材料加工CAD-CAM基礎(chǔ)及應(yīng)用第09章 注塑模具CAD系統(tǒng)及其開發(fā)

第9章 注塑模具CAD/CAM系統(tǒng)及其開發(fā)注射模具的基本結(jié)構(gòu)注射模具設(shè)計(jì)制造的特點(diǎn)及發(fā)展階段注射模具CAD的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)流程注射模具成型零部件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模架的建庫與選用典型結(jié)構(gòu)與零件設(shè)計(jì)模具工作過程運(yùn)動仿真結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)度與剛度校核NX

Moldwizard系統(tǒng)簡介9.1

注射模具的基本結(jié)構(gòu)注射模具的典型結(jié)構(gòu)注射模具的分類9.1.1

注射模具的典型結(jié)構(gòu)(1)成型部件–成型部件由型芯和凹模組成。(2)澆注系統(tǒng)–澆注系統(tǒng)又稱為流道系統(tǒng)，它是將塑料熔體由注射機(jī)噴嘴引向型腔的一組進(jìn)料通道，通常由主流道、分流道、澆口和冷料穴組成。(3)導(dǎo)向部件–為了確保動模與定模在合模時(shí)能準(zhǔn)確對中，在模具中必須設(shè)置導(dǎo)向部件。(4)推出機(jī)構(gòu)–在開模過程中，需要有推出機(jī)構(gòu)將塑料制品及其在流道內(nèi)的凝料推出或拉出。(5)調(diào)溫系統(tǒng)–為了滿足注射工藝對模具溫度的要求，需要有調(diào)溫系統(tǒng)對模具的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。9.1.1

注射模具的典型結(jié)構(gòu)(6)排氣槽–排氣槽用以將成型過程中型腔的氣體充分排出。(7)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)–有些帶有側(cè)凹或側(cè)孔的塑料制品，在被推出以前必須先進(jìn)行側(cè)向分型，抽出側(cè)向型芯后方能順利脫模，此時(shí)需要在模具中設(shè)置側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。(8)標(biāo)準(zhǔn)模架–為了減少繁重的模具設(shè)計(jì)與制造的工作量，注射模大多采用了標(biāo)準(zhǔn)模架結(jié)構(gòu)，如圖9-1中的定位圈1、定模座板3、定模板4、動模板5、動模墊板6、動模底座7、推出固定板8、推板9、推桿11、導(dǎo)柱12等都屬于標(biāo)準(zhǔn)模架中的零部件，都可以從有關(guān)廠家訂購。9.1.1

注射模具的典型結(jié)構(gòu)圖9-1 典型的單分型面注射模具結(jié)構(gòu)1—定位圈 2—主流道襯套 3—定模座板 4—定模板 5—動模板6—動模墊板11—推桿7—動模底座 8—推出固定板 9—推板 10—主流道的拉料桿12—導(dǎo)柱 13—型芯 14—凹模 15—冷卻水通道9.1.2

注射模具的分類1.單分型面注射模具（兩板式）2.雙分型面注射模具（三板式）3.帶有活動鑲件的注射模具4.帶側(cè)向分型抽芯的注射模具5.自動卸螺紋的注射模具6.推出機(jī)構(gòu)設(shè)在定模的注射模具7.無流道凝料注射模具圖9-2 雙分型面注射模具1—定距拉板 2—彈簧 3—限位銷 4—導(dǎo)柱 5—推件板 6—型芯固定板 7—動模

墊板 8—動模座板 9—推板 10—推出固定板 11—推桿 12—導(dǎo)柱

13—定模板 14—定模座板 15—主流道襯套9.2

注射模具設(shè)計(jì)制造的特點(diǎn)及發(fā)展階段(1)小批量、多品種–在實(shí)際生產(chǎn)中，一般是一件塑料制品需要一副模具，因而模具結(jié)構(gòu)形式千變?nèi)f化。(2)外部約束條件多–要選擇適合的塑料并對所選塑料的性能參數(shù)及工藝條件進(jìn)行認(rèn)真考慮，要考慮注射機(jī)的注射量、注射壓力、鎖模力、機(jī)架尺寸和剛度等條件，還要充分考慮塑料產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)、尺寸大小、使用場合和生產(chǎn)批量等需求。(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且靈活多變–注射模具包含模架、成型零部件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、脫模機(jī)構(gòu)等部分(4)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性–模具結(jié)構(gòu)在很大程度上依賴于制品的結(jié)構(gòu)形狀，這突出表現(xiàn)在模具的成型零件上，因?yàn)樾颓怀尚椭破返耐獗砻?，型芯成型制品的?nèi)表面和局部細(xì)節(jié)，同時(shí)，模具的澆注系統(tǒng)、分型面、脫模機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)都依賴于制品形狀。(5)標(biāo)準(zhǔn)化程度高–盡管注射模種類繁多，但是在結(jié)構(gòu)上存在很大的相似性，除了成型零件取決于制品外，其余的主要零件基本上可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。(6)經(jīng)驗(yàn)性與試探性強(qiáng)–正是由于模具設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，再加上注塑工藝的許多機(jī)理難以用簡單的定量關(guān)系表達(dá)，其成型過程存在著許多不確定性，因而要求模具設(shè)計(jì)師具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且設(shè)計(jì)出來的模具一般都要經(jīng)過反復(fù)的試模與修模過程。9.2

注射模具設(shè)計(jì)制造的特點(diǎn)及發(fā)展階段(1)手工作坊設(shè)計(jì)階段–這一階段一直持續(xù)到CAD技術(shù)的發(fā)展初期，當(dāng)時(shí)的注射模具設(shè)計(jì)，純粹依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、技巧和現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料，從塑件的工藝計(jì)算到注射模具的設(shè)計(jì)制圖，全靠手工操作完成，是一種手工作坊式的設(shè)計(jì)方式，生產(chǎn)效率極為低下。(2)通用CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段–20世紀(jì)70年代，以手工為主的作坊式注射模生產(chǎn)在質(zhì)量和數(shù)量上已跟不上塑料工業(yè)高速發(fā)展的形勢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用戶“高質(zhì)量、短周期、低價(jià)格”的要求，于是人們開始嘗試使用當(dāng)時(shí)比較成熟的通用CAD系統(tǒng)進(jìn)行注射模設(shè)計(jì)。9.2

注射模具設(shè)計(jì)制造的特點(diǎn)及發(fā)展階段(3)專用注射模具CAD系統(tǒng)注射模設(shè)計(jì)階段–采用通用CAD系統(tǒng)進(jìn)行注射模設(shè)計(jì)，雖然在很大程度上提高了模具設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，但是，一方面在一定意義上來說，通用CAD系統(tǒng)只是一種幾何建模工具，并不是具有真正意義的設(shè)計(jì)工具，通用CAD系統(tǒng)對注射模設(shè)計(jì)效率的提高主要在于三維效果的增強(qiáng)、分析及建模速度的加快等，注射模設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的加入主要還是依賴于人工干預(yù)，每一次設(shè)計(jì)過程與手工實(shí)現(xiàn)基本一樣，設(shè)計(jì)效率并沒有從根本上得到提高。9.3 注射模具CAD的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)流程(1)注射制品的幾何造型–采用幾何造型系統(tǒng)如線框造型、表面造型和實(shí)體造型，在計(jì)算機(jī)中生成注射制品的幾何模型，這是注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步。(2)成型部分零件的生成–在注射模具中，凹模用以生成制品外表面，型芯用以生成制品內(nèi)表面。(3)標(biāo)準(zhǔn)模架選擇–采用計(jì)算機(jī)軟件來設(shè)計(jì)模具的前提是盡可能多地實(shí)現(xiàn)模具標(biāo)準(zhǔn)化，包括模架標(biāo)準(zhǔn)化、模具零件標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化及工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化等。(4)典型零件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)–這部分工作主要包括模具的流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻水道設(shè)計(jì)等。9.3 注射模具CAD的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)流程(5)模具零件圖的生成–模具設(shè)計(jì)軟件能引導(dǎo)用戶根據(jù)模具部裝圖、總裝圖以及相應(yīng)的圖形庫完成模具零件的設(shè)計(jì)、繪圖和標(biāo)注尺寸。(6)常規(guī)計(jì)算和校核–模具設(shè)計(jì)軟件可將理論計(jì)算和行之有效的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，為模具設(shè)計(jì)師對模具零件提供全面地計(jì)算和校核，以驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)等有關(guān)參數(shù)的正確性。圖9-3注射模的設(shè)計(jì)流程圖9.4

注射模具成型零部件的設(shè)計(jì)尺寸轉(zhuǎn)換制品修補(bǔ)型腔布置分型線與分型面的定義型芯型腔生成圖9-4 尺寸分類1—型腔內(nèi)形尺寸 2—型芯外形尺寸 3—型腔深度尺寸 4—型芯高度尺寸 5—中間距尺寸1.尺寸轉(zhuǎn)換圖9-5制品修補(bǔ)所采用的主要方法2.制品修補(bǔ)圖9-6 帶孔塑料飲料杯修補(bǔ)示意圖2.制品修補(bǔ)3.型腔布置布置形式比較固定矩型圓周型H型布置方法常用結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)、參數(shù)化，提供給用戶選擇重定位對單個或多個型腔進(jìn)行修改4.分型線與分型面的定義分型面的確定原則–1)分型面應(yīng)開在塑料產(chǎn)品最大輪廓處；–2)由于澆口和分流道經(jīng)常處于分型面上，選擇分型面要考慮便于澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；–3)避免在制品的光亮平滑處或圓弧過渡處開設(shè)分型面，以免留下溢料痕跡–4)盡量避免使用側(cè)向抽芯和分型機(jī)構(gòu)；–5)分型面的選擇應(yīng)有利于開模時(shí)將產(chǎn)品留在動模一側(cè)，便于脫模，簡化模具結(jié)構(gòu)；–6)對同軸度要求高的塑件，最好將要求同軸的部位放在分型面的同側(cè)；4.分型線與分型面的定義–7)盡量將抽芯距離長的方向放在動定模的開模方向，避免側(cè)向長距抽芯；–8)分型面的選擇應(yīng)使模具結(jié)構(gòu)簡單。創(chuàng)建分型面的步驟–1)用自動工具通過延伸、掃掠、擴(kuò)展、蒙面等方法直接從所定義的分型線中分段逐個創(chuàng)建片體(或創(chuàng)建一個自定義片體)，判斷分型面片體類型的流程如圖9-7所示；–2)縫合所創(chuàng)建的分型片體，使之從分型體開始到成型鑲件邊緣之間形成連續(xù)的邊界。圖9-7選擇分型面片體類型的流程圖5.型芯型腔生成生成步驟1）使用實(shí)體模型的差操作，將制品模型從其包圍盒中減去，得到一個含有空腔的模型。2）將前面所得的縫合曲面修剪該空腔模型便可得到型芯、型腔模型。9.5

標(biāo)準(zhǔn)模架的建庫與選用標(biāo)準(zhǔn)模架庫的建立標(biāo)準(zhǔn)模架庫的管理與調(diào)用9.5.1

標(biāo)準(zhǔn)模架庫的建立建庫方法與其他模具CAD標(biāo)準(zhǔn)件庫一致。模架庫的標(biāo)準(zhǔn)美國D-M-E標(biāo)準(zhǔn)模架日本雙葉金型材標(biāo)準(zhǔn)模架中國國家標(biāo)準(zhǔn)廠家廣泛采用的典型模架和結(jié)構(gòu)等9.5.2

標(biāo)準(zhǔn)模架庫的管理與調(diào)用圖9-8模架設(shè)計(jì)流程圖9.6

典型結(jié)構(gòu)與零件設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)脫模和頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖9-9 澆注系統(tǒng)組成1—主流道 2—分流道3—澆口 4—冷料穴1.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)主流道的設(shè)計(jì)–主流道是注射機(jī)與模具接觸的通道，為了使塑料凝料能從主流道中順利拔出，主流道都設(shè)計(jì)成圓錐形，具有2°～6°錐角，小端直徑常為4～8mm。(2)冷料穴的設(shè)計(jì)–冷料穴的作用是儲存因兩次注射間隔而產(chǎn)生的冷料頭及熔體流動的前鋒冷料，以防止熔體冷料進(jìn)入型腔，常見的形式有帶Z形頭拉料桿的冷料穴和帶球頭形拉料桿的冷料穴，所以冷料穴的設(shè)計(jì)主要就是拉料桿的設(shè)計(jì)。(3)分流道的設(shè)計(jì)–分流道是指主流道末端與澆口之間的整個通道，其功能是使熔體過渡和轉(zhuǎn)向，一般分為一級分流道(與主流道相接并呈垂直分布)和二級分流道(與澆口相連并與主流道平行)，二級分流道一般用在采用點(diǎn)澆口的澆注系統(tǒng)中。圖9-10 分流道截面形狀a)圓形 b)半圓形 c)矩形 d)梯形1.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)(4)澆口設(shè)計(jì)–澆口是連接流道與型腔之間的一段細(xì)短通道，它是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。圖9-11澆口分類2.側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)抽芯距離的計(jì)算–抽芯距離指的是活動型芯從成型位置抽至不妨礙制件脫模的位置所移動的距離。(2)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的種類及適用范圍–標(biāo)準(zhǔn)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)包括彈簧側(cè)向抽芯、斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯、斜滑板側(cè)向抽芯斜滑塊側(cè)向抽芯和彎銷側(cè)向抽芯等五大類。彈簧側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。斜滑板側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。斜滑塊側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。彎銷側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。(3)斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)–下面以斜導(dǎo)柱機(jī)構(gòu)為例說明設(shè)計(jì)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的一般步驟(圖9-12)。圖9-12斜導(dǎo)柱計(jì)算3.脫模和頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)簡單脫模機(jī)構(gòu)–由頂桿、頂管、頂出盤、回程和復(fù)位裝置組合而成，用于使用直澆口、側(cè)澆口的模具。(2)推板脫模–標(biāo)準(zhǔn)模架中有的類型已包含推板。(3)順序脫模機(jī)構(gòu)–當(dāng)模具采用點(diǎn)接口時(shí)，由于點(diǎn)澆口的澆道凝料不易取出，需要采用二次分型機(jī)構(gòu)。9.7

模具工作過程運(yùn)動仿真注射模具運(yùn)動的特點(diǎn)模具運(yùn)動模擬的方法干涉檢驗(yàn)的原理圖9-13雙分型面注射模運(yùn)動示意圖a)閉合充模 b)開模取出塑件和凝料1—定距拉板 2—壓縮彈簧 3—限位銷釘 4—導(dǎo)柱 5—脫模板 6—型芯固定板7—動模墊板 8—動模座 9—頂出板 10—頂出固定板 11—頂桿 12—導(dǎo)柱13—型腔板 14—定模板 15—型芯 16—主流道襯套圖9-14 斜導(dǎo)柱驅(qū)動的圓筒骨架瓣運(yùn)動示意圖a)合模狀態(tài) b)開模過程 c)開模終止1—斜導(dǎo)柱 2—側(cè)向成型滑塊 3—導(dǎo)滑槽 4—定位裝置5—鎖緊楔 6—圓筒骨架塑件 7—動模9.7.2

模具運(yùn)動模擬的方法斜導(dǎo)柱的運(yùn)動步距為圖9-15運(yùn)動仿真程序設(shè)計(jì)流程9.7.3

干涉檢驗(yàn)的原理干涉檢驗(yàn)的最簡單、可靠、完善的方法進(jìn)行形體間的求交運(yùn)算交為空：無干涉發(fā)生交不為空：有干涉發(fā)生9.7.3

干涉檢驗(yàn)的原理模具在運(yùn)動模擬中發(fā)生干涉的原因–(1)運(yùn)動分組和運(yùn)動參數(shù)設(shè)置不當(dāng)由于運(yùn)動組和運(yùn)動參數(shù)是由用戶手動設(shè)置，很容易出錯，如某個零件應(yīng)該在第一組，運(yùn)動距離為20，在分組時(shí)可能放在了第二組，運(yùn)動距離為30，在這種情況下就會產(chǎn)生干涉，所以，在模具模擬運(yùn)動的過程中出現(xiàn)干涉，首先要檢查運(yùn)動分組和運(yùn)動參數(shù)設(shè)置是否合理如果是這個原因，就需要對模具零部件的運(yùn)動進(jìn)行仔細(xì)分析，并對運(yùn)動方向和運(yùn)動距離重新設(shè)置。–(2)設(shè)計(jì)不當(dāng)如果運(yùn)動組和運(yùn)動參數(shù)沒有錯誤，那么便是模具結(jié)構(gòu)不合理或者是某個零件尺寸錯誤。9.7.3

干涉檢驗(yàn)的原理–(3)系統(tǒng)本身的誤差系統(tǒng)本身在計(jì)算零件及裝配體的位置和裝配約束關(guān)系時(shí)有一定的精度要求，但在模擬運(yùn)動的過程中，各運(yùn)動組的時(shí)間和路程計(jì)算上有時(shí)會存在一定的舍入誤差，尤其是存在側(cè)向抽芯和過盈配合的時(shí)候，就會產(chǎn)生實(shí)際設(shè)計(jì)的模具不會產(chǎn)生干涉，但在模擬過程中卻會產(chǎn)生干涉的情況，這需要用戶進(jìn)行仔細(xì)分析。9.8

結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)度與剛度校核校核準(zhǔn)則計(jì)算方法9.8.1

校核準(zhǔn)則模具的強(qiáng)度和剛度校核準(zhǔn)則–以型腔內(nèi)的最大壓力為準(zhǔn)。強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則–模具零件在各種受力形式下的應(yīng)力值不超過材料的許用應(yīng)力。剛度校核的準(zhǔn)則–模具沿合模方向的變形量和垂直于合模方向的變形量不超過允許值?？蓮囊韵氯矫娲_定：1)保證模具型腔不出現(xiàn)溢料。2)保證制品尺寸不超差。3)保證制品脫模順利。9.8.2

計(jì)算方法模具型腔形狀–規(guī)則–不規(guī)則通常簡化為規(guī)則型腔進(jìn)行計(jì)算。模具型腔受壓變形最明顯的部位–型腔內(nèi)側(cè)壁的撓曲變形–型芯的歪斜變形變形的簡化計(jì)算方法–1)疊加法計(jì)算將模具按其特性分成幾個元件，并考慮其彈性行為，計(jì)算模具的總變形量，即以所謂的疊加法計(jì)算模具的總變形量。–2)結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)、剛度有限元分析對注射模具進(jìn)行三維有限元變形分析或典型剖面的二維分析。圖9-16模具基本加載情況及變形計(jì)算關(guān)系式1.疊加法計(jì)算2.結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)、剛度有限元分析注射模典型剖面的二維變形分析注射模的三維有限元分析