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旋紐模具的設計
一、 塑件的工藝性分析
1、塑件的原材料分析
塑件的材料采用聚甲基丙烯酸
甲酯，屬熱塑性塑料，該塑料具有
如下的成型特性：
l 無定形料、吸濕性大、不易分解。
l 質(zhì)脆、表面硬度低。
l 流動性中等，溢邊值0.03mm左右
，易發(fā)生填充不良、縮孔、凹痕、
熔接痕等缺陷。
l 宜取高壓注射，在不出現(xiàn)缺陷的條件下宜取高料溫、模溫，可增加流動性，降低內(nèi)應力、方向性，改善透明度及強度。
l 模具澆注系統(tǒng)應對料流阻力小，脫模斜度應大，頂出均勻，表面粗糙度應好，注意排氣。
l 質(zhì)透明，要注意防止出現(xiàn)氣泡、銀絲、熔接痕及滯料分解、混入雜質(zhì)。
2、塑件的結(jié)構和尺寸精度及表面質(zhì)量分析
1）塑件的結(jié)構分析
該零件的總體形狀為圓形，結(jié)構比較簡單。
2）塑件尺寸精度的分析
該零件的重要尺寸，如，30.9±0.09mm的尺寸精度為3級，次重要尺寸3.75±0.07mm的尺寸精度為4級，其它尺寸均無公差要求，一般可采用8級精度。
由以上的分析可見，該零件的尺寸精度屬中等偏上，對應模具相關零件尺寸的加工可保證。從塑件的壁厚上來看，壁厚最大處為4.5mm，最小處為2.25mm，壁厚差為2.25mm，較為均勻。
3）表面質(zhì)量的分析
該零件的表面要求無凹坑等缺陷外，表面無其它特別的要求，故比較容易實現(xiàn)。
綜上分析可以看出，注射時在工藝參數(shù)控制得較好的情況下，零件的成型要求可以得到保證。
3、塑件的體積重量
計算塑件的重量是為了選用注射機及確定模具型腔數(shù)。
計算得塑件的體積：V＝9132mm3
計算塑件的質(zhì)量：公式為W＝Vρ
根據(jù)設計手冊查得聚甲基丙烯酸甲酯的密度為ρ＝1.18kg/dm3，故塑件的重量為：
W＝Vρ
＝9132×1.18×10-3
＝10.776g
根據(jù)注射所需的壓力和塑件的重量以及其它情況，可初步選用的注射機為：SZ－60/40型注塑成型機，該注塑機的各參數(shù)如下表所示：
理論注射量/cm3
60
移模行程/mm
180
螺桿直徑/mm
30
最大模具厚度/mm
280
注射壓力/Mp
150
最小模具厚度/mm
160
鎖模力/KN
400
噴嘴球半徑/mm
15
拉桿內(nèi)間距/mm
295×185
噴嘴口孔徑/mm
φ3.5
4、塑件的注射工藝參數(shù)的確定
根據(jù)情況，聚甲基丙烯酸甲酯的成型工藝參數(shù)可作如下選擇，在試模時可根據(jù)實際情況作適當?shù)恼{(diào)整。
注射溫度：包括料筒溫度和噴嘴溫度。
料筒溫度：后段溫度t1選用180℃
中段溫度t2選用200℃
前段溫度t3選用220℃
噴嘴溫度：選用220℃
注射壓力：選用100MP
注射時間：選用20s
保壓時間：選用2s
保壓： 80MP
冷卻時間：選用28s
總周期： 50s
二、型腔數(shù)的確定及澆注系統(tǒng)的設計
1、分型面的選擇
該塑件為旋紐，表面質(zhì)量無特殊要求，
端部因與人手指接觸因此形成自然圓角，此
零件可采用右圖所示的分型面比較合適。
2、型腔數(shù)的確定
型腔數(shù)的確定有多種方法，本題采用注射機的注射量來確定它的數(shù)目。其公式如下：
n2=(G-C)/V
式中：G——注射機的公稱注射量/cm3
V——單個制品的體積/cm3
C——澆道和澆口的總體積/cm3
生產(chǎn)中每次實際注射量應為公稱注射量G的（0.75－0.45）倍，現(xiàn)取0.6G進行計算。每件制品所需澆注系統(tǒng)的體積為制品體積的（0.2－1）倍，現(xiàn)取C＝0.6V進行計算。
n2=0.6G/1.6V=0.375G/V=(0.375×60)/90132=2.46
由以上的計算可知，可采用一模兩腔的模具結(jié)構。
3、確定型腔的排列方式
本塑件在注射時采用一模兩件，即模具需要兩個型腔。綜合考慮澆注系統(tǒng)、模具結(jié)構的復雜程度等因素，擬采用下圖所示的型腔排列方式。
4、澆注系統(tǒng)的設計
1）主流道的設計
根據(jù)設計手冊查得SZ－60/40型注射機噴嘴有關尺寸如下：
噴嘴前端孔徑：d0=φ3.5mm
噴嘴前端球面半徑：R0＝15mm
為了使凝料能順利拔出，主流道的小端直徑D應稍大于注射
噴嘴直徑d。
D＝d+(0.5－1)mm=φ3.5+1＝φ4.5mm
主流道的半錐角α通常為1°－2°過大的錐角會產(chǎn)生湍流或渦流，卷入空氣，過小的錐角使凝料脫模困難，還會使充模時熔體的流動阻力過大，此處的錐角選用2°。經(jīng)換算得主流道大端直徑D＝φ8.5mm,為使熔料順利進入分流道，可在主流道出料端設計半徑ｒ＝5mm的圓弧過渡。主流道的長度L一般控制在60mm之內(nèi)，可取L＝55mm。
2）冷料穴與拉料桿的設計
對于依靠推件板脫模的模具常用球頭拉料桿，當前鋒冷料進入冷料穴后緊包在拉料桿的球頭上，開模時，便可
將凝料從主流道中拉出。球頭拉料桿固定在動模
一側(cè)的型芯固定板上，并不隨脫模機構移動，所
以當推件板從型芯上脫出制品時，也將主流道凝
料從球頭拉料桿上硬刮下來。其結(jié)構如右圖所示：
3）分流道的設計
分流道在設計時應考慮盡量減小在流道內(nèi)的壓力損失和盡可能避免熔體溫度的降低，同時還要考慮減小流道的容積。圓形和正方形流道的效率最高，當分型面為平面時一般采用圓形的截面流道，但考慮到加工的方便性，可采用半圓形的流道。
一般分流道直徑在3－10mm范圍內(nèi)，分流道的截面尺寸可根據(jù)制品所用的塑料品種、重量和壁厚，以及分流道的長度由《中國模具設計大典》第2卷中圖9.2－12所示的經(jīng)驗曲線來選定，經(jīng)查取D’
=5.6mm較為合適，分流道長度取L＝20mm從圖9.2－14中查得修正系數(shù)fL=1.02，則分流道直徑經(jīng)修正后為D＝D’fL=5.6×1.02=5.712，取D＝6mm
4）澆口的設計
根據(jù)澆口的成型要求及型腔的排列方式，選用側(cè)澆口較為合適。
側(cè)澆口一般開設在模具的分型面上，從制品的邊緣進料，故也稱之為邊緣澆口。側(cè)澆口的截面形狀為矩形，其優(yōu)點是截面形狀簡單，易于加工，便于試模后修正。缺點是在制品的外表面留有澆口痕跡，因為該制件無表面質(zhì)量的特殊要求，又是中小型制品的一模兩腔結(jié)構，所以可以采用側(cè)澆口。
在側(cè)澆口的三個尺寸中，以澆口的深度h最為重要。它控制著澆口內(nèi)熔體的凝固時間和型腔內(nèi)熔體的補縮程度。澆口寬度W的大小對熔體的體積流量的直接的影響，澆口長度L在結(jié)構強度允許的條件下以短為好，一般選L＝0.5－0.75mm。
確定澆口深度和寬度的經(jīng)驗公式如下：
h=nt ①
W=nA1/2/30 ②
式中：h——側(cè)澆口深度（mm）中小型制品常用h=0.5－2mm，約為制品最大壁厚的1/3－2/3, 取1.5mm
t——制品的壁厚（mm） 3.38mm
n——塑料材料的系數(shù) 查表得 0.8
W——澆口的寬度（mm）
A——型腔的表面積（mm2） 計算得2940mm2
將以上各數(shù)據(jù)代入公式得：h=1.5mm，W=1.5mm, L取0.5mm。計算
后所得的側(cè)澆口截面尺寸可用r=6q/(Wh2)≥104s-1作為初步校驗。
制品的體積V＝9.132cm3，設定充模時間為1s，于是：
q=9.132/1=9132mm3/s
r=6q/Wh2=(6×9132)/(1.5×1.52)=1.6×104＞104s-1
所以符合要求。
三、排氣、冷卻系統(tǒng)的設計與計算
1、排氣系統(tǒng)的設計
排氣槽的截面積可用如下公式進行計算：
F＝25m1(273+T1)1/2/tP0 ?、?
式中：F——排氣槽的截面面積（m2）
m1——模具內(nèi)氣體的質(zhì)量(kg)
P0——模具內(nèi)氣體的初始壓力（Mp）取0.1Mp
T1——模具內(nèi)被壓縮氣體的最終溫度(℃)
t——充模時間(s)
模內(nèi)氣體質(zhì)量按常壓常溫20℃的氮氣密度ρ0＝1.16kg/m3計算，有
m1=ρ0V0 ②
式中：V0——模具型腔的體積（m3）
應用氣體狀態(tài)方程可求得上式中被壓縮氣體的最終溫度（℃）
T1＝（273+T0）(P1/P)0.1304-273 ?、?
式中：T0——模具內(nèi)氣體的初始溫度（℃）
由V＝9132mm3
充模時間t=1s
被壓縮氣體最終排氣壓力為P1＝20MPa
由③式得：T1＝(273+20)(20/0.1)0.1304-273=311.7℃
模具內(nèi)的氣體質(zhì)量由②式得：
m1=V0ρ0=9.132×10-6×1.16kg=1.06 ×10-5kg
將數(shù)據(jù)代入①式得：所需排氣槽的截面面積為：
F=[25×1.06×10-5(273+311.7)1/2]/(1×0.1×106)=0.064mm2
查取排氣槽高度h=0.03mm，因此排氣槽的總寬度為：
W’’=F/h=0.064/0.03=2.13mm
為了便于加工和有利于排氣，運用鑲拼式的型芯結(jié)構，與整體式型芯相比，鑲拼型芯使加工和熱處理工藝大為簡化。
2）冷卻系統(tǒng)的設計與計算
冷卻系統(tǒng)設計的有關公式：
qV=WQ1/ρc1(θ1-θ2) ①
式中：qV——冷卻水的體積流量(m3/min)
W——單位時間內(nèi)注入模具中的塑料重量(kg/min)
Q1——單位重量的塑料制品在凝固時所放出的熱量(kJ/kg)
ρ——冷卻水的密度(kg/m3) 0.98×103
c1——冷卻水的比熱容[kJ/(kg.℃)] 4.187
θ1——冷卻水的出口溫度(℃) 25
θ2——冷卻水的入口溫度(℃) 20
Q1可表示為：Q1=[c2(θ3-θ4)+u]
式中：c2——塑料的比熱容[kJ/(kg.℃)] 1.465
Q3——塑料熔體的初始溫度(℃) 200
θ4——塑料制品在推出時的溫度(℃) 60
u——結(jié)晶型塑料的熔化質(zhì)量焓(kJ/kg)
Q1=[c2(θ3-θ4)+u]=1.465(200-60)=205.1kJ/kg
將以上各數(shù)代入①式得：
qV=(0.013×205.1)/[0.98×103×4.187(25-20)]m3/min
=0.13×10-3m3/min
上述計算的設定條件是：模具的平均工作溫度為40℃，用常溫20℃的水作為模具的冷卻介質(zhì)，其出口溫度為25℃，產(chǎn)量為0.013kg/min。
由體積流量查表可知所需的冷卻水管的直徑非常小，體積流量也很小，故可不設冷卻系統(tǒng)，依靠空冷的方式即可。但為滿足模具在不同溫度條件下的使用，可在適當?shù)奈恢貌贾弥睆絛為8mm的管道來調(diào)節(jié)溫度。
四、模具工作零件的設計與計算
凹模的結(jié)構采用整體嵌入式，這樣有利于節(jié)省貴重金屬材料。
型芯采用鑲拼式結(jié)構，有利于加工和排氣。（如圖所示）
本設計中零件工作尺寸的計算均采用平均尺寸、平均收縮率、平均制造公差和平均磨損量來進行計算，已給出這PMMA的成型收縮率為0.005，模具的制造公差取z=Δ/3。
型腔型芯工作尺寸的計算
類別
塑件尺寸
計算公式
模具尺寸
型
腔
計
算
型腔板
φ35.250-1.0
Lm=(Ls+Ls.Scp%-3/4Δ)0+δz
φ34.6800.33
R7.5±0.64
R7.0600.21
19.20±0.44
Hm=(Hs+Hs.Scp%-2/3Δ)0+δz
18.7100.15
推件板
φ30.9±0.09
Lm=(Ls+Ls.Scp%-3/4Δ)0+δz
φ30.8800.06
型
芯
計
算
主型芯
φ26.2500.96
Lm=(Ls+Ls.Scp%+3/4Δ)0-δz
27.100-0.32
R2.25±0.24
R2.620-0.16
17.25±0.48
Hm=(Hs+Hs.Scp%+2/3Δ)0-δz
17.980-0.32
小型芯
φ3.75±0.07
Lm=(Ls+Ls.Scp%+3/4Δ)0-δz
φ3.870-0.05
7.5±0.32
Hm=(Hs+Hs.Scp%+2/3Δ)0-δz
8.050-0.11
2、型腔側(cè)壁厚度和底板厚度的計算
1）型腔側(cè)壁厚度的計算
根據(jù)圓形整體式型腔的側(cè)壁厚度計算公式：
S≥0.90[Pr4/E(δ)]1/3 ①
式中：S——側(cè)壁厚度(mm)
P——型腔壓力(Mpa) 40
r——型腔半徑(mm) 17.625
E——模具材料的彈性模量(MPa) 2.1×105
[δ]——剛度條件，即允許變形量(mm) 0.05
將以上各數(shù)代入式得：
S≥1.15[(40×19.84)/(2.1×105×0.05)]1/3
=9.62mm
2）底板厚度的計算公式如下：
hs≥0.56(Ph4/E[δ])1/3
將各參數(shù)代入式中得：hs≥4.68mm
型腔的厚度h腔hc+h=4.68+19.8=24.48mm
S可取10mms腔取32mm
根據(jù)計算，型腔側(cè)壁厚度應大于9.62mm，而型腔的直徑為35－25mm。根據(jù)澆注系統(tǒng)的條件及制件的大小，初選標準模架，依據(jù)《塑料注射模中小型模架及技術條件》(GB/T12556-90)，根據(jù)模板的參數(shù)確定導柱、導套、墊塊等的有關尺寸。
五、脫模機構的設計與計算
1、脫模力的計算
此模具采用推件板脫模，因該制件的，屬厚壁制品，厚壁制品脫模力受到材料向壁厚中性層冷卻收縮的影響，可用彈性力學的有關厚壁圓筒的理論進行分析計算，公式如下：
Qc=[1.25kfcaE(Tf-Tj)Ac]/{[(dk+2t)2+dk2]/[(dk+2t)2-dk2]}
式中，對于圓筒制品中：
k——脫模斜度系數(shù)
k=(fcCosβ-Sinβ)/fc(1+fcSinβCosβ)=0.92
fc——脫模系數(shù)，即在脫模溫度下制品與型芯表面之間的靜摩擦系數(shù)，它受高分子熔體經(jīng)高壓在鋼表面固化中粘附的影響。 0.50
α——塑料的線膨脹系數(shù)（1/℃） 查表得：6×10-5
μ——塑料的泊松比 0.40
E——在脫模溫度下塑料的抗拉彈性模量（MPa） 3.16×103
Tf——軟化溫度(℃) 100
Tσ——脫模頂出時制品的溫度（℃） 60
Ac——制品包緊在型芯上的有效面積（mm2） 1422.55
t——制品的厚度（mm） 3.38
將以上各數(shù)據(jù)代入公式得：
Qc=1372.45N
2）推板的厚度
筒形或圓形制品采用推件板脫模，推件板的受力狀態(tài)可簡化為圓環(huán)形平板周界受集中載荷的力學模型，最大撓度產(chǎn)生在板的中心。按剛度條件和強度條件的計算公式如下，取大者為依據(jù)。
按剛度條件：h=(C2QeR2/Eδp)1/3 ?、?
按強度條件：h=(K2Qe/σp)1/2 ②
式中：h——推件板的厚度(mm)
C2——隨R/r值變化的系數(shù) 0.3500
R——推桿作用在推件板上的幾何半徑(mm) 61
r——推件板圓形內(nèi)孔或型芯半徑(mm) 13.125
Qe——脫模力(N) 1372.45
E——推桿材料的彈性模量(MPa) 2.1×105
K2——隨R/r值變化的系數(shù) 1.745
σp——推件板材料的許用應力(MPa) 610
δp——推件板中心允許變形量(mm)，通常取制品尺寸公差的1/5－1/10，
即δp=(1/5－1/10)Δi 0.088
其中Δi——制品在被推出方向上的尺寸公差(mm) 0.88
將上述各數(shù)據(jù)代入①式得：h=1.69mm
將上述各數(shù)據(jù)代入②式得：h=1.98mm
所以推件板的厚度可取：16mm
3、頂桿直徑的計算
推桿推頂推件板時應有足夠的穩(wěn)定性，其受力狀態(tài)可簡化為一端固定、一端鉸支的壓桿穩(wěn)定性模型，根據(jù)壓桿穩(wěn)定公式推導推桿直徑計算式為：
d=K(l2Qe/nE)1/4 ?、?
推桿直徑確定后，還應用下式進行強度校核：
σc=4Qe/nπd2≤σs ?、?
式中：d——推桿直徑(mm)
K——安全系數(shù)，通常取K=1.5－2 2
l——推桿的長度(mm) 102
Qe——脫模力(N) 1372.45
E——推桿材料的彈性模量(MPa) 2.1×105
n——推桿根數(shù) 4
σc——推桿所受的壓應力(MPa)
σs——推桿材料的屈服點(MPa) 360
將以上各數(shù)據(jù)代入①式得：
d=4.06mm 圓整取5mm
將以上各數(shù)據(jù)代入②式進行校核：
σc=4Qe/nπd2=17.47 MPa≤σs=360 MPa
所以此推桿符合要求。
六、注射機與模具各參數(shù)的校核
1、工藝參數(shù)的校核
1）注射量的校核（按體積）
Vmax=αV ①
式中：Vmax——模具型腔流道的最大容積(cm3)
V——指定型號與規(guī)格注射機的注射量容積(cm3)
ρ——塑料的固態(tài)密度(g/cm3)
α——注射系數(shù)取0.75－0.85，無定形料可取0.85，結(jié)晶形可取0.75。
將以上各數(shù)代入①式得：Vmax=αV ＝0.85×60＝51cm3
倘若實際注射量過小，注射機的塑化能力得不到發(fā)揮，塑料在料筒中停留的時間會過長。所以最小注射量容積Vmin＝0.25V。
Vmin＝0.25V=0.25×60=15cm3
實際注射量V’=2V0+2×0.6V0=2×9.132+2×0.6×9.132=29cm3
即Vmin ＜V’＜Vmax
所以符合要求。
2）鎖模力的校核
公式：F≥KAPm
式中F——注射機的額定鎖模力(kN) 400
A——制品和流道在分型面上的投影和(cm3)
Pm——型腔的平均計算壓力(MPa) 由表9.9-4 取30
K——安全系數(shù)，通常取K＝1.1－1.2 1.2
則：KAPm＝1.2×2[π(35.25/2)2+20×6]×30
=78.905kN＜400kN=F
所以符合要求。
3）最大注射壓和的校核
Pmax≥K’P0
式中：Pmax——注射機的額定注射壓力(MPa) 150
P0——成型時所需的注射壓力(MPa) 100
K’ ——安全系數(shù)，常取K=1.25－1.4 取1.3
則K’P0=1.3×100=130 MPa＜Pmax150 MPa
所以符合要求。
2、安裝參數(shù)的校核
模具各模板的厚度分別為：
H1——上模座 30mm H2——型腔板 32mm
H3——脫件板 16mm H4——型芯板 25mm
H5——型芯固定板 32mm H6——墊塊 63mm
H7——下模座 30mm
模具的閉合高度H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=228mm
所允許的最小模具厚度Hmin=160mm
所允許的最大模具厚度Hmax=280mm
即模具滿足Hmin≤228mm≤Hmax的安裝條件。
經(jīng)查資料SZ-60/40型注射機的最大開模行程S=180mm
S≥H1+ H2+(5－10)mm
=17.5+20+10
=47.5mm
滿足要求
所以注射機的開模行程足夠，由以上的驗證可知，型注射機能滿足使用要求，故可采用。
七、參考文獻
1、《塑料注塑模結(jié)構與設計》 主編：楊占堯 2003.8
2、《實用注塑模設計手冊》 主編：程志遠 2000.4
3、《塑料模具手冊》 主編：閻亞林 2004.8
4、《公差配合與測量技術》 主編：黃云清 2003.7
5、《中國模具設計大典》
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