王若明肖敏隐形眼镜盒注塑模具设计.docx
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王若明肖敏隐形眼镜盒注塑模具设计
模具设计课程设计
课程名称：
模具设计课程设计
姓名：
王若明肖敏
指导教师：
田朋飞
学院：
机械工程学院
专业班级：
09级工业设计
日期：
2012/12/24
摘要1
1前言2
2塑件的工艺分析3
2.1塑件原材料分析3
2.2塑件的结构工艺分析3
3塑件的表面及质量分析5
3.1塑件的体积分析5
3.2塑件的质量分析5
3.3塑件的壁厚分析5
3.4塑件的拔模分析6
4模具结构设计及选择注塑机8
4.1确定型腔数目8
4.2选择注塑机8
4.2.1注塑量的计算8
4.2.2浇注系统凝料体积的估算8
4.2.3确定选择注塑机8
4.3分型面的选择9
4.4浇注系统的设计11
4.4.1流道的设计11
4.4.2浇口设计13
4.4.3进料口及位置确定14
4.4.4排气系统的设计15
4.4.5冷却装置的设计15
5模具成型零件的设计与计算17
5.1凸模、凹模的设计与计算17
5.2凸凹模材料的确定19
5.3型腔侧壁厚度和底板的计算20
6选择模架及合模导向机构和脱模机构的设计22
6.1标准模架的选择22
6.2导柱22
6.3脱模机构的设计23
7校核计算25
7.1注塑机相关参数校核25
7.1.1最大注塑量的校核25
7.1.2注塑力的校核25
7.1.3锁模力的校核25
7.2点状进料口模具与机床开模行程关系的校核26
7.3模具厚度的校核26
8设计小结27
【参考文献】28
摘要
由于现代化教育水平逐渐提高，学生的课业也日趋繁重，学生们尤其在中学阶段容易患近视，而且现在各种各样造型的眼镜层出不穷，其中隐形眼镜属于后起之秀，因为它的美观而倍受近视患者青睐。
而且其市场需求也不断扩大，所以有必要对其包装盒做一定的美观设计造型，批量生产。
本次课题的内容是设计隐形眼镜盒下盖的注塑模具，眼镜盒的材料为PP（聚丙烯），通过对塑件造型结构的设计以及注塑工艺的分析，设计出一副注塑模具。
本课题从产品的结构设计出发，然后结合原材料的性能特点，逐一设计出产品的造型，模具成型部分的结构，顶出系统、冷却系统等等。
最后并校核所选注塑机的注塑力和锁模力。
通过整个设计过程，我们熟悉了一个塑料制件的设计制作以及其模具设计的流程。
而且基本能够让该注塑模能够达到此塑件所要求的加工工艺，并能够投入批量生产当中。
关键词：
注塑，模具，隐形眼镜盒下盖
1前言
在现代工业发展的进程中，模具的地位及其重要性日益被人们所认识。
模具就是“高效益”，模具就是“现代化”之深刻含意，也正在为人们所理解和掌握。
当塑料品种入其成型加工设备被确定之后，塑料制品质量的优劣及生产效率的高低，主要取决于模具的各种尺寸参数和设计方式。
在模具设计与制造过程中，合理地选用模具材料及热处理是模具设计和制造成功的关键[1]。
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占比例越来越大。
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，塑料在其中固化冷却成型。
通过本次设计任务的全过程，有利于培养实践工作能力。
另外，本次设计还必须具备一定的计算机应用的能力，在设计过程中都应结合设计课题利用计算机编制相应的工程计算、分析和优化的程序，同时还具备必要的计算机绘图能力，如利用AutoCAD2007软件进行二维图的绘制。
本次课程设计的主要任务是隐形眼镜盒注塑模具的设计。
也就是设计一副注塑模具来生产塑料隐形眼镜盒，以实现自动化提高产量。
通过此次设计，使我对点浇口的单腔双浇口的特殊形式有了一定的认识。
同时也初步了解了双分型面模具和斜导柱分型的简单设计。
在设计过程中，通过查阅相关资料书并结合教材上的知识也对注塑模具的组成结构（成型零部件、浇注系统、导向部分、推出机构、排气系统、模温调节系统）有了系统的认识，拓宽了视野，丰富了知识，为将来独立完成模具设计积累了一定的经验。
2塑件的工艺分析
2.1塑件原材料分析
（1）本塑件隐形眼镜盒为日常生活中比较常见的塑料制品，由于现在近视眼人群越来越壮大，而且现在人们都开始注重个人外形的气质，隐形眼镜越来越受广大眼镜使用者的青睐，综合分析各种塑料的性能，得出聚丙烯（PP）为最隐形眼镜盒的最佳制作材料。
易下为聚丙烯的物理性质简介：
聚丙烯通常为半透明无色固体，无臭无毒。
聚丙烯熔点约164~170℃，密度0.9g/cm3。
强度高，硬度大，耐磨，耐弯曲疲劳，耐湿和耐化学性均佳，容易加工成型，价格低廉，因此是产量大、应用广泛的通用高分子品种。
缺点是低温韧性差，不耐老化。
但可分别通过改性和添加抗氧化剂予以克服。
此外，聚丙烯的屈服强度、弹性、硬度及抗拉、抗压强度等都高于聚乙烯，其拉伸强度甚至高于聚苯乙烯和ABS。
聚丙烯吸水；率低，绝缘性能好，能耐弱酸、弱碱。
聚丙烯在100ºC以上的温度下进行消毒灭菌，熔点为164～170ºC，其最高使用温度达150ºC，最低使用温度达-15ºC[2]。
（2）聚丙烯的吸水量为0.05%
（3）热变形温度56~57ºC（1.82MPA），102~115ºC（0.45MPA）
（4）成型模具温度40~80ºC。
注射料筒温度前段180~200ºC，中段200~220ºC，后段160~170°[3]。
2.2塑件的结构工艺分析
外形尺寸：
该塑件壁厚为1.5-3.5mm，长为82mm，宽为32mm，高为20mm。
塑件外形尺寸相对较小，塑料熔体流程不太大，适合与注塑成型。
精度等级公差要求等级较低，能够完成。
其外形尺寸以及凹模结构如下图：
图2.1产品立体图效果图
图2.2产品结构设计图
3塑件的表面及质量分析
3.1塑件的体积分析
塑件在proe软件中通过分析塑件的体积为：
模型体积
=10440.1mm³
3.2塑件的质量分析
质量=93.823g
3.3塑件的壁厚分析
在纵切面（与FRONT面平行）中将切面数定位12个，偏移为3mm，最大厚度为4mm最小为1.5mm显示如图：
图3.1纵切面中分析壁厚
在横切面中将切面数定位12个，偏移为2mm，最大厚度为3.5mm最小为1.5mm显示如图：
图3.2横切面中分析壁厚
在纵切面（与RIGHT面平行）中将切面数定位12个，偏移为2mm，最大厚度为3.5mm最小为1.5mm显示如图：
图3.3纵切面中分析壁厚
综合上图结果以及结合相关数据分析，塑件壁厚符合要求。
3.4塑件的拔模分析
脱模斜度与模塑材料有关。
如果为软质塑件，可以不考虑脱模斜度，即使形状复杂、曲折部位比较多的塑件，也可利用材料本身的弹性进行强制脱模。
但若为硬质或低收缩性塑料，则必须考虑脱模斜度，一般取为5°，最小为1°[4]。
针对本塑件两处脱模斜度分别设计为1°和1.5°。
塑件内表面的拔模检测结果如下：
拔模角度β1=1°
图3.4塑件内壁拔模检测
塑件最大尺寸处，水平外沿侧面的拔模检测结果如下：
拔模角度β2=1.5°
图3.5塑件外壁拔模检测
综上所述得知塑件的两处拔模角度无异样，可以顺利拔模。
4模具结构设计及选择注塑机
4.1确定型腔数目
该塑件为中批量生产，同时考虑到塑件精度要求，模具结构尺寸的大小关系，以及各种成本费用的关系，初步定位一摸一腔的结构形式。
型腔排列形式的确定，由于该设计采用的是一摸一腔塑件放置在中央。
如下图：
图4.1型腔布局
4.2选择注塑机
4.2.1注塑量的计算
通过三维软件分析得到塑件体积约为：
V0≈10.44cm³
塑件的质量根据公式m=ρ·V，查相关资料得到PP的密度为ρ=（0.851～0.935g/cm³），此处取密度ρ=0.9g/cm³得到塑件质量：
m0=0.9×10.44=9.39g
4.2.2浇注系统凝料体积的估算
浇注系统的凝料体积在模具结构没有确定之前是没办法确定的，此处根据经验按照塑件体积的0.21～1倍来计算，我们取0.5计算，同时先拟定模具型腔结构为一模一腔，因此一次注入模具型腔的塑料熔体的总体积为：
V总=V0（1+0.5）×1=15.66cm³
4.2.3确定选择注塑机
从实际注塑量应在公称注塑量V公的20%-80%之间考虑，且
V公=V总/0.8=19.575cm³
所以初步选定用SZ-25/20（立式）型注塑机。
SZ-25/20（立式）型注塑机的主要技术规格如下表：
表4-1注塑机的主要参数[3]
理论注射容积（cm³）
25
螺杆直径（mm）
25
注射压力（MPa）
200
注射速率（g/s）
35
塑化能力（g/s）
13
螺杆转速（r/min）
0—200
锁模力（kN）
200
拉杆间距（mm×mm）
242×187
模板行程（mm）
210
模具最大厚度（mm）
220
模具最小厚度（mm）
110
锁模形式
液压
模具定位孔直径（mm）
￠55
喷嘴球半径（mm）
SR10
喷嘴口孔径（mm）
￠3
喷嘴伸出量（mm）
20
顶出力（kN）
6.7
4.3分型面的选择
如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。
选择分型面时一般应遵循以下几项原则：
（1）保证塑料制品能够脱模
这是一个首要原则，因为我们设置分型面的目的，就是为了能够顺利从型腔中脱出制品。
根据这个原则，分型面应首选在塑料制品最大的轮廓线上，最好在一个平面上，而且此平面与开模方向垂直。
分型的整个廓形应呈缩小趋势，不应有影响脱模的凹凸形状，以免影响脱模。
（2）使型腔深度最浅
模具型腔深度的大小对模具结构与制造有如下三方面的影响：
①目前模具型腔的加工多采用电火花成型加工，型腔越深加工时间越长，影响模具生产周期，同时增加生产成本。
②模具型腔深度影响着模具的厚度。
型腔越深，动、定模越厚。
一方面加工比较困难；另一方面各种注射机对模具的最大厚度都有一定的限制，故型腔深
度不宜过大。
③型腔深度越深，在相同起模斜度时，同一尺寸上下两端实际尺寸差值越大，如图2。
若要控制规定的尺寸公差，就要减小脱模斜度，而导致塑件脱模困难。
因此在选择分型面时应尽可能使型腔深度最浅。
（3）使塑件外形美观，容易清理
尽管塑料模具配合非常精密，但塑件脱模后，在分型面的位置都会留有一圈毛边，我们称之为飞边。
即使这些毛边脱模后立即割除，但仍会在塑件上留下痕迹，影响塑件外观，故分型面应避免设在塑件光滑表面上。
（4）尽量避免侧向抽芯
塑料注射模具，应尽可能避免采用侧向抽芯，因为侧向抽芯模具结构复杂，并且直接影响塑件尺寸、配合的精度，且耗时耗财，制造成本显著增加，故在万不得己的情况下才能使用.
（5）使分型面容易加工
分型面精度是整个模具精度的重要部分，力求平面度和动、定模配合面的平行度在公差范围内。
因此，分型面应是平面且与脱模方向垂直，从而使加工精度得到保证。
如选择分型面是斜面或曲面，加工的难度增大，并且精度得不到保证，易造成溢料飞边现象。
（6）使侧向抽芯尽量短
抽芯越短，斜抽移动的距离越短，一方面能减少动、定模的厚度，减少塑件尺寸误差；另一方面有利于脱模，保证塑件制品精度。
（7）有利于排气
对中、小型塑件因型腔较小，空气量不多，可借助分型面的缝隙排气。
因此，选择分型面时应有利于排气。
按此原则，分型面应设在注射时熔融塑料最后到达的位置，而且不把型腔封闭
综上所述，选择注射模分型面影响的因素很多，总的要求是顺利脱模，保证塑件技术要求，模具结构简单制造容易。
当选定一个分型面方案后，可能会存在某些缺点，再针对存在的问题采取其他措施弥补，以选择接近理想的分型面。
对于本塑件，A-A面和B-B面为其分型面。
图4.2分型面
4.4浇注系统的设计
浇注系统是引导塑料熔体从注塑机喷嘴到模具型腔的进料通道，具有传质，传压和传热的功能，对制品质量影响很大。
它的设计合理与否，直接影响着模具的整体结构及其工艺操作的难易[4]。
4.4.1流道的设计
（1）主流道是融料从浇口注入型腔前的过滤部位，连接注塑机喷嘴与分流道，其作用是通过流道截面及方向变化使融料平稳转换流向，由于本塑件采用一模一腔的注塑方式，则只需要设计主流道和浇口，不用考虑分流道。
注入型腔流道的形状尺寸应满足在相等截面积时其周长为最小的要求，从而可减小融料散热面积和摩擦阻力。
为了便于加工、减小热量损失和流动阻力，本模具主流道设计为圆锥形，而且将其设计为可拆换的浇口套，如下图：
图4.3主流道设计图
1浇口套2定模座板3定位圈4喷嘴
①主流道长度：
L=38mm，
②主流道小端直径：
d=d0+（0.5～1）mm,此处取1mm，d0为注塑机喷嘴口直径2mm。
则：
d=3mm，
③主流道大端直径：
D=d+2Ltanα≈6.98mm，此处取7mm，式中α为主流道的角度，此处取3°。
则：
D=7mm，
④主流小端对接处设计成半球形凹坑，其半径：
SR=SR0+（1～2）mm，此处取1mm，SR0为注塑机喷嘴球半径10mm，则：
SR=11mm，
⑤主流道大端圆角：
主流道大端设计成圆角过渡可以减小熔体流动阻力。
半径r一般取1～3mm，此处取1mm，则：
R=1mm，
⑥球面配合深度:
h=4mm，
⑦定位孔直径：
D1=55mm，定位孔深度H1=10mm，
⑧主流道的凝料体积：
其中
，
，
，
。
⑨主流道浇口套的形式：
主流道衬套为标准件，可以选购，不必加工，减少成本。
本主流道小端入口处与注塑机喷嘴反复接触，容易磨损，所以对材料要求比较高，为了方便更换浇口套，定位圈也选择标准件，选用碳素工具钢T8A，热处理淬火表面硬度50～55HRC。
Ra=0.63um。
（2）分流道是主流道与浇口之间的通道，起分流和转向的作用。
本塑件采用单型腔双浇口的形式注塑，形式比较特殊，故将分流道对称布置，选用半圆形截面的分流道。
形状如下图：
图4.4分流道设计图
①分流道总长度：
L2=58mm，
②分流道截面半径：
D2=3.5mm，
③分流道的凝料体积：
4.4.2浇口设计
浇口的形式众多，通常都有边缘浇口、扇形浇口、平缝浇口、圆环浇口、轮辐浇口、点浇口、潜伏式浇口、护耳浇口、直浇口等。
模具设计时，浇口的位置及尺寸要求比较严格，初步试模后还需进一步修改浇口尺寸，无论采用何种浇口，其开设位置对塑件成型性能及质量影响很大，因此合理选择浇口的开设位置是提高质量的重要环节，同时浇口位置的不同还影响模具结构。
总之要使塑件具有良好的性能与外表，一定要认真考虑浇口位置的选择，通常要考虑以下几项原则：
（1）尽量缩短流动距离。
（2）浇口应开设在塑件壁厚最大处。
（3）必须尽量减少熔接痕。
（4）应有利于型腔中气体排出。
（5）考虑分子定向影响。
（6）避免产生喷射和蠕动。
（7）浇口处避免弯曲和受冲击载荷。
（8）注意对外观质量的影响
根据浇口的成型要求及型腔的排列方式，联系产品实际使用要求，本产品选用点浇口的改进形式较为合适。
具体形式见下图：
图4.5浇口形式
其中d=1mm，l=1mm,L=12.5mm
浇口总长L=12.5mm，上图中d=1mm，l=1mm.
分流道和浇口的连接处的凝料体积：
其中
，
，
，
。
4.4.3进料口及位置的确定
进料口的位置对塑件质量有直接影响，主要以塑件形状和要求来确定的。
通常应考虑以下几个问题：
（1）塑料流动量损失最小；
（2）进料口的位置应使进入型腔的的塑料能顺利的排出模腔内的空气，进入型腔的塑料不要立即封闭排气系统；
（3）进料口的位置要避免造成收缩变形；
（4）进料口的位置应减小或者避免塑件的熔接痕；
（5）进料口的位置及大小要考虑对型芯的影响；
以上这些原则在应用时会产生某些不同的矛盾，必须以保证得到优良的塑件为主。
本模具为壳体零件，采用点状进料口，其位置如下图，这样可以减少熔接痕，有利于排气等。
图4.6进料口位置
4.4.4排气系统的设计
排气系统的作用是将型腔中原有的空气及成型过程中产生的气体顺利的排出，以免塑件产生气泡，疏松等缺陷而影响成型及表面质量。
排气槽的作用主要有两点。
一是在注射熔融物料时，排除模腔内的空气；二是排除物料在加热过程中产生的各种气体。
越是薄壁制品，越是远离浇口的部位，排气槽的开设就显得尤为重要。
另外对于小型件或精密零件也要重视排气槽的开设，因为它除了能避免制品表面灼伤和注射量不足外，还可以消除制品的各种缺陷，减少模具污染等。
对于本塑料之间来说，由于体积很小，对应的模具也很小，可以直接利用分型面间隙排气。
如下图：
图4.7排气系统的设置
4.4.5冷却装置的设计
注塑模在塑料成型过程中如果横温过高，成型收缩率会变大、塑件变化也相应增加，并且容易粘模，难以取出。
为防止塑件脱模变形、缩短成型周期，注塑模一般都应设计冷却系统装置，以控制模温。
冷却水孔开设原则：
（1）一般水孔边离型腔的距离大于10mm，常用12—15mm[3]。
此处选择10mm。
太近则效率低，水孔直径一般在8mm以上，根据模具大小决定；
（2）孔管路应畅通无阻；
（3）水管接头的位置应尽可能放置在不影响操作的一侧；
（4）冷却水管最好不开设在型腔塑料熔接的地方以免影响塑件强度；因为本塑件的加热温度对塑件的质量影响较大，温度过高易于分解（分解温度的250
）、成型时要控制模温在40--80
，具体措施是布置冷却水管，具体要求：
①冷却水管直径
8mm，数量为3根；
②冷却回路形式为直流循环式；
图4.8冷却系统
5模具成型零件的设计与计算
5.1凸模凹模的设计与计算
成型零件工作尺寸是指成型零件上直接用来构成塑件的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形和异行零件的长和宽），型腔的深度尺寸和型芯的高度尺寸，型芯和型芯之间的位置尺寸等。
任何塑件制件都有一定的几何形状和尺寸的要求，如在使用中有配合要求的尺寸，则精度要求较高。
在模具设计时，应根据塑件的尺寸及精度等级确定模具成型零件的工作尺寸及精度等级。
影响塑件尺寸精度的因素相当复杂，这些影响因素应作为确定成型零件工作尺寸的依据。
凸模亦称型芯，是成型塑件内表面的零件，成型其主体部分内表面的零件称为主型芯或凸模，而成型其他小孔的型芯称为小型芯或成型杆，成型塑件上内螺纹的称为螺纹型芯。
凹模亦称型腔，是成型塑件外表面的主要零件，其中成型塑件上外螺纹的称螺纹型环。
凹、凸模按结构不同可分为整体式和组合式。
所谓成型零件的工作尺寸是指成型零件上直接构成型腔腔体的部位的尺寸，其直接对应塑件的形状与尺寸。
鉴于影响塑件尺寸精度的因素多且复杂，塑件本身精度也难以达到高精度，为了计算简便，规定：
塑件的公差
塑件的公差规定按单向极限制，制品外轮廓尺寸公差取负值“
”，制品叫做腔尺寸公差取正值“
”，若制品上原有公差的标注方法与上不符，则应按以上规定进行转换。
而制品孔中心距尺寸公差按对称分布原则计算，即取
。
模具制造公差
实践证明，模具制造公差可取塑件公差的
~
，即δz=
，而且按成型加工过程中的增减趋向取“+”、“-”符号，型腔尺寸不断增大，则取“+δz”,型芯尺寸不断减小则取“-δz”，中心距尺寸取“
”。
现取
。
（1）模具的磨损量:
实践证明，对于一般的中小型塑件，最大磨损量可取塑件公差的
，对于大型塑件则取
以下。
另外对于型腔底面（或型芯端面），因为脱模方向垂直，故磨损量δc=0。
（2）塑件的收缩率:
塑件成型后的收缩率与多种因素有关，通常按平均收缩率计算。
=
%=2%=0.02
模具在分型面上的合模间隙
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
图5.1凹模的尺寸图
根据塑件尺寸可得出以下尺寸：
（1）凹模有关的尺寸计算
径向尺寸:
深度尺寸:
（2）凸模有关的尺寸计算
高度尺寸:
型芯直径:
（3）模具型芯位置尺寸计算:
5.2凸凹模材料的确定
铸造铝合金自19世纪八十年代的初级的铝锌合金发展到20世纪的铝铜、铝硅、铝镁合金，直到今天合金化成都更高、室温和高温强度更高、综合性能更好的新一代铝铜合金。
其机械强度大大提高[5]。
本模具的材料选为二十世纪比较常用的第三代铝铜合金，其许用应力为150MPa。
而且具有良好的机加工性能。
第三代铝铜合金的特性一点也不逊于塑料模具钢：
其有较低密度，足够强度，良好的机加工性能，良好的热传导性，良好的耐腐性，易于得到，还有合理的价格体积比。
5.3型腔侧壁厚度和底板的计算
该塑件模具型腔壁结构为组合式矩形侧壁，其结构及受力情况如图5.2所示。
图5.2型腔侧壁受力图
（1）型腔壁厚计算
①刚度计算公式为：
②强度计算公式为：
式中
----矩形型腔长边侧壁厚度（mm）；
[
]----模具材料的许用应力（MPa）；
[
]----刚度条件，即允许变形量（mm），由课本P120页查表6-7[3]得；
E----模具材料的弹性模量（MPa）,碳钢为2.1×105MPa；
----型腔所受压力（MPa）；
----型腔侧壁受压高度（mm）；
----型腔侧壁全高度（mm）；
----型腔长边长度（mm）；
由前面的计算与分析可知，型腔内壁尺寸：
=82mm，
=18mm，
=20mm，p=100MPa，E=
MPa，
=0.03/mm，[
]=150MPA。
经计算整理得：
则：
型腔壁厚
（2）型腔底板厚度计算
①刚度计算公式为：
②强度计算公式为：
式中p----型腔压力100MPa；
b----型腔侧壁受压宽度32mm；
----型腔长边长度82mm；
[
]----刚度条件0.03/mm；
----模具材料许用应力150MPa；
E----模具材料的弹性模量（MPa）,碳钢为2.1×105MPa；
由几何关系得：
。
由于L只需要比
稍大一点即可，此处取L=85mm代入计算。
得：
，
。
则：
6选择模架及合模导向机构和脱模机构的设计
6.1标准模架的选择
在模具设计时采用标准模架，这样可以缩短生产时间，降低生产成本。
根据塑件形状机构，并考虑滑块的导滑长度和注射机的最大装模厚度，经过查询使用注塑模具成型机模具设计书，决定选用基本型A3。
如下图：
图6.1模架
其标
升级会员 