塑料水杯注塑模具设计.docx

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塑料水杯注塑模具设计

XXX学院

学生课程设计（论文）

题目：

杯子注塑模具课程设计

学生：

XXXXXXXXXX

学号：

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

所在院（系）：

机械工程学院

专业：

工业设计

班级：

2011工业设计班

指导教师：

XXX

摘要

根据塑料制品的要求，了解塑件的用途，分析塑件的工艺性、尺寸精度等技术要求，考虑塑件制件尺寸。

本模具采用一模两腔，点浇口进料，注塑机采用HTF80/X1A型号，设置冷却系统，CAD和Proe绘制二维总装图和零件图，选择模具合理的加工方法。

附上说明书，系统地运用简要的文字，简明的示意图和和计算等分析塑件，从而作出合理的模具设计。

关键词：

机械设计；模具设计；CAD；Proe

1前言

模具是工业生产中使用极为广泛的基础工艺装备。

在汽车、电机、仪表、电器、电子、通信、家电和轻工业等行业中，60%～80%的零件都依靠模具成形，并且随着近年来这些行业的迅速发展，对模具的要求越来越高，结构也越来越复杂。

用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产效率和低耗率，是其它加工制造方法所不能比拟的。

随着塑料工业的飞速发展和通用塑料与工程塑料在强度和精度等方面的不断提高，塑料制品的应用围也在不断地扩大，越来越普遍地采用塑料成型。

该方法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料，制得的塑料制品数量之大是其它成型方法望尘莫及的。

作为注塑成型加工的主要工具之一注塑模具，在质量、精度、制造周期以及注塑成型过程中的生产效率等方面水平高低，直接影响产品的质量、产量、成本及产品的更新换代，同时也决定着企业在市场竞争中的反映能力和速度。

注塑模的种类很多，其结构与塑料品种、塑件的复杂程度和注塑的种类等很多因素有关，其基本结构都是由动模和定模两大部分组成的。

定模部分安装在注塑机的固定板上，动模部分安装在注塑机的移动模板上，在注塑成型过程中它随注塑机上的合模系统运动。

注塑成型时动模部分与定模部分由导柱导向而闭合。

一般注塑模由成型零部件、合模导向机构、浇注系统、侧向分型与抽芯机构、推出机构、加热和冷却系统、排气系统及支承零部件组成。

由于模具的使用特点，决定了模具设计也区别与其它行业。

模具设计要考虑的要点如下:

a．塑件的物理力学性能，如强度、刚度、韧性、弹性、吸水性以及对应力的敏感性，不同塑料品种其性能各有所长，在设计塑件时应充分发挥其性能上的优点，避免或补偿其缺点。

b．塑料的成型工艺性，如流动性、成型收缩率的各向差异等。

塑件形状应有利于成型时充模、排气、补缩，同时能使热塑性塑料制品达到高效、均匀冷却或使热固性塑料制品均匀地固化。

c．塑件结构能使模具总体结构尽可能简化，特别是避免侧向分型抽芯机构和简化脱模结构。

使模具零件符合制造工艺的要求。

对于特殊用途的制品，还要考虑其光学性能、热学性能、电性能、耐腐蚀性能等。

随着计算机技术的发展应用，模具设计与制造技术正朝着数字化方向发展。

特别是模具成型零件方面的软件等，这些技术采用计算机辅助设计，进而将数据交换到加工制造设备，实现计算机辅助制造，或将设计与制造连成一体实现设计制造一体化。

本课题容是对饮水杯进行测绘及基于生产实践之上对注塑模具设计。

模具设计主要容有型腔布局、浇口形式与位置、模胚选择、分型面的确定、冷却系统设置、推出机构设置、注塑机台选择及注塑工艺分析等。

根据塑料制品的要求，了解塑件的用途，分析塑件的工艺性、尺寸精度等技术要求，本模具采用一模两腔布局，点浇口进料，注塑机采用HTF100XB型号，设置冷却系统，CAD和绘制二维总装图和零件图，系统地运用简要的文字，简明的示意图和和计算分析，从而作出合理的模具设计。

选择合理的加工方法。

模具方案确定后进行工艺分析。

根据此方案可以达到设计的预期效果，并且大大提高了注塑模的质量。

2塑件的工艺分析

2.1塑件原材料分析

塑料是以树脂为主要成分的高分子材料，它在一定的温度和压力下具有流动性。

可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸，并在成型固化后保持其既得形状而不发生变化。

塑料有很多优异性能，广泛应用于现代工业和日常生活，它具有密度小，质量轻，比强度高，绝缘性能好，介电损耗低，化学稳定性高，减摩耐磨性能好，减振隔音性能好等诸多优点。

另外，许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射及耐瞬时烧蚀等特殊性能。

此产品壁厚均匀，PS性能优良，成本低廉，符合需求生产量大的要求，容易成型，对于本课题零件相当适用，所以在这选择其为产品的材料。

PS是大多数商业用的透明的、非晶体材料。

PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、光学透过特性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向。

它能够抵抗水、稀释的无机酸，但能够被强氧化酸如浓硫酸所腐蚀，并且能够在一些有机溶剂中膨胀变形。

典型的收缩率在0.4~0.7%之间。

是一种良好的热塑性塑料。

PS吸水性极小,成型前可不予干燥。

性脆易裂,热胀系数大,容易产生应力。

流动性很好,应注意模具间隙,防止出现飞边。

可用柱塞式或螺杆式注塑机成型,为防止淌料,建议采用直通式或自锁式喷嘴。

宜用高料温,高模温,低注塑压力,延长注塑时间,以利于降低应力,防止缩孔及变形。

但料温过高,容易出现银丝,料温低或脱模剂地多,则塑件透明性差。

可采用各种形式的浇口,推出要求受力均匀。

注塑模工艺条件:

通常不需要干燥处理。

如果需要干燥，建议干燥条件为80℃、2~3小时。

熔化温度：

180~280℃。

对于阻燃型材料其上限为250℃。

模具温度：

40~50℃。

注塑压力：

200~600bar。

PS在机械工业上用来制造壳体盖、泵业轮、轴承、把手、管道、管连接件、蓄电池槽、冷藏库和冰箱衬里等，汽车工业上用PS制造汽车挡泥板、扶手、热空气调节导管等，还可用PS夹层板制小轿车车身。

PS还可用来制造水表壳，纺织器材，电器零件、玩具、电子琴及收录机壳体、食品包装容器，农药喷雾器及家具,产品包装，家庭用品（餐具、托盘等），电气（透明容器、光源散射器、绝缘薄膜等）。

2.2塑件的结构工艺分析

在模具设计之前需要对塑件的工艺性如形状结构、尺寸大小、精度等级和表面质量要进行仔细研究和分析，只有这样才能恰当确定塑件制品所需的模具结构和模具精度。

课题目标产品是一个生活中常见的饮水杯，其零件外形如图所示。

具体结构和尺寸详见图纸，该塑件结构简单，生产量大，要求较低的模具成本，成型容易，精度要求不高。

塑件的尺寸精度直接影响模具结构的设计和模具的制造精度。

为降低模具的加工难度和模具的制造成本，在满足塑件要求的前提下尽量把塑件的尺寸精度设计得低一些。

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软件过分析塑件的体积为：

模型体积

=28.3

3.2塑件的质量分析

PS的密度为1.05

，即可以得出该塑件制品的质量为：

质量=29.7g。

3.3塑件的壁厚分析

在纵切面中将切面数定位35个，偏移为3mm，最大厚度为5mm，最小为1mm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20个，偏移为3mm，最大厚度为4mm，最小为1mm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30个，偏移为3mm，最大厚度为5mm，最小为1.2mm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°。

塑件表面的拔模检测结果如下：

拔模角度β1=1°

图3.4塑件壁拔模检测

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选择注塑机及模具结构设计

4.1模具成型零部件的设计与计算

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。

4.1.1凸、凹模的设计与计算

凸模亦称型芯，是成型塑件表面的零件，成型其主体部分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

由于注塑压力及模具分型面平面度的影响，会导致动模、定模注塑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4.1.1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

径向尺寸：

高度尺寸:

（3）模具型芯位置尺寸计算:

4.1.2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。

4.1.3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4.1.2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，型腔壁尺寸：

=78mm，

=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70mm；

----型腔长边长度278mm；

[

]----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=278mm代入计算。

得：

，

。

则：

4.2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，初步定位一模两腔的结构形式。

型腔排列形式的确定，由于该设计采用的是一模两腔塑件放置在中央。

如下图：

图4.2.1型腔布局

4.3浇注系统的设计

图4.3.1型腔布局

浇注系统是指注塑模中从主流道始端到型腔之间的熔体进料通道，浇注系统可分为普通流道浇注系统和无流道凝料浇注系统两类，本设计中采用普通点浇口浇注系统。

正确设计浇注系统对获得优质的塑料制品极为重要。

浇注系统组成：

普通流道浇注系统的组成一般包括以下几个部分[4]。

1－主浇道2－第一分浇道3－第二分浇道4－第三分浇道

5－浇口6－型腔7－冷料穴

4.3.1流道的设计

（1）所选用HTF100XB型注塑剂喷嘴有关尺寸如下：

喷嘴前段孔径d0=3.5mm

喷嘴圆弧半径R0=12mm

为了使凝料能够顺利拔出，主流道的小段直径d应稍大于喷嘴直径。

d=d0+（0.5~1）=4mm

主流道设计成圆锥形，其锥角通常为2~4∘，过大的锥角会才产生湍流或涡流，卷入空气，过小的锥角使凝料脱模困难，还会使冲模时熔体的流动阻力过大，此处的锥角选用2∘，主流道球面半径比喷嘴球面半径大1~2mm。

这里取主流道球面半径R20mm，经测量主流道长度L取15mm。

图4.3.2主流道设计图

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，选用梯形截面的分流道。

形状如下图：

图4.3.3分流道设计图

①分流道总长度：

L2=180mm，

②分流道截面高度：

D2=3mm，

②分流道截面宽度：

D2=6mm，

4.3.2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4.3.4浇口形式

其中d=1mm，l=1mm,L=37mm

4.3.3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4.2.4进料口位置

图4.3.5浇口形式

4.4选择注塑机

4.4.1注塑量的计算

通过三维软件分析得到塑件体积约为：

V0≈28.26cm³

塑件的质量根据公式m=ρ·V，查相关资料得到PS的密度为1.05

，由此得到塑件质量：

m0=1.05×28.26=29.7g

4.4.2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两腔，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）×2=84.78cm³

4.4.3锁模力的计算

选用注塑机的锁模力必须大于型腔压力产生的开模力，不然模具分型面要分开而产生溢料。

塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素。

成型投影面积

=

式中：

n--型腔数目

--单个塑件在模具分型面上的投影面积

--浇注系统在模具分型面上的投影面积

n=2

=5150

=1101

本设计中

=2x5150+1101=17625

锁模力和成型面积的关系根据依照以下计算公式确定：

/80%

式中

—锁模力，kN；

—型腔压力，MPa；

A—成型投影面积，mm2；

一般熔料经喷嘴时其注塑压力达60～80MPa，经浇注系统入型腔时型腔压力通常为20-40MPa，这里取30MPa。

计算：

×A/1000=30×17625/1000/0.8=660.95kN（取整661kN）

得出预选注塑机额定锁模力为661kN以上。

4.4.4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=105.98cm³

所以初步选定用HTF80/X1A型注塑机。

HTF80/X1A型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]

理论注塑容积（cm³）

131

螺杆直径（mm）

34

注塑压力（MPa）

206

注塑速率（g/s）

81.2

塑化能力（g/s）

10.6

螺杆转速（r/min）

0—220

锁模力（kN）

800

拉杆间距（mm×mm）

365×365

移模行程（mm）

310

模具最大厚度（mm）

360

模具最小厚度（mm）

150

锁模形式

液压

模具定位孔直径（mm）

￠125

喷嘴球半径（mm）

SR10

喷嘴口孔径（mm）

￠3

喷嘴伸出量（mm）

50

顶出力（kN）

33

4.5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；另一方面各种注塑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）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围。

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。

（5）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。

（6）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，分型面应设在注塑时熔融塑料最后到达的位置，而且不把型腔封闭。

综合考虑各种因素，并根据本模具制件的外观特点，采用平面分型面，并选择在塑件的最大平面处，开模后塑件留在动模一侧，如图所示。

图4.5分型面

4.6排气系统的设计

排气是注塑模设计中不可忽视的一个问题。

在注塑成型中，若模具排气不良，型腔的气体受压缩将产生很大的背压，阻止塑料熔体正常快速充模，同时气体压缩所产生的热使塑料烧焦，在充模速度大、温度高、物料黏度低、注塑压力大和塑件过厚的情况下，气体在一定的压缩程度下会渗入塑料制件部，造成气孔、组织疏松等缺陷。

特别是快速注塑成型工艺的发展，对注塑模的排气系统要求就更为严格。

在塑料熔体充模过程中，模腔除了原有