胀而卡死POM高温下会分解出对模腔有腐蚀性的气体，模腔表面需进行耐腐蚀处理，并设计排气结构（2）注塑工艺条件2干燥处理：一般不干燥或进行短时间干燥（100，12h）加工温度：均聚物材料为190230，共聚物材料为190210，温度高于240会分解出甲醛单体，影响产品质量以及腐蚀模腔模具温度：80100注射压力：注射压力100MPa，背压0.5MPa注射速度：宜采用中、高速POM收缩率很大（2%2.5%），尽量延长保压时间来补缩1.2锥齿轮的设计图1-2 锥齿轮3D模型锥齿轮标准GB/T 12369-1990，参数为：模数：m = 0.5齿数：30配对齿轮齿数：15齿宽：3 mm压
11、力角：20内孔直径：5 mm体积：254.91 立方毫米表面积：511.69 平方毫米第二章 模流分析Moldflow是一款专业性模流分析软件。它可以在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，包括最佳浇口位置、填充、保压、冷却、翘曲、六道平衡、最佳成型工艺、纤维取向、结构应力和收缩分析等3。运用软件进行模流分析的目的是，再设计阶段预测成型产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率，以达到降低生产成本，缩短设计周期。参数设置：材料：Duracon M450-44:Polyplatics（POM）冷却系统：水管直径10mm，水管与制品间距25mm模具表面温度：90熔体温度：200开模时间：5s注射+
12、保压+冷却时间：80s图2-1 锥齿轮排样成型零件图图2-2 数据准备2.1填充分析填充时间（图2-2）能够直观表示个位置的填充先后次序和填充所用的时间，分析制件填充时流动是否均匀。由图2-3可以得到注射嘴处的压力，在第5秒之后，压力达到一个较大值，这是因为型腔已经填充满，压力继续上升，达到最大值，从第6秒后，达到保压压力，保压时长10秒，然后撤去压力，进入冷却阶段。图2-3 填充时间图2-4 注射位置处的压力Moldflow会根据工艺得出一个螺杆速度，图2-4，这个推荐值为设置注塑机螺杆速度提供了参考，是设置注射剂螺杆速度的重要依据。图2-5 推荐螺杆速度顶出时的体积收缩率（图2-5）和体积
13、收缩率（图2-6）受填充时保压时间的影响，设计合理的保压时间和保压条件，避免出现欠保压和过保压，尽量降低由保压引起的收缩、翘曲等缺陷。图2-6 顶出时的体积收缩率图2-7 体积收缩率气穴（图2-7）和熔接痕（图2-8）是由于填充时，型腔内的气体无法排尽而造成的一种常见缺陷。解决这种缺陷的方法是延长保压时间，并设计排气槽；也可以改变浇口位置，使气穴和熔接痕转移到不重要的位置，以保证主要表面的质量。图2-8 气穴图2-9 熔接痕2.2冷却分析冷却分析的目的是通过模拟模具内部热传递的情况，优化冷却管道的设置，确定冷却时间，提高产品质量3。图2-10 达到顶出温度的时间2.3翘曲分析翘曲变形是指注塑制
14、品形状偏离了型腔形状，从而影响了产品的尺寸精度和形状精度。翘曲分析的目的是预测产品成型后的翘曲程度、分析翘曲产生的原因3。本文所用的工艺，造成翘曲的主要是收缩和角效应引起的，延长保压时间可以降低翘曲变形。图2-11 翘曲变形，所有因素第三章 模具设计注塑模具是所有塑料模具中结构最复杂，设计、制造精度最高，运用最为广泛的一种模具。注塑模具必须安装在塑料注射机上，实现合模、注射、保压冷却、开模、推出制品的运作。因此，注塑模具的设计必须要考虑注塑机的参数，所用塑料的特性，成型工艺等因素。3.1模架与注塑机的选择注塑模具整体结构包括：成型零件即型腔，侧向分型机构与抽芯机构（视制件结构而定），排气系统，
15、浇注系统，温度控制系统，脱模系统，定位导向零件，模架。其中，模架是有特定规格的，已经标准化，常用的有二板模模架、三板模模架和简化三板模模架三种2。根据Moldflow分析所获得的结论，选择二板模模架，顶杆脱模式注射模结构4,选用东方系列注射剂机，DFL68B型，参数如下：螺杆直径：30mm螺杆长径度L/O：22理论注射容量：90mm3注射重量:82g注射速度：73g/s注射压力：188MPa螺杆转速：220rpm锁模力：680KN移模行程：280mm拉杆间距：310mm310mm最大模厚：320mm最小模厚：100mm顶出力：80KN顶出距离：28mm（其他参数见附录）（1）型腔数量的确定和校
16、核模具型腔数选择为1。根据注射机的最大注射量确定型腔数量n式中mN注射机允许的最大注射量（g 或cm3）；m1单个塑件的质量或体积（g 或cm3）；m2浇注系统所需塑料质量或体积（g 或cm3）；注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8。 (KmNm2)/m1 =（0.882 2.18）/33.36=1.9011.90所以选择型腔数为n=1 合理。（2）塑件在分型面上的投影面积与锁模力校核设计注射模是必须满足下面关系：式中-注射机允许使用的最大成型面积（cm2）；1-单个塑件在模具分型面上的投影面积（cm2）；A2-浇注系统在模具分型面上的投影面积（cm2）；P-塑料熔体对型腔的成型压力（MP
17、a）,一般取4050MPa;F-注射机的额定锁模力（KN）。K-安全系数，一般取1.5有: A1 = 82.43cm2A2 = 0cm2A = 500 cm2n = 1P = 50 MPaF = 680 KN则有: nA1+A2 = 182.43+0.5= 82.93cm282.93 500所以,塑件在分型面上的投影面积经校核合理。0.1K（nA1+A2）P = 0.11.582.9350= 621.98 KN621.98 680所以，锁模力经校核合理。（3）模具厚度校核模具厚度（又称闭合高度）必须满足：式中 Hmin-注射机合模部件允许的最小模厚，即注射机动模与定模间的最小开距 Hmax注射
18、机允许的最大模厚所选注射机Hmin = 100 mm Hmax = 320 mm模具厚度H = 281 mm有: 100 288 H1+H2 时，可用c 代替前述校核式中的H1+H2，其它各项保持不变。c完成抽芯动作的开模距离。开模行程校核: H1= 28 mmH2= 75.75 mm则有: H1 + H2 =103.75 mms=H1+H2+(5-10) mm= 108.75-113.75mmsmax = 280 mms smax所以,开摸行程校核合理.3.2成型零件设计注塑模可以分为动模和定模两部分。而模具中的零件按其作用又可以分为成型零件（模腔）与结构零件（模架），模架采用普通钢材，以降
19、低成本；成型零件采用优质模具钢，以提高模具的刚度、强度和耐磨性2。成型零件是整个模具的关键部位，是影响制品成型的主要因素。成型零件的失效，是模具失效的主要原因。因此，成型零件的材料和热处理工艺，必须能够保证制造精度高、使用寿命长、制造周期段、模具成本低5。对于热塑性注塑模具，其主要的失效是塑性变形、断裂、磨损5。（1）分型面分型面是动、定模的分接口，即打开模具取出塑件或取出浇注系统凝胶的面分型面影响着成型零件的结构形状以及排气情况，分型面的选择与塑件几何形状及尺寸精度、脱模方法、后处理工序、模具类型、排气条件、镶件位置、浇口形式等有关。分型面的总体选择原则是：保证质量、便于制品脱模和简化模具结
20、构。具体包括以下几条：分型面位置应设在塑件截面尺寸最大的部位，便于加工型腔，这是首要原则。有利于保证塑件尺寸精度。有利于保证塑件的外观质量。考虑满足塑件的使用要求。考虑注塑机的技术规格，是模板间距大小合适。考虑锁模力，尽量减少塑件在分型面的投影面积。尽可能将塑件留在动模一侧，易于设置和制造简便易行的脱模机构。尽量方便浇注系统的布置。有利于排气。当分型面作为主要的排气渠道时，应将分型面设计在熔体流料的末端。应使模具零件易于加工。根据排样图的结构，可选择将分型面作为主要排气渠道。图3-1 成型腔（2）模具材料考虑注射材料为POM，模具选择使用耐腐蚀的9Cr18，其中主要成分含量见表2表2钢号CSi
21、MnCr9Cr180.90-1.100.50-0.900.8017.00-19.00热处理工艺：850预热，1000-1050油冷，200回火，硬度达到58-62HRC。9Cr18属于高碳高铬型马氏体不锈钢，经过热处理可具有很高的硬度、耐磨性和良好的耐腐蚀能力。适用于制造在腐蚀性介质中工作要求高负荷，高耐磨的塑料模具5。（3）尺寸计算成型零件工作尺寸是指成型零件上直接用来构成塑件的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形和异形零件的长和宽），型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸，型芯和型芯之间的位置尺寸等。规定：塑件外形最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值，与之相对应的模具型腔最小尺寸，偏差为正值；塑件
22、内形最小尺寸为基本尺寸，偏差为正值，与之相对应的模具型芯最大尺寸为基本尺寸，偏差为负值；中心距偏差为双向对称分布。型腔和型芯的径向尺寸的计算a、型腔径向尺寸当塑料制件尺寸较小、精度级别较高时可用以下公式计算：式中 LM -模具型腔的基本尺寸 Z-模具的制造公差 -塑料的平均收缩率 Ls -塑件的基本尺寸 -塑件规定的公差值b、型芯径向尺寸的计算式中 lM -模具型芯的基本尺寸 Z-模具的制造公差 -塑料的平均收缩率 Ls -塑件孔的径向基本尺寸 -塑件规定的公差值为了塑件脱模方便，型腔或型芯的侧壁都应设计有脱模斜度，当脱模斜度值不包括在塑件公差范围内时，塑件外形的尺寸只保证大端，塑件内腔的尺寸
23、只保证小端。这时计算型腔尺寸以大端尺寸为基准，另一端按脱模斜度相应减小；计算型芯尺寸以小端尺寸以小端尺寸为准，另一端按脱模斜度相应增大，这样便于修模时有余量。型腔深度尺寸和型芯高度尺寸的计算在型腔深度尺寸和型芯高度尺寸的计算中，由于型腔的底面或型芯的端面磨损很小，所以可不考虑磨损，由此可用以下公式计算： 式中 HM -模具型腔深度尺寸 hM -模具型芯高度尺寸 Z -模具的制造公差 -塑料的平均收缩率 Hs -塑件凸起高度尺寸 hS -塑件凹进深度尺寸中心距尺寸的计算由于模具上中心距尺寸和塑件中心距公差都是双向等值公差，同时磨损的结果不会使中心距尺寸发生变化，在计算中心距尺寸时不必考虑磨损量。
24、因此，塑件中心距的基本尺寸CS和模具上成型零件中心距的基本尺寸CM均为平均尺寸，于是：式中CM-模具上成型零件中心距的基本尺寸CS-塑件中心距的基本尺寸 -塑料的平均收缩率 Z -模具的制造公差本次设计中的成型部分零件尺寸利用PRO/E 软件计算。塑件的原料为PC塑料，其收缩率为0.5%。在Pro/E软件中设置好收缩率后则会自动将产品三维图尺寸放大1.005 倍，所得尺寸即为模具型腔的尺寸。然后采用拷贝面切割实体的方式在模胚上分出型腔（3D分模），由此得到的模具尺寸即为模具的加工尺寸。图3-2 型腔三维模型3.3浇注系统设计浇注系统是指塑料熔体从注塑机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道，
25、分为普通浇注系统和无流道浇注系统两大类。普通浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴等部分组成。浇注系统与塑件一起在分型面上，尽量缩短流程，以降低压力损失，缩短充型时间，浇口位置的选择，应避免产生湍流和涡流，以及喷嘴和蛇形，并有利于排气和补缩，浇注系统应达到所需精度和粗糙度，其中浇口必须有IT8 以上的精度。（1）主流道与浇口套的设计主流道是指由注射机喷嘴出口起到分流道入口的一段流道,它是塑料熔体首先经过的信道,且在注射机喷嘴在同一轴线。在卧式或立式注射机用的模具中，主流道一般垂直于分型面，其设计要点如下：为便于将凝料从主流道中拉出，主流道通常设计成圆锥形，其锥角a24。内壁表面粗糙度一般为Ra
26、50 的细长冷却水道，载热模具管壁对冷却水的传热系数为：式中冷却水密度 流速，m/s d管径，m A0冷却水物理性质参量最后可以由下式求出管长L，或孔数n:3.6模具装配图图3-5 模具装配图三维示意图结论本文先针对零件特征进行模具成型零件的设计，然后运用Moldflow进行分析，了解模具的充型能力和可能出现的缺陷，然后根据这些分析结果进行模具设计。这样的设计步骤可以有效的减少模具设计周期，降低模具设计成本，提高一次试模的成功率。参考文献1黄锐，塑料成型工艺学，2010年2月第2版第13次印刷，中国轻工业出版社，12张维合，注塑模设计使用教程，2010年8月北京第1版第5次印刷，化学工业出版社
27、，13-23,102,673金杨福 钱欣，Moldflow Insight 2010注射成型分析基础，2010年2月北京第1版第1次印刷，化学工业出版社，1，102,1394许发樾，模具标准化与原型结构设计，2009年7月第1版第1次印刷，机械工业出版社，2995何柏林，模具材料及表面强化技术，2009年6月北京第1版第1次印刷，化学工业出版社，3,10,80-90致谢感谢王传洋老师的指导，使得本次设计能顺利完成！感谢苏州大学北区图书馆提供部分资料和相关书籍！附录附录1 东方系列注塑机技术参数DFL68DFL90DFL110ABCABCDABCD注射装置 螺杆直径mm 263032 30323
28、53832353842螺杆长径度L/O25.42220.623.52220.118.524.12220.218.4理论注射容量mm367.690102117133160190137163192235注射重量g61.48293106121146173125148175213注射速度g/s5573837181971157489105128.1注射压力MPa250188165235203170144260219186152螺杆转速rpm 220 225 230 锁模装置锁模力KN6809001100移模行程mm280320350拉杆间距(宽高)mm310310355330360360最大模厚mm320350380最小模厚mm100150150顶出力KN8090100顶出距离mm283038其它最大的油泵压力MPa161616油泵马达功率KW7.51113电热功率 KW6.86.87.45外型尺寸(长宽高)m3.901.101.453.801.151.504.201.201.35油箱容积L170180200机器重量t2.52.83.427
