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基于微遺傳算法的最優(yōu)澆口定位在注塑設計中的應用
摘要：本文闡述了在注塑模具設計中優(yōu)化熱流道系統，目標是通過最大限度地減少兩個最大噴射壓力在注射端口和各產品上的澆口與剪切應力或熔接線的約束的最大壓力差來定位澆口位置，在充填過程中分析聚合物流動的有限元基礎的方案。通過對四種不同注塑模具的設計應用進行了研究，提出在注塑設計中優(yōu)化熱流道系統的有效微遺傳算法。
關鍵詞：微遺傳算法，設計優(yōu)化，注塑模具
1 介紹
利用高性能的聚合物材料來制造高精度的復雜形狀的產品，注塑已被確認為最有效的制造技術之一，在一般情況下，注射模具的過程是在注射溫度下由其中的聚合物材料填充到腔體的階段。當后腔被完全填充后，繼續(xù)填充高壓聚合物，避免導致材料的收縮，隨后冷卻階段所需的注射成型產品才沒有任何變形。適應填充階段的成型條件對于注塑設計的第一階段是很重要的，之后才有希望在填充后的階段能夠成功完善成型條件，如保壓、冷卻階段等。在最佳條件下處理填充注塑設計的方法，其中的聚合物材料的流動模式和壓力要貫通整體，也就是說設計要求之一，當聚合物通過不同位置時，進入空腔表面的壓力應該盡可能均勻。通過設計智能定位防止注射壓力超過產品的表面，使分布更加均勻。已有一些研究是在最佳澆口位置下對CAE填充注塑模具設計優(yōu)化的各種問題進行優(yōu)化。
本文探討了注塑模具設計系統采用的微遺傳算法（MGA）。微遺傳算法是基于達爾文優(yōu)勝劣汰的生存理論，采用自然進化的概念以及交叉和變異。對于傳統的遺傳算法，這樣設計的結果能夠增加更高的概率找到一個全局的最優(yōu)解，以及多個局部的最優(yōu)解。遺傳算法也是有利于問題的設計的， 然而它需要昂貴的計算成本，尤其是當結合基于有限元CAE分析工具時。例如遺傳算法和微遺傳算法主要區(qū)別是居住的人口規(guī)模，傳統的遺傳算法所確定的人口規(guī)模，是根據染色體上一個基因為一組變量設計的字符串長度。根據Goldberg的人口規(guī)模微遺傳算法概念，盡可能用小種群的適應度函數來評價，以降低成本。這意味著，微遺傳算法采用了少數的變量和參數。
本文討論了填充注塑模具優(yōu)化構建正確的目標函數和設計上限制的要求。通過對四種不同注塑模具的設計應用進行了研究，提出在注塑設計中優(yōu)化熱流道系統的有效微遺傳算法。
2 模具流程分析
注塑成型過程中聚合物的流動服從如下方程：
因此：
在上述等式中，p是流動壓力，T是溫度的聚合物，t隨著時間的變化。參數η，γ和k是粘度、剪切速率和熱傳導率。
通過注塑模具中的熱流道系統覆蓋的熔融聚合物從噴射口流過的通道，本次研究了兩個不同的熱流道系統，其中熱系統保持不變，冷系統需要在聚合物溫度變化下流穿過澆道。對于熱流道系統有一個幾何一致的厚度，如圖1a所示的恒定溫度。而冷澆道系統的CAE結果取決于澆道的厚度和形狀。例如圖1b典型的冷澆道系統的幾何模型，其中澆道的厚度根據溫度梯度改變。
（a）熱流道系統 （b）冷熱流道系統
圖1熱流道系統的建模
3 模具設計要求
3.1目標函數
一個流動的模式是注射成形設計考慮的最重要的因素之一，這意味著應該保持均衡的流量而使聚合物能到達設計的產品每個部分。一旦流量平衡得到改善，流動的熔融聚合物進行平滑流動，最大噴射壓力減少，使之具有相同的或均勻分布的水平注射壓力。有些情況下，在填充過程中的聚合物到模具內的某些部分比其他部分先填充，其他部分會落入過度填充，這樣會進一步引起了如扭轉和彎曲，從而冷卻過程中收縮率的差異會導致產品畸形。
由流動的聚合物引起的壓力差在填充過程中被檢測到的最大噴射壓力在噴射口，該聚合物的流向總是從高壓區(qū)域流向低壓的一端，聚合物的平滑流動使最大噴射壓力下降。然而，流動不穩(wěn)定性有時會發(fā)生，從而需要更高的壓力來填充，也就是說最大噴射壓力需要降低以改善流動的不穩(wěn)定。壓力差（即最高和最低壓力值）所在的通道也被作為另一目標函數，以確定是否全部在一次中被填滿。
最普遍接受的設計策略是調整澆口位置以改善流動模式。本研究中以控制流動模式解決最優(yōu)門定位與適當的目標函數（s）相結合。注塑模具設計的目標函數被認為是兩者的最大注射壓力（MIP）和最大壓力差（MPD）。應當指出，在注射端口和最大噴射的壓力差之間的最高值和最低值的差是所有澆口的壓力。上述語句可以理解為一個多目標設計問題，因此，目前的研究采用了加權方法，如下：
其中α和β是加權因子，α+β=1，且x是一組設計變量，是笛卡爾坐標。
3.2約束
兩個以上的流動方向具有不同的溫度值時，在填充過程中熔接線是很容易被發(fā)現的。熔接線是在模制產品中的弱點之一，是非常容易受到沖擊的，并隨后導致外部缺陷，失去光澤。熔接線應被移入一個相對較弱的區(qū)域，通過調節(jié)產品寬度、大小、流道和澆口的位置等等。本研究認為最優(yōu)澆口定位模具的設計可以作為一個約束熔接線的位置。一旦設計者指定不應該產生熔接線的地方，所有的有限元節(jié)點的約束不形成熔接線。
剪切應力被定義為施加于模具壁上的聚合物剪切流的剪切力。剪切應力的大小與每個位置上的壓力梯度成正比。一般情況下，剪切應力在模制產品的中心處為零，在模具壁上達到最大值。高剪切應力引起模制產品表面上的分子運動，例如熔體流動的不穩(wěn)定性與剪切應力有著密切的關系。降低模制產品的表面剪切應力大小，可以通過以下方式，即剪切應力在填充過程中應最小化，以改善模制產品的質量，特別是在其表面上。允許的最大剪切應力一般為該聚合物拉伸強度的1%，剪應力被認為是另一個約束，影響著最終產品的質量。
3.3優(yōu)化問題
模具設計優(yōu)化問題的語句可以寫成如下形式：
剪切應力（I，J，k）≤剪切許用應力 （6）
熔接線的（I，J，k）＝只指定的區(qū)域 （7）
因此，x降低≤x≤x上升
這一組設計變量，x是笛卡爾坐標系（i，j，k）在澆口的成型品表面上，其中N是澆口數量。采用多目標優(yōu)化的背景下，傳統的加權和方法使用兩個加權因素α和β，α??+β= 1。在本研究中考慮的多目標功能是在注射端口和所有的澆口間的最大壓力差（PD）時測得的最大注射壓力（MIP）。這些常量MIP和MPD是最優(yōu)目標函數值通過單目標優(yōu)化。許可的熔接線僅在指定區(qū)域上作為限制施加的剪切應力。CAPA在前面中提到的流動模式進行分析，并通過MGA進行優(yōu)化。應當指出，笛卡爾坐標系（i，j，k）的結點被確認為模制產品時，通過有限元素CAPA離散。
4 微遺傳算法
在本研究中MGA的總體過程如圖2所示，過程解釋如下：
步驟1）生成一個隨機的初始種群，推薦的種群大小為3，5，或7。
步驟2）執(zhí)行傳統的GA演化，直到收斂。在本研究中，人口規(guī)模為5，交叉在MGA的概率是1.0，由于人口規(guī)模小，而傳統的GA優(yōu)選使用它小于1.0。收斂意味著該差異在“1”和“0”之間的字符串位置在5％以內的字符串長度，從而導致收斂到本方案。
步驟3）在用戶指定的人群眾，更新一個新的人口，選中一個精英主義的人，其余人在新的人口中隨機生成的。應當指出，采用“錦標賽”用于激活多樣性和精英主義，保持最佳的解決方案。除隨機產生的精英主義外，MGA很少參考突變。
圖2遺傳算法流程圖
總之，由于人口規(guī)模小、“錦標賽”和“精英主義”的選擇操作，MGA能找到一個最佳的解決方案并交叉充分參與。然而，MGA有一個缺點，僅由于人口規(guī)模小發(fā)現多個局部的最優(yōu)解。傳統的GA是優(yōu)于主張維護多樣性，而MGA有利于節(jié)省計算資源。
4.1桁架設計
MGA驗證一個典型的10桿平面桁架結構優(yōu)化問題。目標是通過最大限度地減少結構重量，進行應力約束來找到最優(yōu)的橫截面面積。最佳的解決方案是通過MGA和傳統的GA獲得相互比較。在MGA的人口規(guī)模是5，而傳統GA需要250個人口，因此在這個問題上的字符串的長度是100。交叉和變異的使用在傳統的GA概率分別0.8和0.01。后兩種遺傳方法進行10次后改變隨機生成初始種群。每一個優(yōu)化的收斂歷史表明，MGA產生更好的設計和定位接近最優(yōu)解決在進化早期階段，如圖3。
目
標
N功能
（a）傳統遺傳算法
目
標
N功能
（b）微遺傳算法
圖3收斂歷史記錄的10桿桁架問題
6
畢業(yè)設計（論文）中期報告
題目：電話聽筒蓋的塑料模具設計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級
姓 名
學 號
導 師
2013年3月8日
1 設計（論文）進展狀況
1.1通過查閱書籍資料，選取塑件材料為ABS，即苯乙烯－丁二烯－丙烯腈共聚物，它是由三種單體聚合而成的非結晶型高聚物，具有三種組合物的綜合性能，且無毒無味，塑件成型后有較好的光澤。根據實體塑件測量實際尺寸，繪制零件圖(圖1和圖2)。
1.2完成外文資料翻譯。
1.3通過計算塑料件的體積及查閱模具設計手冊完成注塑機的選擇：XS－ZY－250。
理論注射量： 250cm3
螺桿直徑： 50mm
注射壓力： 130MPa
合模力： 1800KN
模板最大行程： 500mm
模具最大厚度： 350mm
模具最小厚度： 200mm
定位孔直徑： 125mm
噴嘴球頭半徑： 18mm
注射方式： 螺桿式
頂桿中心距： 280mm
1.4澆注系統的設計：包括主流道(圖3)、分流道、澆注口的設計與選擇。
1.5繪制模具裝配草圖(圖4)。
2 存在問題及解決措施
2.1未考慮模具冷卻問題。
解決措施：設計冷卻水道，盡量避免接近塑件的熔接部位以免產生熔接痕，降低塑件強度；冷卻水道要易于加工清理；防止冷卻水的泄漏，凡是易漏的部位要加密封圈等。
2.2聽筒上殼兩端內側有用來與下殼相扣合用的局部凹槽，故需要設計側抽芯機構才能完成塑件的成型。
解決措施：綜合分析比較后，綜合分析比較后，采用斜滑桿側抽芯較為合適。
3 后期工作安排
3.1完善模具裝配圖，并完成所有零件圖的繪制工作。
3.2完成零件的設計計算并進行相關校核計算，撰寫畢業(yè)論文。
指導教師簽字：
年 月 日
圖1電話聽筒蓋上殼二維圖
圖2電話聽筒蓋上殼三維圖
圖3主流道
圖4模具裝配圖
注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打?。黄渌袷揭笈c畢業(yè)論文相同。
2）中期報告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。
畢業(yè)設計(論文)開題報告
題目：電話聽筒蓋的塑料模具設計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級
姓 名
學 號
導 師
2012年12月24日
8
1 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況）
1.1題目背景和研究意義：
塑料注射模具的設計是在當今大部分塑料制品生產中的第一個環(huán)節(jié)，各行各業(yè)，各種產品幾乎都要用到注射模生產的塑料零配件，因此掌握塑料注射模的設計技能是機械設計工程師的基本要求。
通過塑料制品的注塑模具設計，能夠熟悉和掌握塑料制品設計全過程，能夠根據不同塑料材料的性能，塑料結構特點，選擇適當的模具結構，并掌握模具主要零件的強度計算及主要零件的尺寸確定，掌握材料的選擇，熱處理要求及其制造工藝規(guī)程編制，通過該設計，應能檢查外語翻譯及理解能力，能熟練運用計算機進行設計和繪圖。通過設計后，能夠完全獨立完成中等難度以上塑料注射模具設計，并能在選材，結構設計等方面進行經濟技術分析。
1.2國內外相關研究情況：
隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，以及通用塑料與工程塑料在強度和精度方面的不斷提高，塑料制品的應用范圍也在不斷地擴大。因此，塑料模具的設計與制造也顯得越來越重要，而注射模則是塑料模具中最常用的一種模具。近年來，隨著計算機技術向縱深發(fā)展并向各個領域不斷滲透，越來越多的現代塑料生產企業(yè)都在加大力度應用計算機輔助設計技術，應用現代設計理論和方法改進塑料注射成型模具的設計、制造，以提高加工質量，降低成本，縮短開發(fā)周期，增加產品的競爭能力。使用CAD/CAE/CAM來進行模具設計，對模具和塑件質量都有很大的提高，更好地改善了產品的性能，提高了生產效率。
2 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1課題的主要內容：
2.1.1繪圖要求：
(1) 塑料制件零件圖；
(2) 模具總裝配圖；
(3) 動模、定模、鑲塊零件圖（型腔部分）。
2.1.2型腔部分零件圖的加工工藝分析：
(1) 工藝方案分析；
(2) 機械加工工藝分析；
(3) 裝配工藝分析。
2.1.3編寫說明書，具體內容如下：
分析塑料的材料、形狀、結構對注塑成型的影響。分析所有模具結構方案，著重分析難點（斜導柱、哈佛模等）。選擇注塑機的根據。分析所有分型面，選出最佳分型面。確定哪些面有脫模斜度。分析澆口位置，澆口形狀形式及所有采用的理由。說明所有推頂裝置設置的位置及其理由。對該設計方案各部分應作經濟技術分析、環(huán)保分析。重要尺寸需強調并說明理由。
2.1.4計算下列尺寸：
(1) 有關成型零件工作尺寸的計算；
(2) 成型型腔壁厚計算；
(3) 冷卻水道面積計算。
2.1.5用Pro/e設計該模具的三維圖（根據畢業(yè)設計的時間情況可以選擇）。
2.1.6生產批量：10萬件。
2.2研究方法或措施：
本設計題目涉及目標為工程實際零件，通過對塑件的實體測繪，完成基本參數的采集，然后運用《注塑模具設計》、《塑料模具設計》、《塑料成型工藝》等知識，利用AutoCAD和Pro/E或Soildworks等軟件完成模具結構的設計，并進行相關的校核計算，完成包括選材熱處理、制造工藝規(guī)程、可行性分析等工作。
2.3擬采用的研究方案：
綜合考慮各因素，采用一模兩腔：
方案一：選用臥式注射機，采用螺釘固定進行側抽芯，澆注系統選用點澆口；
方案二：選用立式注射機，采用壓塊固定進行側抽芯，澆注系統選用側澆口。
方案比較：臥式注射機適合于高速化生產，模具裝拆及調整容易，壓塊固定適用于中小批量，點澆口澆注使得制件殘留痕跡小，保證了制件外觀質量，脫模時澆口自動拉斷，提高了生產效率。綜上所述，初步選用方案一。
3 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
3.1重點及難點：
本課題研究的重點是模具總體結構的設計優(yōu)化選擇，應用相關軟件進行零件圖和裝配圖繪制。難點在于抽芯機構的設計、型腔部分的加工工藝分析和總體方案的優(yōu)化選擇。
3.2前期已開展工作：
(1) 已初步查閱了資料，對注塑模具設計的流程有了一定的了解；
(2) 已對電話聽筒蓋的結構有了初步的了解，并繪制了零件圖(圖1和圖2)；
4 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）
第1周：查閱和收集資料，初步了解課題；
第2-3周：電話聽筒蓋的結構分析與繪制，初步計劃設計方案，完成開題報告；
第4-6周：尺寸計算和澆注系統等結構的選擇；
第7-9周：翻譯外文文獻，完成中期報告；
第10-12周：繪制零件圖及裝配圖；
第13-14周：進行相關校核計算；
第15-17周：撰寫畢業(yè)論文；
第18周：畢業(yè)答辯。
參考文獻
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圖1電話聽筒蓋上殼二維圖
圖2電話聽筒蓋上殼三維圖
指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領導： 年 月 日
注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打印；其他格式與畢業(yè)論文要求相同。
2）開題報告由各系集中歸檔保存。
3）開題報告引用參考文獻注釋格式可參照附錄E“畢業(yè)設計（論文）參考文獻樣式”執(zhí)行。不進入正文，可以作為附件放在開題報告后面。
本科畢業(yè)設計（論文）
題目：電話聽筒蓋的塑料模具設計
系別：機電信息系
專業(yè)：機械設計制造及其自動化
班級：
姓名：
學號：
指導教師：
2013年5月
電話聽筒蓋的塑料模具設計
摘要
模具是工業(yè)生產中使用極為廣泛的主要工藝裝備，它是當代工業(yè)生產的重要手段和工藝發(fā)展方向，許多現代工業(yè)的發(fā)展和技術水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。
本文介紹了注射模具的特點及發(fā)展趨勢，敘述了電話機聽筒注射模具設計與計算的詳細過程，介紹了該塑件成型工藝、注射模具的結構特點與工作過程，闡述了在有斜滑桿抽芯的注射模設計中應注意的事項。
采用此模具能夠保證塑件尺寸外形以及表面要求，而且成本低、結構簡單、開模容易、效率高，具有較強的實用性。
關鍵詞：電話聽筒；注射模具；抽芯
II
The Plastic Mold Design of Telephone HandsetCover
Abstract
Mold is widely used in industrial production the main technological equipment, It is an important means of modern industrial production and process development direction ,Many modern industrial development and the improvement of the technical levels ,Largely depends on the development of die and mold industry level.
The characteristics and developments of injection mold will be introduced in this paper. The designing and calculating of injection mold of microphone will be stated in detail. The forming process of the product and the structure characteristics as well as working process of the injection mold will be introduced .The attention should be paid in the design of the injection mold for the part with lifters also will be stated.
Using this mold can guarantee plastics dimension appearance and surface requirements,And low cost, simple structure and easy to open mold, high efficiency, with strong practicability.
Key Words: microphone；injection mold；core pulling
目錄
1 緒論 1
1.1前言 1
1.2塑料模具的特點 1
1.3塑料模具設計的發(fā)展概況 2
1.4課題的研究方向 3
2 塑件的材料選擇及工藝分析 4
2.1塑件材料選擇 4
2.2塑件工藝性 4
2.3塑件的結構設計 5
2.4塑件尺寸及精度 6
2.5塑件表面粗糙度 7
2.7塑件的體積和質量 7
2.8塑件分型面的確定 7
3 注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定 8
3.1注射成型工藝過程分析 8
3.2澆口種類的確定 8
3.3型腔數目的確定 9
3.4注射機的選擇和校核 9
3.3.1注射量的校核 9
3.3.2工藝參數校核 10
3.3.3安裝參數校核 10
4 澆注系統的設計 12
4.1澆注系統的組成 12
4.2澆注系統設計原則 12
4.3流道系統的設計 12
4.3.1主流道的設計 12
4.3.2分流道的設計 13
4.3.3澆口的設計 14
4.3.4冷料穴的設計 15
5 成型零部件工作尺寸的計算 16
5.1成型零部件結構設計 16
5.2成型零部件的工作尺寸計算 17
5.2.1型腔徑向尺寸計算 17
5.2.2型腔的深度尺寸 18
5.2.3型芯的徑向尺寸 18
5.2.4型芯的高度尺寸 18
5.2.5中心距尺寸計算 18
5.4模架的選用 19
5.4.1模具基本類型的確定 19
5.4.2模架的選擇 19
6 脫模機構的設計 21
6.1脫模機構的選擇 21
6.2頂桿機構設計 21
6.3斜滑桿側抽芯機構設計 22
7 注射模溫度調節(jié)系統 23
7.1溫度調節(jié)對塑件質量的影響 23
7.2冷卻系統的設計規(guī)則 23
7.3排氣結構設計 24
8 模具的材料 25
8.1成型零件材料的選用 25
8.2注射模用鋼種 25
9 模具裝配圖 26
10 模具的可行性分析 28
10.1本模具的特點 28
10.2市場前景與經濟效益分析 28
11 結論 29
致謝 30
參考文獻 31
畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 32
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 33
2
1 緒論
1 緒論
1.1前言
隨著中國當前的經濟形勢的日趨好轉，在“實現中華民族的偉大復興”口號的倡引下，中國的制造業(yè)也日趨蓬勃發(fā)展，而模具技術已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標志之一，模具工業(yè)能促進工業(yè)產品生產的發(fā)展和質量提高，并能獲得極大的經濟效益，因而引起了各國的高度重視和贊賞[1]。在日本，模具被譽為“進入富裕的原動力”，德國則冠之為“金屬加工業(yè)的帝王”，在羅馬尼亞則更為直接“模具就是黃金”，可見模具工業(yè)在國民經濟中重要地位。我國對模具工業(yè)的發(fā)展也十分重視，早在1989年3月頒布的《關于當前國家產業(yè)政策要點的決定》中，就把模具技術的發(fā)展作為機械行業(yè)的首要任務。
近年來，塑料模具的產量和水平發(fā)展十分迅速，高效率、自動化、大型、長壽命、精密模具在模具產量中所占比例越來越大。注塑成型模具就是將塑料先加在注塑機的加熱料筒內，塑料受熱熔化后，在注塑機的螺桿或活塞的推動下，經過噴嘴和模具的澆注系統進入模具型腔內，塑料在其中固化成型。
本次畢業(yè)設計的主要任務是電話聽筒蓋的注塑模具設計，也就是設計一副注塑模具來生產電話聽筒蓋的塑件產品，以實現自動化提高產量。針對電話聽筒蓋的具體結構，通過此次設計，使我對模具設計有了較深的認識。同時，在設計過程中，通過查閱大量資料、手冊、標準、期刊等，結合教材上的知識也對注塑模具的組成結構（澆注系統、成型零部件、導向部分、推出機構、排氣系統、模溫調節(jié)系統）有了一定的認識，拓寬了視野，豐富了知識，為將來獨立完成模具設計積累了一定的經驗。
1.2塑料模具的特點
熱塑性塑料注射模的特點是由塑料原材料的特性所決定的，最主要的有兩點：一是注射時塑料熔體的充模流動特性，二是模腔內塑料冷卻固化時的收縮行為，這兩點決定了注射模的特殊性和設計難度[2]。由于塑料熔體屬于粘彈體，熔體流動過程粘度隨剪切應力、剪切速率而變化，流動過程中大分子沿流動方向產生定向；冷卻固化過程中塑料的收縮非常復雜，模腔內各部位、各方向收縮率不同，不同種類、牌號的塑料收縮率有很大差異?；谏鲜鎏攸c，設計注塑模首先要充分了解所加工的塑料原材料的特性，使設計的模具合理適用，并可在設計中有效利用塑料特性，如點澆口模具用于塑料鉸鏈制品。
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畢業(yè)設計（論文）
塑料注射成型模具主要用于成型熱塑性塑料制件，近年來在熱固性塑料的成型中也得到了日趨廣泛的應用。由于塑料注射成型模具的適用性比較廣，而且用這種方法成型塑料制件的內在和外觀質量均較好，生產效率特別高，所以塑料注射模具已日益引起人們的重視。
1.3塑料模具設計的發(fā)展概況
近年來，汽車、家電、辦公用品、工業(yè)電器、建筑材料、電子通信等塑料制品需求旺盛，帶動了塑料模具的快速發(fā)展。2000年，我國（未包括港、澳、臺地區(qū)）塑料模具的產值約100億元，2003年達到176億元，3年平均年增長率為21%，快于模具行業(yè)總體增長速度近4個百分點，2004年預計將達到200億元。
雖然我國塑料模具在數量、質量、技術等方面有了很大進步，但與國民經濟發(fā)展的需求和世界先進水平相比，差距仍很大，一些大型、復雜、長壽命的高檔塑料模具每年仍需大量進口。在總量供不應求的同時，一些低檔塑料模具卻供過于求，市場競爭激烈，造成極低的利潤率。
2003年，我國塑料模具總產值約176億元，其中出口約2億美元，約合16.6億元人民幣。根據海關統計資料，2003年我國共進口塑料模具約6.5億美元，約合54億元人民幣。由此可以得出，2003年我國塑料模具總需求約為213.4億元人民幣，國產模具總供給約為159.4億元人民幣,市場滿足率為74.7%。在進口的塑料模具中，主要是為汽車配套的各種裝飾件模具、為家電配套的各種塑殼模具、為通信及辦公設備配套的各種注塑模具、為建材配套的擠塑模具以及為電子工業(yè)配套的塑封模具等。出口的塑料模具以中低檔產品居多。由于我國塑料模具價格較低，在國際市場中有較強的競爭力，所以進一步擴大出口的前景很好，2003年出口比2002年增長33.3%就是一個很好的證明[3]。因此，從市場情況來看，塑料模具生產企業(yè)應重點發(fā)展那些目前需進口的技術含量高的大型、精密、長壽命模具，并大力開發(fā)國際市場。隨著我國塑料工業(yè)的快速發(fā)展，特別是工程塑料的高速發(fā)展，可以預計，我國塑料模具的發(fā)展速度仍將繼續(xù)高于模具工業(yè)的整體發(fā)展速度，近年內年增長率將保持15%以上的水平。
近年來，我國塑料模具制造水平已有較大提高：所生產的大型塑料模具的單套重量已達到50t以上；精密塑料模具的精度已達到2μm；高速模具方面已能生產擠出速度達6m/min以上的高速塑料異型材擠出模具及主型材雙腔共擠模具。
從生產手段方面來看，模具企業(yè)設備的數控化率已有較大提高，CAD/CAE/CAM技術的應用面已大為擴展，高速加工及RP/RT等先進技術的采用已越來越多，模具標準件的使用覆蓋率及模具的商品化率都已有較大幅度的提高，熱流道模具的比例也有較大提高。另外，三資企業(yè)的蓬勃發(fā)展進一步促進了塑料模具設計制造水平及企業(yè)管理水平的提高。
1.4課題的研究方向
精密注塑模具是注塑成型制品生產中必不可少的主要工具之一。精密注塑模具收縮率控制的好壞，決定著精密注塑成型制品的質量優(yōu)劣及成品率高低，也就是說，是否能加工出質優(yōu)價廉的精密注塑制品，在很大程度上要靠精密注塑模具設計的合理性和先進性來保證。先進的注塑模具、合理的注塑成型工藝以及高精度、高效率的注塑設備是精密塑料成型加工中必備的三個重要因素[4]。精密注塑成型制品能否得到更廣泛的應用，更多地取決于精密注塑模具的設計以及收縮率的控制。
隨著注射成型加工精度要求的不斷提高，除了正確選材和對所選塑料進行改性之外，如何正確選擇成型工藝條件，合理分析制品的綜合收縮率與加工工藝各參數之間的相互關系，以及收縮率產生的各種原因與加工因素對它的影響等是一項很重要的課題。
目前，模具設計者普遍采用平均收縮率或極值法來計算注塑制件的收縮值。影響注塑制品收縮的因素很多，主要按材料特性（包括塑料分子鏈結構、流變性能、結晶性能等）、模具設計（包括澆口類型、塑件結構、冷卻回路分布等）和成型工藝條件（包括注射速度、注射壓力、模腔壓力、保壓壓力，保壓時間、冷卻時間等）三方面來分析。
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2 塑件的材料選擇及工藝分析
2塑件的材料選擇及工藝分析
2.1塑件材料選擇
綜合分析后，選用材料為ABS。即丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物，它是由三種單體聚合而成的非結晶型高聚物[5]，具有三種組合物的綜合性能：
（1）ABS性能特點：沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能優(yōu)良，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好等特點，容易涂裝、著色，還可以進行表面噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工。
（2）ABS塑料性質：無毒、無味，外觀呈牙色半透明或透明顆?；蚍蹱睢Ｃ芏葹?.05~1.18g/cm3，收縮率為0.3%~0.8%，彈性模量值為0.2GPa，泊松比值為0.394，吸濕性<1%，熔融溫度217~237℃，熱分解溫度>250℃。
（3）ABS力學性能：有優(yōu)良的力學性能，其沖擊強度極好，可以在極低的溫度下使用；ABS的耐磨性優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，又具有耐油性，可用于中等載荷和轉速下的軸承。
（4）ABS耐熱性能：熱變形溫度為93~118℃，制品經退火處理后還可提高10℃左右。ABS在-40℃時仍能表現出一定的韌性，可在-40~100℃的溫度范圍內使用。
（5）ABS用途特點：廣泛應用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。
（6）ABS電學性能：電絕緣性較好，并且?guī)缀醪皇軠囟?、濕度和頻率的影響，可在大多數環(huán)境下使用。
（7）ABS注塑工藝：吸水性比較高，加工前需進行干燥處理，干燥溫度為70~85℃，干燥時間為2~6h，注塑成型溫度160~220℃之間，注射壓力在70~130MPa之間，模具溫度為55~75℃。
2.2塑件工藝性
在模具設計之前需要對塑件的工藝性如形狀結構、尺寸大小、精度等級和表面質量要進行仔細研究和分析，只有這樣才能恰當確定塑件制品所需的模具結構和模具精度。
電話聽筒蓋上殼如圖2.1、2.2所示，具體結構和尺寸詳見圖紙，該塑件結構簡單，生產量大，要求較低的模具成本，成型容易，精度要求不高。
畢業(yè)設計（論文）
圖2.1塑件三維圖
圖2.2塑件二維圖
2.3塑件的結構設計
（1）脫模斜度
由于注射制品在冷卻過程中產生收縮，因此它在脫模前會緊緊的包住模具型芯或型腔中突出的部分。為了便于脫模，防止因脫模力過大拉傷制品表面，與脫模方向平行的制品內外表面應具有一定的脫模斜度。脫模斜度的大小與制品形狀、壁厚及收縮率有關[6]。斜度過小，不僅會使制品尺寸困難，而且易使制品表面損傷或破裂，斜度過大時，雖然脫模方便，但會影響制品尺寸精度，并浪費原材料。通常塑件的脫模斜度約取0.5~1.5?，塑件材料ABS的型腔脫模斜度為0.5~1.5?，型芯脫模斜度為0.5~1?。
（2）塑件的壁厚
塑件的壁厚是最重要的結構要素，是設計塑件時必須考慮的問題之一。塑件的壁厚對于注射成型生產具有極為重要的影響，它與注射充模時的熔體流動、固化定型時的冷卻速度和時間、塑件的成型質量、塑件的原材料以及生產效率和生產成本密切相關。一般在滿足使用要求的前提下，塑件的壁厚應盡量小。因為壁厚太大不僅會使原材料消耗增大，生產成本提高，更重要的是會延緩塑件在模內的冷卻速度，使成型周期延長，另外還容易產生氣泡、縮孔、凹陷等缺陷。但如果壁厚太小則剛度差，在脫模、裝配、使用中會發(fā)生變形，影響到塑件的使用和裝配的準確性。選擇壁厚時應力求塑件各處壁厚盡量均勻，以避免塑件出現不均勻收縮等成型缺陷。塑件壁厚一般在1~4mm，最常用的數值為2~3mm。
（3）塑件的圓角
為防止塑件轉角處的應力集中，改善其成型加工過程中的充模特性，增加相應位置模具和塑件的力學角度，需要在塑件的轉角處和內部聯接處采用圓角過度。在無特殊要求時，塑件的各連接角處均有半徑不小于0.5~1mm的圓角。一般外圓弧半徑大于壁厚的0.5倍，內圓角半徑應是壁厚的0.5倍。
（4）孔
塑料制品上通常帶有各種通孔和盲孔，原則上講，這些孔均能用一定的型芯成型。但當孔太復雜時，會使熔體流動困難，模具加工難度增大，生產成本提高，困此在塑件上設計孔時，應盡量采用簡單孔型。由于型芯對熔體有分流作用，所以在孔成型時周圍易產生熔接痕，導致孔的強度降低，故設計孔時孔時孔間距和孔到塑件邊緣的距離一般都尖大于孔徑，孔的周邊應增加壁厚，以保證塑件的強度和剛度。
2.4塑件尺寸及精度
塑料制品外形尺寸的大小主要取決于塑料品種的流動性和注射機規(guī)格，在一定的設備和工藝條件下流動性好的塑料可以成型較大尺寸的制品，反正成型出的制品尺寸就比較小[7]。從節(jié)約材料和能源的角度出發(fā)，只要能滿足制品的使用要求，一般都應將制品的結構設計的盡量緊湊，以便使制品的外形尺寸玲瓏小巧些。該塑件的材料為ABS，流動性較好，適用于不同尺寸的制品。
塑件的尺寸精度直接影響模具結構的設計和模具的制造精度。為降低模具的加工難度和模具的制造成本，在滿足塑件要求的前提下盡量把塑件的尺寸精度設計得低一些。由于塑料與金屬的差異很大，所以不能按照金屬零件的公關等級確定精度等級。根據我國目前的成型水平，塑件尺寸公差可以參照塑件的尺寸與公關（SJ1372-1978）的塑料制件公差數值標準來確定。根據任務書和圖紙要求，本次產品尺寸均采用MT3級精度，未注采用MT5級精度。
2.5塑件表面粗糙度
塑件的表面要求越高，表面粗糙度越低。這除了在成型時從工藝上盡可能避免冷疤、云紋等疵點來保證外，主要是取決于模具型腔表面粗糙度。塑料制品的表面粗糙度一般為Ra0.02~1.25μm之間，模腔表壁的表面粗糙度應為塑件的1/2，即Ra0.01~0.63μm。模具在使用過程中由于型腔磨損而使表面粗糙度不斷增加，所以應隨時給以拋光復原。
該塑件外部需要的表面粗糙度比內部要高，為Ra0.8μm，內部為Ra1.2μm。
2.7塑件的體積和質量
本次設計中，塑件的質量和體積采用Pro/E測量，在Pro/E軟件中，使用塑模部件驗證功能，可以測得塑件的體積為15cm3，質量為15.8g。
2.8塑件分型面的確定
在該模具中分型面設在塑件的上表面。用如圖2.3所示分型面。
圖2.3分型面
3 注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定
3注射成型工藝方案及模具結構的分析和確定
3.1注射成型工藝過程分析
根據塑件的結構、材料及質量，確定其成型工藝過程為[8]：
（1）準備工作
1）成型前對原材料的預處理
ABS材料具有吸濕性，加工前的干燥很重要。干燥條件為100℃到200℃，2~3小時。加工前的濕度必須小于0.02%。
2）料筒的清洗
在初用某種塑料或某一注射機之前，或者在生產中需要改變產品、更換原料、調換顏色或發(fā)現塑料中有分解現象時，都需要對注射機（主要是料筒）進行清洗或拆換。
柱塞式注射機料筒的清洗常比螺桿式注射機困難，因為柱塞式料筒內的存料量較大而不易對其轉動，清洗時必須拆卸清洗或者采用專用料筒。對螺桿式通常是直接換料清洗，也可采用對空注射法清洗。
3）脫模劑的選用
脫模劑是使塑料制件容易從模具中脫出而敷在模具表面上的一種助劑。一般注射制件的脫模，主要依賴于合理的工藝條件與正確的模具設計。在和產上為了順利脫模，常用的脫模劑有：硬脂酸鋅，液體石蠟（白油），硅油，對ABS材料，可選用硬脂酸鋅，因為此脫模劑除聚酰胺塑料外，一般塑料都可使用。
（2）注射成型過程
完整的注射過程表面上共包括加料、塑化、注射入模、穩(wěn)壓冷卻和脫模幾個步驟，但實際上是塑化成型與冷卻兩個過程。
（3）塑件的后處理
注射制件經脫?；驒C械加工后，常需要進行適當的后處理，目的是為了消除存在的內應力，以改善和提高制件的性能及尺寸穩(wěn)定性。制件的后處理主要有退火和調濕處理。該塑料制件材料為ABS，就采用退火處理1~3小時。
3.2澆口種類的確定
注射模的澆注系統是指模具中從注射機噴嘴開始到型腔為止的塑料流動通道。其作用是將塑料熔體充滿型腔并使注射壓力傳遞到各個部分。澆注系統設計的好壞對塑件性能、外觀及成型難易程度影響很大。它由主流道、分流道、澆口
畢業(yè)設計（論文）
及冷料穴組成。其中澆口的選擇與設計恰當與否直接關系到制品能否完好的成型。
由于本設計中電話聽筒蓋上殼塑件外表面質量要求較高，所以選用潛伏式澆口。潛伏式澆口在頂針斷面處，成形后切除澆口，零件組裝時澆口被遮擋起來。
潛伏式澆口主流道需要設置拉料桿，分流道與產品相連，頂出產品與流道連接在一起。
3.3型腔數目的確定
因為本設計中采用潛伏式澆口，且塑件的尺寸不大，為提高塑件成功概率，并從經濟型的角度出發(fā)，節(jié)省生產成本和提高生產效率，采用一模兩腔，進行加工生產。
3.4注射機的選擇和校核
由于采用一模兩腔，需要至少注射量為15.8×2=31.6g，流道水口廢料15.8g，總注塑量達到47.4g，再根據工藝參數，綜合考慮各種因素，選定注射機型號為XS－ZY－250，其有關性能參數為：
理論注射量：250cm3
螺桿直徑：50mm
注射壓力：130MPa
合模力：1800KN
模板最大行程：500mm
模具最大厚度：350mm
模具最小厚度：200mm
定位孔直徑： 125mm
噴嘴球頭半徑： 18mm
注射方式：螺桿式
頂桿中心距： 280mm
3.3.1注射量的校核
模具設計時，必須使得在一個注射成型的塑料熔體的容量或質量在注射機額定注射量的80%以內。其公式為：
nm1+m2≤80%m(3.1)
式中：n—型腔數量；
m1—單個塑件的重量，g；
m2—澆注系統所需塑料的重量，g。
已知n=2，m1=15.8g，m2=15.8g，即m=47.4/0.8=59.25g，注射量符合要求。
3.3.2工藝參數校核
注射成型時塑件的模具分型面上的投影面積是影響鎖模力的主要因素[9]。如果這一數值超過了注射機所允許的最大成型面積，則成型過程中會出現漲模溢料現象，必須滿足以下關系：
nA1+A2≤A(3.2)
式中：n—型腔數目；
A1—單個塑件在模具分型面上的投影面積，mm2；
A2—澆注系統在模具分型面上的投影面積，mm2；
已知n=2，A1=9181.6mm2，A2=154.2mm2
即nA1+A2=2×9181.6+154.2=18517.4mm2
注射成型時為了可靠的鎖模，應使塑料熔體對型腔的成型壓力與塑件和澆注系統在分型面上的投影面積之和的乘積小于注射機額定鎖模力。即：
(nA1+A2)P
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