毕业设计电热水壶塑料下盖注射成型模具设计.docx
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毕业设计电热水壶塑料下盖注射成型模具设计
太原工业学院毕业设计
1前言
在我们的日常生活中注塑制品约占塑料制品的20%～30%，然而用于注塑成型的
塑料模具的产量约占世界模具产量的50%。
与此同时制造业已经成为衡量一个国家经
济基础以及科技实力的重要依据，而模具技术则代表一个国家制造业水平高低的主要
标准。
它是现代工业，特别是汽车、摩托车、航空、仪表、仪器、攻关器械、电子通
讯、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业必不可少的工艺装备，同时60%～80%
的零部件，都要依靠模具成形。
用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、
高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。
模具又是“效益
放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。
人们越来越认识到模具在制造业中的重要基础地位。
美国工业界认为“模具工业是美
国工业的基石”，日本把模具誉为“进入富裕社会的原动力”，德国则冠之为“加工工
业中的帝王”，在欧洲其他一些发达国家模具被认为“磁力工业”。
由此可见模具技术
在各国国民经济中的重要地位。
可以从下面四个方面看出模具工业在国民经济中的重要地位与作用。
第一，模具工业是高新技术产业的一个组成部分。
第二，模具工业又是高新技术产业化的重要领域。
第三，模具工业是装备工业的一个组成部分。
第四，模具工业地位之重要，还在于国民经济的五大支柱产业——机械、电子、
汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。
我国的塑料制品已经位居世界第二，虽然塑料模具无论是在数量，还是在质量、
技术和能力方面都了很大进步，但是与世界先进水平相比仍在很大差距。
这是一次让自己全面运用大学四年所学习的基础知识、专业技能来充分发挥并展
现本专业的各种技能风采！
同时也是对模具设计进一步全面深化学习，希望自己将来
能为祖国的模具行业贡献一份微薄的力量！
设计者：
黄思铮
2012年6月18于太原
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2塑件设计
一个完美的塑料制件，要根据制品的使用要求和外观要求从力学性能、美术造型和成型工艺、塑料模具设计和制造等多方面进行考虑。
塑件的物理力学性能，如刚度、强度、韧性、弹性、吸水性、以及对应力的敏感性。
设计塑件时尽量发挥其优点，避免和补偿其缺点。
塑料的成型工艺，如流动性、成型收缩率及收缩率的各项差异等。
塑件的形状应有益于脱模、排气、补缩，同时能使热塑性塑料制品达到高效、均匀冷却。
塑件结构应是模具结构尽可能简单，特别是避免侧向分型抽芯机构和简化脱模机构。
使得模具机构符合制造工艺要求。
2.1塑料材料的选择
注射塑料制品的选材要求主要取决于使用要求，为达到均衡选材还需考虑材料的注射工艺性和模具的结构工艺性。
2.1.1选材依据
（1）塑件使用要求
使用要求是一个综合性的问题。
电热水壶下盖的使用是在我们日常生活中用的烧水用的电热水壶上，属于日常使用的塑料种类。
对刚度、强度、表面粗糙度有一定的要求，最重要的是要选用环保型的同时要在高温下能长期正常工作的材料。
（2）几种塑料材料性能的比较见表2.1。
（3）几种塑料材料性能的排序见表2.2
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表2.1几种塑料材料的性能
材料名称PEPPPSABSPOMPA-6PA-66PC
密度（g/cm3）0.960.901.061.051.411.131.141.20
强度极限σb（kg/mm2）
39.532.348.648.060.481.078.361.8
比强度σb/ρ41.235.945.945.142.871.768.651.5
弹性模量E（kg/mm2）1078.71274.83137.92059.32745.72745.71274.82353.4
比刚度（E/ρ）1123.71416.42905.81961.21947.32418.311118.21961.1
价格元/吨6600745078501010015000169001890020100
表2.2几种常用塑料的使用性能排序
序号
性能强度刚度
说明高低
塑料代号排序
PAPOMPSUPETEPABSPSPVCPMMAPP
PE
1
234567
耐磨减磨耐化学性耐热性
差PAPARPPPBTPCFEPPOMABSPVCPS
差PEEKPPSPENTONPTFEPPSUPPOABSHDPE低
PTFEEPPSUPCPPPEPOMPMMAABSPS
尺寸稳定性精PVCPSFPSPMMAABSPCPAPSUPPOPPPE抗老化性阻燃性
弱好
PTFEUEMWPEPEEKPMMAPARPBTPCPOMPTFEPVCPIPPOPCPVFPECEPPMMAPE
PP
8910
电性能透明性耐折叠性
低好好
PTFEPEPVCPETPMMAPIPBTPPSPATTE
PMMAPSPCPCTFEF3PAPA-1010
PPPEPVCPPCPSABS
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2.1.2材料的选择
聚丙烯（PP）综合性能良好，强度、刚度高，抗冲击、疲劳性能均能满足电热水壶上的使用要求，耐折叠性好，吸水性小，最主要的是聚丙烯是许多常见材料中相对比较环保的日常用料。
聚丙烯的性能：
无臭、无味、无毒：
其熔融温度约为164～170℃，长期使用温度可达100～120℃，无负载时使用温度可高达150℃，是通用塑料中唯一能在水中煮沸并能承受135℃消毒温度的品种。
其吸湿性很低，在水中浸泡一天，吸水率仅为0.01%～0.03%，成型加工前一般不需要进行干燥。
其熔体黏度较小，流动性较好，不需要很高的成型压力，易成型出薄壁长流程制品。
2.1.3聚丙烯（PP）的性质
表2.3聚丙烯（PP）的性质
性质
密度（g/cm³）拉伸强度（MPa）伸长率（%）弹性模量（MPa）弯曲强度（MPa）缺口冲击强度（kj/m²）无缺口冲击强度（kj/m²）熔点（℃）热变形温度（℃）分解温度（℃）耐寒温度（℃）连续工作温度（℃）成型收缩率（%）
聚丙烯（PP）0.90～0.9525～409001.06*10³48～753.5～4.878160～175150350-20100～1201～2.5
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吸水率（%）
结晶度（%）
成型温度范围（℃）
注塑压力（MPa）
体积电阻率（Ω·cm）0.01～0.0363205～31570～110>100*10¹⁴
2.2塑件结构设计
2.2.1塑件尺寸精度
塑料制品的尺寸精度与塑料制品用途有关，根据各种塑料收缩率不同，可将各种塑料的公差等级分为高精度、一般精度和低精度。
对于尺寸精度较低的塑料制品采用低精度，电热水壶采用一般精度MT4即可，未注公差尺寸为MT6。
2.2.2塑件表面质量
塑件表面质量包括表面粗糙度、表面光泽性、色彩均匀性、云纹、冷疤、表面缺陷程度、熔结痕、毛刺、拼接缝以及推杆痕迹等等。
如果冷疤、表面缺陷程度、熔结痕、毛刺、拼接缝以及推杆痕迹等不影响塑件使用和美观，则制品的表面质量主要取决于表面粗糙度。
一般情况下，原材料的质量、工人操作水平及模具型腔的表面粗糙度等因素均对制品的表面粗糙度有影响，其中模腔的表面粗糙度影响最大。
制品要求的表面粗糙度数值越小，模腔表面越光滑，加工模具时的研磨抛光要求也就越高，模具制造的难度也就越大。
因此，制品表面的粗糙度应视情况而定，除了考虑使用要求外，还须考虑美观。
模塑制品的表面粗糙度通常为Ra0.02～1.28m，制品外表面Ra=0.8，内表面Ra=1.6。
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2.2.3塑件结构
塑件结构图如图2.1，图2.2，图2.3
图2.1主视图
图2.2左视图
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图2.3俯视图
电热水壶下盖一般是用在圆形的容器上，从使用和美学方面考虑塑件的设计，所以把它设计成圆的；另外下盖是要和上盖接触并且要闭合的所以必须在下盖上设计一些小凸起和小凹槽来使得上下盖能合在一起；塑件一般是在常温和沸水温度下工作的，因为所选材料是聚丙烯，同时又是圆形片状，所以上面的一些小凸起和小凹槽、还有最外边的圆环都能起到加强的作用。
塑件形状设计时，沿料流方向，设计成流线形，并对内外表面的转角都进行了倒圆角，避免流动死角以便于模塑。
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3设计方案的确定
电热水壶下盖塑料注射成型模具的设计重点是由于塑件比较复杂，所以对模具分型面的选择及顶出机构进行分析研究，还有复杂型芯的设计。
一般来说，模具都有两大部分组成：
动模和定模（或者公模和母模），分型面是指两者在闭和状态时能接触的部分，也是将工件或模具零件分割成模具体积块的分割面，具有更广泛的意义。
分型面的设计直接影响着产品质量、模具结构和操作的难易程度，是模具设计成败的关键因素之一。
确定分型面时应遵循以下原则：
1.应使模具结构尽量简单。
如避免或减少侧向分型，采用异型分型面减少动、定模的修配以降低加工难度等。
2.有利于塑件的顺利脱模。
如开模后尽量使塑件留在动模边以利用注塑机上的顶出机构，避免侧向长距离抽芯以减小模具尺寸等。
3.保证产品的尺寸精度。
如尽量把有尺寸精度要求的部分设在同一模块上以减小制造和装配误差等。
4.不影响产品的外观质量。
在分型面处不可避免地出现飞边，因此应避免在外观光滑面上设计分型面。
5.保证型腔的顺利排气。
如分型面尽可能与最后充填满的型腔表壁重合，以利于型腔排气。
本设计中由于电热水壶下盖的外表面比内表面光滑的多得多，同时电热水壶下盖的内部还有许多约5mm的小凸起，相反其外表面非常光滑且没有任何的其他凸起结构。
另外由于电热水壶下盖内部的凸起较多，所以需要的定出杆也会随之增多，结合小凸起及经验经过初步分析顶杆的直径约在5～6mm之间，且顶杆的数量在9根左右。
因此模具的分型面确定在塑件内表面（也就是塑件表面粗糙度相对较低的那个面），这样不仅保证了塑件外表面的粗糙度要求而且也满足了定出干的布局位置。
对于复杂的型芯本应该设计为组合式的，但是基于目前的电火花加工技术所以把型芯的设计成整体的，这样特别有助于整套模具的装配。
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4注射机的选择
4.1注射机的选择
模具是生产产品的工具，只有模具安装在与其相适应的注射机上才能进行产品生产，因此，在模具设计时应该提前了解注射机的各项参数和技术规范，以便设计出符合要求的模具。
注塑机类型和规格很多，分卧式、立式、角式、柱塞式和螺杆式等等。
卧式注塑机是使用最广泛的注塑成型机，螺杆注塑机塑化效果较好同时注射压力也较大，避免了塑件出现缺陷或者缺料。
卧式螺杆注塑机的优点是机床重心较低安装稳定，机体较低，容易操纵和加料，制件推出模具后可自动坠落，实现全自动化操作，节约成本，提高效力。
所以选择卧式螺杆注塑机是最佳选择。
模具设计时应详细了解，才能设计出合乎要求的模具。
设计是应该了解的注射机技术的规范有：
最大注射量、最大注射压力、最大锁模力、最大成型面积、模具最大厚度和最小厚度、最大开模行程、模板安装模具的螺钉孔的位置和尺寸，注塑机喷嘴孔直径和喷嘴球头半径值。
由于同一规格的注射机，生产厂家不同，技术规格也有所不同，所以设计时最好查阅注射机生产厂家提供的注射机使用说明书上标明的技术规格。
选择的注塑机为HTF250J/TJ，其各项技术规范如表4.1
表4.1TF250J/TJ的技术规范
注射装置螺杆直径螺杆长径比理论容量注射重量注射压力螺杆转速合模装置合模力移模行程拉杆内距最大模厚最小模厚顶出行程顶出力
INJECTIONScrewDiameterScrewL/DRatioShotSize（Theoretical）InjectionWeight（PS）InjectionPressureScrewSpeed
CLAMPINGUNITClampTonnageToggleStroke
SpaceBetweenTieBarsMax.MoldHeightMin.MoldHeightEjectorStrokeEjectorTonnage
mmL/Dcm3gMparpmKNmmmmmmmmmmKN
A5022442402205
B55205354871690～1802500540570x57057022013062
C6018.3636579142
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EjectorNumber顶出杆根数
OTHERS其它
最大油泵压Max.PumpPressure力
PumpMotorPower油泵马达
HeaterPower电热功率
Machine外形尺寸
Dimension（LxWxH）MachineWeight重量
HopperCapacity料斗容积
OilTankCapacity油箱容积
PieceMPakwkwmtkgL917.52216.656.02x1.7x2.18.150630
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4.2注塑机有关工艺参数的校核
4.2.1型腔数量的确定
型腔数量可以由交货期、注塑机最大注塑质量、塑化能力、锁模力和模板尺寸来确定，在此采用注塑机最大注塑质量来确定型腔数量。
注塑机的最大注塑质量按国际惯例是指注塑机在常温下密度为ρs=1.05g/cm³的普
通聚苯乙烯的对空注塑量mso（g）,在注入模具时由于流动阻力增加，加大螺杆的逆流量，再考虑安全系数，实际注塑量
mι=85%mso（4.1）
注塑聚苯乙烯是模具型腔数最多为：
mι
n=（4.2）q取注塑机最大注塑能力的85%。
式中q——个塑件的质量和它均分到的浇注系统质量之和
当n不到1时则应该改用较大的机器。
对于其它非聚苯乙烯塑料，其最大注塑量
mo=msoρ（4.3）ρs
式中ρ——常温下某种塑料的密度，g/cm³
ρs——常温下聚苯乙烯的密度，g/cm³
按理式中密度之比应为相同温度下该塑料熔体与聚苯乙烯熔体密度之比，对于非结晶塑料可认为从常温状态到熔融状态，其密度变化倍率与聚苯乙烯变化倍率相差不多，因此用常温下密度之比代入计算，故上式适用于各种非结晶塑料。
而结晶型塑料由于从固态到熔融态密度变化较聚苯乙烯变化更大，因此结晶型塑料还要乘以一校正系数。
mo=0.9msoρ（4.4）ρs
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=0.9⨯562
≈506g0.931.05
同理，mι=85%mo然后再按式（4.2）计算和校核型腔数。
mι=85%mo
=85%⨯506=430g
mι
n=q
430
21
≈20=
在现代工业中，竞争日益激烈，谁有低成本、高效的生产工具谁就有优势占领市场。
缩短产品工期赢得市场和利润。
根据计算和聚丙烯的成型工艺特性，同时考虑模具的成本和效率以及模具和注塑机的匹配关系将模具的型腔数确定为一模6腔。
4.2.2注射压力的校核
注塑压力校核是验证注塑机的最大注塑压力能不能满足该制品的需要。
制品成型所需要的压力是由注塑机类型、喷嘴型式、塑料流动性、浇注系统和型腔的流动阻力等因素决定的。
例如螺杆式注塑机，其注塑压力传递比柱塞式注塑机要好，因此注塑压力可取小一些，流动性差的塑料或细薄的长流程塑件注塑压力应取得大一些。
4.2.3锁模力的校核
当高压的塑料熔体充满模具型腔时，会在型腔内产生一个很大的力，企图使模具沿分型面涨开。
在塑件的生产过程中作用于塑件和流道系统在分型面上的总应力应小于注塑机的额定锁模力F，否则在注塑时会因锁模不紧而产生溢料、跑料甚至伤害操作人员。
锁模力必须小于注塑机的额定锁模力。
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p=kp0（4.5）
2=⨯1103
≈73MPa
式中p——模具型腔及流道内塑料熔体平均压力，MPa
p0——注射机料筒内螺杆或者柱塞施于塑料熔体得压力，MPa
k——损耗系数。
随塑料品种、注射机形式、喷嘴阻力、模具流道阻力而不
同，其值在1/3～2/3范围内选取。
螺杆式注塑机的K值较柱塞式大，直
通喷嘴比弹簧喷嘴的K值大。
p决定后，按下式校核注塑机额定锁模力
F=0.1pA（4.6）
17⨯33=0.⨯2
≈2365KN
所以从锁模力方面来看该注塑机符合要求
4.2.4开模行程和塑件推出距离的校核
注射机的开模行程是有限制的，取出制件所需的距离必须小于注塑机的最大开模行程。
开模距离可以分为注射机最大开模行程与模厚有关和与模厚无关两种情况。
模具设计成单分型面且最大开模行程与模厚无关，所以开模行程按下式校核
（mm）S≥H1+H2+510（4.7）
≥20+2+5
≥55mm10
式中H1——塑件脱模距离，mm
H2——塑件高度，包括浇注系统在内，mm
S——注塑机最大开模行程，mm
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由于540mm>55mm
所以从开模行程与塑件推出距离来看该注塑机符合要求。
综上选择注塑机HTF250J/TJ适合本模具的注塑。
5注塑模具的设计
本设计重点是模具分型面的设计与顶出机构的设计，由于电热水壶下盖的形状比
较复杂合理地确定分型面及顶出机构可以使得模具结构尽量简单，降低加工难度，同时也可以降低装配难度，最重要的是要有利于塑件的顺利脱模。
5.1浇注系统的设计
浇注系统可分为普通浇注系统和热流道浇注系统两大类。
浇注系统控制着塑件在
注塑成型过程中充模和补料两个重要阶段，对塑件质量关系极大。
浇注系统是指从注塑机喷嘴进入模具开始，到型腔入口的一段流道。
浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料井以及拉料杆等部分组成。
由于此模具涉及到半模侧抽芯机构，冷料井和拉料杆可以不给以考虑，主要设计主流道，分流道以及浇口。
浇注系统设计包括：
根据塑件大小和形状进行流道布置、决定流道断面尺寸、对
浇口的数量、位置、形式进行优化。
5.1.1主流道及主流道衬套设计
为了有效地传递保压压力，浇注系统主流道及其附近的塑料熔体应该最后固化。
在卧式螺杆注塑机用模中，主流道垂直于分型面，为便于流道凝料拔出，设计成具有2°～4°锥角的圆锥形，内壁粗糙度Ra0.4，在此取Ra＝0.4um,内壁研磨和抛光时应
注意抛光方向，不能形成与脱模方向垂直的划痕，以免造成脱模困难甚至成型中断。
主流道与喷嘴接触处作半球形凹坑，二者配合严密，避免高压塑料熔体溢出，凹坑球半径R₂比喷嘴球头半径R₁大1～2mm，如果相反则主流道凝料无法脱出，太大则密封效果不好，在此取R₂＝R₁+（12）＝20mm。
主流道小端直径比注塑机喷嘴孔径大0.5～1mm。
大端直径比分流道深度大1.5mm以上,其锥角一般去2°～6°。
由于主流
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道与注塑机的高温喷嘴反复接触和碰撞，所以设计成独立的主流道衬套,选优质钢材制作并经热处理提高硬度。
主流道衬套要承受交变应力，其外圆盘直径不能过大，以避免肩部弯矩过大，配合段的直径D亦不宜过大，以避免入模的塑料产生过大的反作用力，使主流道衬套后退，台阶转角半径R宜大一些，以免淬火开裂或应力集中,取R=3mm。
主流道最大可能的短并且横截面积大，为了节约成本，提高模具的生产效率，主流道采用衬套式的结构设计，这样就可以单独选材、单独热处理、单独机加，更方便维修。
主流道衬套选择T8钢调质，硬度为30-35HRC。
主流道衬套和主流道的结构见图5.1，图5.2
图5.1主流道衬套
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图5.2主流道结构
5.1.2分流道的设计
分流道就是连接主流道和浇口的塑料通道，在此采用常规分流道（等温分流道）：
分流道温度和模具整体温度一致。
影响分流道设计的因素很多，制品的几何形状、壁厚、尺寸大小及尺寸的稳定性，内在质量和外在质量要求，塑料的种类，注射机的压力，加热温度，注射速度，主流道及分流道的拉料及脱落方式，型腔布置及浇口形式的选择都能影响分流道的设计。
在设计分流道时考虑以下几点以及优点：
1.塑料流经分流道时的压力损失及温度损失要小。
2.分流道的固化时间应稍后于制品的固化时间，以利于压力的传递及保压。
3.保证塑料迅速而均匀的进入各个型腔，以及均匀补料，减少缺陷，保证质量。
4.分流道的长度应尽可能短，排列紧奏，使外形尺寸变小，，降低浇注系统凝料
重量，料头少，减少浪费。
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5.锁模平衡（几何中心与锁模重心重合）。
6.布置合理（受力零件有足够的承受能力，使冷却孔道合理布局，方便装配维
修）。
7.要便于加工及刀具的选择。
（1）分流道截面分析
①圆形截面分流道其优点是表面积与体积之比值为最小，在容积相同的分流道中圆形截面分流道的塑料与模具接触的面积最小，因此其压力损失及温度损失小，有利于塑料的流动及压力传递，其缺点是圆形截面分流道必须在动、定模上分别设计两个半圆形，因此给模具加工带来一定难度。
②抛物面截面（U形截面）其截面的形状接近于圆形截面，同时此种截面的分流道只在模具一面加工。
但缺点是与圆形截面相比，热损失较大，流道废料较多。
③梯形截面此种截面是抛物线形截面的变形，与以上两种截面相比，其热损失较大，但便于分流道的加工及刀具的选择。
a.圆形截面b.U形截面c.梯形截面
图5.3几种分流道截面图
综合比较后为节约成本选择比表面积大易加工的梯形截面的分流道，断面取值为上底ω＝8mm，高h＝5mm，下底χ＝6mm，角度为10°。
（2）分流道的长度
分流道的布置形式采用平衡式。
其长度由于考虑到主流道衬套的下端直径以及分流道加工在半模上，长度为109mm的笔直分流道，减少压力和热量的损失。
采用平衡时梯形断面的分流道，比面积大易加工。
让模具排列紧奏使模具外形尺寸变小，长度最短减少料头材料的浪费，进料均匀减少缺陷保证塑件质量，锁模平衡
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等使塑件有足够的承受能力冷却孔道布局合理方便装配维修，使模具能装到小型注塑机上成为节约，低成本高效的生产工具。
由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有中心部位的塑料熔体的流动状态较为理想，因而分流道的内表面的粗糙度要求并不是很高，这里取Ra=1.6μm，这样表面稍不光滑，有助于塑料熔体的外层冷却皮层固定，从而与中心部位的熔体产生一定的速度差，以保证熔体流动时具有适宜的剪切速率和剪切热。
5.1.3浇口的设计
浇口直接与塑件相连，把塑料熔体引入型腔。
浇口断面形状有圆形、矩形和又宽又薄得狭缝形等。
浇口是浇注系统的关键部位，浇口的形状和尺寸对塑件质量影响很大，浇口在大多数情况下是整个流道中断面尺寸最小的部分，对充模流动起着控制性作用，成型后制品与浇注系统从浇口处分离，因此浇口尺寸又影响着加工工作量的大小和塑件外观。
浇口尺寸包括浇口断面尺寸和浇口长度尺寸，浇口长度约为0.5～2.5mm,在此浇口长度取1mm。
在浇口出处流动阻力很大，剪切速率也很高，对聚丙烯（PP）来说，其近似于牛顿流体，粘度仅仅是温度的函数，不随剪切速率的变化而变化，减小浇口的尺寸会迅速增加充模阻力，所以浇口尺寸应该适中，并且采用矩形浇口。
浇口选择在塑件的外侧凹槽中心，采用矩形侧浇口具有以下优点
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