矿泉水瓶热流道注射模具设计.docx

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矿泉水瓶热流道注射模具设计

矿泉水瓶坯热流道注射模具的设计

姓名：

XXX

专业：

XXX

指导老师：

XXX

摘要

这篇论文是对大批量生产的饮料瓶坯进行了热流道注射模具的设计，瓶坯材料为PETP，其熔点较高（260℃左右）。

注射成型温度范围

较窄，如果一模多腔采用普通的浇注系统，PET熔料的流动性大大下降，甚至凝固。

所以只有通过热流道注射成型才可以实现。

采用一模两腔加工。

对流道直径的设计主要参考了苏娟华的一篇相关论文，对直径进行了优化设计，并利用最小二乘法，对PET塑料的表观粘度和剪切速率关系进行公式化拟合。

优化设计的结果与实际应用的热流道之间的最佳经验值接近。

根据塑件的特点，模具的侧向分型采用了两跟斜导柱。

关键词：

热流道优化设计PET瓶坯侧向分型

Abstract

ThispaperdealswiththeinjectionmouldwithhotrunnertoinjectPETbottles,whichleadstohigherproductivity.

ThematerialofbottlesisPETPwhichwithahighermeltingpoint,about

260℃around,soithasanarrowrangeofmoundingtemperature.IfweadoptordinarymoundingSystemtoproducebottleswhichhavemoremouldsinacavity.

ThefluidityofthemeltingmaterialofPETwillgreatlydecline;indeed

freeze,soweadoptinjectionmouldwithhotrunnertocompletetheproduction.ThedesigntothediameterofhotrunnerandhotgatewasconsultapaperfromSuJuanhua.Itdealswiththeoptimaldiameterdesignininjectionmould.Thecomputationalresultsoftheoptimalprogrammingarefoundtobeingoodagreementwiththeexperientialdata.Theworkperformedinthispaperwillmakeacontributiontotheapplicationofthehotrunnerininjectionmould.Themouldadoptstwoobliquepillarstodetachthemouldbasedthecharacteristicofthebottles.

Keywords:

hotrunners,Optimization,PETbottles,lateraldetachthe

mould

摘要I

3浇注系统的设计

10

3.1热流道板的设计10

3.2浇口套的设计15

3.3定位圈的设计16

3.4排溢系统的设计17

4成型零部件的设计和校核

18

4.1凸模的设计和校核18

4.2

型腔的设计和校核对18

5导向机构的设计

20

5.1导柱导套的配合20

5.2导柱的设计和校核20

5.3导套的设计与校核21

6侧向机构的设计

22

6.1滑块的设计22

6.2斜销的设计与校核22

7冷却系统的设计

25

7.1冷却系统的设计原则25

7.2计算25

8结构件的设计

27

8.1模板，固定板，垫块的设计27

8.2紧固件和定位件的设计27

8.3吊环螺钉的设计27

8.4模具加工和注意事项27

9结论

28

10致谢

29

参考文献

30

1前言

热流道作为热塑性塑料注射模的一门技术，以其特有的优势，正逐步被应用和推广，发展和普及热流道技术对提高我国的塑料模技术起着关键的作用。

热流道系统与普通流道系统比较有如下特点：

（1）无回头料。

热流道系统避免了普通浇注系统中产生的大量浇口系统回头料（有时生产小制品时，回头料的重量甚至超过了塑料制品的重量），因而在制品成型后无须修剪浇口，减少了二次加工，也省去了浇口料的挑选、粉碎和重新染色回收等工序，节省了人力；

（2）节省了原材料，降低生产成本。

（3）提高产品质量。

在大量采用热流道模具进行生产的企业，注射用原料中不再大量渗杂经过反复加工已经降解了的浇口料，使产品的质量得到全面提高。

（4）降低了废品率。

热流道系统有利于压力传递，降低注射压力，减少塑件内应力，并在一定程度上克服了制件因不料不足而

产生的凹陷，缩孔等缺陷，以达到降低废品率的目的。

（5）缩短制件成型周期，从而提高生产效率、生产利润和企业竞争能力。

（6）可成型较长制品。

由于制品脱模时不再带有主流道和分流道，可以缩短模具的开模距离和合模行程，因而在同一设备上可以成型更长的制品。

（7）可用小型设备生产，有效提高设备利用率。

由于注射压力的降低以及开模距离，合模行程减小等生产条件的改善，使得采用小型设备进行生产成为可能。

（8）有利于实现自动化生产。

由于采用热流道，省去了去除料把。

二次加工等后续工序，因而可以实现自动化生产。

鉴于热流道模具的优势，大部分塑料模具都向这个方向发展，本篇

论文就是针对PET瓶坯的一模多腔进行热流道注射模具的设计。

2塑件的工艺分析、模具结构方案的确定、设备的校核

2.11塑料工艺分析、填写工艺卡

2.1.11塑件工艺分析

该塑件为日常生活中常用的饮料瓶吹塑之前的瓶坯，管状透明，塑件的结构形状如下图所示，详细尺寸可参见样品和塑件图。

成型难点，侧向分型

该塑件为一规则的圆形壳体，最大高度达129.8mm，壁厚1.6mm，塑件精度选8级。

矿泉水瓶坯示意图

2.1.22塑件材质以及成型工艺性

该塑件材质选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，缩写为PETP。

PETP材料成型特性如下：

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.PETP塑料极易吸水，含水PETP塑料在高温下极易水解。

当温度超过300℃时，PETP发生热分解。

3.PET注射成型温度范围较窄。

采用热流道浇注系统解决这个问题。

PETP塑料成型条件

塑料名称

聚对苯二甲酸乙二酯醇

料筒温度℃后段240—26

中段260--280

前段260--270

缩写

PETP

注射压力（

MPa）

80--120

注射成型类型

螺杆式

保压时间（

S）

20--50

密度（g/cm3）

1.30-1.38

冷却时间（

s）

20--30

比容（ml/g）

1

注射时间（

s）

0--5

成型周期（

s）

50--90

收缩率（%）

1.2

保压力（MPa）

30--50

喷嘴温度

250—260

螺杆转速（r/min

）

20--40

适用注射机类型

螺杆式

模具温度℃

80—90

后处理

——

2.1.3填写工艺卡

表1.2塑件工艺卡片

产品名称

零件名称

饮料瓶坯

设备型号

产品图号

零件图号

PP-00

XS-ZY-125

材材料名称

聚对苯二甲酸乙二酯醇

收缩量材料预处理

材料牌号PETP1.5～2.0%预热80～100℃

料

零件净重27.9g零件毛重27.9g每模总重55.8g

备注

工250~260

浇注温度

℃

艺

注射量:

125g

填充时间30-40s

加料量:

135g

模具预热

80~100℃成型时间50～160s

参温度

压力40~50MPa

数

成型温度80～90℃取件时间10～20s压速

原料准备

核对原料生产厂家原料要预热先烘干

工艺

规

模具准备成型过程

生产操作

模具预先加热

程成形后处理切掉余料

工艺说明模具名称

饮料瓶坯每模备注

2

热流道注

件数

射模具

模具图号PP-00-00件数大批量

工

艺

组

长

更改

标记

更改

号数

签字

日

期

审

批

核

准

2.22确定模具方案

2.2.11初步拟订方案

初步决定选用如下图所示方案，采用热流道浇注系统，一模两腔，模具动作过程：

注射机内的PET熔料通过热流道板注入模具型腔内，待塑料冷却定型后，注射机动模做开模动作。

在斜导拄作用下将镶块打开。

当模具打开一定距离后，开模停止，用手取出2个注塑件。

随后进行合模，

斜导拄将镶块合并，镶块的斜面与定模上的斜楔使镶块合并到位。

同时，动模上的四根导柱进入定模上的导套中。

合模完成后，再进行注射。

图

见下页。

2.2.1图

凹模采用镶拼结构，便于加工和拆卸，螺纹镶块和斜滑块做成一个整体，使结构简化。

由于侧向抽芯距离比较短，滑块体积较小，所以宜采用斜导柱进行侧向分型和取件。

图中12和16为型腔板，20为热流道板，1为冷却水道。

2.2.22分型面的确定

分开模具能取出塑件的面，称为分型面，其他的面分离称为分模面，注射模只有一个分型面，如上图所标（P—P为分型面，V—V为分模面。

）

分型面方向与注射机开模是垂直方向，形状为平面，分型面需满足以下要求：

a：

分型面不取在装饰外表面或带圆弧的转角处b：

使塑件留在动模一边利于脱模c：

轴心机构要考虑轴心距离

2.2.33型腔数目的确定

模具型腔数量的确定主要是根据制品的投影面积、几何形状、制品

精度、批量以及经济效益来确定的。

拟选用一模两腔

2.33注射机的选择和校核

塑件质量为27.9g,其体积为

33

V件=m/=27.9g/1.34g/cm=20.82cm

3

浇注系统的体积估算：

V总=2V件X20.82=41.64cm

根据塑件的最大长度为129.8mm，再加上其两侧有抽芯结构，拟选

3

用125cm的注射机，其型号为XS—ZY—125。

制品总质量为27.9X2=55.8g，注射机的额定注射量为125g，符合。

表1.3国产注射XS—ZY—125的技术规格

额定注射量

G

125

螺杆直径

Mm

42

注射行程

Mm

115

注射压力

MPa

120

螺杆转速

r/min

29、42、56、69、83、101

注射方式

螺杆式

合模力

KN

900

最大成型面积

2

cm

320

最大开（合）模行程

Mm

300

模具最大厚度

Mm

300

模具最小厚度

Mm

200

合模方式

机械

定位圈尺寸

Mm

100

喷嘴球头半径

Mm

SR12

顶杆中心距

Mm

230

机器外形尺寸

Mm

3310X750X1550

喷嘴空直径

Mm

4

2.3.11注射机校核

1、大注射压力的校核

选用的XS—ZY—125型注射机的最大注射压力（见表1.3）为

P机=120MpaPETP的成型注射压力（见表1.1）为

P型=80—120Mpa

因为P机P型所以最大注射压力合格

2、模力的校核

塑件投影面与锁模力的估算：

2

投影面积A=2X789=1578mm

取型腔压力Pc=30Mpa，取安全系数K=1.1

计算锁模力：

T计=K·Pc·A

=1.1X30MaX1578mm2

=52.074KN

T机=900KN（见表1.3）

因为T计

3、开模行程的校核

模具最大开模行程S=H1+H2+a+5~10

式中H1：

浇注凝料（mm）H2：

顶出距离（mm）a：

件厚（mm）

式中：

H1=0mm，H2=2X129.8=259.6mm，a=1.6mm

S=259.6+1.6+5=266.2（mm），

注射机的最大开模行程（见表1.3）为300mm

因为266.2<300，所以开模行程合格

4、成型面积校核

A

2

件=A=2X789=1578mm

注射机最大成型面积

A=32000mm2，

因为A件

5、模具厚度的校核

选用的XS-ZY-125注射机的许用的最大、最小模具高度为Hmax=300mm；Hmin=200mm；Hm=278mm。

因为Hmin

格

结论：

XS-ZY-125注射机选用合理，能满足生产此塑件要求

3浇注系统

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，它具有传质﹑传压﹑和传热的功能，对制品质量影响很大。

3.11热流道板的设计：

PET塑料是一种具有明显熔点的结晶型聚合物。

其成型温度在265

—295℃之间，所以PET塑料注射成型温度范围较窄。

如果一模多腔采用普通的浇注系统，PET熔料的流动性大大下降，甚至凝固。

所以PET瓶坯多型腔注射模需采用热流道模成型。

对PET瓶坯热流道注射模的主、分流道直径和浇口直径进行了优化设计，利用最小二乘法，对PET塑料的表观拈度和剪切速率关系进行公式化拟合。

优化设计方法为正确选择热流道直径提供了可靠的手

段。

3.1.1优化设计的数学模型：

A：

基本假设

1）注射流量即体积流动率为常数；

（2）注射机压力恒定；（3）流道转角处压力损失不计

B：

数学模型的建立

浇注系统的基本作用是在压力损失最小的条件下，将熔料以较快的速率充满型腔。

浇注系统的主、分流道和浇口尺寸必须能保证型腔充满和使塑件质量合格。

若流道直径太小，则注射压力增大，且充模时间延长。

若流道直径太大，则进料时易形成涡流，注射压力损失增大，同时熔体前进中容易混带空气，影响制品的质量。

所以最优化的流道直径应使其压力损失值较小，即以最优的压力损失值保证生产出质量合格的产品。

优化设计的目的就在于使设计出的流道压力损失值尽可能接近最

优压力损失值，故优化设计的设计变量为流道直径，目标函数为实际压力损失与最优压力损失之差，目的就是求一个最优的设计变量，使此时目标函数最小。

在前述假设下，压力损失的公式表达式如下：

3

3

式中P为流道及浇口总的压力损失，MPa；分别为主流道、分流道和浇口的压力损失，MPa；分别为主流道长度、分流道长度、浇口长度，mm；我的分别为主流道半径、分流道半径、浇口半径，mm。

N为浇口数量；T为注射时间，s；V为熔料体积，cm；Q为流

体流量，cm/s；为表观粘度，Pa*s；Px为合理的型腔压力，选定30MPa；Pt为注射压力，选定46MPa。

若求主流道的最优压力损失P0，则若求分流道的最优压力损失Pf，则若求浇口的最优压力损失Pj，则

。

3.1.2PET塑料表观粘度和剪切速率的曲线拟合

在流道压力损失公式中，表观粘度的数值都是实验得来的。

在一般工具书上都有塑料的流变曲线和的关系。

若用微机优化设计，首先应对PET的流变曲线通过公式=/得出和的数表关系，然后采用最小二乘法将数表进行曲线拟合。

PET表现粘度和剪切速率的数表关系如表所示。

PET的和关系数表

利用最小二乘法，由表1进行拟合得到下列关系式：

，目标函数

，如果

则增大主

流道半径

，如果

，则减少

R1。

如果

则此时R1为

程序框图如下：

D：

优化设计结果：

在最初的模具设计中，PET瓶坯热流道注射模流道直径的确定，是根据经验设计的。

主流道直径为4mm，分流道直径8mm，浇口直径2．5mm，

长度10mm经,优化设计，主流道直径为4．9mm，分流道直径为7．4mm，

浇口直径为2．4mm。

优化设计的结果与实际中应用的主、分流道直径和浇口直径的经验数值基本一致。

热流道板的示意图如下：

3.1.3热流道板的加热方式

本模具采用的是加热棒式。

电热棒安装比较方便，加热时加热棒与热流道板孔之间有合理的间隙，一般为0．2—0．3mm。

间隙过大，会造成加热效率低；间隙过小则会使加热棒取出困难。

本模具采用2根加热棒对热流道板进行加热。

2个浇口部分没有进行加热，所以注射出来的制件根部还有一小段的料柄。

3.1.4热流道板的温度控制、隔热与热膨胀

热流道系统的温度如果控制不好，即使注射机料筒的温度控制得很

好，也几乎没有意义。

为了精确的控制温度，就要尽可能正确地测定出塑料实际温度。

本模具采用热电偶和具有断偶保护功能的温度控制仪控制热流道板的温度。

热流道板安装在定模板和型腔镶块之间。

注射成型时热流道板的温度应保持在必要的注射温度（270—290℃）范围内，使流道内的熔体畅通。

从传热学可知，低温下热量的散失主要是接触面的热传导，所以要尽量减少热流道板与其它件的接触面积。

PET瓶坯热流道注射模的热流道板与定模板之间采用8个垫圈，以减少接触面，降低热量损失。

在模具的使用过程中，热流道板的温度在200—300℃之间。

因此，它的热膨胀是不可忽略的。

两个浇口间距的热膨胀值可有下式计算：

式中：

s一两个浇口之间的距离（mm）；a一钢材的线膨胀系数

T一成型时热流道板的温度（℃）；T。

一型腔模板的温度

（℃）。

若热流道板浇口与胸腔上的浇口发生位移，塑料充满就发生困难。

只有想办法消除其不良影响。

通常的方法是预先将热流道板浇口向相反的方向移动，移动量按上式计算。

PET瓶坯两个浇口间距为60mm，热膨胀值为＝0．166mm，所以热流道板的浇口间距应为：

。

3.22浇口套的设计

由于主流道要与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触，所以在注射模中主流道部分常设计成可拆卸更换的浇口套，便于用优质钢材加工和热处理，A型衬套大端高出定模端面H=5~10m，m起定位环作用，与注射机定位孔呈间隙配合，根据塑件浇口处的特殊形状。

浇口套的示意图与参数见下页。

号

d

小端直径

4mm

SR

球面半径

14mm

h

球面配合

高度

3~5mm

L

长度

30mm

浇口套

3.3定位圈的设计

定位圈根据所选注射机确定出大端外径D=100m，m且安装后大端要高出定模端面H=5~10m，m这儿H=6m，m起定位作用，示意图见下页，具体尺寸详见零件图。

定位圈

3.44排溢系统的设计

利用模具零件间的配合间隙及分型面之间的间隙进行排气，本次饮料瓶坯的设计中，因为除了分型面还有侧向分型的间隙都可以很好的排气，而且塑件的厚度还比较均匀，所以不必另开排气槽来排气。

4.1凸模的设计及校核

lm[（1

smin

）ls

-0.56

=[（1+1.5%）X21.8+3/4X0.88]=22.780

验算：

（lmzc）

lssmax

=lm-1/3⊿-1/6⊿-Smax*Ls=22.78-1/3X0.88-1/6X0.88

-2.0%X21.8=21.9Ls

故合格

hm[1

Smaxhs

0=[（1+2.0%）X129.8+1/3X2.2]

1.5

=133.120

验算：

hm

hssmin

=133.12-129.8X1.5%-2.2=128.97hs

故合格。

4.2型腔的设计及校核

本模具采用的是镶拼式结构

z

（LM）0

[（1

smax

）ls

z=（1+2.0%）X25-0.96=24.540.64

验算：

（LMzc）

Lssmin=Lm+1/3⊿+1/6⊿-Smin*Ls=24.54+

1/3X0.96+1/6X0.96-1.5%X25=24.645Ls

故合格

凹模深度：

（Hm）0

[（1

smin）Hs

z

z0

=[（1+Smin）Hs-1/3⊿]0z

H=[（1+1.5%）X99.1-1/3X2]1.2=99.91.2

m10

Hm2=[（1+1.5%）X8.1-1/3X0.61]

0

0

0.40=8.02

0.40

0

验算：

Hm

HssmaxHs

对于Hm1：

99.9-99.1X2.0%+2=100.41

对于Hm2：

8.02-8.1X2.0%+0.61=8.47

故合格

4．2.1型腔侧壁厚度计算：

Hs1

Hs2

饮料瓶坯可以分为侧部和底部，每部分以下都按大值计算，以便能满足实用要求。

1）侧部：

按强度条件计算侧壁厚度

Sr[]r

[]2P

11.425

160

160245

11.4256（mm）

式中S——矩形型腔侧壁壁厚（mm）；

P——型腔内压力，Mpa，一般为20~50Mpa，这儿取45Mpa；r=22.852=11.425mm

校核：

模具设计中设计侧部型腔最薄壁厚[S]=12.5（见装配图上尺寸），因为S<[S]，所以壁厚合格

2）底部：

只需满足最低点的强度要求即可。

1.22pr2

S

1.224511.4252

17.16（mm）

[]16

校核：

模具设计中设计侧部型腔最薄壁厚[S]=18（见装配图上尺寸），因为S<[S]，所以壁厚合格

5.2导柱的设计及校核

导柱导套配合

导柱可以设计成各种形式。

设计原则：

1）应对称分布在模具分型面的四周，其中心至模具外缘应具有足够距离，以保证模具强度和防止模板发生变形。

2）导柱的.直径视模具