塑料瓶盖注塑模具设计.docx
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塑料瓶盖注塑模具设计
塑料瓶盖注塑模具设计
绪论
1.本课题的意义、目的及应达到的要求
本设计主要意义是在我们学习完模具设计与制造的所有专业课之后，总结条理以前我们所学的知识，使之成为一个系统的理论体系，以便于我们在以后的工作中使用。
同时也让我们对模具的设计与制造有了初步的了解，掌握了查阅资料和使用工具书以及手册的能力。
【1】
本设计的目的是在学生毕业前夕，将通过毕业实习和毕业设计的实践性环节，对医学知识进行全面的总结和应用，提高综合能力的培训以及扩大模具领域的新知识。
具体的要求是：
1．系统总结，巩固过去所学的基础课和专业课知识。
2．运用所学的知识解决模具技术领域内的实际工程问题，以此进行综合知识的训练。
3．通过某项具体工程设计和实验研究，达到多种综合能力的培养，掌握设计和科研的基本过程和基本方法。
4．提高和运用与工程技术有关的人文科学，价值工程和技术经济的综合知识。
2本课题的国内外现状
2.1我国塑料模具工业的发展现状
我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。
在大型模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5Kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。
注塑模型腔制造精度可达0.02mm～0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具质量、寿命明显提高了，非淬火钢模寿命可达10～30万次，淬火钢模达50～1000万次，交货期较以前缩短，但和国外相比仍有较大差距，
（1）成型工艺方面：
多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展。
气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术，一些厂家还使用了C-MOLD气辅软件，取得较好的效果。
但总体上热流道的采用率达不到10%，与国外的50%～80%相比，差距较大。
（2）在制造技术方面：
CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，美国EDS的UGⅡ、美国ParametricTechnology公司的Pro/Engineer、美国CV公司的CADS5、以及一些塑模分析软件等等。
这些系统和软件的引进，虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了CAD/CAM的集成，并能支持CAE技术对成型过程，如对充模和冷却等进行计算机模拟，取得了一定的技术经济效益，促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。
近年来，我国自主开发的塑料模CAD/CAM系统有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中理工大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等，这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格低等特点，为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。
（3）模具材料方面：
近年来，国内已较广泛地采用一些新的塑料模具钢，如：
P20，3Gr2Mo、PMS、SMⅠ、SMⅡ等，对模具的质量和使用寿命有着直接的重大影响，但总体使用量仍较少。
塑料模具标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛得到应用，并且出现了一些国产的商品化的热流道系统元件。
但目前我国模具标准化程度的商品化程度一般在30%以下，和国外先进工业国家已达到70%～80%相比，仍有差距。
2.2我国塑料模具工业的发展趋势
2..2.1我国塑料模具工业今后的主要发展趋势
据有关方面预测，模具市场的总体趋势是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料模具发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例将逐步提高。
随着塑料工业的不断发展，对塑料模具提出越来越高的要求是正常的，因此，精密、大型、复杂、长寿命塑料模具的发展将高于总量发展速度。
同时，由于近年来进口模具中，精密、大型、复杂、长寿命模具占多数，所以，从减少进口、提高国产化率角度出发，这类高档模具在市场上的份额也将逐步增大。
建筑业的快速发展，使各种异型材挤出模具、PVC塑料管材接头模具成为模具市场新的经济增长点，高速公路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高要求，因此子午线橡胶轮胎模具，特别是活络模的发展也将高于总平均水平；以塑代木，以塑代金属使塑料模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大；家用电器行业在“十五”期间将有较大发展，特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的塑料模需求很大；而电子及通讯产品方面，除了彩电等音像产品外，笔记本电脑和网络机顶盒将有较大发展，这些都是塑料模具市场的增长点。
2.2.2我国塑料模具工业和今后的主要发展方向
（1）提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。
这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。
（2）.在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。
CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造良好的条件；基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题；CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高；塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的作用。
（3）推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。
采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。
制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发展热流道模具的关键。
气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。
目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。
气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，而且常用于较复杂的大型制品，模具设计和控制的难度较大，因此，开发气体辅助成型流动分析软件，显得十分重要。
另一方面为了确保塑料件精度，继续研究开发高压注射成型工艺与模具也非常重要。
（4）.开发新的成型工艺和快速经济模具。
以适应多品种、少批量的生产方式。
（5）提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。
我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低，与国外差距甚大，在一定程度上制约着我国模具工业的发展，为提高模具质量和降低模具制造成本，模具标准件的应用要大力推广。
为此，首先要制订统一的国家标准，并严格按标准生产；其次要逐步形成规模生产，提高商品化程度、提高标准件质量、降低成本；再次是要进一步增加标准件的规格品种。
（6）.应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。
（7）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。
采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。
研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。
3国外塑料模具的发展现状
（1）模具生产效率高，工期短，人均产值高。
各企业共同之处是厂房设备密集，显得十分拥挤，即使在这样的条件下，车间管理还是有条不紊，生产效率高。
一般模具企业，人均年产值为5～14万美元。
（2）专业分工细，技术精益求精，客户相对稳定。
模具企业专业分工较细，生产协作紧密。
每家企业只生产某一类模具，各家都有自己的拳头产品，这利于在技术上精益求精，以利在激烈的竞争中生存发展。
模具厂所需的模具标准件都是外购的，有些零件加工业是由其他厂协作。
（3）模具企业带件生产比较普遍，有利于企业发展。
模具作为单件或极小批量产品，技术密集和精密加工设备密集，与模具成型制品的大批量生产相比，投入大，产出低，因而制约了模具企业大发展。
他们注重模具与制品一体化，模具与制品相辅相成，互相促进，有利于模具企业的发展。
（4）紧跟主产品需求开发模具，重视开拓海外市场。
模具工业发展较快，紧跟主产品需求开发制造模具是一个重要因素。
近几年3C电子产品和汽车工业的迅速发展，带动了模具工业的发展。
目前模具产值的76%源自3C产品和汽车、摩托车提供的产品。
模具行业以很强的市场敏感性，以最短的生产周期满足了这些行业的需求。
大陆的许多3C产品和汽车模具就来自美国，日本和西欧，以及台湾。
（5）CAD/CAE/CAM和高速切削加工技术应用广泛。
他们的模具生产效率较高，市场快速反应能力强，CAD/CAE/CAM技术和高速切削技术的普及应用，无疑是一个重要因素。
（6）模具企业对管理的重视程度在加大，利用软体包括管理软件和工艺流程开发软件来提高企业本身的竞争力，而不仅仅是静态得考虑模具的开发和制造成本，对此企业向更科学更系统的现代管理模式发展。
4．本设计所要解决的问题
现在生活节奏的加快和人们对生活品质要求的提高以及环境污染给人们心理上早成的影响,使人们更乐于接受经过多层过滤更为安全可靠的纯净水或者矿泉水,应其而生的经济的瓶子和瓶盖成为大批量需求的产品.
在瓶盖塑料模具的设计与制造过程中，根据所学的知识和我们在毕业实习中所积累的经验，所采用方案如下:
生产效率是第一的考虑,所以在结构上确定为一模十二腔,同时考虑设计上模具寿命,以及一次生产即可使用而不需要多加工序,这些都可以是提高效率的因素.
矿泉水瓶盖的应用是很广泛的,在结构上必要的保留几种功能,一是内螺纹用于旋紧,二是需要挡水圈的设计来取代以往加橡皮垫圈的密封方式,三是防伪圈的倒扣设计以及和其瓶盖主题的点连接结构,以方便瓶盖的压入和瓶盖打开时顺利脱离防伪圈而不至产生一块脱离的现象或者难以旋断的情况.
一工艺性分析
1.1:
塑料的原材料分析[1]
（1）塑件材料选用ＰＰ属于热塑性塑料，从使用性能上看，该塑料力学性能好，可以在１００Ｃ以下使用，若不受外力，则温度在１５０Ｃ时不会变形，化学稳定性好．
（2）从成型性能上看该塑料吸水性小，熔料流动性好，成型容易，但收缩率大，此外，该塑料成型易产生缩孔凹痕变形等缺陷．成型温度底时，方向性明显，凝固速度快，易产生内应力，因此在成型时一注意控制成型温度，浇注系统应缓慢散热，冷却速度不易过快．
1.2：
塑件的结构和尺寸精度等级及表面质量分析
从该制品的零件图可知；形状，结构对制件脱模要求较高，但对尺寸大小，产品精度和表面质量要求都不高。
（1）该塑件结构结构工艺分析：
此设计任务书中给出的零件图存在若干弊端，给模具结构设计带来一些困难，现在在不影响起使用性能的基础上改进三处．第一是在瓶盖外表表面的防滑竖纹，不应该直接在下面切半通槽，而应该通向型腔，使其在开模时不增加不必要抽芯难度．第二是挡水圈的脱模设计，将其设计为倾斜４５度，并将斜底做在角处，是型芯最大直径变得小一些，便于在强脱之后不至于碰到下边的内螺纹而增加脱模行程,而倾斜的挡水圈会在旋入时压平,第三是防伪圈内恻设计为凸起的倒扣环,间断式.整个修改后的制件如图一:
图1制件图
（2）制品的精度等级；塑料制件的尺寸精度主要取决于塑料收缩率的波动和模具制造误差，此处塑料件未注公差，由于该制件的原材料为聚丙烯，而聚丙烯的制件公差等级较低为MT7级，该塑件的精度等级较低。
受模具活动部分的影响，取公差值和附加值之和，MT2级取0.05，MT3-5级取0.1。
【2】
（3）制品的表面质量；塑料制件的精度等级较低，我们所要获得的制件对制品的表面质量除要求无缺陷，毛刺，无特殊要求，一般的模具制造工艺和注塑工艺就能满足要求。
（4）制品的形状结构；制品的最小壁厚为0.5mm。
符合聚乙烯的最小壁厚原则，聚丙烯的质软，所以可以强制脱模.所以在模具的设计和加工过程中要特别注意，防止出现缺陷.
1.3：
计算塑料制件的体积和质量
计算塑件的体积和质量是为了选用注塑机及确定模具型腔数量。
计算塑料制件的体积：
V=1675*2=3.350cm3
查《塑料注塑模结构与设计》知聚丙烯密度为ρ=0.9～0.91g/cm3.这里取ρ=0.905g/cm3
由密度可得出单个制件的质量：
Q=ρV=0.905×3.35
=3.03175g
此模具采用一模12腔结构,质量w=3.03175*12=36.381g
1.4：
聚丙烯塑料注射成型的工艺参数。
（注塑工艺卡）
注射温度包括料筒温度和喷嘴温度
料筒温度：
后段温度t1选用220℃
中段温度t2选用240℃
前段温度t3选用260℃
喷嘴温度选用220℃
注塑压力：
选用100mpa
注塑时间：
选用15s
保压压力：
选用72mpa
保压时间：
选用10s
冷却时间：
选用30s
总周期:
40～130s
1.5：
塑料成型设备的选取
根据计算及原材料的注射成型参数初选注塑机为xs-60/450卧式
查材料可知：
【4】（模具设计大典）
注射容量：
78cm3
注射压力：
170mpa
锁模力：
450KN
模具厚度：
100～300mm
锁模型式:
双曲肘
喷嘴球半径：
SR20mm
模具定位孔直径：
Ф55mm
2.1.1按注射机的额定锁模力确定型腔数量N1
N1=
×
－
其中：
F注塑机的锁模力N
PC型腔内的平均压力mpa
A每个制件在分型面上的面积（m㎡）
B流道和浇道在分型面上的投影面积（m㎡）
B在模具设计前为未知量，根据多型腔模具的流动分析B为（0.2～0.5），常取B=0.35，熔体内的平均压力取决于注射压力，一般为25～40mpa实际所需锁模力应小于选定注塑机的名义锁模力，为保险起见常用0.8F则
N1=
=0.6×450000/50×150=36（个）
2.1.2注射机注塑量确定型腔数目N2
N2=（G－C）/V
其中：
G注射机的公称注塑量（cm3）
V单个制件体积（cm3）
C流道和浇口的总体积（cm3）
生产中每次实际注塑量应为公称注塑量的0.75～0.45倍，取0.6倍计算，同时流道和浇道的体积为未知量，据统计每个制品所需浇注系统是体积的0.2～1倍，现取C=0.6则
N2=
=
=78×0.375
=29.5（个）
从以上讨论可以看到模具的型腔个数必须取N1，N2中的较小值，在这里可以选取的个数是2，4，6，8，12,16个，考虑的制件的取出和模具的开模等情况。
我们所设计的塑料瓶盖模具采用一模十二腔的方案，即
N=12【5】
2.2分型面的选择以及型腔的排列方式的确定【6】
2.2.1分型面的选择；
模具设计的过程中分型面的选择很关键，它决定了模具的结构，应根据分型面选择的原则来确定模具的分型面:
（1）塑件脱出方便：
尽量使塑件滞留在动模一侧，模具的脱模机构在动模一侧，一般将主型芯装在动模一侧，使塑件的包紧在主型芯上，型腔可以设在定模一侧。
（2）模具结构简单，使模具容易切削加工，从简化模具加工来考虑，对要求抽芯的塑件，应尽量避免在定模部分抽芯。
其他必须型腔排气顺利，确保塑件质量，无损塑件外观，设备利用合理以及塑件的成型要求来选择分型面。
该塑件为瓶盖，表面无特殊的要求，由于制件有侧向抽心的点连接,因此制件需要侧向内抽芯机构，分型比较复杂，可采用滑快侧向分型，故分型面选择如下图所示：
图2分型面选择
2.2、确定型腔的排列方式
图3型腔的排列方式
本塑件在注塑时采用一模12腔，即综合考虑模具的开模行程较短，注塑机有足够的开模空间，浇注系统符合原则（主流道的长度小于60mm），模具结构简单和制件精读符合图纸要求以制件生产的经济性，可采用上图所示的型腔排列方式和分型面选择。
采用上述型腔布置最大优点是便于设置抽芯机构,最大的缺点是熔料进入单个型腔的不均匀性.
3、浇注系统的设计
3.１：
主流道设计
根据XS-ZY-125型注塑机喷嘴的有关尺寸
喷嘴前瓶孔径：
d0=Ф4mm
喷嘴前瓶球面半径：
R0=12mm
根据模具主流道与喷嘴的关系：
R=R0+（1～2）mm
D=d0+（0.5～1）mm
取主流道的球面半径:
R=14mm
取主流道的小瓶直径d=Ф4.5mm
为了方便将凝料从主流道中拔出，将主流道设计为圆锥形式其斜度取1～3度经换算得主流道大瓶直径D=Ф6.5mm，为了使料能顺利的进入分流道，可在主流道的出料瓶设计半径r=5mm的圆弧过渡。
3.２：
主流道衬套的选取
为了提高模具的寿命在模具与注塑机频繁接触的地方设计为可更换的主流道衬套形式，选取材料为T8A，热处理以后的硬度为53～57HRC，主流道衬套和定模的配合形式为H7/m6的过渡配合。
图4主流道衬套
3.3排气结构的设计
在注塑模具的设计过程中，必须考虑排气结构的设计，否则，熔融的塑料流体进入模具型腔内，气体如不能及时排出会使制件的内部有气泡，甚至会产生很高的温度使塑料烧焦，从而出现废品。
排气方式有两种：
开排气槽排气，利用和模间隙排气。
由于瓶盖注塑模是小型内抽心模具，可直接利用分型面和镶拼间隙进行排气，而不需在模具上开设排气槽。
（聚乙烯塑料的最小不溢料间隙为0.02mm，间隙较小，再加上聚丙烯的流动性极好，也不宜开排气槽。
）
4、侧滑快抽芯机构
图5滑块抽芯机构
如上图所示的是该模具侧抽芯机构,其依靠斜导柱的上下方向运动使滑快做侧向开模,完成对制件防伪圈点连接的抽拔,长度很小,因此斜角应选取较小值,一般不宜超过25°,这里选择18°.
三、模具工作零件的设计
1、凹模的设计：
本副模具采用整体式凹模结构，由于制件结构简易程度中等，模具牢固，不易变形，制件没拼界逢，适用用于本制件的模具。
材料选用T8A,硬度在50HRC以上.
根据浇口的设计要求，浇口设在凹模型腔上其结构。
凹模板尺寸：
根据矩形凹模最小壁厚经验曲线知，此塑件的成型
压力小于30MPA.
由经验可知：
长为500mm.
宽为350mm.
凹模高为h=50mm
制件高为20.91mm
加工可以直接用铣刀铣出，也可以用成型电极。
为了节约成本。
在这里我选用数控加工孔,再用点火花放电加工防滑槽。
2、塑料瓶盖注塑模具的工作尺寸（包括型腔和型芯的尺寸）
本例中成型零件工作尺寸计算时均采用平均尺寸，平均收缩率平均制造公差和平均磨损率来计算。
查教材表1-3塑料聚丙烯的成型收缩率为S=1％-2.5％，故平均我们取为Scp=1.75％。
考虑到工厂模具制造的现有条件，模具制造公差取Б=Δ/3。
表一：
凹模工作尺寸的计算：
塑件尺寸
计算公式
型腔工作尺寸
31.38
Lm=（Ls+LsScp％－3/4Δ）+Б
31.2+0.14
14.31
14.12+0.14
30.5
30.42+0.11
9+0.11
3-0.32
2.95+0.11
表二：
凸模工作尺寸的计算
模具零件名称
塑件尺寸
计算公式
型芯工作尺寸
型芯
22.3
Ln=（Ls+LsScp％+Δ）
22.32-0.13
26.28
26.28－0.13
23.38
23.38-0.13
27.53
27.53-0.13
28.88
28.88-0.13
1.4
1.4－0.11
表三：
滑块工作尺寸的计算
模具零件名称
塑件尺寸
计算公式
型芯工作尺寸
滑块
3.3
Ln=（Ls+LsScp％+Δ）
3.3-0.11
4.4
4.4－0.11
6.6
6.6-0.11
31.38
31.32-0.13
3、型芯结构的确定：
可根据模具的各部分结构确定型芯的尺寸和结构。
型芯端面尺寸为,其结构图如下:
图6 型芯结构
材料选用T8A,硬度在50HRC以上.凸模用凸模固定板固定,固定板选用45钢．
成型零部件的制造误差：
成型零部件的制造误差包括成型零部件的加工误差和安装误差，配合误差等几个方面。
设计时一般应将成型零部件的制造公差控制在塑件的1/3左右，通常取IT6—9级，综合考虑取IT8级。
4.滑块结构确定
滑块在此模具加工中难度是比较高的,滑块用于切断瓶盖主题与防伪圈,切口为半圆,两个滑块构成一个整圆,鉴于采用整体式滑块容易报废,采用分体式滑块结构.
加工则采用线切割的方式,滑块机体加工则采用加工中心来做,,保证分体滑块的相对位置.
四、模具加热和冷却系统的设计
注塑模温度调节是采用加热或冷却方式来实现的，确保模具温度在成型范围之内。
模具加热方法有蒸汽、热油、热水加热及电加热等方法，最常用的方法是电阻加热；冷却方法则采用常温水冷却、冷却水强力冷却或空气冷却等方法。
而大部分采用常温水冷却法。
模具温调系统的功用：
改善成型条件、稳定制品形状尺寸精度、改善制件物理性能、提高制品表面质量。
塑料在生产过程中由于需要对熔融的塑料流体进行冷却，塑料制件不能有太高的温度（防止出模后制件发生翘曲，变形）冷却系统设计可按下式进行计算：
设该模具平均工作温度为60°，用20°的常温水作为模具的冷却介质，其出口温度为30°，产量为（1分钟2模）1000g/h。
1、计算热流量
求塑件在硬化时每小时释放的热量为Q
，查有关文献得聚乙烯的单位热流量为Q
=420.3～450.1J/g,取Q
=430J/g：
Q
=WQ
=1008g/h×430J/h=433440J
2、冷却水的体积流量V
V=WQ
/Pc
（T
－T
）
=433440/60×1/1000×4.2×（30－20）
=172cm
温度调节对塑件的质量影响主要表现在以下几个方面：
变形尺寸精度力学性能表面质量
在选择模具温度时，应根据使用情况着重满足制件的质量要求。
在注射模具中溶体从200
C,左右降低到60
C左右，所释放的能量5％以辐射，对流的方式散发到大气中，其余95％由冷却介质带走，因此注射模的冷却时间只要取决与冷却系统的冷却效果。
模具的冷却时间约占整个循环周期的2/3。
缩短循环周期的冷却时间是提高是提高生产效率的关键。
在冷却水冷却过程中，在湍流下的热传递是层流的10—20倍。
在次我选择湍流。
表四 冷却水道的选取：
（有计算选取）
冷却水道直径
d/（mm）
最低流量
v/（m/s）
流量
Ｖ/（m
/min）
12
1.10
7.4×10
冷却回路的布置应根据塑件的形状及所需冷却温度分布要求以及浇口位置等，设计冷却回路为直通式，为使塑件受热均匀，冷却回路应同时开设在动定模两侧.
图7冷却水道布置
五、模具的合模高度
在支撑板与固定零件的设计中根据经验确定：
定模板厚度H1=30mm，凹模型腔板厚度为H2=34mm，型芯固定板厚度为H3=30mm，型芯垫板厚度为H4=20mm，垫块厚度H5=73mm（考虑模具的抽芯距）动模板厚度H6=30mm.
1、计算模具的闭合高度：
H=H1＋H2＋H3＋H4＋H5＋H6
=30＋50＋35＋50＋120＋30
=360mm
2、校核注塑机的开，合模空间
A：
模具合模时校核：
100mm<360mm<500mm
注:
模具符合注塑机的要求;
B：
模具开模时校核：
100mm<360mm＋80mm<500mm
注:
模具符合注塑机的要求;
六、注塑机有关参数的校核
本模具的外形尺寸为500mm×350mm×360mm,SZ-120/450型注塑机模板最大安装尺寸是330mm×240mm。
由于上述计算的模具闭合高度为217mm，SZ-120/450
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