风扇叶片注射模具设计

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第1章注射模可行性分析

1.1注射模设计的特点

塑料注射模塑能一次性地成型形状复杂、尺寸精确或嵌件的塑料制品。在注射模设计时。必须充分注意以下三个特点：

（1）塑料熔体大多属于假塑料液体，能剪切变稀。它的流动性依赖于物料品种、剪切速率、温度和压力。因此须按其流变特性来设计浇注系统，并校验型腔压力及锁模力。

（2）视注射模为承受很高型腔压力的耐压容器。应在正确估算模具型腔压力的基础上，进行模具的结构设计。为保证模具的闭合、成型、开模、脱模和侧抽芯的可靠进行，模具零件和塑件的刚度与强度等力学问题必须充分考虑。

（3）在整个成型周期中，塑件—模具—环境组成了一个动态的热平衡系统。将塑件和金属模的传热学原理应用于模具的温度调节系统的设计，以确保制品质量和最佳经济指标的实现。

1.2注射模组成

凡是注射模，均可分为动模和定模两大部件。注射充模时动模和定模闭合，构成型腔和浇注系统；开模时定模和动模分离，取出制件。定模安装在注射机的固定板上，动模则安装在注射机的移动模板上。根据模具上各个零件的不同功能，可由一下个系统或机构组成。

2 （1）成型零件

指构成型腔，直接与熔体相接触并成型塑料制件的零件。通常有凸模、型芯、成型杆、凹模、成型环、镶件等零件。在动模和动模闭合后，成型零件确定了塑件的内部和外部轮廓尺寸。

（2）浇注系统

将塑料熔体由注射机喷嘴引向型腔的流道称为浇注系统，由主流道、分流道、浇口和冷料井组成。

（3）导向与定位机构

为确保动模与定模闭合时，能准确导向和定位对中，通常分别在动模和定模上设置导柱和导套。深腔注射模还须在主分型面上设置锥面定位，有时为保证脱模机构的准确运动和复位，也设置导向零件。

（4）脱模机构

是指模具开模过程的后期，将塑件从模具中脱出的机构。

（5）侧向分型抽芯机构

带有侧凹或侧孔的塑件，在被脱出模具之间，必须先进行侧向分型或拔出侧向凸模或抽出侧型芯。

（6）温度调节系统

为了满足注射工艺对模具温度的要求，模具设有冷却或加热额的温度调节系统。模具冷却，一般在模板内开设冷却水道，加热则在模具内或周边安装点加热元件，有的注射模须配备模温自动调节装置。

（7）排气系统

3 为了在注射充模过程中将型腔内原有气体排出，常在分型面处开设排气槽。小型腔的排气量不大，可直接利用分型面排气，也可利用模具的顶杆或型芯与配合孔之间间隙排气。大型注射模须预先设置专用排气槽。

1.3塑料风叶设计与分析

风叶是利用一定空间曲面的叶片，通过主体的高速旋转产生风能。以前，大都是采用金属片材，经过模压制成风叶片。然后与风叶主体固定安装成风叶。由于模压叶片和装配等方面的原因，往往风叶的静、动平衡难以达到设计要求。经过较长时间的，由于涂层刮伤或脱落，以产生锈蚀，而且风叶的颜色单调，色泽不佳，不适合现代化（宾馆，大厦）等的通风排气和生活的需要。塑料风叶的优点在与：可以一次注射成型，不须装配、校正，省能省电；重量轻、惯性小，色彩丰富，色泽好，具有良好的动平衡性（塑料风叶叶片良好的弹性，在高速旋转过程中能适度地自动调节叶片的相对位置，使叶片处于良好的平衡状态）和装潢效果。

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图1-1 风扇立体图

塑料风叶如图1-1所示与金属材料风叶设计有相似的一面，但差异也很大，这是塑料本身和注射成型特点所决定的，由于风叶叶面是空间曲面，设计时应考虑模具的制造技术和制造能力，严格说，风叶叶片的形状应根据空气动力学原理来设计，但这样设计会使叶片形状复杂，给模具设计与制造带来困难，一般塑料风叶设计在保证一定风量情况下，采用简化设计风叶叶片的方法，如采用空间螺旋面、模拟曲面等。叶片的厚度应内厚外薄，逐渐过渡，以提高叶片的结构强度和刚度保证使用性能。主体部分设计要保证风叶的安装和定位，因此中心轴设计有嵌件，并且轮毂外还设计了一个安装定位的缺口。

1.4注射性能分析

（1）注射成型工艺的可行性分析：

本塑件形状复杂，壁厚不均，尺寸精度要求较高，而且有较高的表面质量和尺寸稳定性的要求，因此对模具和设备的要求也较高。而注射成型方法有如下几个优点：a:形状：几乎没有复杂性限制，容许模具内有不同塑料的成型型腔；

b:尺寸：塑件可小到不足1克，大到几十千克，没有限制；

c:材料：在一定温度范围内具有适宜流动性的热塑性塑料；

d:精度：可注射高精度的塑件，有较好表面质量和尺寸稳定性；

e:生产率：中等，循环时间主要由塑件壁厚决定，最短可在十几秒内，可增加每模的型腔数来提高生产率。

由以上塑件的特点和注射成型工艺的优点，分析可知：该塑件适合于采用注射成型方法。

5 （2）表面粗糙度：

由塑件外观可知，塑件的外表面要求较高，因此其表面粗糙度取Ra0.4mm，而其内表面由于是复读机的内部，为顾客视线所不及，故不影响其外观视觉质量，从简化加工工艺和节约加工成本的角度考虑，其内表面选用的表面粗糙度为Ra0.8mm。

一般情况下，模具粗糙度低于塑件1～2个等级，故取型腔表面粗糙度为Ra0.2um，而型芯表面粗糙度为Ra0.4um。

（3）尺寸精度：

按SJ1372—1978标准，塑料件尺寸精度分为8级。本塑件所用材料为AS塑料,由此查塑料模具设计手册可知，本塑件宜选用5级精度。零件具体尺寸及其公差值可详见零件图。

塑件尺寸精度于模具的制造精度密切相关，尤以小型精密塑件为甚。从模具制造精度对塑件精度的影响可知，模具制造允许误差和塑件尺寸公差之间具有对应的关系，由塑件零件图可得，模具精度等级为IT8。

（4）脱模斜度：

该塑件采用的塑料是AS，而AS的成型收缩率较小（0.2-0.6%），而且塑件较复杂，对型芯的包紧面积也较大，所以应取较大的脱模斜度。为保证壁厚的均匀一致，因此取塑料件的内外表面的脱模斜度一致。再由零件设计图纸要求可知α＝5。

（5）壁厚：

由图纸可知，该塑件有许多中不同的壁厚，轮毂壁较厚，风叶壁厚较薄，

因此要注意风叶可能会翘曲，不能在风叶处设计推杆。

（6）加强筋：

6 为了确保风扇中心嵌件与塑件外径的同轴度在外侧设计了三个加强筋，以防变形。

（7）圆角：

从塑件可知，该塑件内外表面的转折处加强筋的根部等处都设计了圆角。其采用圆角不仅降低了应力集中系数，提高了抗冲击、抗疲劳能力，而且改善了塑料熔体的流动充模性能，减少了流动阻力。降低了局部的残余应力，防止开裂和翘曲，也使塑料件外形流畅美观。而且成型模具型腔也有了对应的圆角，提高了成型零件的强度。1.5 材料选择

1.5.1塑料介绍

塑料（Plastics)是以有机高分子化合物为基础，加入若干其他材料（添加剂）制成的固体材料。

塑料的优点：塑料的强度较小，有较高的比强度。塑料还具有较高的电绝缘和热绝缘性，良好的耐磨性和耐腐蚀性，以及优异的成型工艺性。

塑料的缺点：强度，硬度较底，易老化等。

1.5.2 分析塑料材料

该塑件为风扇叶片，有以下特点：

（1）它所处的工作环境较好，处于室温下，不承受冲击载荷，也不处于酸、碱、盐性环境中；

（2）产量大，用于一般的日常生活中，故要求此塑件材料质优而价廉，且对人体不产生任何毒副作用。

（3）内部结构较复杂成型较困难。

（4）叶片是空间曲面成型和模具制造都很困难。

7 （5）要求要有较美丽的外观，很好的绝缘性。因此我初步选择采用通用塑料。

通用塑料分为聚乙烯（PE）、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、ABS 塑料等品种，多用于一般工农业生产和日常生活之中，具有价格低等特点。

（ａ）聚乙烯PE：是由乙烯单体聚合而成的。

特点：采用不同的聚合条件可得到不同性质的聚合物：有高压PE、中压PE、低压PE三种。

高压PE：由于有较低的密度、相对分子质量、结晶度，故质地柔软，由于含有较高的相对分子质量、密度、结晶度，故质地坚硬，耐寒性能良好，在－70℃时还保持柔软，化学稳定性很高，能耐酸、碱及有机溶剂，吸水性极小有跟突出的电气性能和良好的耐辐射性等。

缺点：是力学强度不高，热变形温度很低，故不能承受较高的载荷和不能在较高的温度下正常工作。

（b）聚苯乙烯PS：聚苯乙烯略早于聚丙烯问世，其原料十分丰富，是目前最广泛应用的材料之一。

聚苯乙烯的密度为 1.04~1.16g/cm3 ,比聚氯乙烯小而大于聚丙烯和聚乙烯。聚苯乙烯遇火会自燃。

聚苯乙烯的代号为（PS），其分子结构式为：

8 聚苯乙烯的主链上有结构庞大的苯环，故柔顺性差，质地脆硬，抗冲击性能差，敲打时发出类似金属的响声。

机械强度低于硬质聚氯乙烯，尤其是相对分子量较小的品种强度更差，聚苯乙烯属于非结晶型聚合物。

聚苯乙烯具有良好的可塑流动性和较小的成型收缩率，是成型工艺最好的塑料品种之一，容易制造形状复杂的制品。

聚苯乙烯无色透明，透光性仅次于有机玻璃，容易着色，常用于制造要求透明或颜色鲜艳的制品。

聚苯乙烯具有很小的吸水率，在潮湿的环境中尺寸变化很小，适用于制造要求尺寸稳定的制品，如仪表仪器壳体等。

聚苯乙烯具有优良的电绝缘性能，尤其是在高频条件下的介电损耗仍然很小，是优良的高频绝缘材料。聚苯乙烯的主要缺点是脆性大，形状复杂的制品成型后存在较大的内应力时，常会在使用中自行开裂。为改善聚苯乙烯的脆性，加入少量的聚丁烯可明显降低脆性，提高冲击韧性。这种塑料称为高冲击聚苯乙烯。

（c）ABS它是苯乙烯-丁二烯-丙烯腈的共聚物，综合性能较好,冲击韧度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电气性能好。易于成形和机械加工，与372有机玻璃的熔接性能好，可作双色成形塑件，且表面可镀铬。

（d）AS塑料是丙烯腈——苯乙烯的聚合物。注塑的高透明、抗静电、优良的尺寸稳定性，具有良好的流动性能，耐热耐化学性、耐冲击、高强度。用于汽车零件，如灯罩反光片代表面板；工业部件，如计算器面板，琴键等；家用电器部件，如电视机保护镜，风扇叶片，电器外壳等和一般家庭器皿、文教用品、日用品。

9 1.6材料的确定

通过以上分析结合塑料本身的特点以及模塑成型的独特性，如成型热收缩，冷却时的变形、翘曲、实效变形，不具有金属风叶那样可冷校正等等，因此，塑料风叶的选材既要保证风叶的使用性能和便于提高风叶形位精度，又要便于模塑成型。若采用结晶或半结晶性的塑料，在模素过程中，则易产生在流动方向上的取向，在冷却过程中，由于结晶和取向，是塑料制品各方向上的收缩程度有很大的差异；再则冷却不够均匀和其他因素的影响，必然产生收缩应力，以使制品变形，而且制品后变形亦较大，不能保证所要求的形位尺寸，从而降低了风叶的精度和使用性能，因此，以采用聚苯乙烯、ABS、AS等非结晶塑料为佳，其收缩率相对较小。聚乙烯塑料由于脆性大，耐冲击能力差使用中易开裂，一般不采用。ABS和AS塑料性能是合适的，其中ABS价格较高，因此，目前大部分用AS塑料。

根据满足使用要求以及塑模成型条件等选择台湾大东树脂化工有限公司生产的AS塑料。

商品名称：爱塑先——SAN 型号：777

性能及用途：AS技术指标

项目实验方法ASTM777

熔体指数（g/10min）D——1238 1.1

密度(g/cm3) D——792 1.07

热变形温度（oC）D——648 99

软化点（oC）D——1525 110

引张强度（MPa）D——638 71

10 冲击强度（KJ/m2）D——256 0.8

弯曲强度（MPa）D——790 109

项目实验方法ASTM777

延伸率（%）D——638 3.2

绝缘耐力（KV/mm）D——149 20

电阻率（Ω·m）D——257 >10(16)

硬度（M）D——785 80

成型收缩率（mm/mm）D——955 0.004

吸水率% D——570 0.3

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第2章成型零部件设计

2.1成型零件的结构设计

构成型腔的零件统称为成型零件，它主要包括凹模，凸模、型芯、镶块各种成型杆，各种成型环由于型腔直接与高温高压的塑料相接触，它的质量直接关系到制件质量，因此要求它有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性以承受塑料的挤压力和料流的磨擦力和足够的精度和表面光洁度，以保证塑料制品表面光高美观，容易脱模，一般来说成型零年都应进行热处理，使其具有HRC50以上的硬度，如成型产生腐蚀性气体的塑料如聚氯已烯等。还应选择耐腐蚀的钢材。

2.1.1型芯设计

根据风扇结构特点,没有涉及到成型杆，螺纹型等结构。但是风扇曲面复杂，外观要求美观，因此设计时要使成型零件便于加工，和安装。轮毂型心设计成整体式结构。如图2-1所示：

图2-1整体型芯

这种结构易于保证风扇安装轴的同轴度，便于整体热处理。整体结构有如下优点：

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a.成型零件的刚性好。

b.模具分解组合容易。

c.零件数量少。

d.制品表面分型痕迹少，

e.模具外形尺寸可以减少

精密成型模具若采用拼镶结构，相对整体结构而言则有如下缺点：

a 、精度相对下降。

b、法因采用磨削加工为主制作拼镶件组合后难以达到零精度。

c、拼镶件的加工精度要求高于整体结构的加工精度要求，制品的棱边拐角难以设置过渡圆弧。

整体结构的缺点如下：

a..难以排气。

b.需要采用精密磨加工。

c.制品的棱边，拐角处难以加工成角形。

一般此类成型零件都是在、、硬后在进行加工，所以整体结构的模具采用电火花成型加工为主、铣削加工、磨削加工、电火花线切割为辅的加工方法。

2.1.2叶片成型设计

由于叶片是空间曲面如采用整体式难以加工因此三个叶片采用拼镶结构。

1、采用拼镶结构的目的

a、由于制品有侧向成型部位，为了制品脱模而采用拼镶结构。

b、根据本单位的加工能力或为了利于加工而采用部分拼镶结构。

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c、为了模具的强度及耐磨性，提高制造精度而采用拼镶结构。

2、拼镶结构的优点：

（1）可以对应需要合理选择钢材。

a、可以选择抛光后达到镜面的钢材。要达到镜面效果除了刚才的材质因素外，还要便于进行抛光作用，拼镶结构可以满足这种要求。

b、可以选择耐磨性好的钢材，钢材的耐磨性与其所含的合金元素有关，单大致上与硬度成比例。

c、可以选择耐腐蚀性好的钢材，

d、可以对应不同部位拼镶件的使用要求设定热处理条件，给予不同的强度或韧性，如易变形部位发拼镶件硬度高一些，薄弱易断裂处的拼镶件韧性好一些。

（2）便于磨削及抛光作用

a、由于磨削便于磨削及抛光作业，可以提高拼镶件的加工精度。

b、由于拼镶件基本上能采用机械加工，提高了生产效率。

d、由于拼镶件的尺寸容易测量，能进一步提高加工精度。

e、容易设置排气槽，便于制品成型。

f、由于拼镶件加工精度高便于维修更换。

3、拼镶结构的缺点：

（1）零件数量增多

a、分割的拼镶件越多制造成本越高

b、各拼镶件加工精度必须匹配，即必须提高各拼镶件的平均加工精度

c、分解、组合的维修作业比较困难。

14 （2）零件的加工方法受到限制

（3）冷却回路不易设置，成型周期难以缩短。

4、拼镶结构的设计要点

a、根据装配的形状与功能的拼镶。

b、根据加工技术拼镶。

c、分割成难以变形的拼镶件。

d、考虑排气效果的拼镶件。

e、考虑容易进行维修的拼镶。

f、考虑容易进行分解、组合的拼镶。

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第3章浇注系统的设计

浇注系统设计是否合理, 直接影响到制品的表观质量, 行位尺寸精度，制品物理力学性能，充模难易程度以及熔料在充模式的流动状态。浇注系统是指从模具进料口开始到模腔止的流道部分。普通浇注系统由主浇道、分浇道、浇口和冷料穴四部分组成

如图

1、主流道

2、分流道

3、浇口

4、拉料口

5、冷料穴

6、制品

3.1浇注系统的功用和设计要求

浇注系统的作用：使来自注射机料筒喷嘴的熔料稳定并顺利地流入浇注系统，以充满各格型腔同时，在充模过程中，将注射压力传递到型腔各个部位，确保模塑成型。

浇注系统设计因制品的质量要求，塑件品种，使用设备，成型工艺条件及用户对模具的要求等不同而变化，但要确保在合理的成型工艺条件下，获得令人满意的表观质量和物理力学性能的制品，浇注系统设计应遵循以下基本要求：

1、浇道设计

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根据模具型腔数目的要求，选择合理的浇道形式尽量采用平衡式浇注系统熔料流经浇注系统时，应使熔料温度下降尽可能小；熔料通过浇注系统，压力损失应控制在规定的范围内；尽可能在同一时间内充满各个型腔；尽量减少浇注系统的容积；保证熔料的前锋冷料不进入型腔内。

2、浇口设计

浇口的形状、尺寸有利于塑件成型，不会出现充模不足或过剩现象；浇口的位置有利于排气；不会使成型件出现各种明显的缺陷；制品中的气孔、残余应力、弯曲和尺寸变化应在允许的范围内；浇口残留痕迹应尽量不影响制品的外观；熔料流经浇口时，不应出现熔料性能恶化现象。对热敏性塑料尤为重要。

3.2主流道设计

3.2.1主流道的作用

主流道（也叫进料口），它是连接注射机料筒喷嘴和注射模具的桥梁，也是熔融的塑料进入模具型腔时最先经过的地方。主流道的大小和塑料进入型腔的速度及充模时间长短有着密切关系。若主流道太大，其主流道塑料体积增大，回收冷料多，冷却时间增长，使包藏的空气增多，如果排气不良，易在塑料制品内造成气泡或组织松散等缺陷，影响塑料制品质量，同时也易造成进料时形成旋涡及冷却不足，主流道外脱模困难；若主流道太小，则塑料在流动过程中的冷却面积相应增加，热量损失增大，粘度提高，流动性降低，注射压力增大，易造成塑料制品成形困难。

主流道部分在成型过程中，其小端入口与注射机喷嘴及一定温度、压力的塑料熔要冷热交替地反复接触，属易损件，对材料的要求较高因而模具的主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套式（俗称浇口套），以便有效地选用钢材单独进行加工和热

17 处理。一般采用碳素工具钢T8A、T10A等，热处理要求淬火53～57HRC。

在一般情况下，主流道不直接开设在定模板上，而是制造成单独的浇口套，镶定在模板上。小型注射模具，批量生产不大，或者主流道方向与锁模方向垂直的模具，一般不用浇口套，而直接开设在定模板上。

浇口套是注射机喷嘴在注射模具上的座垫，在注射时它承受很大的注射机喷嘴端部的压力同时由于浇口套末端通过流道浇口与型腔相连接，所以也承受模具型腔压力的反作用力。为了防止浇口套因喷嘴端部压力而被压入模具内，浇口套的结构上要增加台肩，并用螺钉紧固在模板上，这样亦可防止模腔压力的反作用力而把浇口套顶出。3.2.2主流道设计要点

(1)浇口套的内孔（主流道）呈圆锥形，锥度2°～6°。若锥度过大会造成压力减弱，流速减慢，塑料形成涡流，熔体前进时易混进空气，产生气孔；锥度过小，会使阻力增大，热量损耗大，表面黏度上升，造成注射困难。

(2)浇口套进口的直径d应比注射机喷嘴孔直径d1大0.5～１mm。若等于或小于注射机喷嘴直径，在注射成型时会造成死角，并积存塑料，注射压力下降，塑料冷凝后，脱模困难。

(3)浇口套内孔出料口处（大端）应设计成圆角r，一般为0.5～3mm。

(4)浇口套与注射机喷在接触处球面的圆弧度必须吻合。设球面浇口套球面半径为SR，注射机球面半径为r，其关系式如下：

SR＝r＋0.5～1mm

浇口套球面半径比注射机喷嘴球面半径大，接触时圆弧度吻合的好。

(5)浇口套长度（主流道长度）应尽量短，可以减少冷料回收量，减少压力损失和热量损失。

(6)浇口套锥度内壁表面粗糙度为Ra1.6～Ra0.8μm,保证料流顺利，易脱模。

(7)浇口套不能制成拼块结构，以免塑料进入接缝处，造成冷料脱模困难。

18 (8)浇口套的长度应与定模板厚度一致，它的端部不应凸出在分型面上，否则会造成合模困

难，不严密，产生溢料，甚至压坏模具。

(9)浇口套部位是热量最集中的地方，为了保证注射工艺顺利进行和塑件质量，要考虑冷却措施。

3.2.3浇口套的结构形式

浇口套的结构形式有两种，一种是整体式，即定位圈与浇口套为一体，并压配于定模板内，一般用于小型模具；另一种为将浇口套和定位圈设计成两个零件，然后配合在模板上，主要用于中、大型模具。本设计的模具较大，故采用后一种结构形式。且由于根据风扇轮毂底部有一个较小的凹坑,因此将浇口套设计成带台阶的结构,即浇口套也充当了型芯.其结构如表3－1所示.

3.2.4浇口套材料及尺寸

材料选用碳素工具钢T8A，淬火硬度为55～58HRC。根据以上设计要点设计浇口套尺寸如表3-1：

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表3－1 浇口套

3.2.5浇口套的固定

浇口道的固定采用四个M6×20的内六角螺钉与模板相连接，尺寸φ20处与模板之间采用H7/k6的过渡配合。

20 3.3浇口的设计

1）浇口与塑件连接得部位应成R0.5的圆角或0.5×45°的倒角；浇口和流道连接的部位一般斜度为30°～45°，并以R1～R2的圆弧和流道底面相连接。

3.3.3浇口的类型

浇口的形式多种多样，但常用的浇口有如下11种：

直接浇口、侧浇口、扇形浇口、平缝浇口、环形浇口、盘形浇口、轮辐浇口、爪形浇口、点浇口、潜伏浇口、护耳浇口等。

3.3.4 风扇浇道、浇口的选择

因塑料风叶尺寸较大，形状复杂，故采用单型腔模。由于叶片尺寸较大，且壁厚较薄，外观精度要求较高，设计的浇道、浇口必须具有快速充模、流动均匀的特点。据此，设计了变式直浇道。这样即能使浇口到各叶片外侧的流程相等，又能保证快速充模，而且便于充模时排气、切除浇道、不产生熔接痕，保证了外观质量。

3.3.5 中心浇口设计