易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計(jì)模型及插板塑料模具設(shè)計(jì)

第1頁易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計(jì)模型摘要:目前，易拉罐飲料在市場上的銷量很大，易拉罐的需求也是難以估計(jì)的。而資源是有限的，因此易拉罐的最優(yōu)設(shè)計(jì)是非常有必要的。本文著重從形狀和尺寸的角度分析碳酸飲料的鋁質(zhì)易拉罐，在容積確定的條件下以材料最省為目標(biāo)建立優(yōu)化模型。首先對雪碧、可口可樂、藍(lán)帶啤酒等易拉罐容器進(jìn)行測量，獲取實(shí)測值。針對易拉罐現(xiàn)有形狀和尺寸等數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析，建立了逐漸改進(jìn)的三個(gè)數(shù)學(xué)模型。模型Ⅰ:把易拉罐近似地看成一個(gè)正圓柱體，在易拉罐的容積一定時(shí)，以材料最省為目標(biāo)，用求極值的方法求得易拉罐高度與底面半徑之間的關(guān)系為，用實(shí)測值進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)比較吻合，但還是有一定誤差存在，因此進(jìn)一步建立模型Ⅱ進(jìn)行分析。模型Ⅱ:進(jìn)一步考慮易拉罐的形狀，即罐體上面部分是一個(gè)正圓臺(tái)，下面部分是一個(gè)正圓柱體時(shí)，利用線性規(guī)劃方法求得此時(shí)易拉罐的最優(yōu)設(shè)計(jì)。通過對模型Ⅰ中的圓柱型易拉罐的對比，所得模型與實(shí)測值更加吻合。模型Ⅲ：以材料最省為主要目的，兼顧易拉罐的舒適度進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立模型，并給出具體的設(shè)計(jì)方案。最后結(jié)合本模型的建立過程寫對數(shù)學(xué)建模的認(rèn)識與數(shù)學(xué)建模過程的難點(diǎn)。關(guān)鍵詞：最優(yōu)設(shè)計(jì)形狀與尺寸合適度

一、問題重述生活中我們發(fā)現(xiàn)飲料量為355毫升的可口可樂、青島啤酒等銷量很大的飲料易拉罐的形狀和尺寸幾乎都是一樣的。這應(yīng)該是某種意義下的最優(yōu)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，對于單個(gè)的易拉罐來說，這種最優(yōu)設(shè)計(jì)可以節(jié)省的錢可能是很有限的，但是如果是生產(chǎn)幾億，甚至幾十億個(gè)易拉罐的話，可以節(jié)約的錢就很可觀了。請通過數(shù)學(xué)建模來分析上述情況并回答如下問題：（1）取一個(gè)飲料量為355毫升的易拉罐，測量你們認(rèn)為驗(yàn)證模型所需要的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)列表加以說明；如果數(shù)據(jù)不是你們自己測量得到的，請注明出處。（2）設(shè)易拉罐是一個(gè)正圓柱體。什么是它的最優(yōu)設(shè)計(jì)？其結(jié)果是否可以合理說明你們所測量的易拉罐的形狀和尺寸。（3）設(shè)易拉罐的中心縱斷面如下圖所示，即上面部分是一個(gè)正圓臺(tái)，下面部分是一個(gè)正圓柱體。什么是它的最優(yōu)設(shè)計(jì)？其結(jié)果是否可以合理地說明你們所測量的易拉罐的形狀和尺寸。圖一（4）利用你們對所測量的易拉罐的洞察和想象力，做出你們自己的關(guān)于易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計(jì)。（5）用你們做本題以及以前學(xué)習(xí)和實(shí)踐數(shù)學(xué)建模的親身體驗(yàn)，寫一篇短文，闡述什么是數(shù)學(xué)建模、它的關(guān)鍵步驟，以及難點(diǎn)。二、問題分析要使易拉罐達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，必須滿足以下條件：（1）保證容量是足夠的。（2）材料要最節(jié)省，使生產(chǎn)者在保證質(zhì)量的情況下，成本能降到最低。（3）能夠保證易拉罐對容器內(nèi)液體和氣體的壓力。（4）易拉罐是大批量生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)模苊膺\(yùn)輸過程中瓶罐之間因碰撞造成的損失，必須穩(wěn)定放置兩個(gè)易拉罐，才能保證安全運(yùn)輸。三、模型假設(shè)(1)研究的對象是容量為355ml的碳酸飲料的易拉罐，如可口可樂、雪碧、藍(lán)代啤酒。(2)測量的是無變形、無損壞的易拉罐。(3)測量的是鋁制易拉罐。四、符號定義：易拉罐側(cè)壁的厚度。：易拉罐柱體部分的內(nèi)半徑。：易拉罐上底厚度。：易拉罐的總面積。：易拉罐下底厚度。：易拉罐的內(nèi)高度。：所用材料的體積。：易拉罐的總體高度。：下底厚與側(cè)壁厚的比值。：上底內(nèi)高。：上底厚與側(cè)壁厚的比值。：下底內(nèi)高。：上底內(nèi)直徑。：上底內(nèi)高。：下底內(nèi)直徑。：下底拱高。：易拉罐的容量，為一固定值。：舒適度。圖一五、模型建立與求解問題一1.1測量方法㈠測厚度：把易拉罐切開壓平，n層的易拉罐壁進(jìn)行疊加，直至總厚度可達(dá)mmm,則單個(gè)易拉罐壁厚則為m/nmm，同樣方法對不同品種的易拉罐進(jìn)行測量,取平均值.㈡測外徑：用一條無彈力的繩子水平繞標(biāo)準(zhǔn)易拉罐的柱體部分一圈，再利用直尺測出繩子的長度。為減少誤差，用以上相同方法進(jìn)行多次測量，取得平均值。由，得出。㈢其余的數(shù)據(jù)全由千分尺測得。近似取值為小數(shù)點(diǎn)后兩位數(shù)。對易拉罐所測得的數(shù)據(jù)見下表一：表一:自己測量得到的易拉罐所需數(shù)據(jù)表(單位:mm)雪碧藍(lán)代可樂平均數(shù)罐總高度H122.50122.50122.80122.60上內(nèi)高5.205.004.805.30下內(nèi)高5.005.005.105.00上蓋厚0.300.300.300.30下底厚0.280.270.300.27側(cè)壁厚30.13罐身直徑260.3060.6060.5060.47上內(nèi)直徑57.4057.1057.2057.23下內(nèi)直徑50.4053.0050.2051.20上外高13.8013.6013.5013.63下底拱高9.909.8010.209.90問題二（模型Ⅰ）2.1模型假設(shè):易拉罐的形狀為正圓柱體，如圖二圖二2.2模型分析：把易拉罐近似看成一個(gè)正圓柱，要求易拉罐內(nèi)的體積一定時(shí)，求能使易拉罐制作所用的材料最省。2.3模型的建立與求解:易拉罐側(cè)面所用材料的體積:,《可以忽略所以側(cè)面材料的體積可以近似看作易拉罐上底面所用材料的體積:易拉罐下底面所用材料的體積:則①.②②代入①得:③令,解得臨界點(diǎn)為,代入②得：又因?yàn)椋运援?dāng)時(shí),Z取得最優(yōu)值.根據(jù)測量數(shù)據(jù)，則，代入公式得圓柱型的易拉罐的尺寸雖然與實(shí)測數(shù)據(jù)相對比較吻合，但還是有一定的誤差。通過觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)際中易拉罐的上部分有類似圓臺(tái)的地方，這是為了減少材料還是其他目的呢？因此建立模型。問題三（模型Ⅱ）3.1補(bǔ)充假設(shè)（如圖三）（1）為圓臺(tái)部分的母線長。（5）表示圓柱上底面積。（2）表示圓臺(tái)部分的高度。（6）表示圓臺(tái)的體積。（3）表示圓柱上線高度。（7）表示圓柱上線的體積。（4）表示圓臺(tái)上底的面積。（8）355-=355-即=。圖三3.2模型分析：此問題考慮的是把易拉罐的上部分改成圓臺(tái)使得它跟原先的體積一樣,求出使得易拉罐的用材最省。3.3模型的建立與求解:圓臺(tái)的表面積為：=+圓柱高的表面積為：=+-其中由模型一可知：化簡得：s.t.利用LINGO軟件求得d1=30.36716mmR=30.36716mmh1=0mmh2=0mm材料為752.8548mm從模型所求結(jié)果可以看出，圓臺(tái)的上底半徑只有6.11毫米,這樣一來易拉罐罐口只有117.283平方毫米,這與我們所測易拉罐的實(shí)際尺寸相差比較大。因此我們對所假設(shè)的模型做如下改進(jìn)：在實(shí)際中圓臺(tái)上底半徑與易拉罐中間半徑相差很小約5；圓臺(tái)的高度也是很小約為5。因此模型修正為：d1=5.000000mmr=30.55185mmh2=3.462191mmh1=5.000000mm材料為-450.1384(mm)^3（見附錄二）由于實(shí)際中易拉罐的圓臺(tái)與罐底，方便運(yùn)輸，而問題三中討論的易拉罐上部是圓臺(tái)用料與圓柱的廢料問題，因此，浪費(fèi)點(diǎn)原料來提高人對易拉罐的舒適度。本文在對問題四的回答中進(jìn)一步的闡述這個(gè)改進(jìn)。問題四（模型三）改進(jìn)后易拉罐模型的母線為：改進(jìn)后易拉罐模型的上底半徑：因此，可求得改進(jìn)后易拉罐模型的表面積：上下底面積之和為：規(guī)定改進(jìn)后易拉罐模型的容積不變，還是，則圓柱形的表面積：圓柱上下底的面積：因此，可得原型易拉罐的面積為：=+b+450改進(jìn)后易拉罐模型與原型易拉罐的面積的差值：舒適程度的函數(shù)曲線：——它的圖象為可以根據(jù)市場調(diào)查的散點(diǎn)圖形式來擬合曲線，如下圖：綜上所述，浪費(fèi)材料與舒適程度的關(guān)系式為：；（k:舒適程度的增加錢的增值；p:表示每個(gè)單位的價(jià)格）問題五：淺談數(shù)學(xué)建模在未接觸建模時(shí)，就已經(jīng)聽說過它了，但不太了解，直到真正接觸，才發(fā)現(xiàn)原來數(shù)學(xué)建模就在我們的身邊。早在中學(xué)，甚至是小學(xué)時(shí)就已經(jīng)用建立數(shù)學(xué)模型的方法來解決過一些簡單或理想化的實(shí)際問題。例如航行問題、速度問題等。數(shù)學(xué)建模不只是對實(shí)際問題建立數(shù)學(xué)模型的過程，它還包括了對實(shí)際問題進(jìn)行的解釋、求解、驗(yàn)證并解決的全過程。數(shù)學(xué)建模是運(yùn)用如同MATLAB、LINGO等數(shù)學(xué)工具來得到一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，用各種數(shù)學(xué)方程、表格、圖形等表現(xiàn)模型的思想。它是為解決現(xiàn)實(shí)中存在的特定的對象，特定的目的，根據(jù)特有的內(nèi)有規(guī)律進(jìn)行必要的簡化假設(shè)，而設(shè)計(jì)的模型。另外，對于同一個(gè)客觀事物可以有多種數(shù)學(xué)描述，因此有必要在若干模型中選擇一個(gè)最簡單，最恰當(dāng)，最易于進(jìn)行數(shù)學(xué)處理的模型。對于模型，可以選擇一個(gè)最簡單，最恰當(dāng)，最易于進(jìn)行數(shù)學(xué)處理的模型。如下圖：在易拉罐模型中，我們在審題時(shí)，結(jié)合實(shí)際中普遍飲用的易拉罐，大概了解易拉罐的構(gòu)造，形狀，并在某些生產(chǎn)產(chǎn)品的公司網(wǎng)站上查閱了一些有關(guān)易拉罐具體尺寸、材料組成等，以及它的制作工藝、過程?？紤]到罐內(nèi)物質(zhì)對瓶罐的壓力，再查閱了有關(guān)于應(yīng)力等方面的知識。我們也通過各種方法，測量了易拉罐的直徑、高度、厚度等。其次，建立數(shù)學(xué)模型。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，飲料罐總體上可分為部分：圓臺(tái)、圓柱。當(dāng)然，這不是偶然，必定是某種意義上的最優(yōu)設(shè)計(jì)。對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)與簡化，這是建立模型的關(guān)鍵一步，必須對研究對象進(jìn)行統(tǒng)一，即認(rèn)定都為飲料量為355毫升的易拉罐。為減少誤差，對于測得的數(shù)據(jù)用多次測量取平均值。根據(jù)題目要求，明確易拉罐要達(dá)到最優(yōu)，必須滿足兩個(gè)條件：一、材料最省。二、能夠保證易拉罐的舒服度。在認(rèn)為易拉罐是一個(gè)長方體繞軸心旋轉(zhuǎn)360度的模型時(shí)，求極值問題則可利用求導(dǎo)方法取臨界值。當(dāng)易拉罐是由圓臺(tái)和圓柱構(gòu)成時(shí)，可與第一個(gè)模型進(jìn)行比較，從節(jié)省材料的角度來考慮，得出最優(yōu)模型。在模型中,考慮了舒適度，建立此函數(shù)關(guān)系時(shí)，需要通過顧客心理來描述圖形，但是由于沒有充裕的時(shí)間，整個(gè)模型過于簡略，不夠精確。六、模型改進(jìn)就問題四而言，本文只是針對易拉罐的形狀和尺寸進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，并沒有對易拉罐所用材料進(jìn)行改進(jìn)。但是鋁質(zhì)易拉罐的原材料需大量進(jìn)口，且價(jià)格昂貴，加上污染環(huán)境等因素，國家已不再批準(zhǔn)新建鋁質(zhì)易拉罐生產(chǎn)線。因此能否找到一種新型材料用來代替鋁質(zhì)易拉罐已成為我國關(guān)心的問題。對此，可以在易拉罐取材上進(jìn)行分析，將會(huì)得到一定的效果的。七、模型評價(jià)7.1模型優(yōu)點(diǎn)模型I運(yùn)用導(dǎo)數(shù)求極值的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算方便，簡單易懂。通過利用數(shù)學(xué)工具和Lingo編程的方法，嚴(yán)格地對模型求解，具有科學(xué)性。建立的模型能與實(shí)際緊密聯(lián)系，結(jié)合實(shí)際情況對所提出的問題進(jìn)行求解，使模型更貼近實(shí)際，通用性、推廣性較強(qiáng)。7.2模型的缺陷由于未能查得易拉罐的具體尺寸，只能運(yùn)用測量工具對易拉罐進(jìn)行測量，因此所測得的測量值與實(shí)際值之間有一定的誤差，模型只考慮了半徑與高之比，沒有考慮其他，可能有點(diǎn)不全面。八、參考文獻(xiàn)[1]唐煥文賀明峰，數(shù)學(xué)模型引論（第三版），高等教育出版社，2005.3[2]楊啟帆方道元，數(shù)學(xué)建模，浙江大學(xué)出版社，1993.3[3]葉其孝，最優(yōu)化-導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用（極值問題）教學(xué)單元，:8060[4]上海聯(lián)合制罐有限公司，/index.htm 附件一model:max=3.14*((d1+r)*((r-d1)^2+d1^2)^(1/2)*0.13+0.26*(d1^2-r^2)-0.26*r*h2);d1/r+1/2=(3*h2/h1-3/4)^1/2;1/3*3.14*(d1^2+r^2+d1*r)*h1+3.14*(122.6-h2)*r^2=355000;h2<=122.6;d1<=r;endLocaloptimalsolutionfoundatiteration:406Objectivevalue:752.8548VariableValueReducedCostD130.367160.000000R30.367160.000000H20.00000018.65100H10.0000006.140743RowSlackorSurplusDualPrice1752.85481.0000002-0.5000000E+300.00000030.0000000.2120718E-024122.60000.00000050.00000086.77114附件二model:max=3.14*((d1+r)*((r-d1)^2+d1^2)^(1/2)*0.13+0.26*(d1^2-r^2)-0.26*r*h2);d1/r+1/2=(3*h2/h1-3/4)^1/2;1/3*3.14*(d1^2+r^2+d1*r)*h1+3.14*(122.6-h2)*r^2=355000;h1=5;d1=5;endLocaloptimalsolutionfoundatiteration:43636Objectivevalue:-450.1384VariableValueReducedCostd15.0000000.000000r30.551850.000000h23.4621910.000000h15.0000000.000000RowSlackorSurplusDualPrice1-450.13841.0000002-0.1134488E-0594.650373-0.8106054-0.1177982E-0240.000000-25.2335850.000000-2.453684目錄插板塑料模具設(shè)計(jì)摘要……………3緒論 ………………4第一章塑件的工藝分析 71.1塑件 71.2工藝分析 8第二章擬定模具結(jié)構(gòu)形式 82.1分型面的確定 82.2確定行腔數(shù)和排列方式 8第三章澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 103.1主流道的設(shè)計(jì) 103.2分流道的設(shè)計(jì) 113.3澆口的設(shè)計(jì) 113.4分流道的分布 12第四章成型零件的設(shè)計(jì) 124.1成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 124.2成型零件鋼材選用 134.3動(dòng)模的大小 134.4主要成型零件的工作尺寸計(jì)算 134.5定模的設(shè)計(jì) 14第五章推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 145.1推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 145.2脫模力 145.3推桿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 145.3推出形式的確定 14第六章模架的確定 156.1A板（定模固定板） 156.2B板（動(dòng)模固定板） 166.3C板（C板墊板） 166.4后續(xù)處理 17第七章注塑機(jī)的校核 177.1最大注射量校核 177.2注射壓力校核 187.3開模行程校核 187.4其他部分尺寸校核 18第八章導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 197.1最大注射量校核 197.2注射壓力校核 207.3開模行程校核 22第九章調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23第十章型腔布置 24第十一章模具總裝圖 25參考文獻(xiàn)26設(shè)計(jì)總結(jié)...27致謝...28摘要塑料工業(yè)是當(dāng)今世界上增長最快的工業(yè)門類之一，而注塑模具是其中發(fā)展較快的種類，因此，研究注塑模具對了解塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大意義。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品名稱插板，選材料為聚氯乙烯，因?yàn)楫a(chǎn)品的需求，我們選擇采用一模兩腔的排列方式，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)用推桿推出工件方法。通過本設(shè)計(jì)，可以對注塑模具有一個(gè)初步的認(rèn)識，注意到設(shè)計(jì)中的某些細(xì)節(jié)問題，了解模具結(jié)構(gòu)及工作原理；通過對CAD的學(xué)習(xí)，可以建立較簡單零件的零件庫，從而有效的提高工作效率。關(guān)鍵詞：側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)斜頂機(jī)構(gòu)緒論前言模具工業(yè)是制造業(yè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，同時(shí)本身又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域，所以模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，它在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家被稱為“點(diǎn)鐵成金”的“磁力工業(yè)”；美國工業(yè)界認(rèn)為“模具工業(yè)是美國工業(yè)的基石”;德國則認(rèn)為是所有工業(yè)中的“關(guān)鍵工業(yè)”;日本模具協(xié)會(huì)也認(rèn)為“模具是促進(jìn)社會(huì)繁榮富裕的動(dòng)力”，同時(shí)也是“整個(gè)工業(yè)發(fā)展的秘密”，是“進(jìn)入富裕社會(huì)的原動(dòng)力”。日本模具產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值達(dá)到13000億日元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過日本機(jī)床總產(chǎn)值9000億日元。如今，世界模具工業(yè)的發(fā)展甚至己超過了新興的電子工業(yè)。在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中，沖壓模具約占50%，塑料模具約占33%，壓鑄模具約占6%，其它各類模具約占11%。改革開放以來，我國的模具工業(yè)發(fā)展也十分迅速。振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，正日益受到人們的關(guān)注。早在1989年3月中國政府頒布的《關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策要點(diǎn)的決定》中，將模具列為機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位。近年來，我國模具工業(yè)每年都以15％的增長速度快速發(fā)展。許多模具企業(yè)十分重視技術(shù)發(fā)展。加大了用于技術(shù)進(jìn)步的投入力度，將技術(shù)進(jìn)步作為企業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。此外，許多科研機(jī)構(gòu)和大專院校也開展了模具技術(shù)的研究與開發(fā)。模具行業(yè)的快速發(fā)展是使我國成為世界超級制造大國的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有模具生產(chǎn)廠近2萬家，從業(yè)人員約50萬人，“九五”期間的年增長率為13%.2000年總產(chǎn)值為270億元，占世界總量的5%。但從總體上看，自產(chǎn)自用占主導(dǎo)地位，商品化模具僅為1/3左右，國內(nèi)模具生產(chǎn)仍供不應(yīng)求，特別是精密、大型、復(fù)雜、長壽命模具，仍主要依賴進(jìn)口。目前，就整個(gè)模具市場來看，進(jìn)口模具約占市場總量的20%左右，其中，中高檔模具進(jìn)口比例達(dá)40%以上。因此，近年來我國模具發(fā)展的重點(diǎn)放在精密、大型、復(fù)雜、長壽命模具上，并取得了可喜的成績，模具進(jìn)口逐漸下降，模具技術(shù)和水平也有長足的進(jìn)步。近年來，模具行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和體制改革步伐加快，主要表現(xiàn)為：大型精密、復(fù)雜、長壽命等中高檔模具及模具標(biāo)準(zhǔn)件發(fā)展速度快于一般模具產(chǎn)品；塑料模和壓鑄模比例增大；專業(yè)模具廠數(shù)量增加較快，其能力提高顯著；“三資”及私營企業(yè)發(fā)展迅速，尤其是“三資”企業(yè)目前已成為行業(yè)的主力軍；股份制改造步伐加快，等等。從地區(qū)分布來說，以珠江三角洲和長江三角洲為中心的東南沿海地區(qū)發(fā)展快于中西部地區(qū)，南方的發(fā)展快于北方。目前發(fā)展最快、模具生產(chǎn)最為集中的省份是廣東和浙江，這2個(gè)省的模具產(chǎn)值已占全國總量的六成以上。江蘇、上海、山東、安徽等地目前發(fā)展態(tài)勢也很好。隨著世界五金、電子、儀表、電器和機(jī)械塑料工業(yè)高速發(fā)展,我國塑料工業(yè)異軍突起，而塑料工業(yè)的高速發(fā)展又對塑料模具工業(yè)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用同時(shí)也對它提出了越來越高的要求。塑料模具就是利用特定形狀去成型具有一定形狀和尺寸的塑料制品的工藝基礎(chǔ)裝備。用塑料模具生產(chǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)是制造簡便、材料利用高、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品的尺寸規(guī)格一致，特別是對大批量生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品，更能獲得價(jià)廉物美的經(jīng)濟(jì)效果。塑料模具的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造和現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展有極密切的關(guān)系。隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料模具工業(yè)也隨之迅速發(fā)展。目前我國塑料模具約占模具工業(yè)總產(chǎn)值30％～35％。國內(nèi)塑料模具市場以注塑模具需求量最大，因?yàn)樽⑺艹尚涂梢詫π螤顝?fù)雜的塑料產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)一次成型，是一種高效率、大批量的生產(chǎn)方式。僅汽車行業(yè)就需要各種塑料制品36萬噸其中80％以上的產(chǎn)品通過注塑生產(chǎn)。電子電器如電冰箱、洗衣機(jī)和空調(diào)的年產(chǎn)量均超過1000萬臺(tái)；彩電的年產(chǎn)量已超過3000萬臺(tái)。到2010年，在建筑與建材行業(yè)方面，塑料門窗的普及率為30％，塑料管的普及率將達(dá)到5O％，這些都會(huì)大大增加對塑料模具的需求量。注塑模具的優(yōu)劣直接影響注塑成型的質(zhì)量。注塑模具行業(yè)，欲要加工出高精度、高質(zhì)量、復(fù)雜型面的注塑模具必須借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造軟件、編制合理的加工工藝規(guī)程、選擇合適的加工設(shè)備和刀具、設(shè)定最佳切削用量，這是保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的有效途徑。為了能夠?yàn)樽⑺芗庸ど躺a(chǎn)出可節(jié)約投資成本和時(shí)間成本，以及提高注塑生產(chǎn)效率的模具，模具制造商們不斷使用新材料和新技術(shù)，而這些新材料和新技術(shù)則在一定程度上代表了注塑模具制造的新趨勢。有一種新材料能夠降低注射模具制造商的投資成本和時(shí)間成本。這種新合金名為鈷鉻MP1，專為在快速成型(RP)設(shè)備上采用金屬激光直接燒結(jié)(DMLS)工藝而開發(fā)。該種鈷鉻合金被證明具有高強(qiáng)度、耐高溫性能和抗腐蝕性能。該合金的洛式硬度在30～40之間，能夠生產(chǎn)小型復(fù)雜的模具產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品目前通常需要采用電火花加工或者機(jī)加工方法來制造。使用潛入式澆口嵌件消除可見的澆口痕跡這種潛入式澆口嵌件來自干德國的i-mold公司，其注射點(diǎn)被設(shè)計(jì)在制品的末端，而流道從前端開放從而使?jié)部诒砻娑ㄎ辉谥破飞喜伙@眼的地方。例如，在制品外沿肋筋底部的側(cè)澆口，人們是不能看到明顯的澆口痕跡的。少用拋光，多用涂層。美國Bales模具服務(wù)公司是一家為注射模具提供拋光和電鍍服務(wù)的公司。出于為客戶降低成本的考慮，該公司現(xiàn)在已很少采用特級EDM拋光技術(shù)，取而代之的是采用電鍍技術(shù)在模具表面形成涂層。眾所周知，填料會(huì)縮短注塑模具的壽命。隨著注射成型中填料的用量越來越大，填料對模具造成的腐蝕和磨損的問題日益突顯。而為模具增加鍍層，如Nicklon(一種鎳一PTFE鍍層)和Nibore(鎳硼氮化物)則能起到很好的保護(hù)作用。同時(shí)與價(jià)格昂貴的塑料潤滑添加劑相比，這些鍍層又非常便宜。在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中，對塑件的美觀度及功能要求的越來越高，塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，模具的外形設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜。這些都對模具加工技術(shù)提出了更高要求，不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術(shù)研究的不斷深入，尤其在加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD／CAM軟件等相關(guān)技術(shù)推動(dòng)下，高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中。數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。高速加工技術(shù)對模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響，改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火一銑削加工一熱處理一磨削”或“電火花加工一手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。同時(shí)還可以利用三坐標(biāo)測量儀，結(jié)合三位軟件，快速造型縮短模具設(shè)計(jì)周期。課題研發(fā)背景及意義隨著世界五金、電子、儀表、電器和機(jī)械塑料工業(yè)高速發(fā)展,我國塑料工業(yè)異軍突起，而塑料工業(yè)的高速發(fā)展又對塑料模具工業(yè)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用同時(shí)也對它提出了越來越高的要求。塑料模具就是利用特定形狀去成型具有一定形狀和尺寸的塑料制品的工藝基礎(chǔ)裝備。用塑料模具生產(chǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)是制造簡便、材料利用高、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品的尺寸規(guī)格一致，特別是對大批量生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品，更能獲得價(jià)廉物美的經(jīng)濟(jì)效果。塑料模具的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造和現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展有極密切的關(guān)系。隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料模具工業(yè)也隨之迅速發(fā)展。目前我國塑料模具約占模具工業(yè)總產(chǎn)值30％～35％。國內(nèi)塑料模具市場以注塑模具需求量最大，因?yàn)樽⑺艹尚涂梢詫π螤顝?fù)雜的塑料產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)一次成型，是一種高效率、大批量的生產(chǎn)方式。僅汽車行業(yè)就需要各種塑料制品36萬噸其中80％以上的產(chǎn)品通過注塑生產(chǎn)。電子電器如電冰箱、洗衣機(jī)和空調(diào)的年產(chǎn)量均超過1000萬臺(tái)；彩電的年產(chǎn)量已超過3000萬臺(tái)。到2010年，在建筑與建材行業(yè)方面，塑料門窗的普及率為30％，塑料管的普及率將達(dá)到5O％，這些都會(huì)大大增加對塑料模具的需求量。注塑模具的優(yōu)劣直接影響注塑成型的質(zhì)量。注塑模具行業(yè)，欲要加工出高精度、高質(zhì)量、復(fù)雜型面的注塑模具必須借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造軟件、編制合理的加工工藝規(guī)程、選擇合適的加工設(shè)備和刀具、設(shè)定最佳切削用量，這是保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的有效途徑。為了能夠?yàn)樽⑺芗庸ど躺a(chǎn)出可節(jié)約投資成本和時(shí)間成本，以及提高注塑生產(chǎn)效率的模具，模具制造商們不斷使用新材料和新技術(shù)，而這些新材料和新技術(shù)則在一定程度上代表了注塑模具制造的新趨勢。因而，玩具四驅(qū)車底座成型技術(shù)的研究與開發(fā)具有相當(dāng)重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。以此作為一個(gè)突破口，帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)塑件產(chǎn)品外觀零件注塑成形技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，將會(huì)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。塑件的工藝分析1.1塑件：如圖。 1.2工藝分析：（1）制品采用低密度聚乙烯材料，收縮率為1.5%~3.0%；（2）該塑件尺寸較小，塑件的尺寸精度無特殊要求，所有尺寸均為自由尺寸，可采用5級公差，為降低成本，采用一模兩腔，并不對制品進(jìn)行后續(xù)加工；（3）制品表面光潔度沒有特殊要求，為提高成型效率采用點(diǎn)交口澆口；（4）為了方便加工、熱處理和降低成本，型腔與型芯采用拼合結(jié)構(gòu)。擬定模具結(jié)構(gòu)形式2.1分型面的確定在塑件設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮成型時(shí)分型面的形狀和位置，然后在選擇模具的結(jié)構(gòu)，分型面的選擇應(yīng)根據(jù)以下原則：A、有利于保證塑件的外觀量。B、分型面選擇在塑件的最大截面處。C、盡可能使塑件留在動(dòng)模一側(cè)。D、盡可能滿足塑件的使用要求。E、有利于型腔內(nèi)的氣體的排出。F、有利簡化模具的結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上原則分型面的位置確定在塑件底面的最大截面處。2.2確定型腔數(shù)目和排列方式1）、.該塑件對外觀要求不高，尺寸精度一般，且為中批量生產(chǎn)可采用一模多腔，考慮制品的尺寸較小，模具的制造費(fèi)用高等，初定為一模兩腔。2）、型腔排列形式的確定該塑件為方形件，型腔排列采用以下圖2-1的形式。圖2-1單個(gè)塑件體積V≈20cm3塑件總體積V≈40cm3查表得塑件的密度為0.92～0.94g/cm3單件塑料件重量m=Vⅹ0.94≈37.6g3)、塑件和流道凝料在分型面上的投影面積及所需鎖模力的計(jì)算a、塑件在分型面上的投影面積：A≈5900mm2b、鎖模力等于型腔內(nèi)工作壓力與塑件及澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之積：因?yàn)槭且话闼芗?，所以平均壓力q=65%ⅹ100=65MPaF=Aⅹq＝392KN4).初選注射機(jī)根據(jù)上述分析、計(jì)算，查表初選注射機(jī)型號為SZ-125/630臥式注射機(jī)的有關(guān)參數(shù)如下：理論注射容積140cm3注射壓力126MPa模具最大行程270mm模具最大厚度：300mm模具最小厚度：150mm噴嘴圓弧半徑：SR15mm噴嘴口徑:4mm定位圈直徑125mm澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1主流道設(shè)計(jì)a、主流道尺寸根據(jù)所選注射機(jī)，則主流道小端的尺寸為D=注射機(jī)噴嘴尺寸+（0.5～1）＝3+１＝4mm主流道球面半徑 SR=噴嘴球面半徑+（1～2）=10mmb、主流道襯套形式為了便于加工所以將襯套和定位圈分開設(shè)計(jì)，襯套如圖3-1所示，材料采用T10A，熱處理淬火后表面硬度為40～45HRC。圖3-13.2分流道設(shè)計(jì)（1）、分流道布置形式塑件的體積比較小，形狀比較簡單，壁厚均勻，且塑料流動(dòng)性好，可以采用單點(diǎn)進(jìn)料的方式。（2）、分流道形狀、截面尺寸：a、形狀及截面尺寸為了便于加工及凝料的脫模，采用加工工藝性較好的U形截面。b、直徑一般為1.6~9.5,取直徑為φ7mm。c、U形截面高度H=1.25R=3.5mm。3.3澆口的設(shè)計(jì)（1）、由于該塑件外觀質(zhì)量要求較高，所以澆口的位置和大小應(yīng)以不影響塑件外觀質(zhì)量為前提。同時(shí)，也應(yīng)盡量使模具結(jié)構(gòu)簡單。、根據(jù)塑件外觀質(zhì)量的要求以及型腔的安放方式，進(jìn)料位置設(shè)計(jì)在塑件頂部。、查表得L1=1mmα1=20°d=φ0.8mmα=80°3.4分流道的分布圖圖3-2成型零件的設(shè)計(jì)4.1成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）、凹模的設(shè)計(jì)要求：整體式型腔是直接加工在型腔板上的，因?yàn)檫@樣有較高的強(qiáng)度和剛度，在使用過程中不易發(fā)生變形，且該塑件尺寸較小，形狀簡單，型腔加工容易實(shí)現(xiàn)，故采用整體式結(jié)構(gòu)。（2）、型芯形狀簡單，為減低成本故做成鑲拼式型芯。便于機(jī)加工和熱處理，修理更換方便也利于型芯冷卻和排氣。4.2成型零件鋼材選用塑料為批量生產(chǎn)，成型零件選用鋼材要具有較好的耐磨性和抗疲勞能力。機(jī)械加工性能和拋光性能要好，因此，嵌入式凸凹模均選用T10A。淬火后表面硬度為40HRC-45HRC。4.3動(dòng)模的大?。河捎谟?jì)算壁厚比較麻煩，所以采用查經(jīng)驗(yàn)表的方式確定壁厚，從而確定動(dòng)模大小。查表得：型腔壁厚S1為25mm，固定定模板壁厚按模套厚度取S2為70。所以綜合考慮動(dòng)模大小確定為270x400x704.4主要成型零件的工作尺寸的計(jì)算計(jì)算按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：LM=(LS+LSⅹSCP-3/4△)△S0HM=(HS+HSⅹSCP-2/3△)△S0lM=(lS+lSⅹSCP+3/4△)△S0hM=(hS+hSⅹSCP+2/3△)△S0C=(Cs+Scp)±△S/2（1）、型腔的徑向尺寸l1＝50.150+0.51l2＝130.550+0.51（2）、型芯的徑向尺寸L1＝45。860-0.44其余實(shí)際尺寸按收縮率3D實(shí)體（因?yàn)槊總€(gè)尺寸需要拔模斜度，計(jì)算取來相當(dāng)繁瑣）4.5成型零件的結(jié)構(gòu)示意圖圖4-1推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是注射成型其中的一個(gè)重要循環(huán),塑件必須無誤地從模具中脫出,完成脫出塑件的裝置。5.1推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:(1)推出機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量布置在動(dòng)模一側(cè)。(2)保證塑件推出不被損壞和良好的外觀。(3)機(jī)構(gòu)簡單,動(dòng)作可靠。(4)合模時(shí)準(zhǔn)確復(fù)位。5.2脫模力塑件較厚:P=12MPa摩擦系數(shù)f取中間值f=0.2塑件取a＝0.50F脫=AxPx[fxcos(0.5)-sin(0.5)]=4298N=4.3KN式中:P—塑件對型芯的單位面積上的包緊力(MPa)一般取8～12MPaA—塑件包容型芯的側(cè)面積f—塑件對鋼的摩擦因數(shù),一般取f=0.1～0.3a—脫模斜度.一般取0.50～105.3推桿的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)的時(shí)候要遵循以下原則:（1）推出機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在動(dòng)模一則。（2）保證塑件不因推出而變形損壞。（3）良好的塑件外觀。（4）機(jī)構(gòu)簡單動(dòng)作可靠,平穩(wěn)。（5）合模時(shí)的準(zhǔn)確復(fù)位。5.4推出形式的確定:根據(jù)塑件的形狀特點(diǎn)，確定模具型腔在定模部分，模具型芯在動(dòng)模部分。塑件成型開模后，塑件與型芯一起留在動(dòng)模一側(cè)。該塑件的塑料有很好的弾性，可以采取強(qiáng)制脫模方式，但是需要較大的脫模力，故采用推板推出機(jī)構(gòu)。模架的確定根據(jù)型腔的布局可看出，成型零件分布尺寸為50x130,又根據(jù)動(dòng)模固定板側(cè)壁最小厚度為70mm，再考慮到導(dǎo)柱，導(dǎo)套及連接螺釘布置應(yīng)占的位置和推桿等多方面的問題進(jìn)行確定。在Pro/E的輔助下，選用標(biāo)準(zhǔn)模架，從而獲得相關(guān)的板厚、孔距、和相關(guān)的尺寸大小。以下為模板的相關(guān)大?。?.1A板（定模固定板）A板是定模板型腔固定板,塑件高度為25mm,在模板上還有開設(shè)冷卻水通道,因此A板取70mm.6.2B板（動(dòng)模固定板）B板為型芯固定板,模仁固定部分長度約為25mm,因此B板取70mm6.3C板墊塊考慮到推出距離、推板厚度和推桿固定板厚度：墊塊的厚度＝推出距離＋推板厚度＋推桿固定板厚度這里取80mm.從上述中可知模架尺寸為:400x320x270mm6.4后續(xù)處理在調(diào)用模架的程序中開固定動(dòng)模孔。注塑機(jī)的校核7.1最大注射量的校核：V=80%V公＝140cm3大于塑件體積40cm3；所以注塑量滿足要求。7.2注射壓力的校核：P公=126MPa查表得底密度聚乙烯的平均注射壓力為65MPP公大于材料的平均壓力，所以注射壓力滿足要求。7.3開模行程的校核：S公=270mm需要的開模行程=S脫+S凝料+S塑件+（5~10）＝120mmS公大于所需的開模行程7.4其他部分尺寸校核:其他裝模部分的相關(guān)尺寸也滿足要因，因?yàn)槭歉鶕?jù)注塑機(jī)的相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以滿足設(shè)計(jì)要求。如：澆口套，定位孔等。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)因用了標(biāo)準(zhǔn)模架,模架本身帶有導(dǎo)向裝置,只需按模架規(guī)格選用即可。8.1導(dǎo)向總體設(shè)計(jì)(1)導(dǎo)向零件應(yīng)合理地均勻分布在模具的周圍,其中心到模具邊緣應(yīng)具有足夠的距離,以保證模具強(qiáng)度,防止導(dǎo)套變形。(2)模具導(dǎo)柱應(yīng)安裝在定模座上,導(dǎo)套安裝在定模固定板、推件板和墊板上。(3)為了保證分型面良好接觸,導(dǎo)柱和導(dǎo)套在分型面處應(yīng)設(shè)制有承削槽。(4)合模時(shí),應(yīng)保證導(dǎo)向零件首先接觸,避免凸模先進(jìn)入型腔,導(dǎo)致模具損壞。(5)動(dòng)定模采用配作加工,可保證同軸度。8.2導(dǎo)柱設(shè)計(jì)(1)該模具采用帶頭導(dǎo)柱。(2)導(dǎo)柱長度順利取件和正常導(dǎo)向，長度為135mm。(3)為了使導(dǎo)柱順利進(jìn)入導(dǎo)向孔,導(dǎo)柱的端部采用錐形的先導(dǎo)部分。(4)導(dǎo)柱直徑應(yīng)根據(jù)模具尺寸確定,應(yīng)保證有足夠的抗彎強(qiáng)度。(5)導(dǎo)柱的安裝形式,導(dǎo)柱固定部分與定模座模板按H7/k6過渡配合,導(dǎo)柱滑動(dòng)部分按H7/f6的間隙配合。(6)導(dǎo)柱工作部分表面粗糙度為Ra=0.4μm。(7)導(dǎo)柱應(yīng)具有堅(jiān)強(qiáng)而耐磨的表面和堅(jiān)韌不易折斷的內(nèi)芯,采用低碳鋼經(jīng)滲碳淬火處理或T8A,T10A淬火后達(dá)45HRC以上。8.3導(dǎo)套設(shè)計(jì)導(dǎo)套是用于與安裝在模具上的導(dǎo)柱相配合,用以確定動(dòng)定模的相對位置,保證模具運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向精度的圈套形零件。(1)結(jié)構(gòu)形式采用帶頭導(dǎo)套。(2)導(dǎo)套的端面應(yīng)倒圓角,導(dǎo)柱孔最好做在通孔,有利于排出孔內(nèi)的氣體。(3)導(dǎo)套孔滑動(dòng)部分接H7/f6間隙配合,表面粗糙度為0.4μm,導(dǎo)套外徑與模板一端采用H7/k6配合。導(dǎo)套材料要用耐磨性較好的材料T8A或T10A。調(diào)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因塑件的材料分布不均勻，所以需要設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng):9.1設(shè)計(jì)原則:（1）冷卻通道離凹模不宜太遠(yuǎn)或太近，一面影響冷卻效果和模具的強(qiáng)度，其距離一般為冷卻通道直徑的1～2倍，且要大于等于10mm；孔壁間距為通道直徑的3～5倍。（2）在模具結(jié)構(gòu)允許的情況下，冷卻通道的孔徑盡量大，冷卻回路的數(shù)量盡量多，這樣冷卻會(huì)越均勻。（3）應(yīng)與塑件厚度相適應(yīng)，即冷卻通道的排列要與型腔的形狀相吻合，塑件局部壁厚處應(yīng)增加冷卻通道，加強(qiáng)冷卻。（4）冷卻通道盡量不要通過鑲塊和鑲塊接縫以防漏水，必要時(shí)采用密封圈。（5）冷卻通道直徑一般為6～14mm。（6）澆口壁厚附近處應(yīng)加強(qiáng)冷卻。（7）冷卻通道要避免接近塑件的熔接部位，以免使塑件產(chǎn)生熔接痕，降低塑件強(qiáng)度。（8）避免造成模具表面冷卻不均勻。（9）凹模和凸模要分別冷卻，要保證冷卻的平衡，而且對凸模內(nèi)部的冷卻要注意水道穿過凸模與模板接縫處時(shí)進(jìn)行密封，以防漏水。9.2尺寸大小因塑件不是太大，所以冷卻通道直徑取6～12的中間值，取為φ6mm9.3布置(圖9-1)（1）與型腔壁的距離：取為55（2）孔壁間距取2倍間距：105（3）冷卻通道的分布圖見圖9-1型腔布置圖圖10-1模具總裝圖