塑料水桶模具设计.docx
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塑料水桶模具设计
目录
内容提要Ⅰ
AbstractⅡ
前言1
1概述2
1.1我国塑料模具行业发展及应用现状2
1.2塑料模具的分类及结构简介3
2塑件成型工艺性分析5
2.1塑件分析5
2.2热塑性塑料的注射成型过程及工艺参数5
2.3HPVC的性能分析5
3拟定模具结构形式7
3.1分型面位置的确定7
3.2确定型腔数量及排列方式7
4注射机型号的确定13
4.1所需注射量的计算13
4.2注射机型号的选定14
4.3型腔数量及注射机有关工艺参数的校核14
5浇注系统形式和浇口的设计17
5.1主流道的设计17
5.2冷料穴的设计17
5.3分流道的设计18
5.4浇口的设计18
6浇不系统的平衡18
7浇注系统凝料体积计算19
8浇注系统各截面流过熔体的体积计算20
9普通浇注系统截面尺寸的计算与校核20
10成型零件的结构设计和计算21
10.1定模部分的型芯22
10.2动模部分的型腔22
11模架的确定和标准件的选用23
12合模导向机构的设计23
13脱模推出机构的设计24
14排气系统的设计25
15温度调节系统的设计26
总结30
参考文献31
致谢32
附录Ⅰ图纸及工艺卡
附录Ⅱ英文翻译及原文
前言
“模具工业是美国工业的基石头”、“模具是促进社会繁荣富裕的动力”、“模具是金属加工业的帝王”。
可以说人类的衣、食、住、行，没有哪一方面离得开模具。
模具的一般定义：
在工业生产中，用各种压力机和装在压力机上的专用工具，通过压力把金属或非金属材料制出所需形状的零件或制品，这种专用工具统称为模具。
模具是现代化工业生产的重要工业设备。
在国民经济的各个工业生产部门都越来越多地依靠模具来进行生产加工。
采用模具生产零、部件具有生产效率高、质量稳定，一致性好，节省原材料和能源，生产成本低等优点，模具已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向之一。
现代工业产品的品种发展和生产效益的提高，在很大程度上取决于模具的发展和技术经济水平。
目前，模具已成为衡量一个国家、一个地区、一家企业制造水平的重要标志之一。
我们日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机外壳，小到一个胚头螺丝、纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与模具有着密切的关系。
模具的形状决定着这些产品的外形，模具的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。
因为各种产品的材质、外观、规格及用途的不同，模具分为了铸造模、锻造模、压铸模、冲压模等非塑胶模具，以及塑胶模具。
近年来，随着塑料工业的飞速发展和通用与工程塑料在强度和精度等方面的
不断提高，塑料制品的应用范围也在不断扩大，如：
家用电器、仪器仪表，建筑器材，汽车工业、日用五金等众多领域，塑料制品所占的比例正迅猛增加。
一个设计合理的塑料件往往能代替多个传统金属件。
工业产品和日用产品塑料化的趋势不断上升。
根据注射成型的机理不同，塑料注射成型分为通用热塑性塑料注射、热塑性热流道注射、热固性塑料注射、热固性冷流道注射、热固性注压、BMC注射、动力熔融注射、排气注射、多级注射、气体辅助注射、流动注射、结构发泡注射、单色多模注射、共注射、液态注射、反应注射等成型方法。
不论哪种注射成型方法都存在两条主线：
（1）以塑件的使用即塑件的市场需要、用途、目的为中心。
其需要由塑件设计、塑料注射机（使用）、注射模（使用）、注射工艺等共同保证。
（2）以注射模的使用为中心。
其需要由注射模设计、注射模加工机床、注射模加工工装、注射模加工工艺等共同保证。
注塑过程说明：
模具是一种生产塑料制品的工具。
它由几组零件部分构成，这个组合内有成型模腔。
注塑时，模具装夹在注塑机上，熔融塑料被注入成型模腔内，并在腔内冷却定型，然后上下模分开，经由顶出系统将制品从模腔顶出离开模具，最后模具再闭合进行下一次注塑，整个注塑过程是循环进行的。
1.模具的一般分类：
可分为塑胶模具及非塑胶模具：
（1）非塑胶模具有：
铸造模、锻造模、冲压模、压铸模等。
A．铸造模——水龙头、生铁平台
B．锻造模——汽车身
C．冲压模——计算机面板
D．压铸模——超合金，汽缸体
（2）塑胶模具根据生产工艺和生产产品的不同又分为：
A．注射成型模——电视机外壳、键盘按钮（应用最普遍）
B．吹气模——饮料瓶
C．压缩成型模——电木开关、科学瓷碗碟
D．转移成型模——集成电路制品
E．挤压成型模——胶水管、塑胶袋
F．热成型模——透明成型包装外壳
G．旋转成型模——软胶洋娃娃玩具
◆注射成型是塑料加工中最普遍采用的方法。
该方法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料，制得的塑料制品数量之大是其它成型方法望尘莫及的，作为注射成型加工的主要工具之一的注塑模具，在质量精度、制造周期以及注射成型过程中的生产效率等方面水平高低，直接影响产品的质量、产量、成本及产品的更新，同时也决定着企业在市场竞争中的反应能力和速度。
◆注塑模具是由若干块钢板配合各种零件组成的，基本分为：
A成型装置（凹模，凸模）
B定位装置（导柱，导套）
C固定装置（工字板，码模坑）
D冷却系统（运水孔）
E恒温系统（加热管，发热线）
F流道系统（唧咀孔，流道槽，流道孔）
G顶出系统（顶针，顶棍）
2、根据浇注系统型制的不同可将模具分为三类：
（1）大水口模具：
流道及浇口在分模线上，与产品在开模时一起脱模，设计最简单，容易加工，成本较低，所以较多人采用大水口系统作业。
（2）细水口模具：
流道及浇口不在分模线上，一般直接在产品上，所以要设计多一组水口分模线，设计较为复杂，加工较困难，一般要视产品要求而选用细水口系统。
（3）热流道模具：
此类模具结构与细水口大体相同，其最大区别是流道处于一个或多个有恒温的热流道板及热唧嘴里，无冷料脱模，流道及浇口直接在产品上，所以流道不需要脱模，此系统又称为无水口系统，可节省原材料，适用于原材料较贵、制品要求较高的情况，设计及加工困难，模具成本较高。
热流道系统，又称热浇道系统，主要由热浇口套，热浇道板，温控电箱构成。
我们常见的热流道系统有单点热浇口和多点热浇口二种形式。
单点热浇口是用单一热浇口套直接把熔融塑料射入型腔，它适用单一腔单一浇口的塑料模具;多点热浇口是通过热浇道板把熔融料分枝到各分热浇口套中再进入到型腔，它适用于单腔多点入料或多腔模具.
◆热流道系统的优势
（1）无水口料，不需要后加工，使整个成型过程完全自动化，节省工作时间，提高工作效率。
（2）压力损耗小。
热浇道温度与注塑机射嘴温度相等，避免了原料在浇道内的表面冷凝现象，注射压力损耗小。
（3）水口料重复使用会使塑料性能降解，而使用热流道系统没有水口料，可减少原材料的损耗，从而降低产品成本。
在型腔中温度及压力均匀，塑件应力小，密度均匀，在较小的注射压力下，较短的成型时间内，注塑出比一般的注塑系统更好的产品。
对于透明件、薄件、大型塑件或高要求塑件更能显示其优势，而且能用较小机型生产出较大产品。
（4）热喷嘴采用标准化、系列化设计，配有各种可供选择的喷嘴头，互换性好。
独特设计加工的电加热圈，可达到加热温度均匀，使用寿命长。
热流道系统配备热流道板、温控器等，设计精巧，种类多样，使用方便，质量稳定可靠。
◆热流道系统应用的不足之处
（1）整体模具闭合高度加大，因加装热浇道板等，模具整体高度有所增加。
（2）热辐射难以控制，热浇道最大的毛病就是浇道的热量损耗，是一个需要解决的重大课题。
（3）存在热膨胀，热胀冷缩是我们设计时要考虑的问题。
（4）模具制造成本增加，热浇道系统标准配件价格较高，影响热浇道模具的普及。
塑料水桶模具设计
1.1塑件成型工艺性分析
1.塑件（塑料水桶）分析
1）.塑件，如图1-1所示。
图1-1塑件图
2）.塑料名称
聚丙烯（PP）。
3）.色调
不透明，墨绿色或者孔雀蓝。
4）.生产纲领
大批量。
5）.塑件结构及成型分析
精度等级：
采用六级精度。
脱模斜度：
为使成型的塑件顺利地推出模具型腔，沿分型面垂直的方向的所有内外表面必须设计一定值的脱模斜度，如图1-1所示。
常用塑件的脱模斜度值，见表1-1。
图1-1塑件脱模斜度
表1-1常用塑件的脱模斜度
类别
精度级
中级
普通级
α
6′，12′，15′
18′，30′
1′，1.5°，2°，3°，5°
该塑件壁厚为2㎜，其脱模斜度为2°。
由于该塑件没有特殊狭窄细小部位，所用塑料为PP，流动性极好，注射冲型流畅，所以塑件外形没有放脱模斜度。
2.热塑性塑料（PP）的注射工艺参数
（1）注射机：
螺杆式。
（2）螺杆转速（r/min）：
48。
（3）料筒温度（℃）：
后段160---180
中段180---200
前段200---220
（4）喷嘴温度（℃）：
250---260；喷嘴形式：
延伸式喷嘴。
（5）模具温度（℃）：
80---90
（6）注射压力（MPa）：
70---100
（7）成型时间（s）：
注射时间：
20---60
高压时间：
0---3
冷却时间：
20---90
总周期：
50---160
3.PP的性能分析
1）.使用性能
卓越的介电性能、耐水性，化学稳定性能，易于成型加工；比水轻（比重为0.9左右），机械强度较高，软化点较高，表面硬度及耐热性较好；耐磨性、耐寒性稍差，成型收缩率较大，低温呈脆性，对氧敏感，易受紫外线影响老化。
常用来制造高频插座，盒，日用品等。
2）.成型性能
①吸湿性小，可能发生熔体破裂，长期与金属接触易发生分解。
②流动性极好，易于成型。
③冷却速度快，浇注系统及冷却系统应散热缓慢。
④成型收缩率范围及收缩率大，易发生缩孔、凹痕、变形，方向性强。
⑤注意控制成型温度。
料温低时方向性明显，尤其是低温高压时更明显。
模温在50℃以下时塑件不光泽，易产生熔接不良和流痕；在90℃以上时易发生翘曲和变形。
⑥塑件应壁厚均匀，避免缺口和尖角，以防止应力集中。
3）PP的主要性能指标
PP的主要性能指标见表1-2所示。
表1-2PP的主要性能指标
密度（g/cm3）
0.90--0.91
抗拉屈服强度（Mpa）
37
质量体积（cm3/g）
1.10—1.11
抗剪强度（Mpa）
67.5
吸水率24h（%）
0.01—0.83
抗弯强度（Mpa）
25
计算收缩率（%）
1.0—3.0
抗弯强度（Mpa）
25
熔点（℃）
170--176
击穿强度（kv·mm-1）
30
注：
源自参考文献[1]中的表8.3-9
4.PP成型塑件的主要缺陷及消除措施
1）.缺陷
缺料（注射量不足），气孔，熔接痕，翘曲。
2）.消除措施
加大流道，浇口，喷嘴，增大注射压力。
1.2拟订模具结构形式
1.分型面位置的确定
分型面为定模与动模的分界面。
每个塑件的分型面可能只有一种选择，也可能有几种选择。
合理地选择分型面是使塑件能完好地成型的先决条件。
在塑件设计阶段，就应该考虑成型时分型面的形状和位置，否则无法用模具成型。
在模具设计阶段，应首先确定分型面的位置，然后才选择模具的结构。
分型面设计是否合理，对塑件质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大影响。
因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键因素。
1）.分型面的选择原则
（1）有利于保证塑件的外观质量。
（2）分型面应选择在塑件的最大截面处。
（3）尽可能使塑件留在动模一侧。
（4）有利于保证塑件的尺寸精度。
（5）尽可能满足塑件的使用要求。
（6）尽量减少塑件在合模方向上的投影面积。
（7）长型芯应置于开模方向。
（8）有利于排气。
（9）有利于简化模具结构。
该塑件在进行塑件设计时已经充分考虑了上述原则，同时从所提供的塑件图样可看出该塑件的分型面确定在水桶的顶面。
2）.分型面选择方案
该塑件为水桶，外观要求要美观，无斑点和熔接痕，表面质量要求高，在选择分型面时，根据分型面的选择原则，考虑不影响塑件的外观质量以及成型后能否顺利取出塑件，有两种分型面的选择方案。
（1）分型面选择方案一：
上下分型。
从上下分开，选塑件的大端面平面作为分型面，型腔的一部分在动模上，另一部分在定模上，开模后制品连同主流道凝料一起留在动模一侧。
优点：
只有一个分型面，水桶的外观没有飞边，外表美观。
缺点：
凹模型腔过深，加工有困难，在分型面上有飞边，该地方需要修光。
（2）分型面选择方案二：
左右分型。
从中间分开，将水桶模具分成两半。
优点：
便于凹模加工。
缺点：
在分型面上会留有飞边，因为飞边会影响水桶的外观质量，还有，这样分型会增加一个分型面，前后必须还要一个分型面。
综上所述，分型面采用方案一模具结构相对简单，塑件成型精度可靠，因此采用方案一，上下分型。
2.确定型腔数量及排列方式
当塑件分型面确定之后，就需要考虑是采用单型腔模还是多型腔模。
一般来说，对于精度要求不高的小型塑件（没有配合精度要求），形状简单，又是大批量生产时，若采用多型腔模具可提供独特的优越条件，使生产效率大为提高，但对于大中型塑件和精度要求高的小型塑件优先采用一模一腔的结构。
该选择方案如下：
1）.单型腔但分型面
通过上一步分型面的分析，采用上下单分型面比较合适，不会影响塑件的外观质量。
采用单型腔是因为塑件的体积较大，通过Pro/E建模分析可知，塑件体积为1067.5cm3，塑件质量为960.75g。
因此注射量比较大，分型面的面积很大，锁模力也比较大，精度要求较高，适合于采用单型腔但分型面的模具。
2）.单型腔多分型面
前面左右分型讨论过会影响塑件的外观质量，增加模具的复杂程度。
3）.多型腔单分型面
多型腔会提高生产效率，但会影响塑件的精度，增大对设备的要求，比如注塑机的注射量以及锁模力，都要成倍增加。
还有该塑件体积已经很大了，再采用多型腔模具会带来加工困难，因此不适合采用多型腔单分型面的形式。
故由此初步拟订采用一模一腔的结构形式。
3.模具结构形式的确定
该塑件外观质量要求较高，从该塑件的外部特征可以看出塑件属于大型深腔塑件。
对于此类塑件，采用气动顶出机构，从而保证推出过程中不产生任何质量缺陷。
因为注射机采用延伸式喷嘴，所以浇口采用点浇口（延伸式喷嘴是将注射机的喷嘴延长，并直接与模具的浇口部分接触，起延长部分代替了浇口浇道。
为使喷嘴内的塑料保持熔融状态，防止喷嘴前端受冷而堵塞，必须安装外加热器。
为避免喷嘴热量过多得传给低温型腔，必须采用有效的绝热措施，如：
塑料绝热和空气绝热，这里采用空气绝热的方式。
此外，还应使模具不易变形）。
由此可看出模具的结构特点：
①桶为深腔薄壁塑件，脱模时必须破坏桶内的真空，本模具利用压缩空气作为破坏真空的方法。
②桶侧面有提手孔，用强制脱模的方式脱模。
③为了加快注射周期以提高生产率，必须使模具的冷却作用良好，本模具在定模上采用循环式水道，型芯采用螺旋式水道（螺旋式水道优点：
冷却效果好；缺点：
若密封效果不良，易引起泄露）。
1.3注射机型号的确定
注射模是安装在注射机上使用的工艺装备，因此设计注射模是应该详细了解注射机的技术规范，才能设计出符合要求的模具。
注射机规格的确定主要是根据塑件的尺寸大小及型腔的数目和排列方式，在确定模具结构形式及初步估算外形尺寸的前提下，设计人员应对模具所需的注射量、锁模力、注射压力、拉杆间距、最大和最小模具厚度、推出形式、推出位置、推出行程、开模距离等进行计算。
根据这些参数选择一台和模具相匹配的注射机，倘若用户已提供了注射机的型号和规格，设计人员必须对其进行校核，若不能满足要求，则必须自己调整或与用户取得商量调整。
1.所需注射量的计算
1）.塑件质量、体积的计算
对于该设计，用户提供了塑件图样，根据此建立塑件模型并对此模型分析得：
塑件体积V1≈1067.5cm3
塑件质量m1=ρv1=0.90×1067.5=960.75g
流到凝料的质量ｍ2为未知数，可按塑件质量的0.6倍来计算，所以注射量为：
V2=0.6V1=0.6×1067.5=640.5cm3
m2＝ρV2=0.9×640.5=576.45g
ｍ=1.6ｍ1ｎ=1.6×1×960.75=1573.2g
2）.塑件和流道凝料在分型面上的投影面积，以及所需锁模力的计算。
流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积A2，A2是每个塑件在分型面上的投影面积A1的0.2倍～0.5倍。
A=ｎA1+A2=ｎA1+0.35A1=1.35A1
=1.35×74468.24
=100532.1mm2
式中A1=π/4d2=0.785×（（316+300）/2）2
=74468.24mm2
FM=AP型=100532.1×25=2513303N
=2513.303KN
式中型腔压力取25P型MPa（因为是壁厚均匀，容易成型的塑件）。
3）.该模具一次注射所需塑料PP
体积V0=V1+V2=1067.5+640.5=1708cm3
质量m=ρV0=0.90×1708=1537.2g
2.注射机型号的选定
近年来我国引进注射机型号很多，国内注射机生产厂的新机型也日益增多。
掌握使用设备的技术参数是注射模设计和生产所必需的技术准备。
在设计模具时，最好查阅注射机生产厂家提供的《注射机使用说明书》上标明的技术参数。
根据以上的计算初步选定型号为SZ---2500/5000型卧式注射机，其主要技术参数见表1-3所示。
表1-3SZ---2500/5000型注射机主要技术参数
理论容量（cm3）
2622
锁模力（KN）
5000
螺杆直径（mm）
95
拉杆内间距（mm）
900*900
注射压力（Mpa）
160
移模行程（mm）
950
注射速率（g/s）
500
最大模厚（mm）
870
塑化能力（g/s）
80
最小模厚（mm）
450
螺杆转速（r/min）
10～170
定位孔直径（mm）
200（深25）
喷嘴球半径（mm）
20
模板最大开距（㎜）
1820
注：
该注射机有宁波市金星塑料机械有限公司生产
3.型腔数量及注射机有关工艺参数的校核
1）.型腔数量的校核
（1）.由注射机料筒塑化速率校核型腔数量
n=（KMt/3600–m2）/m1
=（0.75×80×3600×100/3600－576.45）/1067.5
≈5
上式右边≈5≧1，符合要求。
式中K-----注射机最大注射量的利用系数，结晶型塑料一般取0.75；
M----注射机的额定塑化量（g/h或cm3/h），该注射机为6g/s；
t----成型周期，取100s；（50--160）
m1----单个塑件的质量和体积（g或cm3），取m1=960.75g；
m2----浇注系统所需塑料质量和体积（g或cm3），取0.6×m1。
（2）.按注射机的最大注射量校核型腔数量
n≦（KMN－m2）/m1=（0.75×2622－576.45）/1067.5≈2
上式右边=2≧1，符合要求。
式中MN----注射机允许的最大注射量（g或cm3），该注射机为2622g。
其他符号意义与取值同前。
（3）.按注射机的额定锁模力校核型腔数量
n=（F-P型A2）/P型A1
=（5×106-25×26063.884）/25×74468.24
≈2.7
上式右边≈2.7≧1，符合要求。
式中F----注射机的额定锁模力（N），该注射机为5×106N；
A1----塑件在模具分型面上的投影面积（mm2），A1=74468.24mm2；
A2----浇注系统在模具分型面上的投影面积（mm2），A2=0.35A1=26063.884mm2；
P型-----塑料熔体对型腔的成型压力（MPa），一般是注射压力的30%--50%，PP的流动性好，该处取型腔平均压力为25MPa。
2）.注射机工艺参数的校核
（1）.注射量校核
注射量以容积表示最大注射容积为
Vmax=αV=0.75×2622=1966.5cm3
式中Vmax----模具型腔和流道的最大容积（cm3）；
V----指定型号与规格的注射机注射容量容积（cm3），该注射机为2622cm3；
α----注射系数，取0.75～0.85，无定型塑料可取0.85，结晶型塑料可取0.75，该处取0.75。
倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥塑料在料筒中停留时间会过长。
所以最小注射量容积Vmin=0.25V=0.25×2622=655.5cm3。
故每次注射的实际注射量容积V′应满足Vmin＜V′＜Vmax，而V′≈1708cm3，符合要求。
（2）.锁模力校核
F′=KAP型=1.2×2513.303=3105.964KN
式中K----锁模力安全系数，一般取1.1～1.2，这里取1.2
而F=5000KN，合格。
（3）.最大注射压力校核
注射机的额定注射压力即为该机器的最高压力PMAX=160MPa，（见表1.3），应该大于注射成型是所需调用的注射压力P0，即：
PMAX=KP0=1.3×120=156MPa
式中K----注射压力安全系数，常取K=1.25～1.4；
在实际生产中，该塑件成型时所需注射压力P0为70～120MPa。
3）.安装尺寸校核
（1）.喷嘴尺寸
主流道的小端直径D大于注射机喷嘴d,通常为
D=d+（0.5~1）mm=5.5mm
对于该模具d=5mm，取D=5.5mm，符合要求。
主流道入口的凹球面SR0应大于注射机喷嘴球半径SR，通常为
SR0=SR+（1~2）mm=22mm
对于该模具SR=20mm，取SR0=22mm，符合要求。
（2）.定位圈尺寸
注射机定位孔尺寸为2500+0.10mm，定位圈取250-0.2-0.4mm，两者之间呈较松动的间隙配合，符合要求。
1.4浇注系统形式和浇口的设计
浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔的进料通道，到进入模具型腔以前所流经的一段路程的总称。
具有传质、传压和传热的功能，对素件质量影响很大。
它分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统。
无流道浇注系统与普通浇注系统相比，具有许多优点。
例如，避免了普通浇注系统的回料，在一定程度上克服了塑件因补料不足而产生的凹陷和缩孔，省略了修剪浇口，回收浇料等工序，缩短了成型周期和脱模时间，易实现自动化操作。
其缺点为模具结构复杂，维修困难，对模具设计与制造要求较高的技术，对模具调整及使用要求较熟练技术和较丰富的经验，塑料的使用有一定的局限性。
该模具因为喷嘴为延伸式喷嘴，所以采用热流道浇注系统。
在设计浇注系统时应考虑下列有关因素：
（1）、塑件成型特性设计浇注系统应适应所用塑料的成形特性要求，以保证塑件质量。
（2）、塑件大小及形状根据塑件大小，形状壁厚、技术要求等因素，结合选择分型面考虑设置浇注系统的形式、进料口数量及位置，保证正常成形。
还应注意防止流料直接冲击嵌件及细弱型芯或型芯受力不匀，以及应充分估计可能产生的质量弊病和部位等问题，从而采取
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