注塑 模 具 设 电——计原 风扇理 塑料 外壳 ——张鑫 1
注塑模具设计原理
——电风扇塑料外壳
设计任务书
制件名称：电风扇罩
材料：PP
收縮率：平均0.6%
塑件工艺分析
（1） 塑件的使用性能
该塑件为电风扇罩，主要用于容纳进线及挡灰尘，由于电动机在转动
过程中有震动，故要求材料有较好的力学性能，如抗拉强度,抗应力开裂性，弹性模量等都要求较好，其中Φ22mm孔要求与轴相配合，且配合关系要求高。根据产品要求，该塑件为大批量生产。
（2） 塑件的尺寸精度
塑件有精度要求的尺寸是Φ22mm和Φ3.4mm，均为MT4塑件精度，因
此在模具设计和制造中要严格保证这两个尺寸的精度要求。
其余尺寸无特殊要求，按自由尺寸或MT6级的精度查取公差等级即可。
（3） 塑件表面质量
该塑件要求表面光泽，其表面粗糙度Ra为1.6μm，无飞边,毛刺,缩
孔,流痕等工艺缺陷。
（4） 塑件的结构工艺性
①由图可知，该电风扇罩结构为圆锥壳体，侧壁带台阶孔，侧壁壁厚为
2mm，带孔部分较厚，塑件的尺寸属于中小件，PP材料能够满足充模流动要求。考虑制件壁厚不均，为防止变形，应强化冷却，模具温度取下限值，延长冷却时间。
2
②从模具总体结构上考虑，塑件为骨架主体，需设置侧向分型结构。
（5） 原材料的工艺性
原材料的工艺性如下： ① 使用温度：可在100℃长期稳定使用。 ② 性能特点：抗拉强度、抗压强度、表面硬度和弹性模量均优异，几乎不
吸水。 ③ 成型特点：
a. 抗氧化能力低，在塑化前应加入抗氧化剂。
b. 在超过280℃会发生降解，故成型时应避免熔料长时间滞留在料筒内。 c. 熔体流动性好，易成型长流程塑件。
d. 熔点和熔点热焓量比LDPE高，在结晶和冷却过程中会放出较多的热量，
故模具应有较好的冷却系统。
e. 由于热收缩和结晶作用，在成型过程中比体积有较大的变化。 f. 熔料低温高压取向明显，故要控制成型温度。 g. 成型收缩率大，低温呈脆性，要求壁厚均匀。
成型设备的选择及校核
注射机的初选
（1） 计算塑件体积
根据制件的三维模型，利用三维软件直接求得塑件的体积为：V1=72540mm³；其中浇注系统凝料体积为：V2=1600mm³；故一次注射所需得塑料总体积为：V=74140mm³。 （2） 计算塑件的质量
查相关手册得PP的密度为：ρ=0.9g/cm³，则塑件的质量为：
M1= V1ρ=72540×0.9×10-³=65.3（g） 浇注系统凝料质量为：
M2= V2ρ=1600×0.9×10-³=1.44（g） 塑件和浇注系统凝料总质量为：
M= V1+ V2=65.3+1.44=66.7（g）
（3） 选用注射机
根据总体积V=74.14cm³，初步选取SZ630/3500型螺杆式注射成型
机。SZ630/3500型注射成型机主要参数如下： 项目 参数 项目 参数 理论注射量 634cm³ 最小模具厚度 250mm 注射压力 150MΡа 定位孔的直径 Φ180深20 锁模力 3500kN 喷嘴球半径 SR18mm 拉杆内间距 545mm×480mm 喷嘴口孔径 Φ4mm
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最大模具厚度 500mm 注射机的终选 移模行程 490mm （1） 注射机的校核
注射量的校核公式
（0.8~0.85）W公≥W注
式中W公————注射机的公称注射量，cm³；
W注————每模的塑料体积量，是所有型腔的塑料加上浇注系统
塑料的总和，cm³。
如前所述，塑件及浇注系统的总体积为74.14cm³，远小于注射机的
理论注射量634cm³，故满足要求。
（2） 模具闭合高度的校核 模具闭合高度的校核公式为
Hmin＜H闭＜Hmax
由装配图可知模具的闭合高度H闭=477mm，而注射机成型机的最大模具厚度Hmax=500mm，最小模具厚度Hmin=250mm，满足Hmin＜H闭＜Hmax安装要求。
（3） 模具安装部分的校核
模具的外形尺寸为450mm×450mm，而注射成型机拉杆内间距
为545mm×480mm，故能满足安装要求。
模具定位圈的直径Φ100mm与注射机定位孔的直径Φ100mm相等，满足安装要求。
浇口套的球面半径为SR1=SR +（1～2）mm=20mm，满足要求。 浇口套小端直径R1=R +（1～2）mm=6mm，满足要求。
（4） 模具开模行程的校核
模具开模行程的校核公式为
H模=H1+H2+a≤H注
1
式中H模————模具的开模行程，mm；
H注————注射成型机移模行程，mm； H1————制作的推出距离，mm；
H2————包括流道凝料在内的制品的高度，mm； a——侧抽芯在开摸方向的距离，mm； 代入数据得：
4
H模=115+177+31=323（mm）≤H注=490mm满足要求。
（5） 锁模力的校核 锁模力的校核公式为
F≥KApm
式中 F——注射机的额定锁模力，kN；
A——制件和流道在分型面上的投影面积之和，cm²； Pm————型腔的平均压力，MPa；
K——安全系数，通常取K=1.1～1.2。 将数据代入公式得：
KApm=1.15×25×11.304=324.99（kN） F=3500kN＞324.99 Kn，满足要求。
（6） 注射压力的校核
注射压力的校核公式为
Ρmax≥K´p0
式中 Ρmax——注射机的额定注射压力，MPa； p0——注射成型时所需注射压力，MPa； K´——安全系数。 将数据代入公式得：
K´p0=1.3×90=117（MPa）≤Ρmax=150 MPa 满足要求。 结论：选取SZ630/3500型螺杆式注射成型机完全符合模具得使用
要求。
设计计算
冷却系统水管孔径的计算
衡计算，在单位时间内熔体凝固时放出等热量等于冷却水所带走的热
量，故有公式： qv=
WQ1
pc1(t1t2)式中 qv——冷却水的体积流量，M3/min；
W——单位时间（每分钟）内注入模具中的塑料质量，kg/min； Q——单位质量的塑料制品在凝固时所放出的热量，kJ/kg;
1P——冷却水密度； C——冷却水的比热容；
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t——冷却水出口温度；
1t——冷却水入口温度。 2
成型零件的尺寸计算
平均收缩率为0.2%。根据塑件尺寸公差要求，模具的制造公差取δz=△/4。成
型零件尺寸计算如下表所示。
成型零件尺寸计算 以知条件：平均收缩率Scp=0.002；模具的制造公差δz=△/4 类型 零件 名称 塑件尺寸 计算公式 型腔或型芯工作尺寸 0.23Φ121.040 0.21115.080 0.18Φ84.9800 0.16Φ67.930 Φ12100.92 型腔计大型算 腔 0.821150 Φ8600.72 Φ6800.64 Φ11900.72 Φ2200.32 9400.72 200.16 3900.42 R500.18 小型腔 1200.48 1.500.36 δzLm=(Ls+LsScp-3△/4)0 0.18Φ119.170 0.08Φ21.890 0.1894.020 0.041.970 0.1038.920 δzLm=(Ls+LsScp-3△/4)0 0.05R4.90 0.1211.710 0.091.240 6
小型型芯计芯 算 0.54Φ220 Lm=(Ls+LsScp+3△/4)0Φ22.540δz 0.14 型芯计算 侧型 芯 0.16Φ3.40 Lm=(Ls+LsScp+3△/4)0Φ3.540δz 0.04 0.2Φ6.70 Φ6.8900.05 Φ81.8900.14 Φ66.8000.14 7.1900.05 12.2500.06 28.4100.08 114.2900.2 大型芯 0.54Φ810
Φ660.54 00.207.00 0.2412.00 0.3228.00 0.821130 （1） 求塑料制品在固化时每小时释放的热量Q
设注射时间为2S，冷却时间为20s，保压时间为15s，开模取件时间为3s，
得注射成型周期为40s。
设用20℃的水作为冷却介质，其出口温度为28℃，水呈湍流状态，1h成型次数n=360/40=90次则
W=Mn=66.7×90≈6（kg/h） 查相关手册得qq单位质量放出的热量Q1=5.9×102kJ/kg，故 Q=WQ1=6×5.9×102=3.54×103(kJ/h)
（2） 水的体积流量
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由上述公式得
qv=
WQ1354060=3=1.76×10-3(m3/min)
（28-20）pc1(t1t2)10×4.187×（3） 求冷却水道直径d
根据水的体积流量查相关手册得；d=8mm。 浇注系统尺寸的计算
（1）分流道截面积尺寸的计算
对于壁厚小于3mm，质量在200g以下的塑料制件品，可采用如下的经验
公式来计算分流道的直径：
D=0.2654M1/2L1/4 式中 D——分流道的直径，mm； L——分流道的长度，mm。 将数据代入公式得：
D=0.2654G1/2L1/4=0.2564 ×66.71/2 ×4.751/4=3.1（mm）
（2）侧浇口深度（h）和宽度（W）的经验公式如下 h=nt
W=nA1/2/30 式中 n——塑料材料系数，查得pp的系数为0.7； t——制品的壁厚，mm; A——型腔外表面积，mm2。
将数据代入公式得h=1.4mm，W=4.42mm，浇口长度L取经验值0.54mm。由公式
γ=6q/(Wh2)≥104s-1
式中q——熔体的充模速度，cm3/S。 进行校核，校核其是否合理。
制件的体积为V1=72.54cm3，由前述知充模时间为2s，故q=36.27cm3/S，于是：
γ=6q/(Wh2)=6×36.27/(0.442×0.142)=2.5×104s-1≥104s-1 符合要求。
凹模壁厚和底部厚度计算
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以下各符号的含义：
R——凹模外半径，mm； r ——凹模内半径，mm；
E——模具钢材的弹性模量，Mpa； p——模具型腔内最大的压力，Mpa； μ——模具钢材的泊松比，μ=0.25；
δp——模具强度计算的许多变形量，mm； σp—— 模具强度计算许多应力，Mpa。 查相关手册，得：
r=52mm E=2.2×105Mpa p=40Mpa σp=300Mpa δp=0.023mm
（1） 凹模侧壁厚度的计算 ①按刚度条件计算，公式为
δpE1μrpδpE1μrp R=r将数据代入公式得：
R=52×[（0.023×2.2×105+0.75×52×40）/（0.023×2.2×105-1.25×52×40）]1=85（mm） 2 ②按强度条件计算，公式为
R=r
σ'pσ'p-2P(σ`p＞2P)
σ`p=133Mpa P=25Mpa 将数据代入公式得：R=65.82mm。 综合得：R=85mm。
（2）底部厚度的计算 ① 按刚度条件计算，公式为
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t=
3pr24σp
将数据代入公式得：t=13mm。 ② 按强度条件计算，公式为
3 t=
0.1758pr4Eδp
将数据代入公式得：t=18.51mm。 综合得t=20mm。 推件扳厚度的计算
按刚度条件计算，公式为
h=(
C2QeR2Eδp13 )
按强度条件计算公式为
h=(K2Qeσp)12 式中 h——推件扳的厚度，mm C2——随R/r值变化系数；
R——推杆作用在推件板上的几何半径，mm； r ——推件板圆形内孔，mm； K2——随R/r值变化系数；
Qe——脱模阻力，N；
E——推杆材料的弹性模量，Mpa； σp——推件扳材料的许用应力，Mpa；
δp——推件扳中心允许的变形量，通常取制件尺寸公差的1/10 ~1/5，
mm；
查相关手册得C2=0.0249，K2=0.488，R=174.14mm，r=120.44mm，E=209×103Mpa，Qe=6.283×103N，σp=300Mpa，δp=0.92/5=0.18。
综合考虑强度条件和刚度条件，取h=5mm。 脱模机构相关计算
（1）脱模力，斜导柱直径，推杆直径的计算
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①侧型芯脱模力计算
Qc1=10fcαE(Tf-Tj)th
式中 Qc1——制件对型芯包紧脱模阻力，N； fc—— 脱模系数；
α——塑料的线胀系数，℃-1；
E——在脱模温度下塑料的抗拉弹性模量，Mpa； Tf——软化温度，℃；
Tj——脱模顶出时的制品温度，℃； t—— 制件的厚度，mm；
h——型芯脱模方向的高度，mm。
查阅相关手册得：fc=0.45，α=7.8×10-5℃-1，E=1.2×103Mpa，Tf=110℃，Tj=60℃，t=2mm，h=17mm。
将数据代入公式得：Qc1=716N。 查相关手册得斜导柱直径：d=20mm。
②主型芯脱模力计算
115/2≈58＞20，属于厚壁塑件，则主型芯脱模力计算公式为
Qc2=1.25KfcαE(Tf-Tj)Ac=(dk+2t)2+d式中
Qc2——制件对型芯包紧脱模阻力，N；
Ac——制件包紧型芯的有效面积，mm2 dk——制件直径，mm；
K—— 脱模斜度系数，其中，K=（fccosβ-sinβ）/[fc（1+fccosβsinβ）]； μ——在脱模温度下的泊松比。
将数据代入得：Qc2=5567N。 总脱模阻力为：
Qc= Qc1+ Qc2=6.283×103N
2k2+μ(dk+2t)2- dk
③推杆直径计算
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直径确定公式：
d=K( l 2Qe/E)1/4 直径校核公式：
σc=4Qe/(nπd2)≤σs 式中 d——推杆的直径，mm； K——安全系数；
ι——推杆长度，mm； Qe——脱模阻力，N；
E——推杆材料的弹性模量，MPa； n——推杆的数目；
σc——推杆所受的压应力，MPa； σs——推杆材料的屈服点，MPa。
查相关手册得：K=1.6，ι=215.6mm，Qe=6.283×103N，E=209×103MPa， σs=353MPa。
将数据代入公式得：d=9.8mm。 用公式σc=4Qe/(nπd2)校核得：
σc=20.82MPa＜σs=353MPa 故d=9.8mm符合要求。
（2）推杆长度计算
L工=S+推杆行程+3=215.5（mm） （3）侧抽芯距计算
完成抽拔距为S所需的最小开模行程H由下式计算：
H=Scotα
式中α——斜导柱的斜角，（°），在此取20°。
由制件图可以知道S=11mm，故：
H=11cot20°=31（mm）
模具结构分析与设计 型腔数目的确定
制件特点及生产实际，采用一模一腔结构，其主要优点为：
①保证产品的精度要求。
②冷却系统便于设置，同时冷却效果很好。 ③模具开模距离小。 分型面的确定
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从模具结构及成型工艺的角度出发，有三种可供选择。
方案一
选择最大面处为分型面。 优点：
1 有一个分型面，开模距离小，模具可用两板式，其结构简单。 2 从上端采用侧浇口进料不影响制件表面质量，且流程短，压力损失小。
缺点：
1 所需要的开模力大。
2 冷却系统安置不方便，与模具其他结构发生干涉，同时造成模具体积庞大，冷却效果不佳。
3 制件采用推管推出，由于推管与小型芯磨损，配合间隙增大，从而发生飞边。
4 开模时，制件包紧大型芯，由于包紧力较大，制件容易变形。 由以上分析可知：方案一不可取。 方案二
选择两个分型面。
优点：
1 两个分型面，但由于侧抽芯距不大，开模距离不大。
2 模具在分型面一处分型完成侧抽芯动作，可使制件留置在动模；在分型面二处完成推出制件动作。
3 制件采用推件板推出，推出动作稳定可靠，制件受力均匀不变形。 4 将分流道和浇口放在型芯上，有利模具的制造。 5 模具冷却系统的安置更合理且冷却效果大大提高。 缺点：
1 主流道的流程变长。 2 分流道和浇口安置复杂。 缺点解决方案：
1 采用延伸式喷嘴使主流道的流程变短。
2 将浇口套和小型芯制成一体，将分流道和浇口做在浇口道上，有利于制件上直径为22mm的孔的端面高度尺寸的保证又有利于模具的制造。 方案三
该方案是在方案二的基础上采用点浇口进料，推出方式和冷却方式与方案二相同。
优点：
1 有利于保证直径为22mm的孔的高度尺寸精度，。 2 有利于塑料熔体充模，减少熔接痕。 缺点：模具结构复杂，成本大大提高 结论：通过以上分析可知，从保证产品的质量和降低模具成本的角度考虑优选方案二。
型腔和型芯的结构和固定方式 型腔采用镶块式结构，其优点“
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1 利于模具温度控制，冷却充分。 2 零件更换方便。 3 缩短模具制造周期。
型腔和型芯固定方式：采用台肩固定，其优点： 1 加工方便。
2 减少安装过程中出现的偏差。
浇注系统的确定
模具分型面设置采用方案二，直径为22mm的孔的内部端面用4个侧浇口进料，且分流道行业侧浇口做在小型芯上，这样设计，一方面有利模具的制造，另一方面保证端面尺寸的精度，如将分流道和侧浇口做在大型芯上，由于浇注凝料的存在，使其端面凸凹不平，不能保证尺寸精度，侧浇口采用矩形侧浇口，有利控制熔体的充模，分流道采用梯形截面形式，流动阻力小。
脱模方式的确定
根据分型面的选择及制件外形特点，采用推件板推出制件。其优点： 1 制件受力均匀，在推出时不产生变形。 2 制件表面质量不受影响。
3 无需设置复位杆，使模具结构紧凑。
冷却系统的结构设计
PP的熔点和熔点热焓量比LDPE高，在结晶和冷却过程中会放出较多的热量，故模具应设置冷却系统。冷却采用螺旋水道方式，冷却均匀，这样使模具有恒定的模温，能有效地减少塑件成型时收缩的波动，保证塑件的尺寸精度，防止制件翘曲变形。
排气方式的确定
通过分型面和小型芯处的间隙排气。
模具结构设计
该模具采用顺序分型脱模机构和斜导柱侧向分型与抽芯机构，完成制品的侧抽与脱模。型芯采用螺旋水道的冷却方式，冷却效果较好。
开模时在压缩弹簧28的作用下，分型面一分型，斜导柱34驱动斜滑快33动作，继续开模至一定距离后，限位螺钉19发挥作用，分型面二分型，由于制品抱紧力的作用，制品抱在型芯镶块44上，留在动模一边。完成开模后，注射机的推杆驱动模具的脱出机构将制品推出，完成注射成型的一个周期。
成型模具装配图 图号01
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