塑料水壶盖模具设计.docx

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塑料水壶盖模具设计

水壶盖模具设计

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摘要

本文首先分析塑料水壶盖的结构、性能和工艺要求，确定塑件材料。

然后对塑件结构进行工艺性分析，确定了分型面、浇注系统等，选取合适的注塑机型号，设计了1模4腔注射模。

介绍该塑件的注射模具设计，重点介绍型芯、型腔等工作零部件的工作尺寸计算和结构设计，对浇注系统及冷却系统的设计也做了详细介绍，介绍了模具工作过程。

在实际应用中模具动作平稳可靠，生产的塑件符合设计和使用要求。

最后分析模具的工作原理，确定此设计结构的可靠性，并运用AutoCAD和PRO/E绘制了一套模具装配图和部分零件图。

关键词：

水壶盖；注射模具；塑料成型

Abstract

Thispaperanalyzesthestructuraldesignofkettlelibs,performanceandtechnicalrequirements,determinethematerialplasticparts,plasticpartsofthestructureanalysisprocesstodeterminethesub-surface,castingsystem,selecttheappropriateinjectionmachinedesignedfora4cavitymoldinjectionmold.Introducethedesignofinjectionmoldplasticparts,focusingoncore,cavityandotherpartsofthesizeoftheworktheworkofcalculationandstructuraldesign,gatingsystem,castingsystems,andpullingroddesignhasalsodoneadetaileddescriptionofthedieworkprocess.Inpractice,themoldissmoothandreliableproductionofplasticpartsmeetthedesignanduserequirements.Finally,theworkingprincipleofthemoldtodeterminethereliabilityofthisdesignstructure,andtheuseofAutoCADandPRO/Edrawapartofthemoldassemblyandpartdrawings.

Keyword:

Toothbrushcup;injectionmold;plasticmolding

第一章绪论

1.1引言

模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。

用模具制造零件以其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造业中[1]。

模具是一种重要的国工工艺装备，是国民经济各工业部门发展的重要基础之一。

模具是压力加工或其它成形加工工艺中，使材料变形制成产品的一种重要工艺装备，应用广泛。

它在锻造、塑料加工、压铸等行业中起着重要作用[2]。

模锻件、冲压件、挤压和拉拔件等，都是使金属材料在模具中发生塑性变形而获得的；压铸零件、粉末冶金零件也在模具中充填加工成形的；而塑料、陶瓷、玻璃制品等非金属材料的成形加工也多是依靠模具。

少无切削加工是机械制造业发展的一个方向，而模具是利用压力加工实现无切削工艺的关键。

模具成形有优质、高产、低消耗和低成本等特点，因此得到了广泛应用。

据初步统计：

依靠模具加工的产品和零件，电行业占80%，机电行业占70%以上。

轻工、军工、冶金及建材等行业大部分产品和生产都离不开模具[3]。

1.2塑料模具的现状及发展趋势

（1）塑料模具的现状

塑料制品在人们的日常生活中及现代化工业生产领域中得到日益广泛的应用。

随着塑料工业的发展，社会对塑料制品的需求愈来愈大。

据统计，在现代化工业生产中，60%～90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业已经成为工业发展的基础[2]。

而塑料注射模在模具中所占的分量越来越大，其发展也非常迅速，大有凌驾其它模具之上的趋势。

专家预测，在未来的模具市场中，塑料模具在模具总量中的比例将逐步提高，且发展速度将高于其他模具。

国内相塑料模具相对国外来说比较落后，目前大多用的是单型腔，简单型腔的模具达70％以上，仍占主导地位，一模多腔精密复杂的塑料注射模，多色塑料注射模已经能初步设计和制造，但是有很多精密的模具都要靠进口。

不过，我国模具从开始起步到现在有经历了半个世纪的发展，模具工业有了很大的发展，1999年我国模具工业产值为245亿，至2002年我国模具总产值约为360亿元，其中塑料模约30%左右，年均增速均为13%。

模具制造水平也有了很大的提高，成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展。

气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29～34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术，一些厂家还使用了C-MOLD气辅软件，取得较好的效果。

如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。

热流道模具开始推广，有的厂采用率达20%以上，一般采用内热式或外热式热流道装置，少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。

但总体上热流道的采用率达不到10%，与国外的50%～80%相比，差距较大[2]。

（2）塑料模具的发展趋势

目近年来，随着塑料工业突飞猛进地向前发展，模具设计和制造工业也发生了根本的变化.高效率、自动化、大型、超小型、高精度、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比例越来越大。

作为最有效的塑料成型方法之一的注射成型技术具有可以一次成型各种结构复杂和尺寸精密的塑件。

成型周期短、生产率高、大批生产时成本低廉、易于实现自动化或自动化生产等优点，因此，世界塑料成型模具产量中约半数以上是注射模具[2]。

近几年来，在我国其发展速度之快、需求量之大是前所未有的，但总体上与工业发达的国家相比仍有较大的差距。

未来国内外塑性模具的制造技术和成型技术有如下发展趋势：

1）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；2）高速铣削加工将得到更广泛地应用；3）在塑料模具中推广应用热流道技术、注射成型和高压注射成型技术；4）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；5）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；6）虚拟技术将得到发展；7）模具自动加工系统的研制和发展。

广泛应用CAD/CAE/CAM技术，逐步走向集成化的方向发展。

1.3本课题研究意义

本课题主要是研究一个保温壶的盖子，从经济、实用、方便等角度出发，又由于其在人类生活中必不可少，需求量大，对选材有一定的质量要求，总结起来，在当前市场上总的特点如下：

（1）发展较快，竞争较激烈。

（2）更新换代快。

（3）市场需求大。

（4）明显的向着耐用、方便、美观等方向发展。

跟着市场走，才能带来销量，才能创造利润，所以，本课题将围绕着怎样以最经济、最快捷、最方便的生产出最符合市场需求的水壶盖为核心，探讨一下注塑模具的设计。

国内的注塑模具行业近年有了明显的提高，从而也带动了注射模的迅速发展，但是与国际水平仍然有一定的差距，主要缺陷明显的表现在精度不高，技术含量底、复杂程度底等缺点。

严重的阻碍着国内制造业的发展。

设计出好的产品却无法做出是我模具业最大的不足。

因此，注重科技含量，借签了国外的先进理论技术则尤为重要。

第二章水壶盖制件分析

2.1水壶盖外形设计

根据日常生活中水壶盖的外形及其耐用、耐摔、耐腐蚀等特点，确定制件如图2-1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25.57cm3。

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）综合性能较好，冲击强度较高，化学稳定性，电性能良好；

（2）与372有机玻璃的熔接性良好，制成双色塑件，且可表面镀铬，喷漆处理；

（3）有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别；

（4）流动性比HIPS差一点，比PMMA、PC等好，柔韧性好，适于制作一般机械零件，减磨耐磨零件。

图2-1水壶盖尺寸外观

2.2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；

抽芯机结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。

不符合水壶盖生产的快速、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。

第三章注射模具设计

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。

3.1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3-1（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3-1（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。

（a）图3-1分型面的选择（b）

3.2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

3.3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。

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d=3mm，D=6mm。

图3-3主流道浇口套

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=18mm，一般取sr=SR+0.5/1，为sr=19mm。

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。

5）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=15mm。

6）浇口套长度L取为35mm。

（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）采用梯形截面分流道，Ra=1.6

.

2）分流道的当量直径：

D分=0.2654

27.051150.5

750.25=4.06mm（3-1）

，斜度

，底面半径r=1mm。

3）分流道布置

采用平衡式布置，要求从主流道各个型腔的分流道其长度、形状及断面尺寸对应相等，达到各个型腔同时均匀进料，保证各个型腔成型出的塑件在强度、性能及质量上的一致性。

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

3.4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平衡点浇口形式。

因为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，塑件壁厚为2mm，故取浇口直径d=1.0mm，浇口长度

mm。

（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底面中心部位。

3.5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

3.6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。

。

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

3.7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，如图3-6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。

图3-6脱模机构

（2）推杆尺寸计算

选定模架尺寸后，此尺寸既定。

（3）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。

选用T8A制造，淬火后硬度应达到HRC54～58，如图3-8所示。

图3-7脱模板

3.8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3-8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

图3-9工作零件

（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。

式中：

s为制件收缩率，取0.5%；

，制件尺寸公差；

制造公差，取

3.9导向及定位机构

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3-10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。

3.10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；

本模具的排气孔设计在分型面上。

第四章模具动作过程说明

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

1.定模座板、2.定模座、3.型芯、4.螺钉、5.浇口套、6.定位圈、7.导套、8.导柱、9.推杆、10.推杆、11.推杆固定板、12.导套、13.导柱、14螺钉、15动模座板、16.垫块、17支撑板、18.垫圈、19.型芯固定板、20.限位拉杆、21推件板、22弹簧

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，主浇道凝料随之拉出；模具继续打开一段距离后，在限位拉杆20和垫圈18的作用下，模具沿2-2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10时，动模座板停止运动而推出机构继续运动，此时，在脱件板21的作用下，塑件被推出，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。