毕业设计(论文)-塑料水槽及其注模具设计模板

0 引言
在国家产业政策和与之配套的一系列经济政策的支持下，我国模具工业发展迅速，模具行业产业结构也有了较大的改善，已经成为国民经济的基础工业之一。

近年来，由于新技术的引进，模具工业有了新的发展，了解国内外模具发展的现状及其发展趋势，对于本毕业设计无疑具有很大的借鉴作用。

塑料模在国内发展的现状
塑料模是应用最广泛的一类模具。

在国外，塑料模占模具行业的50%以上，而我国只有30%左右。

国内模具制造周期比国外长2-4倍，模具的质量稳定性也较差，总体水平与国外比尚有较大差距。

而塑料模的主要应用领域：汽车摩托车行业，家电电子行业在加入WTO后将会有更多的新产品开发，对各个档次的模具需求均有大幅增长。

现代模具工业的发展趋势
传统的模具制造技术，主要是根据设计图纸，用仿型加工，成形磨削以及电火花加工方法来制造模具。

而现代模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，用传统的模具制造方法显然难于制造，必须借助于现代科学技术的发展，采用先进制造技术，才能达到它的技术要求。

当前，整个工业生产的发展特点是产品品种多、更新快、市场竞争剧烈。

为了适应市场对模具制造的短交货期，高精度、低成本的迫切要求，模具将有如下发展趋势：
（1）愈来愈高的模具精度。

（2）日趋大型化模具。

（3）扩大应用热流道技术。

（4）进一步发展多功能复合模具。

（5）日益增多高挡次模具。

（6）进一步增多气辅模具及高压注射成型模具。

（7）增大塑料模具比例。

（8）增多挤压模及粉末锻模。

（9）日渐推广应用模具标准化。

（10）大力发展快速制造模具。

塑性成型技术的现状及其发展
精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。

近!"年来，精密成形技术都取得了突飞猛进的发展。

精冲技术、冷挤压技术、无飞边热模锻技术、温锻技术、超塑性成形技术、成形轧制、液态模锻、多向模锻技术发展很快。

除传统的锻造工艺外，近年来半固态金属成形技
术也日趋成熟，引起工业界的普遍关注。

所谓半固态成形，是指对液态金属合金在凝固过程中经搅拌等特殊处理后得到的具有非枝晶组织结构，固液相共存的半固态坯料进行各种成形加工。

它具有节省材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制件性能等一系列优点，并可成形复合材料的产品，被誉为&$世纪新兴金属塑性加工的关键技术。

此外，在粉末冶金和塑料加工方面，金属粉末锻造成形，金属粉末超塑性成形，粉末注射成形、粉末喷射和喷涂成形以及塑料注射成形中热流道技术，气体辅助技术和高压注射的成功应用，大大扩充了现代精密塑性成形的应用范围。

国内塑性成形技术与国外相比还有一定的差距，加入WTO之后，为了塑性成形技术逐步达到国际水平，需在如下六方面不断研究，不断提高：
（1）塑性成形:有限元分析金属流动；数值仿真金属流动；成形工艺过程模拟，预测缺陷；纳米材料（超细、微细晶粒）成形，微观视塑法；快速原型成形。

（2）模具设计:计算机辅助设计；反（逆）向工程；并行工程；快速设计；协同设计；人工智能；基于知识的工程；基于事例的推理；基于模型的推理；集成化技术；网络化技术；多学科多功能综合技术；特征技术。

（3）模具结构:标准化模具；模块单元组合模具；基于Web的CAPP体系结构；纳米模具。

（4）模具材料：
A：基本材料：新型模具材料（冷作、热作）；钢结硬质合金。

B：表面工程技术：热扩渗技术；热喷涂与热喷焊技术；复合电镀与复合电刷镀技术；化学镀技术；物理气相及化学气相沉积技术；高能束（激光束、
离子束、电子束）技术；稀土表面工程技术；纳米表面工程技术。

（5）模具制造：数控；电火花；线切割；超精加工；高速铣削；计算机集成制造系统；快速模具制造；柔性制造系统；敏捷制造系统；虚拟制造系统；智能制造系统；协同制造系统；精益生产体系；绿色制造系统；信息管理系统。

（6）绿色环保技术：无色热锻润滑剂（削除乌烟肮脏）；拉深润滑剂（可完全挥发的）；无噪声技术；消震、隔震技术。

针对国内模具发展的现状，本设计在水槽及其模具的设计中采用了UG软件系统作为模具开发工具。

从提高经济效益着手，在模具的设计中，在确定型腔数目时，将模具制造与注塑成型同时考虑，采用了一模四腔的方案。

在水槽设计中，在满足质量要求的前提下，充分考虑了水槽的外观，去掉了水槽中心的浇道，制品的摆放位置和传统的相差了180度，这样在制品被顶出的时候就不会影响到其外观。

1 水槽及其注塑模具设计总体方案
1.1 总体方案论证
本次毕业设计的任务包括塑料水槽及其模具的设计，水槽部分的设计应该充分考虑到它的拔模角度，因为如果制品的尺寸较大，必须使用大的拔模角度才能完成其开模。

水槽模具的设计部分则应考虑冷却水道的分布是否合理，是否能够很好地冷却制品而且不影响其它零件的安排。

顶出销顶出的部位是否会影响到制品的外观面。

还有就是浇道的布置，不禁要在材料填充时充分填充，而且不能设置在制品的外观面上。

最初，我的浇口设计在水槽中心，由于考虑到这个问题，我去除掉了这个浇道。

还有一个和以往设计不同的地方就是制品的摆放位置和传统的相差了180度，这样在制品被顶出的时候就不会影响到其外观。

2 塑料水槽设计部分
2.1 UG软件设计部分
本次毕业设计的水槽设计和水槽模具的设计部分，我都是在UG软件里完成的。

Unigraphics（简称UG）是美国UGS公司的主导产品，是全球应用最普遍的计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程（CAD/CAM/CAE）一体化的软件系统之一，在全球已经众多用户，广泛应用于机械、汽车、飞机、电器、化工等各个行业的产品设计、制造与分析。

[6]
在UG中，模型是由各种特征通过一定的组合关系和位置关系组合在一起的试题。

尽管对模型中各种特征的建立顺序与组合方法没有限制，但为了建立一个好的零件或产品模型，减少模型编辑过程中相关相关更新时出现错误的几率，一般根据零件或产品的加工顺序来作为建立模型中各特征的顺序，采用的特征一般也尽可能采用与加工形状相一致的特征。

当然，CAD/CAM系统中的建模过程不可能与实际加工过程一致，所采用的建模特征也与加工时的形状不同，不要拘泥于实际加工方法。

具体建模时，可大致遵循以下的过程，简单地说就是从粗到细的过程。

由于模型的最终结果是实体，以下工程中只包含了直接进行实体建模的一些操作。

对一些比较复杂的模型，不能直接采用实体建模的操作建立时，可采用自由曲面操作逐个建立实体的表面，在缝合成实体或采用其他方法形成实体。

2.1.1 选择基础特征
选择基础特征相当于准备一个毛坯。

推荐使用以下特征作为基础特征：
扫描体：拉伸体（Extruded Body）、旋转体（Revolved Body）、管道（Tube）。

体素：块（Block）、圆柱（Cylinder）、圆锥（Cone）、球（Sphere）。

一般只使用以上特征中的某一个作为基础特征（特别是对体素特征），优先选用以草图曲线作为截面曲线建立的拉伸体或旋转体。

2.1.2 建立模型的大体形状
建立模型的大体形状相当于对毛坯进行粗加工。

推荐使用以下特征建立模型的大体形状。

添加材料的特征：凸台（Boss）、凸垫（Pad）。

去除材料的特征：孔（Hole）、腔（Pocket）、直槽（Slot）、环槽（Groove）。

扫描特征：拉伸体、旋转体，用非坐标平面上建立的草图作为截面曲线，可用于添加材料或去除材料。

用户自定义特征（User Defined Feature）：可用于添加材料或去除材料。

2.1.3 对模型进行细化
对模型进行细化相当于对粗加工后的模型进行精加工。

可使用各种特征操作来细化模型，完成对模型的建立：
布尔操作：并（Unite）、差（Subtract）、交（Intersect），一般在操作过程中完成（有些是自动完成），不需单独的布尔操作。

倒圆倒角：边倒圆（Edge Blend）、面倒圆（Face Blend）、软倒圆（Soft Blend）、倒角（Chamfer）。

其他操作：修剪体（Trim Body）、镂空（Hollow）、特征引用（Instance）、拔斜度（Taper）、补片体（Patch Body）、缝合（Sew）[6]
我所用的毕业设计可以直接在建模部分里完成，不必借助于草图。

因为如果在草图部分完成，所设计的很多地方都有参数关系，如果改变一个参数，那么其它地方也会跟着受到影响。

而直接在建模部分来进行设计的话，在觉得不满意的部分可以随意的修改的。

我觉得这是UG一个很大的特色。

比如说水槽制品的设计过程：
在建模状态下，用造型特征中的块命令直接建立一个大小相当的实体出来，或者根据线结构，用定义矩形四个顶点的方法作出一个矩形，然后通过拉伸命令把矩形拉成矩形体。

水槽上面因为有一个边，是突出来的，那么就可以根据尺寸在矩形体的上表面开始往下定义在相应的位置修剪形体，在所得到的上部实体边缘进行补正，得到所需要的尺寸。

此时水槽是两个分开的部分，但这个时候两部分还不能结合，因为在这部分分开后，要对水槽下面部分进行镂空操作。

对水槽的上表面进行镂空可以得到除上表面之外的五个实体面都有了一定的
厚度，在本设计中各个实体面取的是同样的厚度。

这样就可以的到水槽内部中空部分，但是此时水槽被分开的上半部分中间还没有镂空，这时可以析出下面部分的四侧内表面进行拉伸，然后对上部分进行切开形体，四边全部全部切开后将上面得到的四块实体以及下面的实体进行结合，就可以得到水槽的大概形状。

水槽的底部有一个台阶孔，UG软件里有专门做孔和凸台的命令，但是，按我个人的经验来说，用做孔和凸台的命令定位比较复杂，所以我选择用做出圆柱实体出来，然后两个实体进行布尔运算的相并或相差，这样一来就可以的到你所希望得到的圆孔或圆台。

根据这个思路，我先在需要做凸台的地方做出一个圆，用拉伸命令得到圆柱实体，这个实体的长度不要超出水槽的内表面即可，量测凸出外表面的地方与水槽外表面的距离，“多退少补”，进行补正。

然后两个实体用布尔运算并成为一个实体。

以同样的圆心做最小的圆孔的基本圆，拉伸为实体，这个实体超出
水槽的内外表面，两实体用布尔运算作差运算，得到较小的通孔。

再以同样的方法，根据台阶孔低于内表面的尺寸做圆柱作差运算得到台阶孔。

水槽上面边上下侧有环槽,可以采用修剪形体的方法来进行处理。

首先把水槽下半部分的外表面析出并缩放，或者利用上下部分的交线用三点的方式进行切开形体，都可以得到同样的效果。

然后把交线向外补正到需要的位置，这个补正可以用曲线补正，这样可以比较方便一点。

得到需要的曲线之后进行Z方向的切割，然后将曲线转换，在Z方向平移，平移的距离为槽的深度，再进行X、Y方向的切割，将多出的实体删除，剩下的部分进行结合，水槽的大致形状就已经得到了。

最后的步骤就是倒圆角，在所有需要倒角的部分进行倒圆角，所倒的圆角的大小有参考资料和实际情况决定。

对于UG我的最大的感受就是不用草图，可以在建模状态下随心得到所需要的结构形状。

2.2 塑料水槽的参数确定
2.2.1 制品的材料选择
低压聚乙烯，由于含有较高的相对分子质量、密度、结晶度，因此质地坚硬，耐寒性能良好，在70℃时还保持柔软。

化学性能很高，能耐酸碱及有机溶剂。

吸水性极小，有很突出的电气性能和良好的耐辐射性。

用火焰喷涂法或静电喷涂法涂于金属表面，可以达到减摩和防腐蚀的目的。

缺点是机械强度不高，热变温度很低，故不能承受较高的载荷。

[4]低压聚乙烯这种材料比较符合这里的要求，因此选择低压聚乙烯作为制造水槽。

2.2.2 壁厚的确定
根据原则上的要求，制品的壁厚要均匀。

其理由大致有两条：一是因为成型周期中的冷却时间是由制品壁厚决定的，即若某一部分较厚，那么冷却时间受厚的部分影响而延长成型周期，使成型效率降低。

二是，因为冷却中的树脂在凝固过程中继续收缩，若壁厚不均，则造成收缩不均，产生缩孔或者讨厌的内部应力，以致发生变形或开裂。

确定壁厚时需要注意的重点事项如下：
（1）是否具有足够的结构强度；
（2）是否具有足够的脱模强度；
（3）是否使冲击力均匀分散；
（4）能否防止因嵌入金属嵌件而引起的开裂；
（5）能否增强因制品的成型孔产生的熔接痕强度；
（6）能否防止薄壁部位的烧伤和厚壁部位的缩孔；
（7）是否充分考虑了薄壁及棱边部位的树脂流动性，能否防止填充不满的现象。

[1] 因为该制品为水槽，可家用，也可用于工业中，因此我的壁厚确定在7mm，以保证起强度。

2.2.3 拐角部圆角的确定
内部应力集中在面与面的相交处,即集中在拐角处。

为了减少变形，在根部设置圆角可使应力分散，同时还能改善树脂的流动性，也有利于脱模。

[1] 通过改变壁的厚度T与R的比例，其应力系数也相应改变。

当R/T为0.3以下时，应力急剧增加，而R/T为0.8以上时，则应力的增加反而不明显。

此次设计的制品需要内外壁都做成圆角,由上表可以取拐角的内侧做圆角,其R
为1/2壁厚。

这种作法减少了应力集中，使拐角处壁厚增加了1/3。

制品在外侧也设置圆角，其R为2/3壁厚，这是最合理的设计。

因此，制品的内侧圆角为3.5mm，外侧圆角为10.5mm。

2.2.4 加强筋的选择
塑件的结构形状，往往是由许多壁面所组成的。

对于其中较大的平面，由于增加壁厚在工艺上受到限制，为了满足使用上对强度、刚度的要求，就要设置加强筋。

设计加强筋时，应使中间筋低于外壁0.5mm以上，这样使支承面易于平直。

[3] 在本制品的设计中，我决定采用六根加强筋，来满足使用上对强度、刚度的要求。

2.2.5 注塑模成型零件的脱模斜度
在加工制造成型零件时,为了使塑件成形后易于从模具型腔内脱出，在垂直于分型面的凸模与凹模表面上必须制出脱模斜度。

脱模斜度大小，可根据塑件形状、壁的薄厚、成形高度等因素来决定。

在不影响塑件质量及精度情况下，应尽量选取最大值。

在加工与制造时，型腔的尺寸应以大端为准，而斜度应从大端尺寸向小端进取；型芯的尺寸恰好进取方向相反，应以小端尺寸为准，斜度应从小端向大端方向进取。

[2]
为使制品在成型过程中能够顺利地从型腔中脱出以及顺利地型芯中被顶出，制品必须设有脱斜度。

其脱模斜度的大小随制品表面粗糙度、形状以及尺寸精度的不同而不同，但通常最小不能低于0.5º。

对于高光亮且透明的制品（PMMA，S/AN，PC，等）为保证在脱模过程中，制品的内外表面都不会被划伤，其型腔与型芯的脱模斜度，最小不得低于2º。

在成型长宽比超过5：1，且在模具中没有太多的位置设置顶杆的制品时，为防止制品收缩与变形，往往施以较大注塑压力，因此应给予这类制品加大的脱模斜度，通常不低于8º。

当制品中出现透孔时，由于塑料对成型制品透孔的芯子有较大的“抱紧”现象，因此需要给其较大的脱模斜度。

在许多制品中没有较浅的凹台、凸台、筋等。

大多数图纸中这类形状不标注脱模斜度，但设计者应当注意，这些形状的公差范围必须要满足在模具制造是其脱模件斜度的需要。

[4]
这里制品选用的材料为聚乙烯，但制品的尺寸较大，必须选择较大的脱模斜度，所以选取脱模斜度为4.7º。

孔的脱模斜度选为10º
2.2.6 制品的尺寸公差
一般模具成型零件的公差约为制品相应尺寸公差的1/3~1/4。

从对制品公差的比例来说，这可能被认为是要求过分的高精度。

这是为了避免因公称尺寸的尺寸公差过大，而造成壁厚误差增大难以确保制品特有的薄壁尺寸所必须的精度。

在成型零件的尺寸上也有一些尺寸不标注公差，但在必须精确的部位，如孔的中心距及位于公称尺寸端部的壁厚等就必须标注公差。

表5.4表示这些尺寸的公差。

表5.4 制品的尺寸公差(单位mm) [1]
由于本制品尺寸较大，所以应该采用单型腔模具，而对于单型腔模具制品其尺寸精度也有一定的要求。

一般在制品成型后经24小时才能测定其尺寸，这是因为在那段时间内，后收缩已大体稳定在某一程度。

尺寸精度不是盲目的成型就可以得到的；还有，尽管模具精度加工得很高，也不一定能够成型出高精度的制品。

可是，精度差的模具无法成型出高精度制品确是实际状况。

只有齐备合理的制品设计、模具设计、成型条件三方面，才能成型出高精度的制品。

其中尤以需要足够的注塑时间使其充分填充是关键因素。

图纸上所要求的尺寸精度能否成型，往往是有疑问的。

关键是要做到不看尺寸标准表，事先就知道能否成型的精度的限度。

不由模具直接确定尺寸的公差及尺寸范围（单位mm）
收缩率的确定
因为本设计产品为聚乙烯制品，所以对其制品质量要求有最小的缩水率，在该制品的设计中我主要采用延长注射柱塞在前进位置的保压时间，补偿树脂填充到模具后因温度下降而产生的收缩率,也可以减少收缩量。

根据《注塑成型模具》（中国石化出版社，1989.3）可以知道减少制品的收缩对浇口的尺寸和树脂的供给条件没有显著的影响。

因此，对于该制品的收缩率最终确定在0.25%。

[1]
3
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为最大尺寸，公差以负偏差表示。

型腔深度名义尺寸H为最小尺寸，公差以正偏差表示。

型腔的底部和型芯的端面都与分型面分型面平行，在脱模过程中磨损量很小，磨损裕量δ不予考虑，则有
令δ=⊿/3，并略去，标注上制造偏差后，得
盐城工学院机械工程系毕业设计说明书
（2）型芯的高度尺寸计算。

这时规定塑件孔深的名义尺寸H 为最小尺寸，偏差⊿为正偏差，型芯高度的名义尺寸H 为最大尺寸，尺寸偏差为负偏差，可得型芯高度的工作尺寸为
标注上制造偏差后得
(三)成型零件的刚度、强度校核
型腔要能承受高压熔体的压力，因此，应具有足够的壁厚。

如壁厚不够可表现为刚度不足，即产生过大的弹性变形，也可表现为强度不够，即型腔发生塑性变形甚至破裂。

模具型腔在注射时，当型腔全部被充满的瞬间，内压力达到极大值，然后随塑料的冷却和浇口的封闭，压力逐渐降低，在开模时接近常压。

型腔壁厚计算以最大压力为准，理论分析和实践证明，对于大尺寸的型腔，刚度不足是主要矛盾，应按刚度计算；而小尺寸的型腔则以强度不足为主要矛盾，因此需按强度计算。

常用的型腔侧壁和底板厚度计算公式，综合列于下表中。

[3]P216
式中h1-----侧壁厚度；L-----型腔侧壁长度
h2-----底板厚度L1----底板受压长度
P-------型腔压力b------型腔受压长度
E------钢的弹性模量a-----型腔深度
r----型腔内半径即塑件外径B------底板总宽度
m----泊桑比B1----底板受压宽度
[σ]----许用应力C-----常数
δ----容许变形量
随着模具标准化工作的推广及模板的规格化，型腔的壁厚及底板厚度也可随着选用规格的确定而决定了，必要的情况下，再利用上述公式进行校核。

3.4 其它辅助结构件
这里所指的结构件，包括除浇注系统及成型零件外的大部分零件，主要起安装、导向、装配、冷却、加热以及机构动作等作用。

（一）导向零件
在注射成型模具中，导向机构是必不可少的部件，它主要起定位、导向及承受侧压等作用，比较常见的导向机构是导柱导向机构，另外还有锥面导向和斜面导向等。

导柱导向机构的设计
导柱导向机构的结构，是利用导柱和导向孔或导套的配合来起作用的。

因此，对导柱的结构主要有以下几点要求：①导柱的长度必须比凸模端面高出版事业
~8mm，以免导柱未导正方向而凸模被碰坏;②导柱的端部做成锥形或半球形的先导部分,使导柱能顺利地进入导向孔;③导柱应具有硬而耐磨的表面,坚韧而不易折断的内芯。

因此，导柱多采用低碳钢经渗碳淬火处理，或用碳素工具钢经淬火处理，硬度为HRC50~55，导柱装入模板多用过渡配合，导柱的配合部分粗糙度要
求。

（二）装配固定零件
1、固定板
固定板是用以固定型芯或型腔、导柱、导套、拉料杆等固定安装用的，因此固定板要有一定的强度。

为保证型芯或其它零件固定稳固，固定板也应有足够的厚度。

一般固定板厚度视被固定零件的长度和最大模厚而定，中小型模具可自爱20~80mm 之间。

外形尺寸随型腔模板的外形尺寸的大小而确定。

2、垫板
垫板是盖在固定板后面的平板，是防止固定板上的型芯、导柱、拉料杆等脱出固定板，并承受型腔、型芯或顶杆等的压力，因此要求有较高平行度和硬度。

垫板与固定板常用螺钉连接，一般采用内六角螺钉或外六角螺钉。

另外，也有用铆钉连接的方法，这中形式不易松动，适于受一定冲击的模具，但拆装麻烦，修理不便。

3、支承件
支承件起构成顶出机构的动作空间、调节模具总厚度的作用，有时也起安装固定的作用。

模具组装时，应注意所有支承件高度应一致，否则由于负荷不均会造成动模板损坏。

（三）冷却、加热零件
在注射成型过程中，模具的温度直接影响到塑件的成型质量和生产效率。

由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具的温度要求也不同，一般有三种情况：即利用模具的自然冷却、通水冷却、通过电加热器进行加热。

1、却装置
冷却装置的设计与所使用的冷却介质、冷却方法有关。

冷却介质用水比较普遍，这是因为水的热容量大，传热系数大，成本低。

用水冷却即在模具型腔周围或型腔内开设冷却水通道，利用水循环将热量带走，维持恒温。

一般水孔边离型腔距离不得小于10mm，但有时受到模具上各种孔（顶杆空、型芯孔、镶块接缝等）的结构限制，要按理想情况设计是困难的，因此，需视模具的具体结构而定。

2、加热装置。