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瓶塞注射模设计

摘要

模具技术已成为衡量一个国家工业发展水平高低的重要标志，而注塑模具越来越显示出不可比拟的优越性。

此文首先介绍了国内外模具技术的现状及存在的问题，并提出了今后模具技术的发展趋势，其次，以瓶塞注射模设计为例，阐述了注射模设计的详细过程。

设计中运用了先进的CAD/CAM/CAE技术，对注塑模进行了优化，理论上分析了注射成型中塑料制品易出现的问题，比如浇口尺寸、注射压力和注射速率对收缩和翘曲的影响，并提出了相应的解决对策。

关键词：

注塑

模具；模具CAD/CAM/CAE；注射成型；塑料制品

ABSTRACT

Thelevelofacuntry’sindustrywasmostlydeterminedbydie&mouldtechnology.Butinjectiondie&moulddemonstratesitsincomparablesuperiority,moreandmore.Firstly,thisarticlintroducedthecurrentsituationandproblemsofdie&mouldtechnology,andputforwardthedevelopmenttrendofdie&mouldtechnology.Secondly,taketheinjectiondie&moulddesigningaboutlidofbarrelforexemple,elaboratethedetailedprocessofinjectiondie&moulddesign.InthedesignhasutilizedtheadvancedCAD/CAM/CAEtechnology,andhasoptimizedtheinjectiondie&mould.Theoreticallyanalyzedtheplasticproduct’squestionsintheinjectionmolding.Forexemple,plasticproduct’sshrinkageandwarpagewereInfluencedbythefactorsaboutsizeofgate、injectionspeed、injectionpressureandsoon,andthenthecorrespondingsolutiontobefollowed.

Keywords:

 Injectiondie&moulddemonstrates；moulds/CAD/CAM’CAE；

        Injectionmoulding；Plasticproduct     

1塑件的分析

塑料ABS

ABS中文名：

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物

英文名：

Acrylinitrile-Butadiene-Styrene。

1.1.1基本特性：

ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯3种单体合成的。

每种单体都具有不同性能：

丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性，使ABS有良好的耐化学腐蚀性及表面硬度；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性，使ABS坚韧；苯乙烯具有易加工、高光洁度、高强度，使ABS有良好的加工和染色性能。

ABS无毒、无味，呈微黄色，成型的塑料件有较好的光泽。

有极好的冲击强度，且在低温下也不迅速下降。

水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影响，在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液，不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但与烃长期接触会软化溶胀。

ABS表面受冰醋酸、植物油等化学药品的侵蚀会引起应力开裂。

ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工。

经过调色可配成任何颜色。

其缺点是耐热性不高，

性能：

综合性能较好，冲击韧度、力学性能较高，尺寸稳定而化学性、电气性能良好；易于成形和机械加工，与此相反372有机玻璃的熔接性良好，可作双色成形塑件，且表面可镀铬。

用途：

适于制作一般机械零件、减摩耐摩零件、传动零件以及化工、电器、仪表等零件。

1.1.2成型特点：

1）无定形塑料，其品种很多，各品种的机电性能及成型特性也有差异，应按品种确定成形方法及成形条件。

吸湿性强，含水量应小于0.3%，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。

流动性中等，溢边料0.04mm左右（流动性比聚苯乙烯、AS差，但比聚碳酸脂,聚氯乙烯好）。

比聚苯乙烯加工困难，宜取高料温、模温（对耐热、高抗冲击和中抗冲击型树脂，料温更宜取高）。

料温对物性影响较大，料温过高易分解（分解温度为250℃左右，比聚苯乙烯易分解），对要求精度较高塑件，模温宜取50℃～60℃，要求光泽及耐热型料宜取60℃～80℃。

注射压力应比聚苯乙烯高，一般用柱塞式注射机时料温为180℃～230℃，注射压力为100～140MPa，螺杆式注射机则取160℃～230℃，70～100MPa为宜。

模具设计时要注意浇注系统，分流道及浇口截面要大，选择好进料口位置、形式，推出力过大机械加工时塑料件表面呈现“白色”痕迹（但热水中预热可消失），在成型时的脱模斜度﹥2°，收缩率取﹥0.5°。

1.1.3主要技术指标：

比重：

1.02~1.16g/cm3。

比容：

0.86~0.98cm3/g。

吸水性：

0.2~0.4%（24h）。

熔点：

130~160oC。

热变形温度：

4.6×105Pa----130~160oC。

18.5×105Pa----90~108oC。

抗拉屈服强度（105Pa）:

500

拉伸强度模量：

1.8×104Mpa

弯曲强度：

800×105Pa

1.1.4ABS的成型条件

表1ABS的成型条件

注射成型机类型

螺杆式

密度（

）

1.03——1.07

计算收缩率

0.3——0.8

预热

温度（℃）

80——85

时间（s）

2——3

料筒温度

后段（℃）

150——170

中段（℃）

165——180

前段（℃）

180——200

喷嘴温度（℃）

170——180

模具温度（℃）

50——80

注射压力（MPa）

60——100

成型时间

注射时间（s）

20——90

高压时间（s）

0——5

冷却时间（s）

20——120

总周期（s）

50——220

螺杆转速（r/min）

30

适用注射机类型

螺杆式、柱塞式均可

后处理

方法

红外线灯、烘箱

温度（℃）

70

时间（h）

2～4

ABS的注射工艺参数：

注射机类型：

螺杆式

螺杆转速：

30~60r/min

喷嘴形式：

直通式

喷嘴温度：

190~200oC

料筒温度：

前200~210oC

中210~230oC

后180~200oC

模温：

50~80oC

注射压力：

70~120Mpa

保压力：

50~70Mpa

注射时间（s）：

3~5

保压时间（s）：

15~30

冷却时间（s）：

15~30

成型周期（s）：

40~7

1.2塑件的形状尺寸

塑件图如下页所示：

塑件的工作条件对精度要求较低，根据ABS的性能可选择其塑件的精度等级为5级精度（查阅《塑料成型工艺与模具设计》P66表3-8）。

其密度为1.0~1.1g.cm3

经计算得塑件的底面积为：

S塑=530.66mm2

得塑件的体积为：

V塑=1.351cm3

塑件的质量为：

W塑=V塑×r塑=1.5（g）。

零件需要的尺寸精度

壁厚:

图1塑件图

型腔数目确定及排布图

1.3行腔的布局

多型腔模具设计的重要问题之一就是浇注系统的布置方式，由于型腔的排布与浇注系统布置密切相关，因而型腔的排布在多型腔模具设计中应加以综合考虑。

型腔的排布应使每一个型腔都通过浇注系统从总压力中心中均等地分得所需的压力，以保证塑料熔体同时均匀地充满每个型腔，使各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。

合理的型腔排布可以避免塑件的尺寸差异、应力形成及脱模困难等问题。

平衡式型腔布局的特点是从主流道到各型腔浇口的分流道的长度、截面形状及尺寸均对应相同，可以实现均衡进料和同时充满型腔的目的；非平衡式型腔布局的特点是从主流道到各型腔浇口的分流道的长度不相等，因而不利于均衡进料，但可以缩短流道的总长度，为达到同时充满型腔的目的，各浇口的截面尺寸制作得不相同。

要指出的是，多型腔模具最好成型同一尺寸及精度要求的制件，不同塑件原则上不应该用同一副多模腔模具生产。

在同一副模具中同时安排尺寸相差较大的型腔不是一个好的设计，不过有时为了节约，特别是成型配套式塑件的模具，在生产实践中还使用这一方法，但难免会引起一些缺陷，如有些塑件发生翘曲、有些则有过大的不可逆应变等。

已知的体积V塑或质量W塑，又因为此产品属大批量生产的小型塑件，综合考虑生产率和生产成本等各种因素，以及注射机的型号选择，初步确定采用一模四腔对称性排布。

由塑件的外形尺寸和机械加工的因素，确定采用侧浇口。

排布图如下图所示：

图2型腔数目及排布图

1.4侧浇口

它又称边缘浇口.一般情况下,侧浇口开设在模具的分型面上,从制品侧面边缘进料.它能方便地调整浇口形式.它的截面形状通常采用矩形,

2.分型面的选择

2.1分型面位置的确定

模具上用以取出塑件或取出浇注系统凝料的可分离的接触表面称为分型面，分型面是决定模具结构形式的重要因素，它与模具的整体结构和模具的制造工艺有密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动充填性及制品的脱模，分型面的位置也影响着成型零部件的结构形状，型腔的排气情况也与分型面的开设密切相关。

因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键内容。

分型面的选择应注意以下几点：

1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处

当已经初步确定塑件的分型方向后分型面应选在塑件外形最大轮廓处，即通过该方向塑件的截面积最大，否则塑件无法从形腔中脱出。

2）保证制件的精度和外观要求

与分型面垂直方向的高度尺寸，若精度要求较高，或同轴度要求较高的外形或内孔，为保证其精度，应尽可能设置在同一半模具腔内。

因分型面不可避免地要在制件中留下溢料痕迹或接合缝的痕迹，故分型面最好不选在制品光亮平滑的外表面或带圆弧的转角处。

3）考虑满足塑件的使用要求

注塑件在成型过程中，有一些难免的工艺缺陷，如脱模斜度、推杆及浇口痕迹等，选择分型面时，应从使用角度避免这些工艺缺陷影响塑件功能。

4）考虑注塑机的技术规格，使模板间距大小合适。

5）考虑锁模力，尽量减小塑件在分型面的投影面积。

6）确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模

从制件的顶出考虑分型面要尽可能地使制件留在动模边，当制件的壁相当厚但内孔较小时，则对型芯的包紧力很少常不能确切判断制件中留在型芯上还是在凹模内。

这时可将型芯和凹模的主要部分都设在动模边，利用顶管脱模，当制件的孔内有管件（无螺纹连接）的金属嵌中时，则不会对型芯产生包紧力。

7）不妨碍制品脱模和抽芯

在安排制件在型腔中的方位时，要尽量避免与开模运动相垂直方向的侧凹或侧孔。

一般机械式分型面抽芯机构的侧向抽拔距都较小，因此选择的分型面应使抽拔距离尽量短。

8）有利于浇注系统的合理处置。

尽可能与料流的末端重合，以利于排气。

9）分型面应使模具分割成便于加工的部件，以减少机械加工的困难。

塑件冷却时会因为收缩作用而包覆在凸模上，故从塑件脱模的角

度考虑，应有利于塑件滞留在动模一侧，以便于脱模。

而且不影响塑件的量和外观形状，以及尺寸精度。

图3分型面

2.2型腔数目的确定

型腔指模具中成形塑件的空腔，而该空腔是塑件的负形，除去具体尺寸比塑料大以外，其他都和塑件完全相同，只不过凸凹相反而己。

注射成形是先闭模以形成空腔，而后进料成形，因此必须由两部分或（两部分以上）形成这一空腔——型腔。

其凹入的部分称为凹模，凸出的部分称为型芯。

其数目的决定与下列条件有关：

2.2.1塑件尺寸精度型腔数越多时，精度也相对地降低。

2.2.2模具制造成本

多腔模的制造成本高于单腔模，但不是简单的倍数比。

从塑件成本中所占的模具费比例看，多腔模比单腔模具低。

2.2.3注塑成形的生产效益

多腔模从表面上看，比单腔模经济效益高。

但是多腔模所使用的注射机大，每一注射循环期长而维持费较高，所以要从最经济的条件上考虑一模的腔数。

2.2.4制造难度

多腔模的制造难度比单腔模大，当其中某一腔先损坏时，应立即停机维修，影响生产。

塑料的成形收缩是受多方面影响的，如塑料品种，塑件尺寸大小，几何形状，熔体温度，模具温度，注射压力，充模时间，保压时间等。

影响最显著的是塑件的壁厚和形状的复杂程度。

该塑件精度要求一般（MT3），又是大批量生产，可以采用一模多腔的形式。

考虑到模具制造费用低一点，设备运转费用小一点，采用一模八腔的模具形式。

考虑到塑件的结构特点，有侧向分型。

为了便于脱模，型腔的排列方式采用双列直排。

这样比一模一腔模具的生产效率高，同时结构更为合理。

2.3型腔的布局

多型腔模具设计的重要问题之一就是浇注系统的布置方式，由于型腔的排布与浇注系统布置密切相关，因而型腔的排布在多型腔模具设计中应加以综合考虑。

型腔的排布应使每一个型腔都通过浇注系统从总压力中心中均等地分得所需的压力，以保证塑料熔体同时均匀地充满每个型腔，使各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。

合理的型腔排布可以避免塑件的尺寸差异、应力形成及脱模困难等问题。

平衡式型腔布局的特点是从主流道到各型腔浇口的分流道的长度、截面形状及尺寸均对应相同，可以实现均衡进料和同时充满型腔的目的；非平衡式型腔布局的特点是从主流道到各型腔浇口的分流道的长度不相等，因而不利于均衡进料，但可以缩短流道的总长度，为达到同时充满型腔的目的，各浇口的截面尺寸制作得不相同。

要指出的是，多型腔模具最好成型同一尺寸及精度要求的制件，不同塑件原则上不应该用同一副多模腔模具生产。

在同一副模具中同时安排尺寸相差较大的型腔不是一个好的设计，不过有时为了节约，特别是成型配套式塑件的模具，在生产实践中还使用这一方法，但难免会引起一些缺陷，如有些塑件发生翘曲、有些则有过大的不可逆应变等。

3.浇注系统的设计

浇注系统是指注射模中从主流道的始端到型腔之间的熔体进料通道，它的作用是将塑料熔体顺利的充满型腔的各个部位。

正确设计浇注系统对获得优质的塑料制品极为重要。

注射成型的基本要求是在合适的温度和压力下使足量的塑料熔体尽快充满型腔，影响顺利充模的关键之一就是浇注系统的设计。

普通流道浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料穴四部分组成。

3.1主流道设计

主流道是连接注射机喷嘴与分流道的一段通道，通常和注射机喷嘴在同一轴线上，断面为圆形，带有一定的锥度，其主要设计要点为：

1）主流道圆锥角

=2°～3°对流动性差的塑料可取3°～6°，内壁粗糙度为Ra0.63um。

主流道大端呈圆角，半径r=1～3mm，以减小料流转向过渡的阻力。

2）在模具结构允许的情况下，主流道应尽可能短，一般小于60mm，过长则会影响熔体的顺利充型。

3）对小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式，但在大多数情况下是将主流道衬套和定位圈设计成两个零件，然后配合固定在模板上。

主流道衬套与定模座采用H7/m6过渡配合，与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合。

3.2分流道的设计

分流道是主流道与浇口之间的通道，一般开设在分型面上，起分流和转向的作用。

多型腔模具必定设置分流道，单型腔大型塑件在使用多个点浇口是也要设置分流道。

3.3浇口的设计

浇口是连接分流道与型腔之间的一段细短通道，它是浇注系统的关键部分。

浇口的形状、位置和尺寸对塑件的质量有很大的影响。

3.3.1浇口的主要作用

1）熔体充模后，首先在浇口处凝固，当注射机螺杆抽回时可防止熔体向流道回流。

熔体在流经狭窄的浇口时会产生摩擦热，使熔体升温，有助于充模。

2）易于切除浇口尾料。

3）对于多型腔模具，浇口能用来平衡进料。

对于多浇口的单型腔模具，浇口除了能用来平衡进

料外，还能用以控制熔接痕在制品中的位置。

浇口的截面积一般很难用理论公式计算，通常要根据经验公式确定，取其下限，然后在试模过程中逐步加以修正。

一般浇口的截面积为分流道截面积的3%～9%，截面形状通常为矩形或圆形。

浇口长度为0.5～2mm，表面粗糙度Ra不低于0.4um。

具体浇口截面尺寸应根据不同的浇口类型来确定。

在进行浇口设计时要遵循以下几个基本原则：

1）应开设在使型腔各个角落同时充满的位置。

2）应开设在制品较厚的部位，以利于补缩。

3）应有利于型腔气体的排出。

4）开设在不影响制品外观的部位。

5）不要开设在制品承受弯曲载荷或冲击载荷的部位。

6）尽量选在避免产生熔接痕的位置。

浇口的形式多种多样，但常用的浇口有如下11种：

直接浇口、侧浇口、扇形浇口、平缝浇口、环形浇口、盘形浇口、轮辐浇口、爪形浇口、点浇口、潜伏浇口、护耳浇口等。

因为本设计的塑件表面质量要求较高，外表面不得有熔接痕、气痕、飞边等缺陷产生，有较高的光亮要求，故采用点浇口。

点浇口是截面形状小如针点的浇口，应用范围十分广泛。

3.3.2点浇口具有如下优点：

1）可显著提高熔体的剪切速率，使熔体黏度大为降低，有利于充模。

这对于PE、PP、PS和ABS等对剪切速率敏感的熔体尤为有效。

2）熔体经过点浇口时因高速摩擦生热，熔体温度升高，黏度再次下降，使熔体的流动性更好。

3）有利于浇口与制品的自动分离，便于实现制品生产过程的自动化。

4）浇口痕迹小，容易修整。

5）在多型腔模中，容易实现各型腔的平衡进料。

6）对于投影面积大的制品或者易于变形的制品，采用多个点浇口能提高制品的成型质量。

3.4浇注系统设计原则

1.浇注系统与塑件一起在分型面上，应有压降、流量和温度分布的均衡布置；

2.尽量缩短流程，以降低压力损失，缩短充模时间；

3.浇口位置的选择，应避免产生湍流和涡流，即喷射和蛇形流动，并有利于排气和补缩；

4.避免高压融体对型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移；

5.浇注系统凝料脱出方便可靠，易于塑件分离或切除整修容易，且外观无损伤；

6.熔和缝位置须合理安排，必要时配置冷料井获溢料槽；

7.尽量减少浇注系统的用料量；浇注系统应达到所需精度和粗糙度，其中浇口须有IT8以上精度。

4.注射机的型号和规格

4.1注射机的技术规格：

表2注射机主要技术参数

理论注射容量（

）

30

螺杆直径（mm）

28

注射压力（MPa）

119

注射行程（mm）

130

注射时间（s）

0.7

注射方式

柱塞式

合模力（N）

250

最大注射面积（cm2）

90

最大开（合）模行程（mm）

160

模板最大距离（mm）

340

最大开模行程（mm）

160

最大模厚（mm）

180

最小模厚（mm）

60

喷嘴圆弧（mm）

SR12

喷嘴孔直径（mm）

2

由于塑件的截面厚度较小，不适合采用推杆推出，而采用推件板推出较为合适。

因而不宜开设冷料穴，所以拉料杆采用球扣形式。

不影响塑件外观质量，依据上述分型面，分流道宜采用圆形截面，在定模固定板上采用浇口套。

根据塑件的外形尺寸和质量等决定影响因素，初步取值如下：

d=4mmD=8mmR=15mmt=4mm

r=2mml=45~50mmL=40~50mm

初步估算浇注系统的体积，V浇=6~7cm3。

其质量约为：

W浇=V浇×r塑=7~8g。

S=（n×W塑+W浇）/0.8=16~17g。

所以，选择用注射机型号为：

XS-Z-30。

5.成型零部件的结构设计和工作尺寸计算

5.1成型零件的结构设计

注射模具的成型零件系指构成型腔的模具零件，包括凹模、型芯、成型杆等。

凹模用以形成制品的外表面，型芯用以形成制品的内表面，成型杆用以形成制品的局部细节。

成型零件作为高压容器，其内部尺寸、强度、刚度，材料和热处理以及加工工艺性，是影响模具质量和寿命的重要因素。

5.2产生偏差的原因：

1）.塑料的成型收缩　　　成型收缩引起制品产生尺寸偏差的原因有：

预定收缩率（设计算成型零部件工作尺寸所用的收缩率）与制品实际收缩率之间的误差；成型过程中，收缩率可能在其最大值和最小值之间发生的波动。

σs=（Smax-Smin）×制品尺寸

σs　成型收缩率波动引起的制品的尺寸偏差。

Smax、Smin分别是制品的最大收缩率和最小收缩率。

2）．成型零部件的制造偏差　　工作尺寸的制造偏差包括加工偏差和装配偏差。

3）．成型零部件的磨损

4）.凸凹模径尺寸计算

本产品为抗冲ABS制品，属于大批量生产的小型塑件，预定的收缩率的最大值和最小值分别取0.8%和0.3％。

此产品采用4级精度，属于一般精度制品。

因此，凸凹模径向尺寸、高度尺寸及深度尺寸的制造与作用修正系数x取值可在0.5~0.75的范围之间，

凸凹模各处工作尺寸的制造公差，因一般机械加工的型腔和型芯的制造公差可达到IT7～IT8级，综合参考，相关计算具体如下：

图4零件

（Lm3）0+δz=[（1+s¯）LS3-0.5×Δ]0+δz

　　　　=[（1+0.5%）×27-0.5×0.24]0+0.24/4

=27.020+0.06mm

（lm2）0+δz=[（1+s¯）LS2-0.5×Δ]0+δz

　　　=[（1+0.5%）×22-0.5×0.22]0+0.22/4

=220+0.055mm

（lm1）0-δz=[（1+s¯）LS1+0.5×Δ]0-δz

=[（1+0.5%）×19+0.5×0.22]0-0.22/4

=19.210-0.055mm

（Hm2）0+δz=[（1+s¯）HS2-0.5×Δ]0+δz

=[（1+0.5%）×2-0.5×0.12]0+0.12/4

=1.950+0.03mm

（hm3）0+δz=[（1+s¯）HS3-0.5×Δ]0+δz

=[（1+0.5%）×3-0.5×0.12]0+0.12/4

=2.940+0.03mm

（srm）0-δz=[（1+s¯）+0.5×Δ]0-δz

=[（1+0.5%）×30+0.5×0.24]0-0.24/4

=30.130-0.06mm

（SRM）0+δz=[（1+s¯）SRS-0.5×Δ]0+δz

=[（1+0.5%）×30-0.5×0.24]0+0.24/4

=29.900+0.06mm

（Hm）0+δz=[（1+s¯）HS-0.5×Δ]0+δz

=[（1+0.5%）×2-0.5×0.12]0+0.12/4

=1.940+0.03mm

5.3成型零件的强度、刚度计算

注射模在其工作过程需要承受多种外力，如注射压力、保压力、合模力和脱模力等。

如果外力过大，注射模及其成型零部件将会产生塑性变形或断裂破坏，或产生较大的弹性弯曲变形，引起成型零部件在它们的对接面或贴合面处出现较大的间隙，由此而发生溢料及飞边现象，