塑料防爆安全瓶盖注射成型模具设计.docx
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塑料防爆安全瓶盖注射成型模具设计
1.绪论
1.1模具及模具工业的发展与现状
模具是生产工业产品的主要工艺设备。
模具工业是整个国民经济的基础。
为提高模具的质量、性能、精度和生产效率，缩短制造周期，其零部件多由标准零部件组成，因此模具本身属于标准化程度较高的产品。
采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料等一系列优点，它已成为当代冬夜生产的重要手段和工艺发展方向。
现代工产品的发展和技术水平的提高，很大程度取决于模具工业的发展水平。
在现在化工业生产忠，60%～90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业已成为工业发展的基础，许多新型产品的开发和生产在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。
而作为制造业基础的机械行业，根据国际生产技术协会预测，21世纪机械制造工业零件粗加工7%和精加工的50%都依靠模具完成。
因此模具已成为国民经济的重要基础工业。
目前，世界模具市场供不应求，近几年，世界模具市场总量一直为600～650亿美元左右，其中美国、日本、法国、瑞士等国每年出口模具约占本国模具的1/3。
可见研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义。
在日本,模具被誉为“进入富裕社会的原动力”，在德国则冠以“金属加工中的帝王”。
可以断言，随着现代工业生产的迅速发展，模具工业在国民经济发展过程中将会发挥越来越重要的作用。
1.2塑料成型模具及其地位
所谓塑料模具，就是利用其本身特定密闭腔体去成型有一定形状和尺寸的立体形状塑料制品的工业。
在模具工业中，随着塑料成型工业的发展，塑料模具已处于同冲压模具并驾齐驱的地位，在日本全国一万多家企业热衷，生产塑料模和生产冲压模的企业占40%。
在韩国的全国模具企业中，生产塑料模的占43.9%，新加坡的460家企业，60%生产塑料模。
在我国香港、深圳、江浙的地，其模具工业主要是从事塑料模具和塑料制品的生产。
1.3塑料成型技术的发展趋势
塑料模具占我国模具总量的比例逐年上升，发展潜力巨大。
塑料模具中为汽车的加点配套的大型注塑模具，为集成电路配套的塑封模，为电子信息产品和机械及包装配套的多层、多强、多材质、多色精密注塑模，为新型建材及节水农业配套的异型材挤出模及管路和喷头模具等，目前虽然已经有相当技术基础并正在快速发展，但技术水平与国外仍有较大差距，总量也供不应求，每年进口几亿美元。
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速猛增。
一个合理的塑料件往往能代替多个传统金属件。
随着塑料制件在数量、质量、精度等方面也提出了越来越高的要求，并促进成型技术不断向前发展。
1.4CAD技术在设计过程中的应用
CAXA是常用的工程制图软件。
塑料模具CAD技术是一种全新的设计技术，有助于提高产品及模具设计的质量和实现产品的最佳性能。
塑料模具CAD的工作主要在于理解注塑过程模拟的分析结果，判读数据并做出合适的变更设计抉择，熟悉CAD技术并有效的应用于模具设计也也有赖于设计人员的素质和经验。
塑料模具CAD的难点在于建立丰富的性能数据库，以及模具零件的标准化。
1.5论文的研究内容
本次毕业设计的注塑模主要从塑料的性能、产品的使用性能和要求出发，分为几个方面的设计，重点阐述了材料的性能、模具结构分析及工作原理以及成型分析、理论计算几个方面。
本课题主要研究的是塑料防爆安全瓶盖注射成型模具设计，该塑件为PC材质的水壶瓶盖，有两段分段式内螺纹，故关键在于螺纹成型脱模机构的设计。
传统带螺纹塑件的脱模方式有手动脱螺纹、强制脱螺纹、机动脱螺纹。
手动脱螺纹，这是在塑件成型、开模后，用手工或简单工具将型芯或型环从塑件上旋出。
这类模具的结构简单，易于制造，但劳动强度大，生产效率低。
强制脱螺纹，这是利用塑件的弹性或型芯的弹性，使塑件或型芯与螺纹产生轴向移动，强行将型芯或塑件拉离螺纹而脱模。
这类模具结构也较简单，主要用于螺纹精度要求不高，螺紋形状比较容易脱出的塑件。
机动脱螺纹，这是利用开模时的直线运动，通过齿条齿轮或丝杠的传动，带动螺纹型芯作旋转运动而使螺纹脱模。
这种模具省力、效率高、质量好，但结构较复杂。
瓣合模脱螺纹，这是采用瓣合型芯或瓣合型环来脱螺纹。
这种脱模方式，制造简单，但在螺纹部分有分型线。
经过对上述几种脱模方式的比对，最终采用了斜滑块内测抽芯的脱模方式。
该模具设计方案能够满足塑件的成型，保证精度，并且结构较为简单降低了模具制造难度与成本
具体过程，详见以后说明书内容分析和计算。
本设计过程是根据《模具设计与制造简明手册》上的相关工艺编写的。
本说明书内容包括：
目录、课程设计指导书、课程设计说明书、参考文献等。
编写说明书时，力求符合设计步骤，详细说明了塑料注射模具设计方法，以及各中参数的具体计算方法，如塑件的成型共轨、塑料脱模机构的设计。
本说明书在编写过程中，得到老师和同学的大力支持和热情帮助，在此谨表谢意。
由于本人设计水平有限，在设计过程中难免有错误之处，敬请各位老师批评指正。
2模具的结构设计
2.1塑件工艺分析
（1）塑件形状与尺寸
如图2.1所示，该塑件为PC材质的瓶盖。
内有梯形间断螺纹，外部均匀分布的有防滑突起。
图2.1塑件形状与尺寸
（2）塑件的精度
该产品形状相当于一个大体尺寸为Φ48圆柱壳体，表面精度与粗糙度要求不高，所以由表2.1可得，PC材料精度为4级，对应的尺寸公差为0.28。
表2.1塑件精度推荐值
塑件精度表（SJ1372--78）
类别
塑件品种
建议采用的精度等级
高精度
一般精度
低精度
1
聚苯乙烯
3
4
5
苯乙烯-丁二烯腈共聚体（ABS）
聚甲基丙烯酸甲酯
聚碳酸酯
聚砜
聚笨醚
酚醛塑料
氨基塑料
30%玻璃纤维增强塑料
2
聚酰胺6、66、610、9、10
4
5
6
氯化聚醚
聚氯乙烯（硬）
3
聚甲醛
5
6
7
聚丙烯
聚乙烯（高密度）
4
聚氯乙烯（软）
6
7
8
聚乙烯（低密度）
注
（1）其它材料可按加工尺寸稳定性，参加上表选择精度等级。
（2）1、2级精度为精度技术级，只有在特殊条件下采用。
（3）选用精度等级时应考虑脱模斜度对尺寸公差的影响。
表2.2塑件公差数值表
公差尺寸（mm）
精度等级
1
2
3
4
5
6
7
8
公差数值（mm）
~3
0.04
0.06
0.08
0.12
0.16
0.24
0.32
0.48
3~6
0.05
0.07
0.08
0.14
0.18
0.28
0.36
0.56
6~10
0.06
0.08
0.10
0.16
0.20
0.32
0.40
0.61
10~14
0.07
0.09
0.12
0.18
0.22
0.36
0.44
0.72
14~18
0.08
0.10
0.12
0.20
0.24
0.40
0.48
0.80
18~24
0.09
0.11
0.14
0.22
0.28
0.44
0.56
0.88
24~30
0.10
0.12
0.16
0.24
0.32
0.48
0.64
0.96
30~40
0.11
0.13
0.18
0.26
0.36
0.52
0.72
1.04
40~50
0.12
0.14
0.20
0.28
0.40
0.56
0.80
1.20
50~65
0.13
0.16
0.22
0.32
0.46
0.64
0.92
1.40
65~80
0.14
0.19
0.26
0.38
0.52
0.76
1.04
1.60
80~100
0.16
0.22
0.30
0.44
0.60
0.88
1.20
1.80
100~120
0.18
0.25
0.34
0.50
0.68
1.00
1.36
2.00
120~140
0.28
0.38
0.56
0.76
1.12
1.52
2.20
注：
标准中规定的数值以塑件成型后或经过必要的处理后，在相对湿度为65%，温度为20OC环境放置24小时后，以塑件和量具温度为200C时进行测量为准。
（3）材料特性
聚碳酸酯（Polycarbonate,简称PC，俗称防弹玻璃胶）常指双酚A型聚碳酸酯，它性能优越，不仅透明度高，冲击韧性极好，而且耐蠕变，使用温度范围宽，电绝缘性、耐候性优良，无毒。
是一种有优异工程性能的较理想的塑料，外观透明微黄，刚硬而带韧性。
其分子式为：
CH3
[OCOC]n
CH3O
聚碳酸酯的结晶倾向较小，没有准确的熔点，一般认为属于无定形塑料。
流动性较差，冷却速度较快，制品易产生应力集中。
它的流变性很接近牛顿型流体，它的粘度主要受温度影响。
聚碳酸酯可缓慢燃烧，火焰呈黄色，黑烟炭束，熔融起泡，散发出特殊花果臭，离火后慢慢熄灭。
PC的优良综合性能主要表现在以下几个方面：
①机械强度高。
其冲击强度是热塑性塑料中最高的一种，比铝、锌还高，号称“塑料金属”；弹性模量高，受温度影响极小；抗蠕变性能突出，即使在较高温度、较长时间下蠕变量也十分小，优于POM；其他如韧性、抗弯强度、拉伸强度等亦优于PA及其他一般塑料。
PC的低温机械强度是十分可贵的。
所以在较宽的温度范围内，低温抗冲击能力较强，耐寒性好，脆化温度低达-100℃；
②热性耐气候性优良。
PC的耐热性比一般塑料都高，热变形温度为135~143℃，
长期工作温度达120~130℃，是一种耐热环境的常选塑料。
其耐候性也很好，有人做过实验，将PC制件置于气温变化大的室外，任由日晒雨淋，三年后仅仅是色泽稍黄，性能仍保持不变；
③成型精度高，尺寸稳定好。
成型收缩率基本固定在0.5%~0.7%，流动方向与垂直方向的收缩基本一致。
在很宽的使用温度范围内尺寸可靠性高。
PC的主要缺点：
1是自身流动性差，即使在较高的成型温度下，流动亦相对缓慢；
2是在成型温度下对水分极其敏感，微量的水分即会引起水解，使制件变色、起泡、破裂；
③抗疲劳性、耐磨性较差、缺口效应敏感。
PC优良的综合性能使其在机械、仪器仪表、汽车、电器、纺织、化工、食品等领域都占据著重要地位。
制成品有：
食品包装、餐饮器具、安全帽、泵叶、外科手术器械、医疗器械、高级绝缘材料、齿轮、车灯灯罩、高温透镜、窥视孔镜、电器连接件和镭射唱片、镭射影碟等。
（4）PC的工艺参数
收缩率（%）:
0.5～0.7
密度（g/cm3）:
0.83
注射机：
螺杆式
料筒温度
喂料区70～90℃（80℃）
区1230～270℃（250℃）
区2260～310℃（270℃）
区3280～310℃（290℃）
区4290～320℃（290℃）
区5290～320℃（290℃）
喷嘴300～320℃（290℃）
括号内的温度建议作为基本设定值，行程利用率为35％和65％，模件流长与壁厚之比为50：
1到100：
1
熔料温度280～310℃
料筒恒温220℃
模具温度80～110℃
注射压力因为材料流动性差，需要很高的注射压力：
130～180MPa（1300～1800bar）
保压压力注射压力的40％～60％；保压越低，制品应力越低
背压10～15MPa（100～150bar）
注射速度取决于流长和截面厚度：
薄壁制品需要快速注射；需要好的表面质量，则用多级慢速注射。
螺杆转速最大线速度为0.6m/s；使塑化时间和冷却时间对应；螺杆需要大扭矩。
计量行程（0.5～3.5）D
残料量2～6mm，取决于计量行程和螺杆直径
预烘干在120℃温度下烘干3h；保持水份低于0.02％，会使得力学性能更优。
回收率最多可加入20％回料；较高的回料比例会保持抗热性，但力学性能会降低。
2.2凹凸模零件工作尺寸计算
2.2.1凹凸模的结构设计
（1）凹凸模的配合
凹模的结构有整体式凹模、整体嵌入式凹模、局部镶拼式凹模、四壁拼合式凹模、螺纹型环。
本塑件采用整体嵌入式凹模。
将稍大于塑件外形的较好的材料制成凹模，再将此凹模嵌入模板中固定。
其优点是“好钢用在刀刃上”。
既保证了凹模使用寿命，又不浪费价格昂贵的材料,并且凹模损坏后，维修、更换方便。
整体嵌入式凹模与模板的采用H7/m6的配合方式。
整体式凸模浪费材料且切削加工量大，在当今的模具结构中几乎没有这种结构，主要是整体嵌入式凸模和镶拼组合式凸模。
本塑件采用整体嵌入式凸模。
整体嵌入式凸模与模板采用m6/H7配合方式。
（2）凹凸模的精度
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。
影响工作尺寸的因素如下：
①塑件收缩率的影响，由于塑料热胀冷缩的原因，成型冷却后的塑件尺寸小于模具型腔的尺寸。
②凹凸模工作尺寸的制造公差，它直接影响塑件的尺寸公差，通常凹、凸模的制造公差取塑件公差的1/3～1/6，表面粗糙度取Ra值为0.8～0.4μm。
③凹凸模使用过程中的磨损量及其他因素的影响。
2.2.2凹凸模的尺寸计算
凹凸模的工作尺寸计算依据以上的三种因素来确定，依次计算凹凸模的工作尺寸。
（1）凹模的工作尺寸计算
凹模是成型塑件的外形的模型零件，其工作尺寸属于包容尺寸，在使用过程中会使
包容尺寸逐渐增大。
所以，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。
凹模的径向尺寸计算公式：
凹模的深度尺寸计算公式：
式中：
D塑——塑件外径公称尺寸
H塑——塑料高度公称尺寸
k——塑料的平均收缩率，取0.6%
△——塑件的尺寸公差
δ——模具制造公差，一般去塑件相应尺寸公差的1/3～1/6
因此：
（2）凸模的工作尺寸计算
凸模是成型塑件内形的，其工作尺寸属于被包容尺寸，在使用过程中凸模的磨损会使被包容尺寸逐渐的减小。
所以为了使得模具的磨损留有修模的余地以及装配需要，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。
凸模的径向尺寸计算公式：
凸模的高度尺寸计算公式：
式中：
d塑——塑件内形公称尺寸
h塑——塑件孔深公称尺寸
因此：
（3）螺纹型芯尺寸计算
型芯大径
型芯中径
型芯小径
型芯螺距
d模大、d模中、d模小螺纹型芯大径中径小径
d大、d中、d小塑件螺孔大径中径小径的公称值
Δ中塑件螺纹的中径公差0.300公差等级为6
δ螺纹型芯的直径和螺距制造公差
P模螺纹型芯的螺距
P塑件螺纹距的公称值=4
Q平塑料平均收缩率=0.7%
d大＝43，d中＝41，d小＝39
2.3型腔尺寸确定
注塑成型过程中，型腔承受塑料熔体的高压作用，因此凹模、凸模的底板必须具有足够的强度和刚度。
如果凹模和地板的厚度过小，则强度、刚度会不足。
强度不足会导
致型腔产生塑性变形甚至破裂；刚度不足将产生过大的弹性变形，并产生溢流间隙。
（1）组合型腔壁厚a计算
由于注塑成型受温度、压力、塑料特性及塑件形状复杂等因素的影响，所以通过刚
度、强度的计算公式得到的数据，并不能真实反映结果。
在模具设计中，型腔壁厚及支
撑板厚度通常是经验与计算相结合。
如下：
型腔壁厚a计算
a=0.1d+5
d——型腔内径
所以：
a=0.1×44+5=9.4mm
取整得：
a=10mm
（2）型腔间距b计算
对于b≧a/2,一般取12~20mm，这里取15mm。
型腔之间有流道时，一般取25～30mm，这里取30mm。
（3）型腔底板厚度C计算
型腔底板实际上就是支承板，假设支撑板上受力均匀。
1）当A<10时，C=A+10
2）当10≤A≤50时，C=0.125A+18.75
3）当50＜A≤200时，C=0.1A+20
A——塑件在分型面上的投影面积
塑件大概尺寸为A=18cm2
所以：
C=0.125×18+18.75=22，这里取C=11mm
2.4模具冷却系统确定
为了缩短成型周期，需要对模具进行冷却，常用水对模具进行冷却。
即在注塑完成
后通循环冷却水到靠近型腔的零件上或成型腔零件上的孔内，以便快速使模具冷却。
冷却系统设计应遵循如下原则：
1.设计冷却系统应先于推出机构
2.注意凹模和型芯的热平衡
3.冷却水道数量应尽量多，截面积应尽量大
4.合理确定冷却水道至型腔避的距离
5.冷却水道入口处水流温差应尽量小
6.加强浇口处的冷却
7.冷却水道应沿着塑料收缩的方向设置
（1）冷却时间计算
塑件在模具内的冷却时间，通常是指塑料熔体从充满模具型腔起到可以开模取出塑件时止的这一段时间。
可以开模的标准是塑件已经充分固化，具有一定的强度和刚度，在开模推出时不致变形、开裂。
衡量塑件已固化的准则如下：
①塑件最大壁厚中心的部分温度已冷却到该模具塑料的热变形温度以下。
②塑件截面内的平均温度已达到所规定的塑件出模温度。
③对于结晶型塑料，最大壁厚中心层达到固熔点，或者结晶达到某一百分比
采用第一种固化标准，则塑件冷却时间:
式中：
S——塑件的壁厚，塑件壁厚S=2.5mm
α——塑料热扩散系数，对于PC，α=0.092mm2/s
Tc——塑料注射温度，对于PC,Tc=210°C
TM——模具型腔壁温度,对于PC，TM=100°C
T1——塑件脱模时平均温度,对于PC，T1=136°C（载荷0.45MPa）
所以：
（2）水道数目确定
①塑料传给模具的热量
单位质量的PC在成型温度下，单位质量热流量Q=2.7×102kJ/kg。
②模具冷却时所需冷却介质流量为：
W——单位时间内注入模具中的塑料质量，对于PC，成型周期为T=40S，则每小时成型次数N=3600/T=90次。
每次注射质量为M=50g。
，则W=NM=90×50=4.5kg/h。
ρ——冷却介质的密度，冷却水的密度为ρ=1×103kg/m3。
C2——冷却介质的比热容，冷却水的比热容为C2=4.187×103J/（kg·°C）
T3——冷却介质出口温度，冷却水出口温度为T3=30°C
T4——冷却介质入口温度，冷却水入口温度为T4=25°C
所以
取冷却管道直径d=10mm，求得冷却水的流速为
③冷却水道总传热面积
A——冷却水道总传热面积。
K——冷却水道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数，
ΔT——模温与冷却介质温度之间的平均温差，ΔT=40−（30-24）/2=25°C
f——冷却介质温度有关的物理系数，从表中选取f=6.48（25°C环境下）
则：
所以：
④冷却水道数目的计算
式中：
n——冷却水道数
l——冷却水道开设方向的模具长（或宽）
所以：
取整n=6
习惯认为凸模比凹模散热条件差，易存储热量，应当对凸模比分加强冷却。
分配散热面积时，凸模部分的份额多些，一般凹模部分2/5，凸模占3/5.，再根据模架结构适当调整水道直径与管数。
2.5分型面的设计
分型面将模具分成定模和动模两部分，分型面的选择好坏对于塑件质量、操作难易、模具结构与制造成本都有很大的影响。
分型面的确定，受模具结构、模具制造工艺、总体布局、浇注系统、塑件结构工艺性、嵌件位置、推出机构等因素影响，需要综合考虑。
分型面一般遵循以下原则：
（1）分型面的选择应有利于脱模
（2）分型面的选择应有利塑件的外观质量和精度要求
（3）分型面的选择应有利于成型零部件的加工制造
（4）分型面应有利于侧向抽芯
该塑件的分型面如图2.2所示
图2.2分型面
因该制品属于小型排气量不大，可利用分型面间隙以及推杆与孔配合间隙处排气。
2.6浇注系统的设计
基于一模多腔的模具设计方案，可以实现生产效率高，生产成本低和材料利用率高等优点。
在满足经济效益的同时，又可以保证产品质量，该模具采用一模二腔的设计方案。
型腔布局通常有圆形、H形、直线形及复合排列。
在进行形腔布置时，应根据塑件的形状和大小来确定排列方式，型腔的布置和浇口的开设部位应力求对称，以防止模具承受偏载而产生溢料现象，型腔排列宜紧凑，以节约钢材，减轻模具重量，节约成本。
综上所述，型腔排列方式如下图2.3所示：
图2.3型腔排列方式
浇注系统分为普通流道浇注系统和无流道（热流道）浇注系统两大类。
该模具采用普通流道浇注系统，普通流道浇注系统结构包括主流道，分流道、冷料穴，浇口。
（1）主流道的尺寸
主流道是塑料熔体进入模腔时最先经过的部位，它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道活型腔。
形状为圆锥形，便于熔体顺利地向前流动，开模是主流道又能顺利地拉出来。
图2.4主流道
主流道的主要尺寸如下：
锥角α=2～6°
表面粗糙度Ra<0.8μm；取Ra=0.5μm
主流道小端直径d=5mm
主流道球面半径R=20
主流道长度L=65mm
主流道大端直径
D=8mm
主流道总长L0=72mm
（2）主流道衬套的形式与固定
主流道衬套又称浇口套，由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，通常不直接开在定模板上，而是将它单独设计成主流道衬套镶入定模板内。
主流道衬套通常由高碳工具钢制造并热处理淬硬，一般选用T8、T10钢，并进行淬火加低温回火，强度约为55HRC。
浇口套与定模板采用H7/m6的配合。
（3）分流道的设计
1分流道的形状及尺寸
为了便于机械加工及凝料脱模，分流道大设置在分型面上。
梯形界面的分流道机
械加工工艺性好，熔体热量损失和流动压力损失均比较小。
所以分流道采用梯形截面，如图2.5,
图2.5分流道形状尺寸
梯形大底边宽度
梯形高度
②分流道的长度
分流道的长度尽量短，弯折少，以减少压力和热量损失，提高材料利用率。
其长度在实际绘图中得出。
③分流道的表面粗糙度
熔体在分流道流动时其外层因与模具表面接触而冷却固化，唯有中心部分的熔体处于较好的流动状态，对分流道的表面粗糙度Ra并不要求很低，一般来说，分流道的表面粗糙度Ra取1.6μm左右。
④分流道的布置形式
分流道在分型面上的布置与型腔排列分流到布置形式密切相关，有多种不同的布置形式，应该遵循两方面原则：
一方面排列紧凑、缩小模具板面尺寸；另一方面流程尽量段、锁模力力求平衡。
模具的流道布置形式采用平衡式，这种布置可实现均衡送料和同时充满型腔的目的，使成型的塑件力学性能基本一致。
（4）冷料井的设计
冷料井位于主流道正对面的动模板上或处于分流道末端。
其作用是捕集料流前峰的“冷料”，防止“冷料”进入型腔而影响塑件质量，开模是又能将主流道的凝料拉出。
冷料穴的尺寸宜稍大于主流道大端的直径，取D=10mm，长度约为主流道大端直径，取H=8mm。
冷料井的形式有两种：
①底部带有推杆的冷料井
②底部带有拉料杆的冷料井
这里选用底部带有拉料杆的冷料井，如图2.6所示：
图2.6
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