矿泉水瓶坯注塑模设计.docx
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矿泉水瓶坯注塑模设计
本科生毕业设计（论文）
（2012届）
设计（论文）题目
作者
分院
专业班级
指导教师（职称）
论文字数
论文完成时间
杭州师范大学钱江学院教学部制
矿泉水瓶坯注塑模设计
机械设计制造及其自动化专业机械XXX班XX指导教师XX
摘要：
本课题主要研究矿泉水瓶坯注塑模具设计，具体是以PET材料制成的矿泉水瓶坯为例展开论述。
作为矿泉水瓶制作工序中的一个重要环节，矿泉水瓶坯的制作也是相当重要。
通过对其结构的分析，注塑工艺分析，给出合理的模具设计方案并且完成矿泉水瓶坯的模具设计，同时借助一些专业的三维软件辅助结构设计，从而达到产品的设计意图。
本课题的重点和难点在于使用了热流道这项新技术，对其的了解和具体使用操作有一定的难度。
本课题主要使用一些专业的三维软件进行优化设计，如solidworks，使得设计结果趋于理想状态。
关键词：
矿泉水瓶坯；注塑；模具；热流道；
Mineralwaterpreforminjectionmolddesign
InformationandElectricalEngineeringAcademyMechanical-Class081JieSun
Instructor:
JingWang
Abstract:
Themainsubjectofmineralwaterpreforminjectionmolddesign,specificallybasedonthemineralwaterpreformsmadeofPETmaterial,asaexampletostarton.Asanimportantpartofthemineralwaterbottlesintheirmanufacturingprocesses,productionofmineralwaterpreformsisalsoveryimportant.Throughtheanalysisofitsstructure,theinjectionmoldingprocess,givenareasonableamountofmolddesignandcompletionofthemineralwaterpreformmolddesign,andatthesametimewiththehelpofprofessional3Dsoftwaretooptimizethestructuredesigntoachievethedesignintentoftheproduct.Emphasisanddifficultyofthissubjectistheuseofhotrunnerthisnewtechnology,ithasacertaindegreeofdifficultyofunderstandingandthespecificuseofoperating.Themainsubjectuseprofessional3Dsoftwaretooptimizethedesign,suchassolidworks,makingthedesignresulttendstotheidealstate.
Keywords:
Mineralwaterpreforms;injection;mold;hotrunner;
矿泉水瓶坯注塑模设计
机械设计制造及其自动化专业机械081班孙杰指导教师王婧
1绪论
注塑模是一种可以重复地大批量地生产塑料零件或制品的注塑模是一种可以重复地大批量地生产塑料零件或制品的一种生产工具。
这种模具是靠成型零件在装配后形成的一个或多个型腔，来成型我们所需要的制品形状。
注塑模是所有塑料模具中结构最复杂，设计、制造和加工精度最高，应用最普遍的一种模具。
本课题研究的U型管件就是采用这种模具进行批量生产的。
1.1设计背景和设计的意义
随着中国当前的经济形势的日趋好转，在“实现中华民族的伟大复兴”口号的倡引下，中国的制造业也日趋蓬勃发展；而模具技术已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，模具工业能促进工业产品生产的发展和质量提高，并能获得极大的经济效益，因而引起了各国的高度重视和赞赏。
在日本，模具被誉为“进入富裕的原动力”，德国则冠之为“金属加工业的帝王”，在罗马尼亚则更为直接：
“模具就是黄金”。
可见模具工业在国民经济中重要地位。
我国对模具工业的发展也十分重视，早在1989年3月颁布的《关于当前国家产业政策要点的决定》中，就把模具技术的发展作为机械行业的首要任务。
近年来，塑料模具的产量和水平发展十分迅速，高效率、自动化、大型、长寿命、精密模具在模具产量中所战比例越来越大。
注塑成型模具就是将塑料先加在注塑机的加热料筒内，塑料受热熔化后，在注塑机的螺杆或活塞的推动下，经过喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔内，塑料在其中固化成型。
并且，矿泉水瓶作为一个日常生活中的必需品，因为在各个生活领域中都能见到各式各样的矿泉水瓶的身影，而且矿泉水瓶除了可以灌装矿泉水，同样可以灌装其他液体，如可乐，果汁等饮料，也可以盛装其他非腐蚀性的液体，如各种各样的油液，溶剂等等。
所以，市场对矿泉水瓶的需求量一直是有增无减。
作为生产矿泉水瓶的重要原料之一的瓶坯的生产也非常的重要和必要。
为了确保矿泉水瓶坯高效高质量的成型，对于其模具的研究改进一直在进行中。
要生产出好的瓶坯，必须要有设计合理、制造精良的模具，还需要有何该模具配套的先进的注射设备（注塑机）以及合理的加工工艺。
因此人们常将，模具、注塑机以及工艺称之为注塑过程得以顺利进行的三个基本要素。
与其他机械行业相比，模具制造业主要有以下三个特点：
第一，模具不能像其他机械产品那样可作为基本定型的商品随时都可以在市场上买到。
这是因为每副模具都是针对特定的塑料制品的规格而产生的，由于塑料制品的形状、尺寸各异，差距甚大，其模具结构也是大相径庭，所以模具制造不可能形成批量生产。
换句话说，模具是单件生产的。
因此，模具的设计、制造成本都较高。
第二，因为注塑模具是为产品中的塑料制品而订制的，作为产品，除质量、价格等因素之外，很重要的一点就是需要尽快地投放市场，所以对于为塑料制品而特殊订制的模具来说，其制造周期一定要短。
第三，模具制造是一项技术性很强的工作，其加工过程集中了机械制造中的诸多先进技术的部分精华与钳工技术的手工技巧，因此要求模具工人具有较高的文化技术水平，这种技术工人对模具单件生产方式组织均衡生产来说是非常重要的。
对于采用注塑成型加工方法生产塑料制品来说，合理的成型工艺既是三个基本要素中的加工工艺。
所谓成型工艺，简单来说就是将压力、温度、时间（速度）三大要素组成最合理的搭配。
在成型过程中，尤其是精密制品的成型，要想确立一组最佳的成型条件决非易事，因为影响成型条件的因素很多，除制品的形状、模具结构、注塑设备、原材料等之外，电压的波动、环境温度的变化对成型都有一定的影响。
到目前为止，建立最佳的成型工艺尚无简便可靠的办法，大多需要操作者具有很丰富的实践经验与耐心，根据塑料制品在成型过程出现的具体问体认真调查，才能确立一个理想的成型工艺，高效率、高质量地生产出合格的塑料制品。
1.2管件注塑生产流程简介
塑料管件包括给水用聚乙烯（PE）管件、燃气用聚乙烯（PE）管件、无规共聚聚丙烯（PP-R）管件。
各自生产流程基本相同：
自动上料→原料干燥→加热塑化→合模→注射→保压→冷却→定型→开模→制品顶出→检验→包装→抽检→产品入库。
对于这一流程中，有相应的工艺要求：
1、原料方面，生产的管件所用的原料参考企业相关规定。
为保证管件质量，每批新原料进厂由质检部门根据原料检验规则检验原料的熔融指数、水分含量及热稳定性等指标，各项指标符合标准要求时，方可投入生产。
2、成型工艺，包括温度，正常生产时，根据原料的加工性能，加工温度设定范围应在（160-230）℃；注塑速度和压力，管件生产时宜采用“中温、高压、低速”，从而保证管件饱满无气孔、花纹等缺陷；保压压力、冷却时间。
一般保压压力应低于注塑压力，保压时间的长短以产品外观饱满与否为准。
在保证产品质量的前提下，应尽量缩短冷却时间，从而提高产品生产效率。
2产品设计
2.1塑料产品材料介绍与选择
1、高分子塑料的分类：
高分子可以划分为热固性塑料、弹性体和热塑性塑料三大类，下面分别介绍：
（1）热固性塑料，热固性塑料是链状结构有交叉的聚合物，其最终的分子结构是在热和压力的作用下通过化学反应形成的。
一旦这种反应完成，热固性塑料就不能通过热和压力的进一步作用而变化，也就是说，这种塑料的使用都是一次性的。
常见的热固性塑料有：
聚酯（UP）和环氧树脂（EP）等。
热固性塑料一般不能通过注塑成型过程来成型，但它可以通过常温下的化学反应来成型。
（2）弹性体（人造橡胶），弹性体是链状结构有一定程度交联的高分子。
这种塑料在应力作用下很容易变形，并且在应力作用下很容易变形，并且在应力去除后，很快恢复原来的形状。
最常见的就是天然橡胶和人造橡胶。
（3）热塑型塑料，热塑性塑料由不互相交织在一起的长链分子组成。
其特点是当温度超过其软化温度时，可以通过注塑来成型，当冷却到其凝固点一下时，可以成型出需要的形状来。
这个过程在理论上是可以无限制地重复，但事实上，受到塑料老化等稳定性的影响。
注塑成型常用的热塑性塑料有：
聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、ABS、尼龙（PA）等。
根据分子链结构形式和几何排列顺序的不同，高分子材料可以分为结晶性塑料和非结晶性塑料。
分子随机缠绕和交织的塑料为非结晶型塑料。
由于分子链排列的随机性，没有明显的方向性，塑料在各个方向上表现出的力学性能是相同的，即它们是各向同性的。
结晶型塑料具有很规则的格子状的分子排列方式，在塑料分子的每个截面上的特定点处，重复出现特定的结构。
然而没有任何一种塑料是完全晶体的。
结晶型塑料的透明性很好。
成型的透明塑料零件制品在光线下有发污的感觉。
但也有例外，如聚4甲基戊烯是结晶性塑料，但透明。
高度晶体化的分子有HDPE,PP,热固性高分子，尼龙等。
表2-1常用塑料的名称和代号
序号
塑料代号
俗名
性质
1
PE
聚乙烯
结晶性
2
PP
聚丙烯
结晶性
3
PA
尼龙（聚酰胺）
结晶性
4
POM
聚甲醛
结晶性
5
PC
聚碳酸酯
非结晶性
6
PS
聚苯乙烯
非结晶性
7
ABS
非结晶性
8
PVC
聚氯乙烯
非结晶性
2、材料选择
本课题研究的是矿泉水瓶坯的注塑，查阅相关的资料和进行上网进行相关的检索，得到日常生活中使用的矿泉水瓶的材料多为聚对苯二甲酸乙二醇酯（简称PET或PETP），其性能与特征如下：
PET未干燥前呈透明状态，干燥后为乳白色，密度为1.30-1.38g/cm3，无定形玻璃态，温度为69℃，熔点为250-265℃，制品长期使用温度为120℃，吸水率低（约为0.13%），制品成型收缩率大（约为0.7%-1%），燃点高（着火点为480℃）；制品在热塑性制品中最强韧，而且在较宽的温度范围内有较好的物理力学性能，其薄膜的拉伸强度与铝膜相当，是PE膜的9倍，但撕裂强度不如PE膜；透明率90%；电绝缘性能优良，在高温高频下，电性能仍然较好；耐化学性良好，在较高温度下也能耐高浓度的氢氟酸、磷酸和醋酸等，不耐碱，在热水中煮沸易水解。
PET树脂的性能参数见表2-2
表2-2PET树脂的性能表
项目
结晶型
无定形型
项目
结晶型
无定形型
密度/（g/cm³）
1.33-1.38
1.2
硬度
M83
R108
拉升强度/MPa
75
50
熔融温度（T）/℃
250-255
冲击强度（缺口）/（KJ/M²）
4
5
吸水率（%）
0.08
0.2
断裂伸长率（%）
50
200
成型收缩率（%）
1.5-2.0
0.2
2.2设计软件介绍
本课题设计矿泉水瓶坯注塑模，主要采用solidworks2010软件进行三维的造型设计，平面图的绘制主要通过autocad2007软件进行绘制。
3产品工艺分析
3.1塑件工艺性分析
图3-1塑件图
该塑件为日常生活中常用的矿泉水瓶吹塑之前的瓶坯，管状透明，塑件的结构形状如图3-1所示，详细的尺寸也已经在图中标注出。
该塑件是一个规则的圆形壳体，最大高度达到110mm，壁厚薄处为2.5mm，厚处为4mm。
3.2确定注塑成型工艺
鉴于PET有以下三个特性：
1．具有优良力学性能及化学性能，注射成型可以耐磨。
薄膜可用于吹塑成型，透明度高。
2．PET塑料极易吸水，含水PET塑料在高温下极易水解。
当温度超过300℃时，PET便会发生热分解。
3．PET注射成型温度范围较窄，故需要采用热流道浇注系统来解决这个问题。
所以，在查阅相关文献和资料后，得知PET的成型条件。
表3-1PET成型条件
塑料名称
聚对苯二甲酸乙二酯醇
料筒温度℃
后段
240-260
中段
260-280
缩写
PET
前段
260-270
注射压力（MPa）
80-120
密度（g/cm³）
1.30-1.38
保压时间（s）
20-50
比容（ml/g）
1
冷却时间（s）
20-30
收缩率（%）
1.2
注射时间（s）
0-5
成型周期（s）
50-90
喷嘴温度
250-260
保压力（MPa）
30-50
模具温度
80-90
使用注射机类型
螺杆式
4注塑机选择
注射模是安装在注塑机上使用的工艺装备，因此设计注塑模时应该详细了解注塑机的技术规范，才能设计出符合要求的模具。
从模具设计角度考虑，需了解注塑机技术规范的主要项目有：
最大注射量、最大注射压力、最大锁模力、模具安装尺寸以及开模行程等。
4.1注塑机初选
PET为结晶性塑料，故注射系数取0.85。
由solidworks计算得到单个矿泉水瓶坯的体积是23.74cm3。
初步打算使用一模十六腔的布局，十六个矿泉水瓶坯加上流道的总体积便可以计算或估算，约为23.74×16+50=479.84cm3，479.84/0.85=565cm3，所以所选注塑机的理论注射容量要大于565cm3。
可以查阅注塑模具设计师速查手册表14-2，选择XS-ZY1000/450。
该型号注塑机的技术参数如下表4-1所示：
表4-1XS-ZY350/250技术参数
项目
参数
项目
参数
螺杆直径（mm）
85
顶出行程（mm）
190
注塑容积（cm30）
1000
顶出力（kN）
95
注塑量（g）
910
定位孔径（mm）
150
注塑压力（MPa）
118
喷嘴移出量（mm）
30
注塑速率（g/s）
303
喷嘴球半径（mm）
18
塑化能力（kg/h）
125
系统压力（MPa）
13.6
注塑方式
螺杆式
电动机功率（kW）
64
锁模力（kN）
4500
加热功率（kW）
16.5
（续表4-1）
项目
参数
项目
参数
开模行程（mm）
700
外形尺寸（L×W×H）（m）
7.7×1.8×2.4
拉杆间距（mm）
650×550
机器质量（t）
20
最大模厚（mm）
700
最小模厚（mm）
300
合模方式
液压
4.2锁模力校核
高压塑料熔体填满型腔时，会产生使模具沿分型面分开的的胀模力，此胀模力等于塑件和流道系统在分型面上的投影面积与型腔压力的乘积。
胀模力必须小于注塑机额定锁模压力；可由下式估算：
-型腔压力（MPa）；p-注射压力（MPa）;k-压力损耗系数。
根据经验，型腔压力常取20-40MPa。
查阅相关的资料得到，取PET的型腔压力为30MPa，然后可以按下式校核注塑机地额定注射压力：
T—注塑机额定锁模力（KN）
A—塑件和流道系统在分型面上的总投影面积（mm3）
K—安全系数，通常取1.1-1.2。
于是，注塑机的最大成形（投影）面积
借助solidworks软件和估算得到制品的总投影面积=7463.362mm3。
所以
，故该注塑机符合要求。
5注塑模具设计
5.1注塑模具简介
塑料注射成性所用的模具称为注塑模具，注塑模区别于其它塑料模的特点是，模具先由注射机合模机构闭合紧密，然后由注射机注射装置将高温高压的塑料熔体注入模腔内，经冷却或固化定型后，开模取出塑件。
因此注塑模能一次成形出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制件。
注塑模按照不同的分类方法可以有多种，表5-1是注塑模具的一般分类：
表5-1注塑模一般分类
分类方法
模具类型
按塑料材料类别分
热塑性塑料注射模，热固性塑料注射模
按模具型腔数目分
单型腔注塑模，多型腔注塑模
按模具浇注系统分
冷流道模，绝热流道模，热流道模，温流道模
注塑模的结构有注塑机的类型和塑件的结构特点决定。
塑件结构由于其使用要求不同而千变万化，导致模具结构形式的多种多样。
但若把各种类型的模具分析归纳，每副模具可有若干部分组成，而且它们在不同的模具中均起着相同的作用。
大体上每副模具有定模和动模组成。
动模安装在注射机的移动工作面板上，定模安装在注射机的固定工作台面上，注射时，动模与定模闭合构成模腔和浇注系统。
通常要求模具分开后，塑件留在动模一侧，且由设置在动模内的推出机构将制件推出，具体来说，根据模具中各个部件的作用不同，一副模具可以有以下几个部分组成：
成型零部件，浇注系统，导向部件、脱模机构，分型抽芯机构，调温系统（冷却系统等），排气系统，其它零部件（支承、固定、定位、限位零件等）。
5.2成型零件设计
5.2.1成型零件应具备的性能
成型零件系指够成模具型腔的零件，通常有凹模、型芯、各种成型杆等。
由于成型零件直接与高温高压熔体接触，它必须具有一些性能：
（1）具有足够的强度、刚度，以承受塑料熔体的高压；
（2）具有足够的硬度和耐磨性，以承受料流的摩擦和磨损。
通常应进行热处理，使其硬度达到HRC40以上；
（3）对于成型会产生腐蚀性气体的塑料（如PVC、POM、PF等），还应选择耐腐蚀的合金钢或进行镀铬处理；
（4）材料的抛光性能好，表面应该光滑美观。
表面粗糙度要求应在Ra0.4以下。
成形光学用制品的模具，型腔表面应达到镜面；
（5）切削加工性能好，热处理变形小，可淬性良好；
（6）熔焊性能要好，便于修理；
（7）成型部位须有足够的尺寸精度。
通常孔类零件精度为H8~H10，轴类零件精度为h7~h10。
5.2.2凹模（型腔）设计
凹模用以成形塑件外表面，按其结构不同，可分为六种：
整体式凹模、整体嵌入式凹模、局部嵌入式凹模、四壁拼合式凹模。
由于本课题成型零件外表面有螺纹状和凸出部分，见图5-1零件三维图。
图5-1零件三维图
用传统的凹模进行脱模时会有很多的麻烦之处，故选用瓣合式的哈夫模，如图5-2所示。
具体尺寸结构请参考型套和哈夫丝圈工程图。
图5-2哈夫丝圈图
5.2.3型芯的设计
由塑件图中可以看到，塑件的外表面成型有些复杂，需要使用型套和哈夫丝圈的拼合，才能完成整个凹模的设计，但内表面成型较为简单，仅需要将型芯做成相应内表面的形状即可，型芯的加工处理也相应较为简单方便,如图5-3，具体结构尺寸请参考型芯工程图。
图5-3型芯图
5.3结构件设计
结构零件是指模架和用于安装、定位、导向以及成型时完成各种动作的零件，如定位圈、浇口衬套、推杆板复位弹簧撑柱、推杆等等。
5.3.1模架设计
模架目前已经标准化，设计者只需要确定型号即可。
模架分为二板模模架、三板模模架、简化三板模模架、非模架。
其中二板模模架的模具结构简单，成型制品的适应性强，也称大水口模架，是应用最广的模架，约占总注塑模的70%。
本课题研究的模具在一些小厂已被成产出来，他们的模架采用非标形式。
生产模架的公司很多，不同模架成产公司的模架规格不尽相同。
本课题就参考推荐国标GB/T12555-2006，选用其点浇口模架，并根据实际情况进行相应的更改，依据镶件的尺寸，结合考虑螺钉、导柱、导套的布局，确定定模板和动模板的宽度。
参考推荐国标选择各种尺寸，在个别尺寸上稍作修改，如图5-4是模架平面图，具体尺寸结构见总装图。
图5-4模架平面图
5.3.2定模板和动模板开框设计
在定模板和动模板上加工出用于装配内模镶件的圆槽或方槽，叫开框。
开框有通框和不通框两种。
本课题选的是通框。
（1）开框的长、宽尺寸确定
长度和宽度基本尺寸等于型套和哈夫丝圈的长度和宽度的基本尺寸，公差配合取H7/m6。
（2）开框的深度尺寸确定
如果分型面为平面，定模板和动模板上的开框深度分别比内模镶件的高度尺寸小0.5mm，使镶件装配后高出分型面0.5mm，以保证模具在生产时分型面的优先接触。
但是在本课题中需要凹模做成通框，故其深度便是120mm。
（3）开框的圆角设计
为了提高整体强度，应尽量避免开框内出现尖角。
增加圆角对增强侧壁刚度有较明显的帮助，另外也可减少应力集中，防止尖角处开裂，延长模具使用寿命。
（4）斜导柱槽的设计
本课题使用了哈夫摸的分型结构，在分开哈夫块时应用了斜导柱的结构，故在动模板上需要为斜导柱预留其安装的槽。
由于防止斜导柱和槽壁在使用过程中发生摩擦而导致运动的不平稳和损伤导柱，故在设计时在导柱和槽壁之间留下一定的间隙。
（5）台阶设计
本课题在分型时，由于需要对滑块的分型进行导向作用，故做了导滑条。
由于导滑条在实际工作中与定模板接触，需要在定模板上开一个台阶。
定模板结构如图5-5所示。
图5-5定模板结构图
动模板结构如图5-6所示。
图5-6动模板结构图
5.3.3浇口套设计
由于主流道要与高温熔体及喷嘴接触和碰撞，所以模具的主流道部分通常设计成可拆卸更换的衬套，简称浇注套或浇口套。
结合所选注塑机喷嘴尺寸，顶板、定模板厚度及浇口套设计原则，设计结果如图5-7所示。
图5-7浇口套
5.3.5其他结构件设计
5.3.5.1定位圈设计
定位圈又叫法兰，将模具安装在注塑机上时，它起初定为作用，保证注塑机喷嘴与模具浇口套同轴。
同时定位圈还有压住浇口套的作用。
定位圈的规格与注塑机有对应关系。
一般有100mm，另外还有120mm和150mm规格。
本例选择150mm，如图5-8所示。
5.4导向定位系统设计
图5-8定位圈
在注塑模具中，所用运动的零件都必须得到准确的导向和定位。
包括在装配过程中，为了保证各零件相对位置需要设置定位销。
本节主要介绍导柱、导套的相关设计。
5.4.1一般常识
导柱和导套的配合为间隙配合，为（H7/f6）；
合模时，应保证导向零件先于型芯型腔接触；
导柱可以安装在动模一侧，也可以安装在定模一侧，但更多的是安装在动模一侧。
因为作为成型零件的主型芯多装在动模一侧，导柱与主型芯安装在同一侧，在合模时可起保护作用。
故本可以也把导柱安装在动模一侧。
5.4.2导柱结构及技术要求
（1）形状导柱前端应倒圆角、半圆形或做成锥台形，以使导柱能顺利装入导套。
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