1、山东科技大学学士学位论文I摘 要传统的模具设计与加工方法，是以二维工程图为依据进行的，对设计者以及工人的经验有较高的要求，不仅周期长，需要反复试模，并且加工出来的模具成型质量较低。本论文所研究课题是借助于三维设计软件Pro/e， 对儿童早教机模具进行设计、建模以及装配，在总体上实现了模具的结构合理性。然后通过对塑件的成型过程进行计算机有限元模拟分析，有效地预测了实际生产中可能出现的问题，确定了产品的最佳成型工艺参数。通过对相关工艺参数的调整，改善了原有模具设计方案中的不足之处。利用 CAD/CAE 技术对儿童早教机模具进行设计与计算机模拟分析，有效地缩短了产品的研发周期、模具设计周期和加工周期
2、, 提高了一次试模成功率。关键词：注塑模具；成型；模具设计；有限元模拟分析山东科技大学学士学位论文IIABSTRACTThe traditional method of mold design and manufacture is based on two-dimensional engineering drawings; it has high demand on the experience of designers and workers. Not only its cycle is long, requires testing molds repeatedly, and also wi
3、th a low forming quality. The topic researched in this paper is by means of 3D design software called Pro/e, which can design, mould and assemble for kid-learning mold; it also can realize the rationality of molding structure on the whole. Then through the computerized finite element simulation anal
4、ysis for the plastic parts forming process, we can predict the possible problems of actual production effectively and also make sure of the best parameters of molding process. Through the adjustment of related parameters, we could improve the defects of original mould design project. The using of CA
5、D/CAE technology for kid-learning mold design and computer simulation analysis, not only shortens the product development cycle, mold design cycle and processing cycle effectively, but also improves the successful rate of once mold testing. Key words：Injection mold; Forming; Mould design; Finite ele
6、ment simulation analysis山东科技大学学士学位论文III目录1 绪论 -11.1 我国注塑模具发展现状与发展趋势 -11.2 课题研究的目的与意义 -42 儿童早教机前壳模具设计 -52.1 塑件成型工艺性分析 -52.2 模具型腔与分型方案设计 -82.3 注塑机的初选型与校核 -102.4 浇注系统设计 -132.5 推出机构设计 -192.6 成型零部件设计 -212.7 结构零部件设计 -252.8 冷却系统 设计 -302.9 本章小结 -333 模具三维实体造型 -343.1 塑件三维造型 -343.2 实体分模 -343.3 模架的创建 -363.4 本章小
7、结 -374 塑件成型过程的计算机模拟分析 -384.1 有限元分析方法的基本思想和特点 -384.2 MOLDFLOW 简介 -394.3 模拟分析计划与前处理 -394.4 最佳浇口位置分析 -414.5 现有方案的充填和流动分析 -424.6 产品成型 分析 -44山东科技大学学士学位论文IV4.7 本章小 结 -505 总结与展望 -516 参考文献 -527 致谢 -538 附录一 -549 附录二 -67山东科技大学学士学位论文11 绪 论1.1 我国注塑模具发展现状与发展趋势模具被称为工业产品之母，是现代工业必不可少的工艺装备。模具工业在经济发展中具有重要的地位，模具技术已成为衡
8、量一个国家产品制造水平的重要标志之一。根据塑料成型工艺方法的不同，通常将塑料模具分为注塑模具、压缩模具、传递模具、挤出模具、中空吹塑模具、热成型模具等。目前，塑料模具在整个模具行业中约占 30%左右，而在整个塑料模具市场中注塑模具的需求量最大。近年来国内注塑模具在质与量上都有了较大的提高，但是与国外的先进技术相比，我国的模具业还存在着精度低、结构欠合理、寿命短等一系列不足，许多企业依然处于需要技术改造、技术创新、提高产品质量、加强现代化管理以及体制转轨的关键时期。从全国塑料行业的区域分布上看，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列，浙江、江苏和广东三省的塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占
9、到 70。现在，这 3 个省份的不少企业已意识到塑料模具行业的无限商机，正积极组织模具产品的开发制造。目前，我国模具生产厂点约有 3 万多家，从业人数 100 多万人。2007 年销售额 365 亿人民币，同比增长 26%，出口 9.78 亿美元，同比增长 33.4%，均居世界前列。在我国，广东、上海、浙江、江苏、安徽是主要的注塑模具生产中心，其中广东占我国模具总产量的四成，注塑模具比例进一步上升。从近几年的发展情况来看, 我国注塑模具市场发展前景十分乐观。许多模具企业十分重视技术发展, 增大了用于模具技术研发的投资, 现今从事模具技术研究的机构和院校已有 30 余家，从事模具技术教育培训的院
10、校已超过 50 家。我国最大的注塑模具单套重量己超过 60 吨，最精密的注山东科技大学学士学位论文2塑模具精度己达到 0.5 微米。制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模 7800 腔的塑封模。模具寿命有了很大提高，己可以达到 100 万模次以上。高速模具方面也有较大发展。在 CAD/CAM 技术得到普及的同时，CAE 技术的应用也越来越广，以 CAD/CAM/CAE 为核心的一体化技术得到了很大发展。模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。从整体上来看我国塑料模具无论是在
11、数量上，还是在质量、技术和能力等各方面都有了很大的进步，但是与国民经济发展的需求，以及世界先进水平相比，差距仍然很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。 模具是工业的基础工艺装备，在电讯、汽车、摩托车、电机、电器、仪器、家电、建材等产品中，80%以上都要依靠模具成形，用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产力和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。因此，我们应该认清形势，认准方向加快发展速度，而不是永远依靠进口产品。当然，近
12、年来我国的注塑模行业发展速度也不可小觑，塑料模具也已显示出一些新的发展趋势： 1、大力提高注塑模开发能力将开发工作尽量往前推，直至介入到模具用户的产品开发中去，甚至在尚无明确用户对象之前进行开发，变被动为主动。目前，电视机和显示器外壳、空调器外壳、摩托车塑件等已采用这种方法，手机和电话机模具开发也已开始尝试。这种做法打破了长期以来模具厂只能等有了合同，才能根据用户要求进行模具设计的被动局面。 山东科技大学学士学位论文32、注塑模具从依靠钳工技艺转变为依靠现代技术随着模具企业设计和加工水平的提高，注塑模具的制造正在从过去主要依靠钳工的技艺转变为主要依靠现代技术。这不仅是生产手段的转变，也是生产方
13、式的和观念的转变。这一趋势使得模具的标准化程度不断提高，模具精度越来越高，生产周期越来越短，钳工比例越来越低，最终促进了模具工业整体水平不断提高。3、模具生产正在向信息化迅速发展在信息化社会中，作为一个高水平的现代模具企业，单单只是CAD/CAM 的应用已远远不够。目前许多企业已经采用了CAE、CAT、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP 等技术及其它先进制造技术和虚拟网络技术等，这些都是信息化的表现。向信息化方向发展这一趋向已成为整个模具行业的共识。4、注塑模向更广的范围发展随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必将不断发展，因此对模具的要求也越来越高。为满足市场
14、需要，未来的塑料模具无论是品种、结构、性能还是加工都必将有较快发展。超大型、超精密、长寿命、高效模具；多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到发展。各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补和研磨等新工艺也会得到不断发展。由于塑料模具零配件形状复杂、设计灵活，对模具材料、设计水平及加工设备均有较高要求，并不是人人都可以轻易涉足的。专家认为，目前中国与国外水平相比还存在较大差距，眼前需尽快突破制约模具产业发展的三大瓶颈：一是加大塑料材料与注塑工艺的研发力度；二是塑模企业应向园区发展，加快资源整合；三是模具试模结果检验等工装水平必须尽快跟上，否则塑料模具发展将受到制约。山东科技大学
15、学士学位论文41.2 课题研究的目的与意义本课题的任务是设计一套儿童早教机前壳用注塑模具，并制定相应的产品成型工艺方案。模具要求结构合理，动作准确可靠，能够保证产品的尺寸精度及表面质量。然后根据设计结果绘制产品和模具的三维实体模型，并对塑件的成型过程进行计算机有限元模拟分析，找出设计方案中的不足之处予以改善。此次毕业设计实践过程旨在：综合运用大学四年来所学知识，锻炼提高自身分析和解决实际问题的能力；进一步巩固有关注塑成型的专业基础知识，加深对注塑模具设计过程的体会和了解；在模具设计过程中适当运用 CAD 软件进行建模和 CAE 软件进行有限元分析，巩固和提高自身应用软件的能力；适当查阅有关注塑
16、模具的外语文献，了解国外模具行业的发展现状，提高自身的英语阅读水平和查阅外文文献的能力。为几个月后正式走上工作岗位做好铺垫。早教机是专门为儿童提供早期教育，促进孩子学习兴趣的教育类电子产品，兼具娱乐和学习双重功能。全方位训练儿童学习能力，帮助孩子培养兴趣，增加潜能，对幼儿注意力、思维能力等方面的提升有很大帮助。既能开启孩子内在潜能，又能教孩子挖掘自身爱好。中国有句谚语，“三岁看大，七岁看老”，这强调的就是儿童早期教育的重要性。在这个很重视儿童早期教育的时代，外形和功能各异的早教机无疑是一个潜力巨大的市场。但对于我们这些从事设计的人员来说，如何把产品和模具设计好，改善其缺陷，使其在市场竞争中占有
17、一席之地才是最关键的，从这个角度看，这必然又是一个巨大的挑战。山东科技大学学士学位论文52 儿童早教机前壳模具设计2.1 塑件成型工艺性分析2.1.1 塑件要求及结构工艺性分析1塑件名称 儿童早教机前壳2塑件材料 ABS 工程塑料3生产类型 大批量生产4精度等级 一般精度 MT3 级（GB/T14486-93）5外观要求 产品外观精美，尽量不要有影响外观的痕迹6塑件结构及工艺性分析儿童早教机外壳是典型的一般精度电子玩具类产品塑件，零件的正反面三维外观图分别如图 2.1 与图 2.2 所示：图 2.1 塑件正面图 图 2.2 塑件反面图塑件的长宽最大尺寸均在 220mm 左右，属于中等尺寸产品。
18、精度方面因为无特殊要求，产品采用一般精度等级 MT3。塑件的精度虽然不高，但要与下壳体配合组装成完整产品，因此应该严格控制塑件相关尺寸的变山东科技大学学士学位论文6形量，塑件的最大尺寸为 225mm，查阅标准 GB/T14486-93 可知，为满足产品的精度要求，必须控制塑件在最大尺寸方向上的最大变形量不超过0.92mm。塑件的壁厚较为均匀，平均在 2mm 左右。塑件形状整体呈方形，虽然没有侧孔、凸台等结构，但塑件的曲面较多，属于中等复杂程度产品。表面质量方面，由于其内表面为非工作面，故无特殊要求，只要求外表面光滑无痕即可。综上所述，儿童早教机前壳属于电子玩具产品中尺寸精度要求、外观结构及表面
19、质量要求都不太高的中型薄壁注塑件。但在模具设计过程中，也应综合考虑塑件要求与产品生产类型之间的关系，在保证产品质量的前提下尽量降低生产成本，提高生产效率。2.1.2 产品材料特性分析产品原材料采用 ABS（非结晶性）通用热塑性工程塑料，其全称为丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，顾名思义它是丙烯腈（15%35%）、 1,3-丁二烯（5% 30%） 、苯乙烯 （40%60% ）三种单体的接枝共聚物，ABS 是其英文名称 Acrylonitrile Butadiene Styrene 的首字母缩写 。ABS 共聚物中三种单体的最常见比例为 A:B:S=20：30：50，只要改变三者的比例、聚合方法、颗粒的尺寸，便可以生产出一系列具有不同冲击强度、流动特性的ABS 品种。ABS 树脂的三种单体分别具有不同的作用，丙烯腈为其提供硬度、耐热性、耐酸碱盐等化学性质；丁二烯为其提供低温延展性和抗冲击性；苯乙烯为其提供硬度、加工的流动性及产品表面的光洁度等性质。ABS 树脂的使用性能和成形性能如下：1综合性能较好，化学稳定性和电性能良好。2冲击韧度、机械强度较高，尺寸稳定性好。广泛用于电子产品外壳、玩具以及日常塑料用品的成形。3易于成型和机械加工，于 372 有机玻璃的熔接性良好，可作双色成形
