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模具设计论文

摘要

本论文分析了塑料碗加工成型的工艺特点，介绍了塑料碗注射成型模具设计要点及模具的工作过程，其中重点介绍了塑料碗注射模具结构的设计方法。

分析和阐述了塑件的成型工艺参数、注塑机的选择、排气系统、冷却与加热系统、浇注系统、合模导向机构、脱模机构、成型零部件和分型面的设计过程。

其中塑料碗注射模设计的结构特点是利用点浇口形式进料的单分型面注射模。

关键词：

塑料碗注射模具结构模

Abstract

Thispaperanalyzestheprocessofplasticmoldingprocessingcharacteristicsofbowls,plasticbowlsintroducedpointsofinjectionmolddesignandmoldtheworkprocess,whichfocusesonthestructureofinjectionmoldplasticbowldesign.Analysisandelaborationoftheplasticpartsofthemoldingprocessparameters,thechoiceofinjectionmoldingmachines,exhaustsystems,coolingandheatingsystem,injectionsystem,themold-orientedinstitutions,strippingagencies,moldingpartsandsub-surfaceofthedesignprocess.Plasticbowlinwhichthestructuralcharacteristicsofinjectionmolddesignistheuseofthefeedpointofthegateintheformofsingleinjectionmoldpartingline.

Keywords:

plasticinjectionmolddiestructureBowl

绪论

模具是工业生产的重要基础设备，它以其自身的特殊形状通过一定的方式使原材料成形。

由于用模具生产的制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度，是其他任何加工制造方法所不及的，因此模具得到了非常广泛的应用。

模具工业技术水平的高低已经成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。

模具技术能促进工业产品的发展和质量的提高，并且能获得极大的经济效益。

模具是“效益放大器”，用模具生产的产品的价值往往是模具价值的几十倍、上百倍。

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”。

模具工业在我国已经成为国民经济发展重要的基础工业之一。

国民经济的支柱产业如机械、电子、汽车、石油化工和建筑业都要求模具工业的发展与之相适应。

我国石化工业一年生产2000多吨聚乙烯、聚丙烯和其他合成树脂，很大一部分需要塑料模具成形，做成制品，用于生产和生活消费。

目前全世界模具总产值约为680亿美元，中国只占8%左右，自2002年以来，贸易逆差均在10亿美元以上，致使我国仍为世界上模具进口量较大的国家。

我国目前的模具产业结构还需要进一步调整，增长方式需要进一步转变。

我国模具工业和技术的主要发展方向将主要集中在一下方面：

（1）模具结构日趋大型、精密、复杂，模具寿命日益提高。

（2）CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中的广泛应用。

（3）快速经济制模技术的推广应用。

（4）新技术在塑料模具中的推广应用。

（5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率。

（6）开发幼稚模具材料和先进的表面处理技术。

（7）高速铣削在模具加工中的推广应用。

（8）研究和应用模具的高速测量技术和逆向工程。

（9）开发成形新工艺和模具，培养新理念和新模式。

第一章、塑料的工艺性设计

1.1基础知识和应用

塑料是指以高分子合成树脂为主要成分，在一定的温度、压力等条件下具有可塑性和流动性，可利用模具成型的一类有机合成材料。

根据组成成分的不同，塑料可分为简单组分塑料和复杂组份塑料。

根据受热特性分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化熔融、冷却定型的塑料。

热固性塑料是指在初次受热到一定温度时能软化熔融，可塑制成型。

继续加热或加入固化剂后即硬化定型的塑料。

注射成型生产中使用的模具叫注射成型模具。

它是热塑性塑料成型加工中常用的一种模具。

注射模包括定模和动模两部分。

定模安装在注射机的固定模板上，动模安装在注射机的移动模板上，并可随移动模板的移动实现模具的启闭。

模具闭合后，动模和定模一起构成模具型腔和浇注系统，注射机即可向模具型腔注入熔融塑料，经过冷却型腔塑件定型后，动定模分离，由推出机构将塑件推出，即可完成一个生产周期。

注射模的结构组成；

（1）成型零部件。

（凹模、型芯等）。

（2）合模导向零件。

（导柱、导套等）。

（3）浇注系统。

（4）推出机构。

（推杆、推板等）。

（5）侧向分型抽芯机构。

（6）温度调节系统。

（7）排气系统。

注射模的分类有很多种，按加工塑料的品种分为热塑性塑料注射模和热固性塑料注射模；按注射机类型分为卧式、立式和角式注射机用注射模；按型腔数目可的分为单型腔注射模和多型腔注射模。

通常按注射模的总体结构来分：

（1）单分型面注射模。

只有一个分型面，因此称为单分型面注射模。

这是注射模中最简单并且用的最多的一种结构形式。

合模后，动定模组成型腔，主流道在定模的一侧，分流道及浇口在分型面上，动模上设有推出机构用以推出塑件和凝料。

（2）双分型面注射模。

与单分型面注射模相比增加了一个取浇注系统凝料的分型面，这种注射模主要用于点浇口注射模、侧向分型抽芯机构设在定模一侧的注射模，它们结构复杂。

（3）侧向分型抽芯注射模。

当塑件上带有侧孔和侧凹时，在模具中要设置有斜导柱和斜滑块等组成的侧向分型抽芯机构，使侧型芯做横向运动。

（4）热流道注射模。

在注射成型过程中，利用加热或绝热的办法使浇注系统中的塑料始终保持熔融状态，在每次开模时只需取出塑件而没有凝料。

这样节约了人力，提高了生产效率，保证了塑件质量，更容易实现自动化成产。

但是它的不足之处在于结构复杂，温度控制要求严格，模具成本高，故适用于大批量生产。

1.2注塑模工艺

1料筒温度和喷嘴温度。

料筒温度应高于塑料的粘流温度或熔点。

适当提高料筒温度可以提高融了的流动性，有利于充模成型，但温度过高易引起塑料的变色、降解和分解。

喷嘴的温度应略低于料筒前端的温度，喷嘴温度过高，熔料易产生流涎现象，过低，喷嘴口的熔料会凝固成冷料堵塞喷嘴。

2注射压力和注射速度。

提高注射压力可以增强熔料的流动能力，可大到1800bar，但是压力过高，容易产生飞边；塑件冷却后对型芯和型腔的包紧力增加，脱模困难；注射压力过低，则造成熔料充模不足。

注射速度慢时易因熔体表面凝固使塑料产生凹陷。

高速注射时，可以提高生产率，但是过高熔料易产生不规则的流动和烧伤等现象，影响表面质量。

3保压压力和保压时间。

保压压力作用是补缩，一般等于注射压力。

当保压时间增加到使塑件尺寸趋于稳定时，对应的时间就是最佳保压时间

4冷却时间。

一般在20s~90s之间。

5模具温度。

模具温度过低，会导致熔料冷却速度加快，流动性降低，会使塑件的质量下降。

一般在40~80℃之间，建议使用50℃。

结晶程度主要由模具温度决定。

6加料量和余料。

加料量过少，会造成塑件有缺陷，过多会造成注射压力损失。

余料量一般控制在10~20mm为宜。

1.3化学和物理特性

PP是一种半结晶性材料。

它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。

由于均聚物型的PP温度高于0℃以上时非常脆，因此许多商业的PP材料是加入1~4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。

共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度（100℃）、低透明度、低光泽度、低刚性，但是有更强的抗冲击强度。

PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。

PP的维卡软化温度为150℃。

由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。

PP不存在环境应力开裂问题。

通常，采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。

PP的流动率MFR范围在1~40。

低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。

对于相同MFR的材料，共聚物型的强度比均聚物型的要高。

由于结晶，PP的收缩率相当高，一般为1.8~2.5%。

并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。

加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。

均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。

然而，它对芳香烃（如苯）溶剂、氯化烃（四氯化碳）溶剂等没有抵抗力。

PP也不象PE那样在高温下仍具有抗氧化性。

1.4塑件的尺寸和公差

1、塑件的尺寸

塑件尺寸的大小受制于以下因素：

a）取决于用户的使用要求

b）受制于塑件的流动性。

c）受制于塑料熔体在流动充填过程中所受到的结构阻力。

2、塑件尺寸公差标准

a）影响塑件尺寸精度的因素主要有：

塑料材料的收缩率及其波动。

b）塑件结构的复杂程度。

c）模具因素（含模具制造、模具磨损及寿命、模具的装配、模具的合模及模具设计的不合理所可能带来的形位误差等）。

d）成型工艺因素（成型的温度T、压力p、时间t及取向、结晶、成型后处理等）。

e）成型设备的控制精度等。

其中，塑件尺寸精度主要取决于塑料收缩率的波动及模具制造误差。

题中没有公差值，则我们按未注公差的尺寸许偏差计算，查表取MT5。

3、塑件的表面质量

塑件的表面质量包括塑件缺陷、表面光泽性与表面粗糙度，其与模塑成型工艺、塑料的品种、模具成型零件的表面粗糙度、模具的磨损程度等相关。

模具型腔的表面粗糙度通常应比塑件对应部位的表面粗糙度在数值上要低1-2级。

第二章、注射成型机的选择

2.1塑料注射机的类型

塑料注射机按用途可以分为热塑性塑料通用注射机和专用注射机（热固性塑料注射机、注射吹塑机、发泡注射机、排气注射机）；按外形分为卧式注射机、立式注射机、角式注射机；按塑料在料筒的塑化方式分为柱塞式注射机和螺杆式注射机。

目前在生产中应用最为广泛的是卧式螺杆式热塑性塑料通用注射机。

2.2塑料注射机的机构

塑料注射机一般由注射装置、合模装置、液压和电气控制系统和机架四个部分组成。

注射装置的作用是：

将一定量的塑料加入料筒；将加入料筒内的塑料加热并且均匀塑化成熔体；以足够的速度和压力将一定量的塑料熔体注射进模具型腔；注射完成后保持一定的时间和压力，进行补缩并防止塑料返流。

合模装置的作用是：

准确可靠的实现模具的开、合模动作，注射时保证可靠地锁紧模具；开模时保证制件顶出脱模。

液压和电气控制系统的作用是：

控制注射机的工作循环过程和成型工艺条件，使注射机按注射工艺预定的动作要求和工作要求准确有效的工作。

机架的作用是：

将上述三个部分组合在一起，同时作为液压系统的油箱。

2.3塑料注射机的规格及其与模具的关系

塑料注射机的规格是指注射机加工能力和使用范围的一些主要技术参数。

在设计塑料注射模时，应根据实际情况对这些技术参数进行效核。

1注射量注射量是指注射机进行一次注射成型所能注射出熔料的最大容积，它据顶了一台注射机所能成型塑件的最大体积。

理论注射量是指注射机理论上能够达到的最大注射量，它与注射机实现能够达到最大注射量之间的关系可用下式表示：

Vg=aV

式中Vg—注射机最大注射量；

V—注射机理论注射量；

a—射出系数。

2合模力是指在注射成型时注射机合模世家的夹紧力，它在一定程度上决定了注射机所能成型的塑件在分型面上的最大投影面积。

F≥pA

式中F—合模力；

p—模腔内融体的压力，一般取注射压力的1/3~2/3；

A—所由塑件及浇注系统在模具分型面上的投影面积之和。

3模板尺寸和拉杆间距模具最大外形尺寸不能超过注射机的动、定模板的外形尺寸，同时必须保证模具能通过拉杆间距安装到动、定模板上，模板上还应保留有足够的余地用于装夹模具。

4最大和最小模具厚度模具厚度一般应在注射机允许的最大模具厚度与最小模具厚度之间:

Ha≤H≤Hb

式中H—模具厚度；

Ha—注射机允许的最小模具厚度；

Hb—注射机允许的最大模具厚度。

5开模行程必须保证模具开启后能顺利取出制件。

第三章、塑料制件在模具中的成型位置

3.1型腔数量

1单型腔在一副模具中只有一个型腔，也就是在一个模塑成型周期内只能生产一个塑件的模具。

这种模具通常情况下结构简单，制造方便，造价较低。

生产效率不高，不能充分发挥设备的潜力。

它主要用于成型较大型的塑件和形状复杂或嵌件较多的塑件，也用于小批量生产或新产品试制的场合。

2多型腔在一副模具中有两个以上的型腔，也就是在一个模塑成型周期内可同时生产两个以上塑件的模具。

这种模具的生产效率高，设备的潜力能充分发挥，但模具的结构比较复杂，造价较高。

它主要用于生产批量较大的场合或成型较小的塑件。

在确定型腔数目时，要考虑到注塑模具的浇注系统、加热冷却系统、成型工艺条件等等，要结合这些元素综合地进行注塑模具设计。

模具结构要求对称，受力平衡时。

模具加工条件好，加工精度高时，可以增加型腔数目，反之，则减少型腔数目，甚至用单腔模具。

此外，模具型腔越多，表示模具加工周期越长，有时须根据模具加工周期确定型腔数目。

再者，型腔越多，维修要求越高，频率越快。

确定型腔数目时，须考虑维修的因素。

一般要考虑的要点有：

1）塑料制件的批量和交货周期。

2）质量的控制要求。

每增加一个型腔，塑件的尺寸精度就会降低到

4%~8%。

3）成型的塑料品种与塑件的形状及尺寸。

4）所选的注射机的技术规格。

根据注射机的额定锁模力F的要求来确定型腔数目n，即

n

式中F——注射机额定锁模力（N）；

P——型腔内塑料熔体的平均压力（MPa）；

A1、A2——分别为浇注系统和单个塑件在模具分型面上的投影面

积（mm2）。

3.2型腔的排列方式

型腔的排列应使每个型腔浇口处有足够的压力，以保证塑料熔体积同时均匀的充满型腔。

使各个型腔的塑件内在质量均一稳定，这就要求型腔与主流道之间的距离尽可能最短，同时采用平衡的流道和合理的浇口尺寸以及均匀的冷却等。

合理排布可以避免塑件尺寸的差异、应力形成和脱模困难等问题。

该问题将在浇口布置中作详细说明。

3.3分型面的设计

1分型面的定义

为了塑件浇注系统凝料的脱模和安装嵌件的需要，将模具型腔适当地分成两个或更多部分，这些分离部分的接触表面，统称分型面。

图3-1分型面

2分型面选择原则

1）分型面选择应该满足动、定模分离后塑件尽可能留在动模内。

2）当塑件是垫圈类，壁较厚二内芯较小时，塑件成型收缩后，型芯

包紧力较小，若型芯设于定模部分，很可能由于型腔加工后光洁度不高，造成工件留在定模上，因此型腔设在动模内工作。

3）当塑件外形简单，内形结构复杂时，型腔可设在定模内。

4）当塑件有较多组抽芯时，应尽量避免长端侧向抽芯。

5）当塑件有侧向抽芯时，应尽可能放在动模部分避免定模抽芯。

6）一般选在头部的下端分型。

7）为了满足塑件同心度的要求，尽可能将型腔设计在同一块模板上。

8）一般分型面应尽可能设在塑料流动方向的末端以利于排气。

第四章、成型零件的机构设计

4.1成型零件的设计

构成塑料模具模腔的零件统称成型零部件。

成型零件工作时，直接与塑料熔体接触，承受熔体料流的高压冲刷、脱模摩擦等。

因此，成型零件不仅要求有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，而且还要求有合理的结构，较高强度、刚度及较好的耐磨性。

成型零部件决定了塑件几何形状和尺寸，通常包括：

凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。

1凹模的机构设计

整体式凹模。

模具强度好，牢固、不易变形，不会使塑件产生拼接线痕迹。

加工工艺性差，加工困难．热处理不方便，整体式凸模还有消耗模具钢多、浪费材料等缺点。

所以整体式凹、凸模结构常用于形状简单的单个型腔中、小型模具或工艺试验模具。

但随着数控加工技术和电加工技术的发展，整体式凹模越来越多。

图4-1整体凹模

组合式凹模。

分为整体嵌人式、局部镶嵌式和拼合式等形式。

1）整体嵌入式：

单个型腔和型芯采用单独加工（机械加工、冷挤压、电加工等方法）的方法加工。

采用H7/m6过渡配合压人模板中。

这种结构加工效率高，装拆方便，容易保证形状和尺寸精度。

图4-2整体嵌入式凹模

2）局部馕嵌式组合凹模：

为了加工方便或由于型腔的某一部分容易损坏，

需要经常更换则采用的局部嵌入的办法。

图4-3局部镶嵌式组合凹模

3）拼合式：

为了便于机械加工、研磨、抛光和热处理，整个凹模可由几

个部分镶拼而成。

图4-4拼合式凹模

总结：

采用组合式凹模,加工工艺性好，排气效果好，节约模具材料，但装配调整困难，有时塑件表面会留有拼接的痕迹。

图4-5塑料碗组合式凹模

2凸模的设计结构

成型塑件内表面的零件称凸模或型芯。

主要有：

主型芯、小型芯、螺纹型芯和螺纹型环等。

凸模（主型芯）。

按结构可以分为整体式和组合式。

整体式结构牢固，成型的塑件质量较好，但是机械加工不方便，优质的钢材消耗较大。

这种型芯主要用于形状简单的小型凸模；组合式结构式将凸模和模板采用不同材料制成，然后连接成一体。

对于形状复杂的大型凸模，为了便于机械加工，可采用镶拼式组合凸模。

小型芯。

它是指成型塑件上较小的孔或槽的零件。

4.2成型零件工作尺寸的计算

所谓工作尺寸只指成型零件上直接用以成型塑件部分的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸，型芯的深度或型芯的高度尺寸、中心距尺寸等。

计算成型零部件工作尺寸要考虑的要素：

1塑件收缩率波动和波动δs。

收缩率是在一定范围内变化的，这样必然会造成塑件尺寸误差。

因收缩率波动引起的塑件尺寸误差可按下式计算：

δs＝（Smax-Smin）Ls

式中δs—收缩率波动所引起的塑件尺寸误差；

Smax—塑料的最大收缩率；

Smin—塑料的最小收缩率；

Ls—塑件尺寸。

2成型零件的制造误差δz。

成型零件的公差等级越低，其制造公差也越大，因而成型的塑件公差等级也就越低。

一般成型零件工作尺寸制造公差值取塑件公差值的1/3~1/4或取IT7~IT8级作为制造公差。

3成型零件的磨损量δc。

造成磨损的原因：

①熔体流动冲刷②腐蚀性气体的锈蚀③脱模时的磨擦（主要）④由上述原因造成表面粗糙度增加而需重新打磨抛光。

一般的中、小型塑件取塑件公差的1/6,大型塑件取小于1/6塑件公差。

4模具安装配合误差δi。

由于模具成型零件的安装或在成型过程中成型零件配合间隙的变化，都会影响塑件的尺寸误差。

5水平飞边厚度的波动δf。

水平飞边厚度很薄，甚至没有飞边，所以对塑件高度尺寸影响很小。

综上所述，制品可能产生的最大误差δ为上述各种误差的综合，即

•δ=δs+δc+δz+δi+δa

•δz——成型零件制造误差；

•δc——型腔使用过程中的总磨损量；

•δs——塑料收缩率波动引起的塑件尺寸误差；

•δi——因配合间隙变化引起的塑件尺寸误差；

•δa——模具装配误差。

（因安装固定成型零件而引起的塑件尺寸误差）

•为保证塑件精度必须使上述各因素所造成的各种误差累积后的误差值δ应小于或等于塑件的尺寸公差Δ，即δ≤Δ。

由于注射压力及模具分型面平面度的影响，会导致动模、定模注射时存在着一定的间隙。

一般当模具分型的平面度较高、表面粗糙度较低时，塑件产生的飞边也小。

飞边厚度一般应小于是0.02~0.1mm。

1外型尺寸（mm）

图4-6塑料碗尺寸

根据公式：

LM=

D1M=

=

=116.445

D2M=

=

=56.45

根据公式：

HM=

H1M=

=

=57.65

H2M=

=

=2.93

2内腔尺寸（mm）

根据公式：

M=

1m=

=

=

2m=

=

=

根据公式：

M=

1M=

=

=51.43

2M=

=

=4.24

第五章、浇注系统的设计

5.1浇注系统的组成

注射模的浇注系统是指塑料熔体从注射机喷嘴进入模具开始到型腔为止的通道。

它的作用是将熔体平稳地引入模具型腔，并在填充和固化定型过程中，将型腔内气体顺利排出，且将压力传递到型腔的各个部位，以获得组织致密、外形清晰、表面光洁、尺寸稳定的塑件。

浇注系统可分为普通浇注系统和热流道浇注系统两大类。

其中普通浇注系统的组成：

1主流道。

主流道是指注射机喷嘴与模具接触处开始，到有分流道支线为止的一段料流通道。

它起到将熔体从喷嘴引入模具的作用，其尺寸的大小直接影响熔体的流动速度和充填时间。

2分流道。

分流道是主流道与型腔进料口之间的一段流道，主要起分流道和转向作用，是浇注系统的断面变化和熔体流动转向的过度通道。

3浇口。

浇口是指料流进入型腔前最狭窄部分，也是浇注系统中最短的一段，目的是使料流进入型腔前加速，便于充满型腔，防止倒流和便于成型后冷料和塑件分离。

4冷料穴。

在每个注射成型周期开始时，最前面的料接触低温模具后会降温、变硬的部分。

为防止冷料堵塞浇口或影响塑件的质量而设立。

5.2浇注系统设计

一、浇注系统的设计原则：

（1）浇注系统的分流道一般在分型面上；

（2）流程尽可能短，降低压力和温度损失，缩短充模时间；

（3）尽量减少浇注系统的体积；

（4）浇口的大小的位置的选择，力求层流，有利于排气；

（5）系统要均衡布置。

二、浇注系统的布置：

平衡式布置——排列方式：

圆周排列较适宜圆形塑件；Ｈ形排列较适宜矩形塑件。

特点：

到各型腔的分流道的长度、形状和尺寸相等，制品一致性好；流道长，熔体压力降大，浇注系统凝料多。

非平衡式布置——优点：

流道短，凝料较少；缺点：

到各型腔的分流道的长度不等；制品一致性差。

5.3流道系统设计

主流道设计要点：

（1）为便于凝料从直流道中拔出，主流道设计成圆锥形，其锥角可取2°~6°，流道壁表面粗糙度取Ra=0.63μm，且加工时应沿道轴向抛光。

（2）主流道与分流道结合处采用圆角过度，其半径约为1~3mm以减小料流转向过度时的阻力。

（3）在保证塑件成型良好的前提下，主流道的长度尽量短。

主流道长度L以小于60mm为佳，最长不宜超过95mm。

（4）设置主流道衬套。

主流道常开设在可拆卸的主流道衬套上；其材料常用T8A，热处理淬火后硬度53~57HRC。

d＝喷嘴孔径＋1mm、R＝喷嘴球面半径＋（2~3）mm、α＝20~40主流道内壁粗糙度≤0.8μm、H＝（1/3~2/5）R、L＝模板厚－H（≤50mm）。

图5-1主流道设计

分流道设计要点：

（1）分流道的断面尺寸和长度，应在保证顺利充模的前提下，尽量取小值。

尤其对小型塑件更为重要。

（2）分流道的表面粗糙度值不必很低，一般为1.6～0.8μm，利于熔料在流道表面形成凝固层，减少热损失。

（3）分流道末端或流道改变方向的拐角处应开设冷料穴，以容纳冷料，保证塑件质量。

（4）分流道与浇口的连接处要以斜面或圆弧过渡，有利于塑料熔体的流动及填充。

α1＝0.5×45°，α2＝30°～45°，R1＝1～2mm；

L＝0.7～2mm，