UG注塑模向导环境下的注塑模具设计

第四章UG注塑模向导环境下的注塑模具设计
4.1 结构方案分析
首先应该对模具的各项细部结构作详细的分析和判定，明确模具的整体结构设计方案后，逐步展开模具的设计。

4.1.1 分型面
分开模具能取出塑件的面，称做分型面。

分型面的形状有平面、斜面、阶梯面和曲面等，根据我们的产品形状，将选择平面分型，如图4.1所示。

图4.1 分型面形式
分型面的方向尽量采用与注塑机开模方向。

选择分型面的位置时应当注意以下几个问题：
●分型面一般开设在产品的最大截面处。

●分型面一般不取在装饰外表面或带圆弧的转角处，影响产品外观。

●使塑件留在动模一边，利于塑件脱模。

●将同轴度要求高的同心部分放于分型面的同一侧，以保证同轴度。

●如果有抽芯结构，必须考虑开模距离与抽芯距离之间的关系。

●分型面作为主要排气面时，分型面设于料流的末端。

根据分析和以原则考虑，该设计的分型面选择为其盖壳的底部边缘如下图所示：
图4.2 分型面的选择
4.1.2 浇注系统
浇注系统是指模具中从注塑机喷嘴接触处到型腔为止的塑料熔体的流动通道，由主流道、分流道、内浇口和冷料穴组成，如图4.3所示。

图4.3 浇注系统结构
浇注系统的设计是注塑模具设计的一个重要环节，它对注塑成型的效率和塑件质量都有直接的影响，因此，在设计浇注系统时必须注意以下几项原则：
●了解塑料的成型特性，也就是塑料的温度和剪切速率等。

●防止型芯和塑件的变形，也就是避免料流正面冲出小直径型芯或脆弱的金属镶件，以
及防止浇口处由于过大的收缩应力而造成塑件变形。

●排气良好，也就是保证料流流动顺利，快而不紊乱。

●减少流程及塑料耗量，这样可缩短成型周期，提高成型效果，减少塑料用量。

●修整方便，保证塑件外观质量。

1.分流道的设计
分流道就是主流道与浇口之间的部分，起分流和转向的作用，其要求是塑料熔料在流动中热量和压力损失最小，同时使流道中的塑料量最小。

分流道的形状及大小必须根据塑件的成型体积、塑件壁厚、形状、塑料的工艺特性、注塑速度、分流道长度等因素来确定。

分流道的设计有以下几个要点：
●分流道的表面不必要求很光滑，表面精度一般在1.25即可，因为分流道表面不太光滑，
能使熔融塑料的冷却皮层固定，有利于保温。

●当分流道较长时，在分流道末端应开设冷料穴，以容纳注塑开始时产生的冷料，保证塑
件的质量。

2.浇口的设计
浇口指流道末端与型腔之间的细小通道。

浇口的作用主要是提高塑料的流动速度和温度，起关闭作用，防止流入型腔的塑料侧流。

浇口的形状、大小、分布对塑件质量影响很大，其通常是通过试模后按成型情况酌情修改。

查书《UG注塑模具设计与制造》可知，本设计所选浇口形式为矩形侧浇口。

4.2CD机后盖的模具结构设计
4.2.1 导入制件
1.在Windows环境下进入UG NX 7.5的界面（初始化环境）；
2.在开始菜单栏中依次选择所有应用模块—注塑模向导命令，调出模具向导工具条；
3.单击文件菜单，调出所造型的.prt文件，操作过程如图
4.4所示。

将文件命名为lihuan ，根据产品要求选择材料为ABS，系统自动给出成型收缩率为1.006，确定后进入界面。

图4.4 项目初始化对话框
4.2.2 模具坐标系
在UG模具模块中，默认了+Z方向为开模方向。

为了能使调入的产品体的坐标与UG系统的模具坐标一致，在调入产品体后，需要通过动态WCS来调整产品体的WCS坐标位置，然后在通过模具CSYS来锁定产品体的模具坐标。

并且要注意的是：XY平面必须在主分型面上、+Y方向指向产品体的长度方向。

如下图4.5所示：
图4.5 模具坐标对话框
4.2.3 收缩率设计
对调入的产品设置不同类型的收缩率，出现如图4.6所示对话框：
图4.6 收缩率对话框
1.均匀：整个产品体均匀收缩。

2.轴对称：指定产品体轴向均匀收缩，一般应用在柱体形产品中。

3.常规：可指定在产品体的某个坐标范围内收缩。

4.2.4 工件设计
在对产品进行分模前，必须先定义工件的尺寸，才可以在工件内创建型腔、型芯，工件尺寸X向为90，Y向为103，Z向下移40，Z向上移32。

如图4.7所示：
图4.7 工件对话框
1、矩形模具整体型腔侧壁厚度计算： （1）按刚度条件计算：
[]3
1
4
1⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛≥δE ph c S
式中：
[]93
.0c 91083.0/h 102.2,101.2;
;
,;
,;,;;111551=-=⨯=⨯=------：查表度计算系数，有整体型腔侧壁厚度的刚预硬化模具钢非合金钢型腔材料拉伸弹性模量最大充许变形量型腔深度型腔长边长度模腔压力型腔侧壁厚l c MPa ；
E MPa E ，MPa E mm mm h mm L ，MPa p ，mm S δ
p =50MPa; h =7.5mm; 1L =90mm; MPa E 5101.2⨯=;[]δ=0.04;
)(597.204.0101.25.750903
1
54
mm S =⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯≥
（2）按强度条件计算：
[]2
12
2⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛≥σph c S 式中：
[][][]105
.2c 10112/,;350~300,200~160;
,;
,;,;;21121=-===-----；查表有度计算系数整体型腔侧壁厚度的刚预硬化模具钢
非合金钢型腔材料许用应力型腔深度型腔长边长度模腔压力型腔侧壁厚h l c MPa MPa MPa mm h mm L ，MPa p ，mm S σσσ
p =50MPa; h =7.5mm; 1L =90mm; []σ=160MPa.
)(083.61605
.750105.22
12
mm S =⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛⨯⨯≥ 型腔侧壁厚度取：mm S 7=
2、矩形模具整体型腔底板厚度计算： （1）按钢度条件计算：
[]3
14
2
3⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛≥δE pl c t
式中：
[]0138
.0c 11188.0/,102.2,101.2;
;
,;
;,;,3213552=-=⨯=⨯=-----；查表有度计算系数整体型腔侧壁厚度的刚预硬化模具钢非合金钢型腔材料拉伸弹性模量最大充许变形量模腔压力型腔短边长度型腔底板厚l l c MPa ；
E MPa E ，MPa E mm ，MPa p mm L mm t δ
p =50MPa;2L =102mm; MPa E 5101.2⨯=; []δ=0.04.
)(72.2004.0101.2102500138.03
154mm t =⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯≥
（2）按强度条件计算：
[]2
14
2
4⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛≥σpL c t 式中：
[][][]3078
.0c 12188.0/,350~300,200~160;
,;
;,42142=-===---；查表有度计算系数整体型腔侧壁厚度的刚预硬化模具钢
非合金钢型腔材料许用应力模腔压力型腔短边长度l l c MPa MPa MPa ，MPa p mm L σσσ
p =50MPa;2L =102mm; []σ=160MPa.
)(63.31mm t ≥
型腔底板厚度取：mm t 32=
4.2.5 型腔排布
在进行模具型腔布局的时候，如果同一个产品进行多腔排布，只需要一次调入产品体，
再用布局按钮来布局，如下图4.8所示：
图4.8 型腔布局
● 布局：选择型腔布局的类型。

● 型腔数：定义型腔数目和位置。

● 重定义：通过旋转、变换、移除来修改型腔布局位置。

●
自动对准中心：在完成多腔布局后，由于型腔坐标还保留在其中的一个型腔中心，所以通过此按钮功能来校准多腔中心位置。

为了避免在设计过程中发生错误，在单腔分模时也需要使用自动对准中心来校准中心。

4.2.6 分型
利用分型管理器根据前面方案二所示进行分型面创建，从而创建型芯、型腔，如图4.9所示：
图4.9 分型管理器
1.设计区域：通过调整透明度来检查型腔、型芯面。

2.抽取区域和分型线：在产品中抽取型腔、型芯区域。

3.创建/删除补片曲面：对产品体进行自动/手动补面，与模具工具中的曲面修
补功能得到的曲面相同。

4.编辑分型线：在产品体中收缩正确的分型线进行分模。

5.创建/编辑分型面：完成分型线的创建后，通过此功能将分型线扩展为分型
面将作为型腔、型芯的修剪面。

6.创建型腔和型芯：应用此功能可自动或者手动在模仁中创建型腔和型芯。

补片时应该注意：补孔最好只补在型芯面或者型腔面上；补面时用注意要进行面分割，否则会在抽取区域抽取为总分型面+1＝型芯面（为1）+型腔面。

如下图
4.10所示：
图4.10 扩大曲面补片
分型的步骤如下：补片、补实体－创建分型线－编辑分型线－创建分型面－创建
分型区域（即抽取区域）－创建型芯型腔
4.2.7 选择模架
模架初选：
（1）在UG Mold Wizard 环境下选SA 型FUTABA_S 标准模架，Mold Wizard 自动选型号为2540有标准模架，因有抽芯机构，故选用型号为2940的标准模架，可知其组件尺寸。

其中导向柱直径GP_d=25mm ；支承板U_h 有40mm 和50mm ，两种尺寸；垫块宽C_w=48mm ；则垫块间距B=250-2⨯48=154mm 。

（2）模板长宽尺寸校核：成型零件的大小已经过计算，符合强度和刚度的要求。

判断Mold Wizard 自动选择的模板是否适合成型零件的规则是：模板尺寸减去模架导向柱直径的尺寸要大于成型零件XY 方向的尺寸。

成型零件XY 方向尺寸为(89.79+2⨯7)mm ⨯(2 ⨯101.72+4⨯7)mm ，即103.79mm ⨯231.44mm ；则有：(250-2⨯25) mm ⨯（400-2⨯25)mm=200mm ⨯350mm>103.79mm ⨯231.44mm ，所以有230mm ⨯400mm 模板尺寸适合成型零件安装。

（3）支承板厚度校核：型芯型腔零件是台阶压板固定结构，还要算支承板厚度。

FUTABA 模架都是矩形标准模架，所以按矩形模具支承板厚度计算。

矩形整体式型芯支承板厚度按刚度条件计算： []3
14
2325⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛≥δEL B pL K t 式中：
[]2
.1~1.1,;
,;
,;
;
,;;,2=-------K K mm mm L ，mm B mm L ，MPa p mm t 安全系数最大充许变形量垫块长垫块间距型芯宽模腔压力支承板板厚δ
p =50MPa;2L =102mm; []δ=0.04; K 取1.15
B =154mm(按标准模架2540取); MPa E 5101.2⨯=;L =400mm(按标准模架2940取);
)(5975.5804.0400101.23215410250515.13
154mm t ≈=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯≥
矩形整体式型芯支承板厚度按强度条件计算：
[]2
1
2
2
43⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛≥σL B pL K t
式中：
[][][];350~300,200~160;
,;
,;;,;;,2MPa MPa MPa mm L ，mm B mm L ，MPa p mm t ==------σσσ预硬化模具钢
非合金钢型腔材料许用应力垫块长垫块间距型芯宽模腔压力支承板板厚
p =50MPa;2L =102mm; []σ=160MPa ，
（非合金钢）； B =154mm(按标准模架2540取); L =400mm(按标准模架2940取);
)(1569.14160400415410250315.12
12mm t ≈=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯≥
支承板厚度应取60mm ，250mm ⨯400mm 模板属于小型模具模板。

有以上计算有：Ap_h=50,BP_h=40,CP_h 取70mm ，TW 选350：S ，FTYP 选O:M 模具参数设置如图4.11所示：
图4.11 模架管理对话框
在UG模具模块中集成了一个大型模架库，在模架库中已储存了多个著名模架制造厂的标准模架和相应的参数，只要输入相关数据，即可自动加载模架，根据本产品的需要，选择两板式模架已符合需要，在加载模架过程中，系统自动计算出用户所选的模架尺寸是否符合实际生产，当发现不符的时候会出现更新失败对话框，并且模架不能完整显示出来。

开始是系统将会默认一个合理尺寸，我们可以根据需要来修改尺寸，但一般不要小于默认值。

4.2.8 标准件选用
（1）创建定位圈部件，型号和参数设置如图4.12所示：
图4.12 定位圈对话框
（2）创建浇口套部件，型号和参数设置如图4.13所示：
图4.13 浇口套对话框
4.2.9 浇注系统的设计
浇注系统是模具的重要组成部分，熔料从注射机喷嘴进入模具主流道，在通过浇注系统进入型腔，浇注系统的设计对模具的影响也较大。

浇注系统包括主流道、分流道、浇口和冷料穴等，主流道通常设计成圆锥形，锥角2°～4°；冷料穴主要贮存冷料和拉料作用，一般设计成钩形头、倒锥形或者环槽形；分流道是多腔模具中必不可少的部分，一般有圆形、梯形、U 形和六角形等截面形状，分型面为平面时采用圆形截面较为适宜。

通过分析计算可以得到采用半圆形分流道，半径为5mm 。

流道采用手工建模，插入基准平面后在上画出流道截面进行拉伸实体。

浇口的设计参数如图4.14所示：
图4.14 浇口设计对话框
4.2.10 顶出机构设计
脱模力的计算：脱模力是指将塑件从包紧的型芯上脱出时所需克服的阻力。

它主要包括由塑件的收缩引起的塑件与型芯的摩擦阻力和大气压力。

脱模力的大小与塑件的厚薄及形状有关。

设计塑件属于薄壁塑件。

矩形薄壁制品脱模力： F f f l tE Q 1.0cos sin 1sin cos 18+⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-=ααααμε
式中：
)
(0)
()
()()(2mm F ，f mm l MPa E mm t N Q 型芯投影面积计算
度粗略估算可按无脱模斜型芯脱模斜度塑料对钢的摩擦因素
塑料泊松比
型芯包紧长度塑料成型收缩率
塑料的弹性模量塑件平均壁厚制品脱模力-=--------ααμε
其中：
2
7165;10;5.0;36.0;6;006.0;2760;6.2mm
F f mm l MPa E mm t ========αμε
代入上式有)(3.1066N Q =
推杆直径计算：
(
)4
1
3
2
64⎥⎦
⎤⎢⎣⎡≥E n L Q K d πμ 其中：
)
(101.2);(140;
7.0;6;3.1066;6.15
按非合金钢取按最长的推杆取总MPa E mm L n N Q K ⨯======μ
代入上式有)(387.2mm d ≈≥
在设计顶出机构时，需要考虑到顶针放置的位置能让产品均匀受力顶出，同时可以利
用顶杆的装配关系来给模具排气，理想的顶杆位置可以减少气穴的产生。

分析产品的形状可以得出：此产品只需6个顶杆，其直径设置为5mm 即可。

创建顶杆部件，型号和参数设置如图4.15所示：
图4.15 顶针对话框
创建完成后的顶针，如下图4.16
图4.16顶针
在顶针的设计中先应该将顶针的长度设置的比较长，然后再在顶针修剪中将多于的部分减掉就行。

因为本设计在型腔布局时只加载了一次产品，也就是说2个腔具有关联性，所以当在一个腔体上加载了后，另外一个腔体也自动加载了。

4.2.11 抽芯机构设计
把成型零件上妨碍脱模的凹凸形状分割下来，制作成滑块，再在模体上设置滑道，组成一对滑动副，利用注塑机提供的动力、油缸动力或弹簧力驱动滑块，在模具开模前或制品顶出前先让滑块移位，移除脱模障碍后再实施脱模。

然后再利用合模动力、油缸动力驱使滑块复位，进行下一次注射。

这样的机构统称为模具的侧抽芯机构，也称侧向脱模机构。

侧抽芯机构设计计算： 1、抽芯距和开模行程：
1）、抽芯距
K h S +=
经测量，mm h 65.3=；K 查表（UG 教材表1-16）取mm K 3=。

)(65.6365.3mm S =+= 按)(7mm S =算
2）、开模行程
抽芯方向垂直开模方向，所以开模行程为 αcot S H =
式中：α为斜销倾斜角，通常采用︒︒20~15，取︒=10α；S 为抽芯距，mm S 4=。

mm H 05.3410cot 7=︒⨯= 2、斜销直径： 1）、抽芯力
抽芯孔类似矩形孔，断面最大尺寸为mm mm 465.3⨯，平均壁厚为mm 6.2，抽芯斜度为0。

抽芯孔断面折算直径为
()
())(5.414.3465.322mm b a d =+⨯=
+=
π
20
1
57.05.46.2>
==d t 抽芯力按矩形厚壁计算
(
)F f f t b a t b a l E b a Q 1.0cos sin 1tan cos 2cos 21222+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-⎥⎥⎥
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=ααα
απαπμε
其中：
2
6;6;6;0;5.0;36.0;1;006.0;2760mm
F mm b mm a f mm l MPa E =========αμε
代入上式有：Q=1066.33N 2）、斜销直径 []()3
12
2cos sin cos cos 32⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛
+≥φθασπβφQ K •d 其中：
[]8.1);(180;15;9;4;33.1066==︒=︒===K MPa mm S N Q 非合金钢σθφ
())(13.149215cos 15sin 18014.30cos 9cos 339328.13
12
mm •d =⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯≥ 取标准件 mm d 15=
本设计所要用的侧抽芯机构是外抽芯机构。

结构参数如下图4.17所示：
图4.17 外抽芯对话框
4.2.12 限位装置设计
在UG MoldWizad中，没有限位装置的对话框。

因此，本设计中的侧抽芯机构的限位只能靠自己手工创建，然后在装配环境中，将手工创建的限位块装配到模架去，
图4.18 侧抽芯限位块
4.2.13 冷却系统设计
冷却系统设计与使用的冷却介质、冷却方法有关。

冷却介质最普通的是用水冷却，因为水的热容量大，传热系数大，成本低廉。

冷却水通道开设时，受到模具上各种孔的限制，所以要按理想情况设计就比较困难。

冷却系统是模具结构中另外一个非常重要的构成因素，在注射成型中，模具的温度直接影响到塑件的质量和生产效率。

由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不同。

在本设计中，由于ABS对于模具温度要求较低（一般低于80度），因此仅需要设置冷却管道即可。

模具的冷却主要采用循环水冷却方式。

在本设计中采用简单的直线冷却回路。

在模板与型芯型腔之间有冷却管道通过的时候，要在管道处添加一个橡胶垫圈，保证冷却水不会流到型腔内。

分别对型芯、型腔进行冷却系统的设计，操作过程如下：
1.冷却管道的创建，冷却管道的位置由它与制件之间的距离、冷却管道之间的距离
以及冷却管道半径确定。

冷却管道的直径随着制件厚度的增大而增大。

制件厚度
小于2mm时，冷却管道直径取8~10mm；制件厚度小于4mm时，冷却管道直径
取10~12mm；制件厚度小于6mm时，冷却管道直径取12~15mm。

冷却管道之
间的距离应当小于管道直径的3倍；冷却管道与制件之间的距离应当小于管道直
径的3倍。

根据以上的原则以及实际情况，设计中取管道直径为8mm，管道长度为：210mm。

结果如图4.19所示：
图4.19冷却管道对话框
2.水嘴的创建，在冷却管道的接头处应该设计有水嘴，用来和外面的水管相连接，
如图4.20所示：
图4.20 水嘴对话框
4.2.14 弹簧设计
从标准部件中选择合适的弹簧安放于导管上既可，本设计所要用的弹簧有2种：一种为复位杆上的弹簧，一种为限位块上的弹簧。

如下图4.21所示：
图4.21 复位杆弹簧对话框及其安装效果4.2.15 腔体生成
利用腔体管理器进行腔体创建，如图4.22所示：
图4.28 腔体设计对话框
4.2.16成型零件的计算
4.2.16．1成形零件工作尺寸的计算
塑料制品的材料是ABS ，ABS 的成行收缩率为0.6%，注塑模具的模腔尺寸要按塑料制品尺寸的1.006倍放大加工。

凹模尺寸的计算
∆=3
1
z δ模具制造公差
定模：
塑件外部径向尺寸的转换及凹模径尺寸计算：
由公式可得：
Z
S L L S M δ+∆-+=0]
43)1([
“Δ”塑件基本尺寸的公差，公差按塑件公差等级查表GB/T14486-93，δz 为Δ/3。

由塑件
的尺寸可取MT5A ，
所得尺寸由塑件尺寸转化为型腔尺寸如下表： 塑件尺寸 89.79
88.4
20
50
11.3
0.96
1
塑件外部高度尺寸的转换及凹模高度寸计算
由公式可得：
Z
S H H S M
δ+∆-+=0]
32)1([
动模：
型芯径向尺寸的计算
经过与上面型腔径向尺寸相似推理，可得型芯尺寸：
()0]
43
1[Z S l l S M
δ-∆++=
经过与上面型腔深度尺寸相似推理，可得型芯高度尺寸：
()0]32
1[Z
S h h S M δ-∆++=
最后，完成如图4.29所示的CD机后盖整套模具结构。

图4.29 模具整体结构
至此，CD机后盖的模具结构设计全部完成，整个过程体现了计算机辅助模具设计的特点。

本设计在图纸中不对公差和部分尺寸做出标注，根据模具零件公差等级高于制品公差等级2～3级的原则，公差等级直接采用IT5级。