电风扇 毕业设计

JIU JIANG UNIVERSITY

毕业设计

题目风扇叶片塑料模设计院系机械与材料工程学院专业模具设计与制造

姓名王瑞生

年级2012

指导教师李永志

2014 年 12 月

目录

第一章概论 (1)

1.1研究的意义 (1)

1.2设计的任务和要求 (1)

第二章风扇造型和材料选择 (2)

2.1风扇造型 (2)

2.2材料选择 (3)

第三章工艺分析 (4)

3.1总体分析 (4)

3.2 拔模检测 (4)

3.3厚度检测 (4)

3.4浇口分析 (5)

3.5注射机选择 (6)

第四章成型系统设计 (8)

4.1 装配参照模型 (8)

4.2设置收缩率 (8)

4.3创建工件 (8)

4.4创建分型曲面 (9)

4.5 创建模具体积块 (10)

4.6拉杆设计 (10)

第五章浇注系统设计 (11)

5.1 主流道设计 (11)

5.2 分流道设计 (12)

5.3浇口设计 (12)

5.4 冷料穴设计 (13)

第六章冷却系统设计 (14)

第七章合模导向机构设计 (15)

7.1导柱的设计………………………………1 5

7.2导柱的布置 (16)

7.3导套的设计 (16)

7.4导柱与导套的配合 (17)

第八章推出机构设计 (18)

8.1设计原则 (18)

8.2 推出力的计算 (19)

8.3 推杆设计 (19)

8.4复位杆设计 (20)

8.5推出机构导向系统设计 (20)

第九章其他辅助设计 (21)

9.1标准模架与选择原则 (21)

9.2支撑零部件的设计 (21)

第十章总结与展望 (22)

10.1总结 (22)

10.2展望 (22)

致谢 (24)

参考文献 (25)

第一章概论

1.1研究的意义

随着我国制造业的国际地位的不断提高,模具工业获得了飞速的发展,模具

的需求量也成倍增加,其生产周期愈来愈短。而模具生产是多品种小批量生产,乃至单件生产。其特点为:品种多样化；生产过程多样化；生产能力复杂化。为解决这一问题,首先要普及CAD 技术,利用现代的CAD/CAM/CAE 技术,才是经济、快捷的模具开发设计制造手段,也是其今后的发展方向。CATIA是目前最具影响力的CAD系统软件之一,它已在不同的领域被普及,被众多的用户所青睐。CATIA 是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件,居世界CAD/CAE/CAM 领域的领导地位,广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域,其特有的DMU

电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA在塑料模具设计和分析阶段充分应用了参数化特征造型技术和数据库技

术以及自由形式特征技术,为模具设计提供了强有力的工具。塑料模具中的标准件,如标准模具架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库以实现数据共享,同时满足用户对设计的随时修改,使模具的设计分析快速、准确、高效。参数化特征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息,而且可以获得产品的精度、材料及装配等信息,其所建立的产品模型是一种易于处理、能反映设计意图和加工特征的模型[1]。

当然对于我本身，选择注塑模具作为毕业设计题目，也有很多积极的意义。首先模具设计还是属于机械学科领域，完成一整套的注塑模具设计必然能够巩固并且拓展自己的专业知识，如工程图学材料力学等。第二的话，对于熟练应用各类工程软件有着莫大的帮助，像AUTOCAD和PROE等。第三，毕业设计是相对独立的一次任务，对于自我各个方面都会有所提高，因为一切都要靠自己。第四，毕业之际，也就是事业生涯的开始，有利于开阔工作视野，了解生产实情。

1.2设计的任务和要求

主要任务为设计一套风扇模具，根据给出的题目参数要求，先设计产品造型，再选择材料，然后设计模具系统。大致流程如下：

（1）家用电风扇叶片造型设计；

（2）工艺分析及电风扇叶片材料选择；

（3）电风扇叶片三维CAD造型设计；

（4）电风扇注塑模具成型系统结构设计；

（5）电风扇注塑模具导向系统结构设计；

（6）电风扇注塑模具冷却系统结构设计；

（7）电风扇注塑模具脱模系统结构设计。

上面几步中，成型系统与浇注系统的设计最为关键。第二步，工艺分析也是必不可少的。

第二章风扇造型和材料选择

2.1风扇造型

根据题目要求：设计一套用于加工家用电风扇叶片的注塑模具。

1. 自行设计或选择某种品牌电风扇叶片做设计对象，测绘并选择合适材料；

2. 电风扇叶片三维CAD造型；

3. 电风扇叶片注塑模具设计：包括成型系统、导向系统、冷却系统和脱模系统的结构设计；要求完成不少于总量3张0号图纸的装配图和零件图纸。设计参数：风扇直径30CM，风扇功率45W。在指导老师的帮助建议下，选择用Pro/E 软件进行风扇叶片造型以及后续模具设计一系列设计工作。下图零件在Pro/E “零件”模块下完成整体设计。

图2.1 风扇造型图中风扇各参数如下：

轮毂直径d=80mm；

叶片圆角R1=40mm；

叶片圆角R2=30mm；

叶片厚度=1；

轮毂中间螺钉孔直径d=2.5（后期加工）；

要求塑件防有转角处都要以圆角（圆弧）过渡，因尖角容易应力集中。塑件有圆角，有利于塑料的流动充模及塑件的顶出，塑件的外观好，有利于模具的强度及寿命。所以在轮毂上部做R=8mm的圆角[3]；

轮毂的高度无特殊要求，自行设定高度h=30mm；

由于考虑到后期生产，需要设置一定的拔模斜度，设定结果如图2.2设定后使轮毂曲面成一斜度,即下表面直径略大于上表面直径。

图 2.2 拔模斜度

2.2材料选择

风扇为人们日常生活常用品,需要大批量进行生产。又与人们紧密接触，所以必须是无毒害材料，有考虑到无很高的强度要求，收缩率等给方面也无特殊要求，故最后决定选择ABS材料进行注塑生产。

ABS具有良好的成型加工性，制品表面光洁度高，且具有良好的涂装性和染色性，可电镀成多种色泽[4]。

ABS尚具有良好的配混性，可与多种树脂配混成合金(共混物)，如PC/ABS、ABS/PC、ABS/PVC、PA/ABS、PBT/ABS等，使之具有新的性能和新的应用领域，ABS若与MMA掺混可制成透明ABS，透光率可达80%。相比较其他的AS、PA等材料ABS材料具有明显的优势。

选定ABS材料后，还需选择合适的型号，不同型号间存在一定的差别，根据市场与塑件所需性能，选用余姚中发生产的FR765型。

第三章工艺分析

3.1总体分析

（1）叶片最大直径为300mm,轮毂高度为30mm。

（2）根据前面得到分析结果，塑件采用ABS材料，收缩率为0.4%-0.6%，一般取中间值0.5%，流动性好，排气要求高，否则容易产生熔接痕、气泡，影响塑件强度。

（3）叶片侧面并无测孔，所以不需要做侧抽芯。

（4）塑件有中间轮毂和3个叶片组成，面积较大，且考虑叶片较薄，精度要求高，故采用一模一腔。

（5）生产上要明确塑件的体积，应用Pro/E输入材料密度分析得到此塑件的体积为1.2333422e+05 mm3。 3.2拔模检测塑件冷却时因收缩会包紧型芯或型腔的凸起部分，为保证塑件最终能顺利从型腔中脱出，故一般要设定一定的脱模斜度。

3.2拔模检测

塑件冷却时因收缩会包紧型芯或型腔的凸起部分，为保证塑件最终能顺利从型腔中脱出，故一般要设定一定的脱模斜度。

图3.1拔模检测

设置脱模斜度需注意（1）斜度不能太大，应使塑件整体无太大变化；（2）斜度方向：如果方向设置反了，则塑件一定不能脱模。综上各因素考虑：有必要对塑件进行彻底的拔模检测。用Pro/E检测结果如下图3.1，检测时，注意拔模方向设定与检测对象选择。

3.3厚度检测

任何塑料制品都需要一定的壁厚。厚度既不能太薄，不能保证足够大强度，

也不能太厚，应力过大，容易产生气泡，成型时间也会加长。产品的各分部的厚度也应保持均匀，不能有突变，否则会产生缺水现象。同样Pro/E自带了厚度检测功能，为确保避免以上问题，故作厚度检测如图3.2所示。

图3.2 厚度检测

设定允许的最大厚度与最小厚度，然后选择两个点，连接这两个点应能贯穿整个零件，设定检测偏距，预览可见右边检测结果：是否超过规定厚度，图中均显示否，即厚度满足要求。

3.4浇口分析

浇口是指塑料熔体从分流道进入型腔的一段通道，其尺寸狭小且短，目的是使塑料熔体进入型腔前产生加速度，便于充满型腔，且有利于封闭型腔口，防止熔体倒流[5]。

浇口位置并不能任意选择，首先应位于塑件背面，其次浇口设置应能保证塑料熔体能快速充满型腔，并保证足够的注塑压力，以上各种需求，Pro/E均能智能分析并给出分析结果。对风扇叶片浇口分析结果如下：右边参照栏从红色逐渐过渡到蓝色，即从最差到最好效果过渡。由图可见，叶片浇口位置越靠近中间轴，效果越佳，又考虑塑件表面美观，所以将浇口设置在背面靠近中心处。但还不能确定浇口数量。

先选定一个浇口，并把位置设置在靠中心5mm处，用塑料顾问进行模拟填充过程。自动分析结果如图：叶片的每一个点均显示为绿色，即表明填充可行，且质量为high标志。所以采用单个浇口即可。

图3.3为浇口位置分析图,3.4为模拟注塑结果图。

图3.3浇口分析图3.4模拟注塑

3.5注射机选择

按外形分有：立式的，卧式的。

按注塑量分有：超小型注塑机，小型注塑机，中型注塑机，大型注塑机，超大型注塑机。也就是注塑量从几毫克到几十千克不等。

按合模力分有：几吨到几千吨不等。

注射机的选择应遵循以下的原则：

1.选对型：由于注塑机有非常多的种类，因此一开始要先正确判断此产品应由哪一种注塑机，或是哪一个系列来生产。

2.放得下：由模具尺寸判定机台的“大柱内距”、“模厚”、“模具最小尺寸”及“模盘尺寸”是否适当，以确认模具是否放得下。

3.拿得出：由模具及成品判定“开模行程”及“托模行程”是否足以让成品取出。开模行程至少需大于成品在开关模方向的高度的两倍以上，且需含竖浇道（sprue）的长度；托模行程需足够将成品顶出。

4.锁得住：由产品及塑料决定“锁模力”吨数。当原料以高压注入模穴内时会产生一个撑模的力量，因此注塑机的锁模单元必须提供足够的“锁模力”使模具不至于被撑开。锁模力需求的计算如下：由成品外观尺寸求出成品在开关模方向的投影面积；撑模力量＝成品在开关模方向的投影面积(cm2)×模穴数×模内压力(kg/cm2);模内压力随原料而不同, 一般原料取350~400kg/cm2;机器锁模

力需大于撑模力量，且为了保险起见，机器锁模力通常需大于撑模力量的1.17倍以上。至此已初步决定夹模单元的规格，并大致确定机种吨数，接着必须再进

行下列步骤，以确认哪一个射出单元的螺杆直径比较符合所需。

5.射得饱：由成品重量及模穴数判定所需“射出量”并选择合适的“螺杆直径”。计算成品重量需考虑模穴数（一模几穴）；为了稳定性起见，射出量需为成品重量的1.35倍以上，亦即成品重量需为射出量的75％以内。

6.射得好：由塑料判定“螺杆压缩比”及“射出压力”等条件。有些工程塑料需要较高的射出压力及合适的螺杆压缩比设计，才有较好的成型效果，因此为了使成品射得更好，在选择螺杆时亦需考虑射压的需求及压缩比的问题。一般而言，直径较小的螺杆可提供较高的射出压力。

7.射得快：及“射出速度”的确认。有些成品需要高射出率速射出才能稳定成型，如超薄类成品，在此情况下，可能需要确认机器的射出率及射速是否足够，是否需搭配蓄压器、闭回路控制等装置。一般而言，在相同条件下，可提供较高射压的螺杆通常射速较低，相反的，可提供较低射压的螺杆通常射速较高。因此，选择螺杆直径时，射出量、射出压力及射出率（射出速度），需交叉考量及取舍。

根据塑件的体积，质量，塑料材料以及型腔总体尺寸，选定用卧式注塑机，产品重量选择从150吨到300吨之间，价格从3万到40万。

第四章成型系统设计

做完了上述一系列前期工作之后，现在正式开始进入模具设计版块，即分模阶段。将现有的风扇叶片3D造型通过Pro/E模具设计版块，制作出整套模具的成型系统与浇注、冷却系统。

4.1装配参照模型

进入Pro/E模具设计版块的第一步，就是要明确是为什么塑件设计整套模具，故需要调入先前制作的风扇叶片造型。并调整塑件坐标中心和模具设计坐标中心重合，同时还应确认拔模方向。使图中拔模方向pull direction 和实际设计的拔模方向保持一致，调入后经调整结果如图4.1所示。

4.2设置收缩率

塑料从注塑机到型腔再到形成塑件的过程是逐渐冷却的过程。这个过程不可避免塑料会“缩小”。并且因此，塑件会停留在有凸起部分的型芯或型腔上。此处风扇叶片会停留在定模处，故需设计一拉杆机构将塑件拉像动模处。设置收缩率时应注意不仅仅设置整个塑件，还应包括各类参考平面，故设置时点选坐标系。收缩率大小应根据所选塑料相应的收缩系数。

图4.2工件设计

4.3创建工件

模具成型部件主要由型芯和型腔组成。型芯与型腔闭合时组成的空心腔体

即塑件实体；闭合时两两接触的表面即分型面。在这里，先要创建一个毛胚工件包住塑件，经后续分割形成型芯和型腔。创建后结果如图4.2：绿色毛胚工件包住风扇叶片。

4.4创建分型曲面

分型面的选择直接关系到塑件质量跟模具结构，是模具设计的中心环节。当然分型面的选择并不单一固定。但一定要根据以下原则进行

（1）分型面应设在塑件延拔模方向投影的最大轮廓处；

（2）尽量选择平直分型面以保证塑件精度与质量；

（3）应使制件全部或大部位于同一型芯内；

（4）分型面的选择应不影响制件外观要求；

（5）分型面的选择还应利于排气；

（6）分型面选择应便于模具加工制造[7]。

当然，在选择时应综合考虑各方原则，不一定要满足全部原则要求。在Pro/E 软件中有多种方法可以创建分型面。考虑风扇叶片分型面比较复杂，首先画出分型线，再利用分型线延伸至工件表面最后形成分型面。形成的分型面如图 4.3所示。

图4.3分型面

4.5创建模具体积快

在完成工件分型面的创建后，就可以把工件分割成型芯和型腔来组成整套模具的成型系统。通过分割、抽取后，即可形成型芯和型腔。在界面左边模型树上也新加了两个制件标志。抽取的体积快分别就是型芯和型腔。所以到这一步成型系统就基本完成了。完成的型腔和型芯如图4.4所示。

图4.4成型零件

4.6拉杆设计

考虑塑件冷却成型后会收缩，又因为凸模在定模一侧，所以需要加设一拉杆机构。这样就能拉向动模，然后通过推出机构脱模。这里采用球形头拉杆,即可将塑件带同凝料一起拉回。

第五章浇注系统设计

浇注系统是指熔体塑料从注塑机嘴进入模具型腔所通过的通道。浇注系统可分为热流道浇注系统和普通浇注系统。风扇设计用普通浇注系统即可。普通浇注系统分为主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分。浇注系统设计也是模具设计中较为重要的一个环节，设计的好坏对塑件的性能和塑料袋利用率等有直接的影响。浇注系统的设计需要遵循以下原则：

（1）充分了解塑料的各种性能，流动特性、剪切速率、粘度等；

（2）尽量避免减少产生熔接痕；

（3）浇注系统通道应有利于气体的排出；

（4）防止型芯的变形和嵌件的偏移；

（5）尽量选用较短的路径设计流道；

（6）需做流动距离比的校核工作，防止出现填充不足的现象[8]。

5.1主流道设计

主流道是指注塑机嘴和分流道之间的通道，是熔料最先进入模具的部分。主流道的设计主要考虑减少熔体温度降低和注塑压力损失。一般来说，主流道垂直于分型面，且设置在浇口套中。为了后续脱模方便，主流道也应当设置一定的拔模斜度，通常设成圆锥台状。可先草绘成半个梯形状，再通过旋转成主流道。设计的主流道如图5.2所示。

图5.2浇口套（内含主流道）

(1)便于流道凝料从主流道衬套中拔出，主流道设计成圆锥形。锥角 =2°~ 4°，粗糙度Ra≤0.63 与喷嘴对接处设计成半球形凹坑，球半径略大于喷嘴头半经。

(2)主流道要求耐高温和摩擦，要求设计成可拆卸的衬套，以便选用优质材料单独加工和热处理。

(3)衬套大端高出定模端面 5~10mm ，并与注射机定模板的定位孔成间隙配

合，起定位隙作用。

(4)主流道衬套与塑料接触面较大时，由于腔体内反压力的作用使衬套易从模具中退出，可设计定住。

(5)直角式注射机中，主流道设计在分型面上，不需沿轴线上拔出凝料可设计成粗的圆柱形[9]。

5.2分流道设计

分流道指塑料熔体从主流道进入多腔模各个型腔的通道，对熔体流动起分流转向作用，要求熔体压力和热量在分流道中损失小。

(1)分流道的截面形式：

a、图形断面：比表面积小（流道表面积与其体积之比），热损失小，但加工制造难，直径 5~10mm

b、梯形：加工较方便，其中h/D = 2/3 ~ 4/5 边斜度 5~15°;

c、 u形：加工方便，h/R=5/4;

d、半圆形：h/R=0.9 。

(2)分流道的断面尺寸要视塑件的大小，品种注射速度及分流道的长度而定。一般分流道直经在5~6mm以下时，对流动性影响较大，当直经大于8mm 时，对流动性影响较小。

(3)多腔模中，分流道的排布：平衡式和非平衡式：

平衡式：分流道的形状尺寸一致。非平衡式：靠近主流道浇口尺寸设计得大于远离主流道的浇口尺寸。分流道不能太细长，太细长，温度，压加体大会使离主流道较远的型腔难以充满。一般需要多次修复，调理达到平衡。即使达到料流和填充平衡，但材料时间不相同，制品出来的尺寸和性能有差别，对要求高的制品不宜采用。非平衡式分布，分流道长度短。

如果分流道较长，可将分流道的尺寸头沿熔体前进方向稍征长作冷料穴，使冷料不致于进入型腔。分流道和型腔布置时，要使用塑件投影面积总重心与注塑机锁模力的作用线重合。

5.3浇口设计

浇口是指流道末端与型腔之间的细小通道。形状一般为圆形或矩形，面积与分流道比为0.03~0.09，长度一般0.5~2.0mm。浇口的作用主要是冷却材料和使熔体快速进入型腔，按顺序填充。此塑件如果在叶片处作侧浇口进浇，由于叶片壁薄，且到另一侧叶片末端行程相对较长，易产生缺料充不满现象，故采用在塑件顶部作点浇口，这既可缩短流程，又可均衡进料，而且可以减少熔接痕，有利于排气，点浇口还可采用自动脱料系统，提高生产率。为了点浇口的自动脱

落，主流道应尽量短，为此采用了加深型浇口套，由于此模具为一模一腔，拉料杆的位置受到模具结构的限制，所以将拉料部位直接设置在浇口套上，浇口套端部做成倒扣，利用浇口套进行拉料[12]。

为保证注射过程平衡均匀，三张叶片处能够同时填充完成，又风扇轮毂为圆筒式结构所以浇口分布形式选用轮辐式浇口，也称圆环式。其主流道在中心位置，通常设置四条分流道，成十字分布，联通末端浇口，从内环处注塑进模具型腔。

图5.3 轮辐式浇口设计

5.4冷料穴设计

冷料穴一般位于主流道的下方，其作用是容纳注塑进来的先锋冷料，设计师需结合拉料杆进行整体考虑。其形式有Z字形和球形，配合前面拉杆设计，选用球形头状。

第六章冷却系统设计

为了防止塑件变形和提高生产率，模具就应该充分冷却，为此模具要设置几条冷却水道组成模具的冷却系统。

冷却水道的设计原则：

1.冷却水孔数量尽量多，尺寸适当大；

2.冷却水孔距型腔表面距离要适当，太近型腔表面温度不均匀；太远热阻大；

3.水料并进，强化浇口处的冷却；

4.入水与出水的温差不宜过大；

5.冷却水孔应便于加工装配。

相对于其他系统，冷却系统较为简单，只需在距塑件表面一定距离处开设水路即可。不过应注意不要与其他杆件重合，以免漏水；在进出水口要用管螺纹接头，加强其密封性；在两块板接触时，水道间应加设密封圈；在出二维图时，水道间的相贯线应为虚线。设计的冷却水道如图6.1。

图6.1冷却水道示意图

第七章合模导向机构设计

7.1导柱的设计

在注塑时，为了保证动模成型零件和定模成型零件在合模时的正确定位，以确保塑件的形状和尺寸精度，并避免模内各零件碰撞和干涉，必须设置开合模导向机构。开合模导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种形式，有以下三点作用：

（1）定位作用合模和装配时避免动、定模的错位，保证塑件形状和尺寸精度。

（2）导向作用合模时导向零件先接触，引导动、定模准确闭合，避免型芯先进入型腔造成成型零件的损坏。

（3）承受一定的侧向压力塑料熔体在在填充过程中可能产生侧向压力或由于注射机精度的影响，导柱也将承受一定的侧向压力。

导柱导向机构是最常用的一种形式，同样也很适合此风扇塑件，因此决定采用导柱导套导向机构。所以下面就导柱导套设计做一些注意说明[15]。

图7.1 带头导柱

图7.1为带头导柱，除安装部分的轴肩外，其余部分直径相同，这种导柱加工方便，较为常用。

图7.2为有肩导柱，柱身有两种直径，上部直径较大，且一般与导套外径相同。上部直径加大主要是为了加强强度考虑。

根据塑件电风扇特点，质量较轻，模具类型也不大，所以采用第一种带头导柱即可。

关于导柱技术处理：在不妨碍脱模的情况下，导柱通常设在型芯高出分型面较多的一侧。导柱导向部分长度应比凸模前端面的高度高出6～8mm，以免出现

图7.2 有肩导柱图 7.3 导柱布局形式

导柱未导正方向而型芯先进入型腔的情况。导柱前端应做成锥台形或半球形，以使导柱能顺利的进入导向孔。由于必须具有良好的耐磨性，内部坚韧。故一般多采用20号钢（表面渗碳淬火处理），硬度为HRC50-55。粗糙度一般取0.8um。

7.2导柱的布置

导柱一般均匀布置在分型面的四周，导柱中心与模具的边缘应该留有足够的距离，以保证强度。最后应该注意：为确保合模时只能按一个方向合模，导柱的布置可采用如下几种形式。如图7.3

图a、d为不等直径对称布置，即导柱直径设成不同，图b、c为等直径不对称形式。两种形式可任意选用，在这里，风扇塑件我采用图c形式。

配合精度：一是导柱固定端与模版之间一般采用H7/m6或H7/k6过渡配合，二是导柱导向部分通常采用H7/f7或H8/f7间隙配合。

7.3导套的设计

导套是与导柱相配合的，因此其结构主要由导柱形式决定。导套结构确定之后，其生产形势也有多种。对于如题风扇的导向机构，为了方便更换，可以简化结构，采用导向孔直接开设在模板上的形势。

导套的技术要求：