本科毕业设计(论文)
基于Pro/E的产品外壳模具设计
学院名称 机械与汽车工程学院 专业班级 材控12-2
学生姓名 杨以勇
导师姓名 曹芳
年月日
基于Pro/E的产品外壳模具设计
作者姓名杨以勇 专业材料成型及控制工程 指导教师姓名曹芳 专业技术职务讲师
目录
摘要 ....................................... 1
第一章绪论 .................... 3
1.1选题依据 ................................. 3
1.2国内外研究现状及其发展趋势 ........................................................ 4
1.2.1国外的发展现状................... 4
1.2.2国内的发展现状................... 5
1.3研究内容、目的及意义 .................................................................... 7
1.3.1研究内容 .............................. 7
1.3.2研究目的及意义................... 8
第二章塑件的工艺性分析 ...................................................... 9
2.1塑件原材料分析 ..................... 9
2.2塑件结构特征分析 ................ 10
2.3模流分析 ............................... 11
2.3.1浇口位置分析 .................... 11
2.3.2塑料熔体填充分析 ............. 11
2.3.3冷却质量分析 .................... 12
2.3.4熔接痕分析 ........................ 12
2.3.5气泡分析 ............................ 13
I
2.3.6注射温度分析 .............................................................................. 13
第三章模具结构设计 ............................................................ 13
3.1模具型腔数目及排布方式的确定 .................................................. 13
3.2注塑机的选用 ................................................................................ 14
3.3分型面的设计 ................................................................................. 15
3.4成型零部件设计 ............................................................................. 17
3.5浇注系统设计 ................................................................................. 19
3.5.1主流道设计 .................................................................................. 19
3.5.2分流道设计 .................................................................................. 20
3.5.3 浇口设计 ...................................................................................... 22
3.5.4冷料穴与拉料杆设计 ................................................................... 22
3.6注塑机有关参数校核 ...................................................................... 23
3.7排气系统设计 ................................................................................. 25
3.8模架设计 ......................................................................................... 25
3.9推出机构设计 ................................................................................. 26
3.9.1顶杆设计 ...................................................................................... 27
3.9.2复位杆设计 .................................................................................. 27
3.9.3推杆固定板和推板设计 ............................................................... 28
3.10合模导向机构设计 ........................................................................ 29
II
3.11冷却系统设计 ............................................................................... 29
第四章数控加工 .................................................................... 30
4.1数控加工模块简介 .......................................................................... 30
4.2上模固定板的数控加工 .................................................................. 31
第五章模具总装图及开模仿真 ............................................ 32
5.1模具总装图 .................................................................................... 32
5.2模具工程图 .................................................................................... 33
5.3开模仿真 ........................................................................................ 34
第六章总结 ............................................................................ 34
参考文献 ....................................................................................... 36
致谢 ............................................................................................... 38
III
齐鲁工业大学2016届本科毕业设计（论文）
摘要
注射成型是热塑性塑料的主要成型方法之一，该方法可以对形状复杂的精密零件进行一次成型。近年来注塑模具在热塑性塑料的成型中被广泛应用，相比于其他塑料成型模具来说，注塑模具成型的塑料制品具有成型质量好、生产效率高等优点。本课题主要研究了家电产品外壳注塑模具的整个设计过程，介绍了注塑模具的成型工艺及工作原理。从家电产品外壳模具的实际情况出发，首先利用Pro/E自带的模流分析模块塑料顾问对塑件进行成型工艺分析，然后进行注塑机的选择以及相关参数的校核、确定型腔数量及布局、确定模具的总体尺寸等。设计主要包括模具分型面的选择和成型零部件的设计，浇注系统、推出机构、合模导向机构以及冷却系统的设计。设计过程主要利用Pro/E进行完成，最终实现模具开模仿真及总装图，并使用 Pro/E 软件中的数控加工模块对典型零部件进行数控加工生成NC代码，完成本次的设计。利用Pro/E软件进行注塑模具的设计能够提高产品设计的准确性，缩短产品的设计周期，以达到降低产品设计成本的目的。
关键词:家电产品外壳 ABS塑料 Pro/E 注塑模
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ABSTRACT
Injection molding is one of the main forming methods of the main forming methods of thermoplastics plastics, this method can be used to make a precise part with complex shape. In recent years, the injection mold is widely used in the forming process of thermoplastic plastics. Compared with other plastic mold, injection mold plastic products with good molding quality, high production efficiency. This paper mainly studies the whole design process of the injection mold for the outer shell of the household electrical appliance, and introduces the forming process and working principle of the injection mold. This design starts from the actual situation of the shell mold of the household electrical appliance. First of all, the use of plastic advisor to the plastic parts molding process analysis, the model flow analysis module of Pro/E, the selection of injection molding machine and related parameters of the check, determine the number and layout of the cavity, and determine the overall size of the mold and so on. The design mainly includes the determination of mold parting surface selection and molding parts of the design, casting system, pushing mechanism, mold closing guide structure and design of cooling system. The design process mainly uses Pro/E to carry on the completion, the final completion of mold opening simulation and assembly drawing. Using of NC machining module of Pro/E software to generate NC code of typical parts and components to complete the design. Using Pro/E software for injection mold design can improve the accuracy of product design, shorten the product design cycle, in order to achieve the purpose of reducing the cost of product design.
Key words:Household electrical appliances plastic shell; ABS; Pro/E; Injection mold
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第一章绪论
1.1选题依据
模具是当今我国制造业中最根本的工艺设备，模具制造水平的高低已逐渐成为衡量一个国家工业能力乃至综合国力的标志。这是因为每种产品的质量、精度、以及外观造型都与模具的设计息息相关。模具主要是运用其特有的型腔形状来完成具有特定形状和尺寸的产品，它主要是利用型腔内壁来限制液态或者固态成型材料的流动，来获得所需的产品形状。模具成型工艺具有产品成型周期短、成本低材料利用率高，成型质量好等优点而得到普遍应用[1]。
模具工业是支撑国民经济最主要的工业之一，所以其有着“永不衰亡工业”的美誉。模具工业的不断创新和进步，日渐成为人们关注的焦点。模具工业不仅是高新技术产业的重要组成部分，而且是高新技术产业的所研究的重要领域[2]。 现如今信息技术的不断完善和发展已逐渐成为推动模具工业朝着精密化、产业化发展的关键力量。正是由于CAD/CAM/CAE等技术广泛应用于模具工业，使得模具产品的设计研发技术取得了质的飞越。除此之外，高精度数控加工设备的广泛应用也为模具设计制造技术的进步和发展提供了便利条件，逐渐实现高新技术产业化。
当今世界越来越成为一个你中有我我中有你的命运共同体，各国对建材、家用电器、电子信息产品等各大领域的塑料制品的需求逐渐成增长态势，这为注塑模具行业的发展打下坚实的基础。模具行业的进步发展不仅是满足人们日益增长的物质需求的基础，更是国家综合国力的根本保障[3]。模具在汽车、轨道交通、家电产品、化工、航天航空等重要领域中日渐发展成为主要的成型设备，它主要承担了日常生活中半数以上的产品的生产制造。模具的重要作用主要体现在工业生产的巨大需求之上，以当今的汽车生产的来说，汽车行业对模具应用更为广泛，对美国、德国、日本、韩国等汽车产业的发达国家来说，汽车产业在整个模具市场的占比更为突出，能达到将近50%。在我国，随着自主品牌汽车的不断发展壮大，汽车车型的种类丰富多样，对各种汽车零部件的需求量也逐渐增加，生产一辆车所用到的模具达到几百种甚至上千种，价值相当可观。为了不断满足消费者需求，车辆生产厂家需要对现有车型不断进行更新换代，每换一代车型大约需要更换百分之八十的汽车模具，价值相当可观。因此，大力扶持汽车模具行业的发展变的尤为必然，国家也陆续出台一系列相关政策方针来引导模具产业朝着更加精密化、专业化方向发展。由此看来，模具行业在当今制造业中具有举足轻重的地位，模具行业的发展水平在很大程度上决定着当代工业生产的发展方向和水平，更是我国能够跻身世界制造强国的根本保障[4]。
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1.2国内外研究现状及其发展趋势
1.2.1国外的发展现状
正因为模具行业在当今世界制造业中举足轻重的地位，所以人们不断对现有模具进行完善和创新。对于传统模具的设计，为了能够得到较高质量的产品，在模具的修模与安装调试方面往往需要多次反复进行。因此，传统模具的设计不仅对设计师提出更高要求，而且模具的整个设计开发过程还需要承担更高的成本。随着科技的不断进步和计算机技术的飞速发展，CAD/CAM/CAE等技术也逐渐被应用于模具工业，并且取得了良好的应用效果[5]。
就目前国外注塑模具的研究来看，在上世纪中叶，科学家Copper、Ballman等人最先掌握了液态塑料在模具中的流动轨迹，该发现主要是借助数值模拟的方法进行的，因此揭开了人们对液态塑件流动性研究的序幕[6]。此后，上世纪六七十年代，科学家Dusinberre推理出了液态熔体塑料的一维非稳态传热计算模型之后科学家Hieher将一维流动不断完善发展推理出了液态塑料在模具型腔的二维流动模型。该二维流动模型主要是借助有限元差分法得到的，为后来的二维流体以及冷却分析软件的发明打下坚实的基础。随后科学家Austin C和Wang H.P 利用有限元分析法成功的计算推理出了冷却过程温度场的分布[7]。直到上世纪八十年代后期，科学家利用流动路径法，成功的完成了对塑料流体在型腔中的整个三维填充过程的分析，而且还利用有限元法以及有限差分混合法计算出型腔的压力、温度等，然后利用体积控制法完成了对塑料流体流动前沿位置的确定[8]。九十年代后期，研究人员对注塑过程中的冷却、流动、翘曲变形以及CAD/CAM/CAE的集成化都进行了更加深刻的研究 [9]。目前为止，我国在注塑CAE分析软件方面与国外尚存在差距，国外的注塑模具CAD/CAE/CAM技术的快速发展为我国注塑模具技术的不断进步发展提供了重要依据，国外应用比较成熟的注塑模分析设计软件主要有[10]：
1.由美国参数计数公司（PTC）设计开发的Pro/E软件被众多国内外设计师熟知，其作为专业性极强的CAD/CAM/CAE三维设计软件被广泛应用于各大行业。Pro/E在注塑模具设计领域拥有举足轻重的地位，因此其能够得到业界的广泛认可，作为执掌CAD/CAM/CAE领域的新标杆[11-12]。
2.由美国EDS公司设计研发的三维设计软件UG也有极为广泛的应用，在三维设计过程中UG以其特有的全方位数字化设计和验证方法为特点，能够为设计人员提供强有力的解决方案。
3.由澳大利亚Moldflow公司开发的CAE分析软件能够准确的分析整个注塑成型流程并完成对塑料零件的优化改进。该软件也被模具设计制作人员广泛采用，经过该软件对零件的成型工艺进行可行性分析后，能够从浇口位置的选择、
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塑件壁厚、材料选择等方面对产品的生产制造提供有效依据。除此之外，用户可以利用Moldflow分析软件的几何图形支持功能有效的获得可行性方案。
4.由美国SOLDWORKS公司设计开发的SOLID-WORKS三维设计软件是模具设计领域的又一款杰作。SOLID-WORKS具有操作简单、易于设计人员上手掌握等优点，它主要针对机械设计行业进行新产品的研发。此外，该公司能够为用户提供特有的软件整合的功能，能够得到制造商的广泛认可。比如，CATIAV5软件就是SOLIDWORKS公司的产品，总而言之，该公司的CAD产品在世界上有着重要地位[13-14]。
基于众多优秀注塑模具设计开发软件平台的普遍推广，国外一些优秀的科学家在注塑模具应用方面取得了很大的成就，其中主要的注塑模技术研究如下：
日本科学家关户滕己等人以CADCEUS软件作为研究平台，论述了DKS思想在注塑模具设计开发中的应用理念，同时阐述了该技术还可以为冷却管道注塑模具DKS功能提供支持，能够把冷却管道的设计原则和CAD技术相分离，并且可以在相同时间内运行模型绘制功能和参数运行功能，使设计研究人员实现了可视化设计和再循环使用，大大缩短了整套模具的设计周期。
来自澳大利亚的科学家K.Shelesh-Nezhad和Prof.E.Siores[15]拥有多年的注射成型研究经验，首次提出了运用专家系统来确定注射参数之间的关系，该种方法的成功实现主要是借助基于规则和基于事例推理技术的综合，通过前者所提到的技术，对之前所确定的参数进行修正，同时将注射模参数的校核分成三个阶段。首先根据零件的几何构造、塑料熔体的流动特点把事例库中与之适应的范例提出，然后按其相似程度把武安不需要解决的问题划分为不同的等级，最后得到解决问题的全部关系，得到相应后置处理的方案。
德国科学家Roller[16]首次运用交互式的方法建立起参数化模型。在整个设计开发过程中，由相关的几何来约束拓扑参数支持技术和自动存储功能，此外还能够自行记录作图的次序以及对用户的设计要求，因此能够得到更加权威的信息。实际生产过程中系统存储模型与制件的结构尺寸有很大的相关性，往往通过变量处理器功能来评判模型的形状。总而言之，该方法对于产品的概念设计方面是非常行之有效的，因而对CAD系统在应用的友好性上提高了一个层次。
美国科学家Aldefeld[17]通过几何推理和符号操作的方法建立起新的几何模型，这是一种由建立参数化模型来进行研究推理的方法。在该项研究之中，由已经确定约束系统的公式以及几何元素来确立起二维模型。该模型的变更处理主要是在一个基于规则的系统上实现的。总而言之，国外的注塑模CAD/CAE/CAM技术的发展逐渐走向成熟。
1.2.2国内的发展现状
相比于国外而言，我国在塑料模具方面起步较晚，半个多世纪以来，我国在
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塑料模具方面的研究取得了突出成果，模具研究水平有了较大的提高，但是与国外更加先进的开发水平尚有着较大差距，因此还有很长一段路要走。塑料工业的不断发展为塑料模具的发展提供了便利条件。近年来我国塑料模具研究水平不断提高，无论在技术、精度还是在生产能力上都取得了较大的发展。我国模具行业主要有以下特点[18]：
（1）国外先进的CAD/CAE/CAM技术在国内的普遍应用。现如今CAD/CAE/CAM技术在塑料模具的设计开发过程中的应用尤为普遍，主要体现在产品结构工艺的可行性分析、三维零部件的设计、整套模具的设计开发、数控加工模块及CNC代码的生成等方面。塑料模具的设计人员能够应用计算机辅助分析技术对塑件进行浇口位置、冷却质量、填充时间、气泡等进行分析。因此能够进一步对模具结构设计进行优化，降低模具的设计研发周期。
（2）电子信息产业技术的应用。随着电子信息技术水平的不断提高，进一步为模具的设计开发提供了便利条件。模具生产厂家可以根据客户所提供的产品信息来进行预先的设计构想、生产制造、后期审核、提供产品报价等，大大缩短整个模具的设计开发周期，为扩大我国模具的出口创造了有利条件。
（3）模具的气体辅助注射成型技术更加成熟。该技术的应用在短短几年时间得到快速发展，目前为止国内不少制造商把该项技术应用在一些家电产品的设计上，比如电视机、洗衣机、电冰箱等外壳的设计，都取得了良好的成果。
（4）热流道技术的应用。随着热流道技术的不断发展，但是从全国总体范围来看，热流道技术在模具制造行业的应用范围并不是很大，对于某些模具制造企业热流道技术的应用能达到总生产量三分之一左右。目前，普通的内热式、外热式和分流板多点热喷嘴的应用逐渐得到普及，我国也能够自行设计先进的通断控制式以及针阀式喷嘴，使其逐渐国产化。
（5）复杂精密的大型模具设计水平的提高。就目前来看，我国生产制造的小型塑料模具在精密性水平方面与国外相差不大，汽车饰品、彩色电视机外壳、洗衣机滚筒注塑模等中大型模具的生产水平也逐渐接近世界的平均水平。我国能够自行生产制造出尺寸精度为6～7级的塑料模具，其最大吨位能达到50吨。
（6）模具的使用寿命不断延长。优先选用优质的模具钢、对模具成型零部件进行合适的热处理以及选用高标准的模架结构能有效延长模具的使用寿命，近几年随着模具寿命的不断提高，部分模具的使用寿命已经可以达到一百万次以上。
（7）模具生产效率不断提高。我国自行设计生产的挤出速率能够达到215m/min以上的塑料挤出模已经非常普遍，采用多腔注塑以及热流道技术的应用使模具生产效率显著提高。同时，合理的设计冷却系统也是为模具生产效率大幅度提高创造了条件。
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就目前国内对注塑模CAD/CAE/CAM研究水平来看，之所以注塑模CAE技术在我国的普及程度不是太高，其原因主要归结于以下几个方面：一是由于注塑模CAE技术对设计师的软件操作能力要求比较高；二是注塑模CAE技术在我国模具行业目前还没有获得明显经济收益[19]。因此，如果想要获得可靠的模拟分析结果，发现产品的质量缺陷以及有效的解决方案，就必须要求设计工程师能够掌握模具设计、产品设计、整个注塑成型工艺规程以及丰富的模具设计实践经验
[20]。
近几年我国也拥有了众多拥有自主知识产权的CAE注塑成型软件，主要有以下几种：
（1）由华中科技大学主持设计开发的HSCAE软件，并且和以前设计开发设计的HSCAD软件相集成。该软件目前在国内的应用已经比较成熟，并且已经和国内八十余家学校以及工厂进行合作推广[21]。
（2）由华中理工大学国家重点模具设计实验室主持设计开发了我国第一个注塑模设计集成系统HSCZ.O[22]。
（3）由郑州工业大学自主设计开发的计算机辅助注塑模分析软件Z-MOLD，该软件能够实现模拟条件下成型条件对制件成型质量的影响。因此可以在模具进行制造前对塑件的最终成型质量情况进行分析，能够清晰的分析塑件在充填过程中对的成型温度、成型压力、成型时间以及冷却过程中的冷却质量、熔接痕、气泡等缺陷，为模具设计开发人员提供可靠的理论依据[23]。
（4）北京华正模具设计研究所和美国Ac-Tech公司合作开发了一款中文注塑成型辅助软件CAXA-IPD，成为又一款国产化注塑模设计分析软件[24]。
（5）台湾国立清华大学自主设计开发的塑料模具设计分析软件Moldex3D，由于采用了独创的动态数值计算引擎，该软件具有世界领先的模流分析运算速度。它具有操作简单、运算准确、成本低廉等优点，因此设计工程师能够在短时间
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