刷牙水杯注射模设计概要.docx
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刷牙水杯注射模设计概要
刷牙水杯注射模设计
说
明
书
机械342130101090
沈璇
目录
一、刷牙杯制件分析4
1.1刷牙杯外形设计4
1.2模具设计步骤和方案5
二、注射模具设计6
2.1制件成型位置及分型面选择6
2.2型腔布局的选择7
2.3浇注系统的设计7
2.4浇口的设计9
2.5冷料穴设计10
2.6型芯、型腔结构的确定10
2.7拉料杆的结构分析10
2.8脱模机构设计11
2.9模具工作零件尺寸计算14
2.10导向及定位机构17
2.11排气及冷却18
三、模具动作过程说明19
3.1模具装配图19
3.2模具工作原理19
四、注射机选择及校核21
4.1注塑机基本参数21
4.2注塑机选定步骤22
4.3注射机的校核23
五、总结26
参考文献27
致谢28
一、刷牙杯制件分析
1.1刷牙杯外形设计
根据日常生活中刷牙杯的外形及其耐用、耐摔、耐腐蚀等特点，确定制件如图1-1所示，选用材料为ABS，密度为1.05g/cm
，收缩率0.4%-0.7%，取0.5%，由Pro/e计算可得，单个制件的体积为107.41cm3。
ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。
每种单体都具有不同特性，丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。
ABS具有如下特性[1]：
（1）使用性能综合性好，冲击强度、力学强度高，尺寸稳定，耐化学性、电化学性能良好；易于成型和机械加工，其表面可镀铬，适合制作一般机械零件、减摩零件、传动零件和结构零件。
（2）成型性能
1）无定型塑料。
其品种很多，各品种的机电性能及成形特性也各有差异，应按品种来确定成型方法及成型条件。
2）吸湿性强。
含水量应小于0.3%（质量），必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。
3）流动性中等。
溢边料0.04mm左右。
4）模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。
推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。
（3）ABS的主要性能指标其指标见表1-1
表1-1ABS的性能指标
密度/g·cm﹣³
1.02~1.08
屈服强度/MPa
50
比体积/cm³·g﹣¹
0.86~0.98
拉伸强度/MPa
38
吸水率（%）
0.2~0.4
拉伸弹性模量/MPa
1.4×10³
熔点/℃
130~160
抗弯强度/MPa
80
计算收缩率（%）
0.4~0.7
抗压强度/MPa
53
比热容/J·（kg·℃）﹣¹
1470
弯曲弹性模量/
1.4×10³
图1-1刷牙杯尺寸外观
1.2模具设计步骤和方案
（1）设计思路步骤
一般来说，现在国际上比较经典的塑料模具设计步骤如下：
1）首先了解塑料制品所用塑料的品种、塑料的特性、收缩率及塑料流动特性。
2）然后对塑料制品进行工艺分析，着重分析塑料制品的结构合理性及成型条件等。
3）再根据塑料制品的重量和塑料制品投影面积及模具结构类型等，选择合适的注射成型机。
4）进行模具结构设计
选择塑料制品成型位置和模具分型面；
确定型腔数目和排列方式；
浇注系统设计；
成型零件结构设计；
抽芯机构设计和推出机构设计；
加热系统设计和冷却系统设计；
绘制模具结构图。
在设计塑料模具的过程中可以大部分参照其步骤，但是有些地方可能也会略有不同。
（2）方案选择
该塑件的大批量生产使模具寿命要长，使用寿命不少于50万次，塑件为一般性生活用品，精度要求不是很高。
模具设计要合理，脱模要方便可靠，还要经济实用。
根据塑件成型工艺分析，拟定方案如下：
方案一：
采用一模一腔；
方案二：
使用一模四腔。
方案一由于只采用一腔，就会使塑件在生产过程中一模只能生产一个产品，虽然模具机构相对简单，加工难度较小，但增加制造成本，降低生产效率。
不符合刷牙杯生产的快速、物美价廉等特点，成本的增加也会提高产品的售价，从而降低了产品的市场竞争力，不符合公司利润最大化的要求。
方案二使用一模四腔，模具结构相对复杂，但在实际生产过程中，极大地提高了生产效率，降低了生产成本，产品的成本降低，也降低了产品售价，对消费者也是非常有利的。
综合上述两种方案，最终选取方案二为本模具的设计依据。
二、注射模具设计
根据塑件形状、精度、大小、工艺要求和生产批量，模具设计时按下面的步骤进行。
2.1制件成型位置及分型面选择
根据塑件制品分型面的设计与选择原则，分型面应该设计在零件截面最大的部位，且不影响零件的外观。
若采用如图2-1（a）所示的分型方法A-A水平分型，箭头朝向代表动模的位置；由于塑件凹槽包紧力的存在，塑件可能留在定模，为了使塑件脱模，必须设计定模退出机构，这使得不本来看上去很简单的模具结构变得复杂起来，模具的设计成本也相应提高；若采用图2-1（b）所示的分型方法，A-A水平分型塑件，塑件就包紧在动模型芯一侧，因而留在动模侧，这使模具的结构变得简单，因而选择该方法为模具设计的分型方案。
图3-1分型面的选择以及效果图
2.2型腔布局的选择
采用一模多件，生产效率高，资源的利用率也高，这里选用的是一模四腔圆形分布，模具尺寸适中，适合大批量生产，这样也有利于浇注系统的排列和模具的平衡。
型腔分布如图3-2所示：
图3-2型腔分布
2.3浇注系统的设计
本模具的浇注系统采用较为简单的模式，分别由主流道，分流道，冷料穴和点浇口组成。
（1）主流道的设计
主流道是一端与注射机喷嘴相接触，另一端与分流道相连的一段带有锥度的流动通道，如图2-3所示。
1）塑件材料为ABS，流动性好，故选择主流道圆锥角为
，内壁粗糙度为
。
2）主流道大端呈圆角，r=2mm。
3）由塑件材料为ABS，塑件质量为
，选择主流道直径为小端直径d=3mm，大端直径D=6mm。
图3-3主流道
1注射机喷嘴；2-定位环；3-浇口套；4-定模
4）浇口套与注射机喷嘴由的接触球面要求吻合，由于注射机喷嘴球面半径SR是定值，由所选取的注射机决定，根据所选注射机，SR=20mm。
5）主流道球面半径SRo=注射机喷嘴球头半径+（1~2）mm=（20+2）=22mm。
断面凹球面深度L2=3mm，球面与主流道孔应以清角度连接，不应有倒拔痕迹，以保证主流道凝料顺利脱落。
6）定位环是模体与注射机的定位装置，保证浇口套与注射机喷嘴对中定位，定位环的外径D应与注射机的定位孔间隙配合，定位环厚度取L1=6mm。
7）浇口套长度L取为50mm。
8）主流道浇口套的形式设计中常采用碳素工具钢（T8A或T10A），热处理淬火表面硬度为50~55HRC。
（2）分流道的设计
分流道指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体的流动通道。
它是浇注系统中空融状态的过渡段。
1）分流道截面形状
本设计采用梯形截面分流道，其加工工艺性好，且塑料熔体的热量散失、流动阻力均不大，Ra=1.6
.
2）截面直径
（3-1）
，斜度
，底面
半径r=1mm。
3）分流道布置形式
在设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度降低，同时还要考虑减少分流道的容积和压力平衡，因此采用平衡式分流道。
4）分流道与浇口的连接处应加工成斜面，并用圆弧过渡，有利于塑件熔体的流动及充填。
图3-4分流道截面
3浇口的设计
（1）浇口形式的选择：
由于该塑件外观要求、质量要求较高，浇口的位置和大小以不影响该塑件的外观质量为前提，同时也应尽量使模具结构更简单。
根据对该塑件结构的分析，以确定分型面的位置。
综合对塑件成型性能、浇口和模具结构的分析比较，确定成型该模具采用品平衡侧浇口形式。
因为形式所得到的型腔零件加工简单，且浇口容易去除，不影响制品的使用性能和外观质量，容易保证每个型腔内塑件尺寸。
（2）侧浇口尺寸的确定
塑件壁厚为2mm，故取浇口直径d=1.0mm，浇口深度h=nt=0.7x2=1.4mm，浇口长度L=0.7mm，浇口宽度B=3cm。
（3）校核侧浇口的剪切速率
1）计算浇口的当量半径。
由面积相等，由此浇口的当量半径可以求得。
2）校核浇口的剪切速率
①确定注射时间t=1.6s;
②计算浇口的体积流量q浇=
③计算浇口的剪切速率γ=3.3q浇/π（Bh/π）﹣⅔=20.33×10³s﹣¹
（2）进料位置的选择：
根据市场上注塑机的设计以及塑件外观质量的要求以及型腔的安放方式进料位置设计在侧面端部。
4冷料穴设计
冷料穴一般位于主流道对面的动模板上，或处于分流道末端，其作用是存放料流前端的冷料，防止冷料进入型腔而形成冷接缝，此外，开模时又能将主流道凝料从定模板中拉出，冷料穴的尺寸稍大于主流道大端的直径，长度约为主流道大端直径[1]，即：
，如图3-5所示。
图3-5冷料穴
5型芯、型腔结构的确定
型芯、型腔可采用整体式或组合式结构。
整体式型腔是直接在型腔板上在加工，有较高的刚度和强度。
但零件尺寸较大时加工和热处理都较困难。
整体时型芯结构牢固，成型塑件质量好，但尺寸较大，消耗贵重模具钢多，不便加工和热处理。
整体式结构适用于形状简单的中小型塑件。
组合式型腔是由许多拼块镶制而成，机械加工和热处理比较容易，能满足大型塑件的成型需要。
组合式型芯可节省贵重模具钢，便于机加工和热处理，修理更换方便。
同时也有利于型芯冷却和排气的实施。
由于该塑件尺寸较小，且形状简单。
若采用拼块组合式型腔，比较麻烦，需要至少8块拼块组成。
所以，型腔采用整体式结构。
考虑加工和热处理比较困难，型芯采用拼块组合式结构。
6拉料杆的结构分析
模具常用拉料杆冷料穴。
开模时，拉料杆头部的双Z字形钩将主流道凝料钩住，使得凝料从主流道中脱出；拉料杆的底部固定在推板上，在推出塑件时凝料一同被推出，最后连同塑件一起脱出模外。
其结构如图3-6所示。
图3-6拉料杆
7脱模机构设计
脱模机构是在一次注射完成后，取出制件及浇注系统凝料的装置，包括脱出和取出两个动作，即先将塑件和浇注系统凝料等与模具分离，再将塑件和凝料取出。
（1）设计原则
脱模机构的设计一般遵循以下原则[1]：
1）塑件滞留于动模边，以便借助于开模力驱动脱模装置，完成脱模动作。
2）由于塑件收缩时包紧型芯，因此推出力作用点尽量靠近型芯，同时推出力应施于塑件刚性和强度最大的部位。
3）结构合理可靠，机械的运动准确、可靠、灵活，并有足够的刚度和强度，便于制造和维护。
4）保证塑件不变形、不损坏，保证塑件外观良好。
本设计使用简单的推件板脱模机构和成型零件的脱模机构，如图3-7所示。
因为该塑件的分型面简单，结构也不复杂，采用推简单的脱模机构可以简化模具结构，给制造和维护带来方便。
在对脱模机构做说明之前，需要对脱模力做个简单的计算。
图3-7脱模机构
（2）脱模力计算
由公式：
[1]（3-2）
式中：
因制件收缩对型芯产生的正应力；
f：
摩擦系数，取f=0.2；
：
脱模斜度，取
（A为型芯端面面积）[1]（3-3）
因制件上有一圈侧耳，故在侧耳处应设置推杆，因此选用脱模板和推杆形式脱模。
（3）推杆尺寸计算
根据公式，有：
[1]（3-4）
式中：
d：
推杆直径；F:
脱模力；
k：
安全系数，取为1.5；E：
推杆材料的弹性模量；
L：
推杆长度，L=135mm；n：
推杆的数量，n=16
计算得：
所以，取
（4）脱模板尺寸计算
脱模板又称卸料板，特点是推出面积大，推力均匀，塑件不易变形，表面无推出痕迹，结构简单，无需设置复位杆。
设计中使用的脱模板也用于成型制件的外耳，相当于外耳的型腔，也属于工作零件，选用T8A制造，淬火后硬度应达到HRC54～58，如图3-8所示。
图3-8脱模板
制件为矩形截面，则由公式：
[1]（3-5）
L：
脱模板长度，450mm；B：
宽度，450mmE：
弹性模量，207Mpa；
：
脱模板中心允许的最大变形量，一般取塑件在推出方向上尺寸公差的1/10
计算得，
综合考虑模具整体受力情况，取
。
（5）流道推板工作原理
流道推板4是用于将浇注系统凝料从模具中取出的装置，与限位拉杆2共同作用，利用了开模时动模和定模的相对运动，完成浇注系统凝料的取出，如图3-9所示，开模时，流道推板4在限位钉6的作用下，将浇注系统凝料7拉出。
图3-9流道推板工作原理
1.型腔2.限位杆3.弹簧4.流道推板5.定模座板6.限位钉7.浇注系统凝料
8模具工作零件尺寸计算
模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件，包括凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。
成型零件工作时，直接与塑料接触，塑料熔体的高压、料流的冲刷，脱模时与塑件间还发生摩擦。
因此，成型零件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，此外，成型零件还要求结构合理，有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。
设计成型零件时，应根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求，确定型腔的总体结构，选择分型面和浇口位置，确定脱模方式、排气部位等，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计，计算成型零件的工作尺寸，对关键的成型零件进行强度和刚度校核。
成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接构成塑件的尺寸。
凹、凸模工作尺寸的精度直接影响塑件的精度。
该塑件有需要配合的地方，所以对尺寸的要求比较高。
成型零件工作尺寸计算方法一般有两种[1]：
一种是平均值法，即按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量进行计算；另一种是按极限收缩率、极限制造公差和磨损量进行计算；前一种方法简便，但不适合精密塑件的模具设计，后一种复杂，但能较好的保证尺寸精度。
本设计采用平均值法。
（1）型芯尺寸的计算及结构设计
凸模是成型制件内形的，其尺寸属包容尺寸，在使用过程中凸摸的磨损会使被包容尺寸变小。
因此，为了使得模具的磨损留有修模的余地，以及装配的需要，在设计模具时，被包容尺寸尽量取上限尺寸，尺寸公差取下偏差[1]，如图3-10所示。
图3-10型芯
式中：
s为制件收缩率，取0.5%；
，制件尺寸公差；
制造公差，取
（2）型腔尺寸的计算及结构设计
凹模是成型塑件外形的模具零件，其工作尺寸属包容尺寸，在使用过程中凹模的磨损会使包容尺寸逐渐变大。
因此，为了使得模具的磨损留有修模的余地，以及装配的需要，在设计模具时，包容尺寸尽量取下限尺寸，尺寸公差取上偏差[1]，如图3-11所示。
图3-11型腔
式中：
s为制件收缩率，取0.5%；
，制件尺寸公差；
制造公差，取
9导向及定位机构
数注射模的导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种类型。
导柱导向机构用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。
锥面定位机构用于动、定模之间的精密对中定位。
导柱：
国家标准规定了两种结构形式，分为带头导柱和有肩导柱，大型而长的导柱应开设油槽，内存润滑剂，以减小导柱导向的摩擦。
若导柱需要支撑模板的重量，特别对于大型、精密的模具，导柱的直径需要进行强度校核[11]。
导套：
导套分为直导套和带头导套，直导套装入模板后，应有防止被拔出的结构，带头导柱轴向固定容易。
导向机构整体如图3-12所示。
图3-12导向机构
（1）设计导柱和导套需要注意的事项有：
1）合理布置导柱的位置，导柱中心至模具外缘至少应有一个导柱直径的厚度；导柱不应设在矩形模具四角的危险断面上。
通常设在长边离中心线的1/3处最为安全。
导柱布置方式常采用等径不对称布置，或不等直径对称布置。
2）导柱工作部分长度应比型芯端面高出6～8mm，以确保其导向与引导作用。
3）导柱工作部分的配合精度采用H7/f7，低精度时可采取更低的配合要求；导柱固定部分配合精度采用H7/k6；导套外径的配合精度采取H7/k6。
配合长度通常取配合直径的1.5～2倍，其余部分可以扩孔，以减小摩擦，降低加工难度。
4）导柱可以设置在动模或定模，设在动模一边可以保护型芯不受损坏，设在定模一边有利于塑件脱模。
5）导柱设在动模一侧可以保护型芯不受损伤，而设在定模一侧则便于顺利脱模取出塑件。
6）一般导柱滑动部分的配合形式按H8/f8，导柱和导套固定部分配合按H7/k6，导套外径的配合按H7/k6。
7）除了动模、定模之间设导柱、导套外，一般还在动模座板与推板之间设置导柱和导套。
8）导柱的直径应根据模具大小而决定，可参考标准模架数据选取。
10排气及冷却
（1）通常，选择排气槽的开设位置时，应遵循以下原则：
1）排气口不能正对操作者，以防熔料喷出而发生工伤事故；
2）最好开设在分型面上，如果产生飞边易随塑件脱出；
3）最好设在凹模上，以便于模具加工和清模方便；
4）开设在塑料熔体最后才能填充的模腔部位，如流道或冷料穴的终端；
5）开设在靠近嵌件和制件壁最薄处，因为这样的部位最容易形成熔接痕；
6）若型腔最后充满部位不在分型面上，其附近又无可供排气的推杆或活动的型心时，可在型腔相应部位镶嵌烧结的多孔金属块，以供排气。
7）高速注射薄壁型制件时，排气槽设在浇口附近，可使气体连续排出；
若制件具有高深的型腔，那么在脱模时需要对模具设置引气系统，那是因为制件表面与型心表面之间在脱模过程中形成真空，难于脱模，制件容易变形或损坏。
热固性塑料制件在型腔内的收缩小，特别是不采用镶拼结构的深型腔，在开模时空气无法进入型腔与制件之间，使制件附粘在型腔的情况比热塑性制件更甚，因此，必须引入引气系统。
本模具的排气孔设计在分型面上。
4.1模具装配图
1动模座板2垫块3推杆4支承板5型芯固定板6型芯7推杆8限位拉杆
9弹簧10定模座板11限位钉12主流道衬套13流道推板14限位拉杆15导柱
16型腔板17推板18推杆固定板19推板
第四章模具动作过程说明
4.2模具工作原理
成型制件时，先合模，对模具预热一段时间后再开始注射。
一次注射完成后，冷却一段时间，然后开模。
开模时，在弹簧9的作用下，模具首先沿1-1面打开，浇注系统凝料在点浇口处被拉断；模具继续打开一段距离后，在限位拉杆8和限位钉11的作用下，模具沿2-2面打开，浇注系统凝料被流道拉板13拉出；继续打开一段距离后，由于限位拉杆14的作用，模具沿3-3面打开，制件与型腔分离，包裹在型芯上，随动模一起继续运动；当注射机的顶杆顶到推板19时，动模座板继续运动而推出机构停止运动，此时，在顶杆7和脱模板17的作用下，塑件被顶出，使塑件脱离型芯，完成脱模动作，然后合模，进行下一次循环。
第五章注射机选择及校核
5.1注塑机基本参数
注塑机的主要参数有公称注射量，注射压力，注射速度，塑化能力，锁模力，合模装置的基本尺寸，开合模速度，空循环时间等.这些参数是设计，制造，购买和使用注塑机的主要依据[11]-[13]。
（1）公称注塑量：
指在对空注射的情况下，注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量，反映了注塑机的加工能力。
（2）注射压力：
为了克服熔料流经喷嘴，浇道和型腔时的流动阻力，螺杆（或柱塞）对熔料必须施加足够的压力，我们将这种压力称为注射压力。
（3）注射速率：
为了使熔料及时充满型腔，除了必须有足够的注射压力外，熔料还必须有一定的流动速率，描述这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度。
常用的注射速率如表5-1所示。
表5-1注射量与注射时间的关系[1]
注射量/CM
125250500100020004000600010000
注射速率/CM/S125200333570890133016002000
注射时间/S11.251.51.752.2533.755
（4）塑化能力：
单位时间内所能塑化的物料量，塑化能力应与注塑机的整个成型周期配合协调，若塑化能力高而机器的空循环时间长，则不能发挥塑化装置的能力，反之则会加长成型周期。
（5）锁模力：
注塑机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力，在此力的作用下模具不应被熔融的塑料所顶开。
（6）合模装置的基本尺寸：
包括模板尺寸，拉杆空间，模板间最大开距，动模板的行程，模具最大厚度与最小厚度等，这些参数规定了机器加工制件所使用的模具尺寸范围。
（7）开合模速度：
为使模具闭合时平稳，以及开模，推出制件时不使塑料制件损坏，要求模板在整个行程中的速度要合理，即合模时从快到慢，开模时由慢到快再到停。
（8）空循环时间:
在没有塑化，注射保压，冷却，取出制件等动作的情况下，完成一次循环所需的时间。
5.2注塑机选定步骤
（1）注射量的计算
根据注射机选定原则[11]，由注射量选定注射机.由Intentor建模分析得（材料密度取
）:
塑件总体积
；
塑件总质量
；
（2）浇注系统凝料体积的初步计算
流道凝料体积为
（流道凝料的体积）是个未知数，根据Intentor计算凝料体积，得凝料体积
实际注射量为:
；
实际注射质量为
；
（3）选择注射机
根据实际注射量应小于0.8倍公称注射量原则，即：
结合上面的计算，初步确定注塑机为表5-2所示，查国产注射机主要技术参数表取SZ-800/3200，主要技术参数如下。
表5-2国产注射机SZ-800/3200技术参数表[13]
特性
内容
特性
内容
结构类型
卧
拉杆内间距（mm）
600×600
理论注射容积（cm
）
840
移模行程（mm）
550
螺杆（柱塞）直径（mm）
67
锁模形式
双曲轴
注射压力（MP
）
142.2
最小模具厚度（mm）
300
注射速率（g/s）
260
模具定位孔直径（mm）
160
塑化能力（g/s）
34
喷嘴球半径（mm）
20
螺杆转速（r/min）
10～125
喷嘴口直径
----
锁模力（KN）
3200
（4）注射机的相关参数的校核
1）注射压力的校核
该项工作是校核所选注射机的公称压力
能否满足塑件成型时所需要的注射压力P0，塑件成型时所需要的压力一般由塑料的流动性塑件的结构和壁厚以及浇注系统类型等因素决定，其值一般为70～150MPa。
ABS所需的注射压力P0如表5-3所示。
表5-3ABS所需的注射压力P0[1]
塑料
厚壁件
中等厚壁件
难流动的薄壁窄浇口件
ABS
80～100
100～130
130～150
，满足条件。
2）锁模力的校核
在确定了型腔压力和分型面面积之后，可以按下式校核注塑机的额定锁模力：
[1]（3-1）
所以，满足要求。
式中：
F：
注塑机额定锁模力；K：
安全系数，通常取1.1～1.2，取K=1.2；
（1）塑化能力的校核
初定的成型周期为20秒计算，实际要求的塑化能力为
即：
，小于注塑机的塑化能力34（g/s），说明注射机能完全满足塑化要
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