分类垃圾桶底座热流道注射成型工艺及模具设计.docx

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分类垃圾桶底座热流道注射成型工艺及模具设计

分类垃圾桶底座热流道注射成型工艺及模具设计

作者XX：

吴杰

专业名称：

机械工程及自动化

指导教师：

王二讲师

摘要

本毕业设计论文详细记录了分类垃圾桶底座热流道模具的设计全过程。

本文主要内容包括：

垃圾桶的改进方案、制品的选材、制品的工艺分析、注射机的选择及校核、热流道浇注系统的设计、脱模机构的设计、成型零件和结构零件的设计以及相关尺寸的计算校核、排气系统及温控系统的设计、模具材料的选择等注射模设计中的关键问题。

其中热流道浇注系统的设计是本次毕业设计的重点。

此外，本文中还包括一篇文献综述。

关键词：

垃圾桶底座热流道注射机注射模具

Abstract

Thethesisofthegraduatedesignnotesthewholedesignprocessesofthehotrunnermouldfortherubbishbinpedestalindetails.

Thethesismainlyincludes:

theimprovingmethodoftherubbishbin,theselectingmaterialoftheproduct,thetechnicalanalysisoftheproduct,theoptionandcheckoftheinjectormachine,thedesignofhotrunnersystem,thedesignoftheejectionmechanism,thedesignofthemoulding，partsandmakeupparts,aswellassomekeyproblemininjectionmoulddesign.Suchas:

thecalculationsoftherelatedsizes,exhaustingsystemandtemperaturecontrolsystem,thechoicesofthemouldmaterials.Andtheemphasisofthisdesignisthedesignofthehotrunnersystem.

Besides,thisthesisincludesaliteraturesummary.

Keywords：

rubbishbinpedestalhotrunnersysteminjectormachineinjectionmould

引言

近年来我国塑料模具业发展相当快，目前，塑料模具在整个模具行业中约占30%左右。

且随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，对模具工业提出了越来越高的要求。

以前传统的注塑模具及其生产出来的产品已不能满足当前人民的需要了。

于是一些新型的注塑模技术以其优良的产品质量、低的注射成本、高的生产效率等优点不断应用于当今模具行业，兴起了新一波的制造业高潮。

热流道技术正是其中的一种，且随着科技的进步越来越广泛地应用到现代模具行业中。

热流道成型是指从注射机喷嘴送往浇口的塑料始终保持熔融状态，在每次开模时不需要固化作为废料取出，滞留在浇注系统中的熔料可在再一次注射时被注入型腔。

该系统一般由喷嘴、热流道板、温控器和加热元件热流道加热元件等几部分组成。

第一章塑件工艺分析及模具结构方案

1.1塑件工艺分析

1.1.1塑件结构特点及工艺性

重量378g

密度0.91g/cm3

材料PP（聚丙烯）

体积415㎝3

厚度2mm

投影面积约为：

500cm2

该塑件为垃圾桶的底座。

现在市场上用于家庭或办公室的垃圾桶均为单桶式，它的不足是不能将垃圾分类，最终造成环境的污染，及可回收材料的浪费。

因此，我们立足于这一不足点，将垃圾桶进行改进，使其成为绿色环保性的双桶式垃圾桶。

两桶成对称分布，高度为65mm，壁厚2mm，其加强筋部分均为3㎜，且高度均为1㎜，最大投影面积为50000mm2。

制件的外表面的光洁度要求比较高，内表面的精度低些，塑件精度外表面选MT2级，内表面选MT3级。

该垃圾桶的底座只有两个部位尺寸要求严格，即与桶身相配合的10个小凸台、装脚踏板的4个小孔。

并且在安装的过程中，均是强制压入。

其它部位可由设计者，根据材料的节省、模具加工的难易、模具设计的方便性自行进行修改。

从制件的结构来看，2㎜厚的制品必须在工艺上考虑其充模能力。

此外该制件的造型有点，这是一大难点，这可能会给后面的零件及模具图的表达带来困难。

1.1.2塑件材质及成型工艺性

该塑件所采用材料为：

聚丙烯（PP）。

它来源广泛，合成工艺较简单、密度小、价格低、加工成型容易。

拉伸强度、压缩强度等都比低压聚乙烯高，还有很突出的刚性和耐折叠性，以及优良的耐腐蚀性和电绝缘性。

但冲击性能不足，低温条件下易脆裂，且成型收缩率较大，热变形温度不高，但可以通过改性改善。

它主要的成形特性如下：

1.结晶性料，吸湿性小，可能发生熔融破裂，长期与热金属长期接触易发生分解。

2.流动性极好，溢边值0.003mm左右。

3.冷却速度快，浇注系统及冷却系统应散热缓慢。

4.成形收缩X围大，收缩率大，易发生缩孔、凹痕、变形、方向性强。

5.注意控制成形温度，料温低方向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50℃以下塑件不光泽，易产生熔接不良，流痕；90℃以上易发生翘曲、变形。

6.塑件应壁厚均匀，避免缺口、尖角，以避免应力集中。

表1.1聚丙烯成型条件

塑料名称

聚丙烯

料筒温度（℃）

后段

160～170

中段

200～220

前段

180～200

缩写

PP

注射压力（MPa）

70～120

注射成形机类型

螺杆式

注射时间（s）

0～5

密度（g/cm3）

0.90～0.91

保压时间（s）

20～60

比容（ml/g）

1.92

冷却时间（s）

15～50

收缩率（%）

1.0～2.5

总周期（s）

40～120

喷嘴温度（℃）

170～190

螺杆转速（r/min）

48

干燥

温度（℃）

70～85

适用注射机类型

螺杆式

柱塞式均可

时间（h）

2

模具温度（℃）

40～80

后处理

无

1.2确定模具结构方案

1.2.1参考方案

方案一：

普通的冷流道浇注系统，单分型面，直浇口设计。

方案二：

采用热流道浇注系统。

单分型面，点浇口设计。

1.2.2方案的确定

方案一：

设计容易，成本低。

但由于壁厚较薄，形状复杂，可能有充不满的情况发生。

并且由于冷料穴及凝料的存在，不仅降低了原材料的使用率，而且大大降低生产效率，操作繁杂，实现不了自动化生产，故淘汰此方案。

方案二：

采用热流道浇注系统,成本比传统的冷流道浇注系统高。

但由于热流道系统消除了多余的废料，也就消除了这些废料给模具带来的多余热量，缩短制件成型周期，制件成型固化后便可及时顶出，从而可使生产效率提高10％左右。

并且消除了后续工序，有利于生产自动化，制件经热流道模具成型后即为成品，无需修剪浇口及回收加工冷浇道等工序，有利于生产自动化，从而提高劳动生产率。

经过综合考虑，采用方案二较好。

1.2.3分型面的确定

分开模具能取出塑件的面，称作分型面。

分型面的方向尽量采用与注塑机开模成垂直方向，并满足分型面取在最大轮廓处，并且不影响制件外表面的光洁度。

分析制件的结构，最终将分型面选择在沿加强筋布置的位置。

1.2.4型腔数目的确定

为了使模具注塑机相匹配以提高生产率和经济性，并保证塑件精度，模具设计时因合理确定型腔数目。

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。

该塑件结构较复杂，且流程比较长，两边成对称分布。

根据分析与经验，选择两边的中心位置进浇。

所以我们选用一模一件。

1.3选择注塑成型设备并进行校核

各种型号的注塑机安装模具部分的形状和尺寸各不相同。

设计磨具时应校核的主要项目有：

喷嘴尺寸、定位圈尺寸、最大模厚、最小模厚、模板的平面尺寸和模具安装用螺钉孔位置尺寸等。

1.3.1塑件制品体积的计算

塑件的体积与注塑机的选择密切相关，通常我们先通过塑件体积来计算来初选注塑机，然后通过锁模力等对所选的注塑机进行校核。

塑件体积为415㎝3，

预选1000cm3的注射机，其型号为XS-ZY-1000。

1.3.2选择注射机

根据V注及T计，并综合考虑注射机的塑化能力，公称注射量，公称注射压力，工程锁模力，安装模具的有效空间，顶出形式及顶出行程，移模行程等等，选用型号为XS-ZY-1000的注塑机。

国产注塑机XS-ZY-1000技术规格

标称注射量cm31000

螺杆直径mm85

注射压力MPa121

注射行程mm260

螺杆转速r/min21、27、35、40、45、65、83

注射时间s3

注射方式螺杆式

合模力104N450

最大成型面积cm1800

模板最大行程mm700

模具最大厚度mm700

模具最小厚度mm300

拉杆空间mm650×550

合模方式两次动作液压式

推出形式中心及两侧推出（350）

电动机功率KW22

螺杆驱动功率KW13

加热功率KW40

喷嘴球半径mm18

喷嘴孔半径mmΦ7.5

定位圈尺寸mmΦ150

机器外形尺寸m7.67×1.74×2.38

设备产地XX塑机厂

1.3.3注塑机校核

1.3.3.1注射压力的计算及较核

注射压力的较核是检验注射成型机的最大注射压力能否满足制品成型的要求，因此注射机的最大注射压力要大于制件所要求的注射压力。

由以上PP的性能可知PP的注射压力为70～100MPa，而我们所选择的注射机的注射压力为121MPa。

因此我们可得所选的注射机满足制件的要求。

1.3.3.2锁模力的计算及较核

当高压的塑料熔体充满型腔时，在模具型腔内会产生一个沿注射机轴向的很大的推力，力图使模具沿分型面涨开，其值等于塑件和流道系统在分型面上总面积乘以型腔内塑料压力。

这个力应小于注塑机的额定锁模力F。

否则在注射成型时会因锁模不紧而产生溢边跑料的现象。

型腔内的塑料熔体的推力T推（N）可按下式计算

T推＝A×P平均≤A×kp0

式中T推——型腔内塑料熔体沿注射机轴向的推力N；

A――塑件和浇注系统在分型面上的投影面积mm2；

P平均――型腔（及流道）内塑料熔体的平均压力，MPa；（中小型制件一般取20～40Mpa）

P0――注射压力，MPa

k――压力损耗系数，随塑料的品种、注射机的形式、喷嘴的阻力、流道阻力等因素变化，取值X围为0.2∼0.4。

经计算塑件和流道系统的投影面积约为50000mm2

F0＝50000×30=1500000N=150×104N≤450×104N（合模力）

因此，我们可得所选的注射机满足制件成型的要求。

1.3.3.3开模行程的校核

开模行程与塑件推出距离的校核取出制件所需的开模距离，必须小于注塑机的最大开模距离。

塑件的总厚度约为65mm左右，顶出距离最大为20mm左右即可，加上模具的总厚度526㎜，而注塑机的最大开模行程为700mm，该模具又为热流道（无凝料）。

所以，开模行程与塑件推出距离相匹配。

第二章垃圾桶底座的Moldflow模流分析

2.1MOLDFLOW软件简介

Moldflow公司为一家专业从事塑料计算机辅助工程分析（CAE）的跨国性软件和咨询公司。

自从1978年美国Moldflow公司发行了世界上第一套流动分析软件，几十年来以不断的技术改革和创新一直主导着CAE软件市场。

Moldflow以市场占有率87％及连续五年17％的增长率成为全球主流分析软件。

公司有遍布全球60个国家超过8000家用户,在世界各地都有Moldflow的研发单位及分公司。

Moldflow拥有自己的材料测试检验工厂，为分析软件提供多达8000余种材料选择，极大提高分析准确度。

从设计到加工Moldflow提供全套解决方案，让用户轻松拥有高品质产品，是企业面向世界的必经之路。

Moldflow的产品用于优化制件和模具设计的整个过程,提供了一个整体解决方案。

Moldflow软硬件技术为制件设计、模具设计、注塑生产等整个过程提供了非常有价值的信息和建议。

Moldflow系列产品主要包括：

MPA：

MoldflowPlasticAdvisers（快速试模分析）

MPI：

MoldflowPlasticInsight（高级成型分析）

2.2垃圾桶底座塑件的有限元模型的建立

Moldflow作为成功的注塑产品成型仿真及分析软件，采用的基本思想也是工程领域中最为常见的有限元方法。

简单说来，有限元方法就是利用假想的线或面将连续介质的内部和边界分割成有限大小的，有限数目的，离散的单元来研究。

这样，就把原来一个连续的整体简化成有限个单元的体系，从而得到真实结构的近视模型，最终的数值计算就是在这个离散化的模型上进行的。

2.2.1有限元网格划分

将三维数据导入到Moldflow中，由于本制件尺寸为424×290×65mm，网格的单位格不能太大或太小，因为网格太大则模拟不够准确，网格太小则计算机模拟时间非常长甚至模拟不成功。

这里划分网格的Globaledgelenth选10mm，划分后很好的保证了模拟的精度，并且使电脑计算量不大。

划分网格后，经过网格状态统计后，一般网格都会出现各种问题，尤其是大型制件。

大型制件网格的好坏直接影响模拟的精度，不好的网格甚至模拟错误或模拟不成功。

网格经修复后，网格示意图如下：

图2.1Moldflow有限元网格模型

其中网格的三角形（Surfacetriangles）数量为26538，节点（Nodes）数量为13577，自由边与非重叠边全部为零，网格匹配率为92.6%，三角形最大纵横比为5.93，最小纵横比为1.15，满足流动分析、翘曲分析及冷却分析对网格的要求。

2.3塑料制件的选材

材料选择Borealis公司的PP，产品代号为HJ320P，产品无其他添加剂。

其固体密度0.89912g/cm3,熔体密度0.73379g/cm3,弹性模量1340Mpa，泊松比0.392，剪切模量481.3Mpa。

最大剪切应力：

0.26Mpa,最大剪切速率24000S-1。

本材料推荐的加工工艺为：

模具表面温度：

50℃,温度X围20℃-80℃。

熔体温度:

230℃，温度X围200℃-280℃。

聚丙烯不同温度下黏度与剪切速率的关系图

图2.2不同温度下黏度与剪切速率的关系图

2.4Moldflow的流动填充分析

对于塑料注射成型来说，最重要的是控制塑料在模具中的流动方式。

制品的许多缺陷，如气穴、熔接痕、短射乃至制品的变形、冷却时间等，都与树脂在模具中的流动方式有关。

MPI/Flow通过对熔体在模具中的流动行为进行模拟，可以预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程中的压力和温度变化、气穴和熔接痕的位置等，帮助工艺人员在试模前对可能出现的缺陷进行预测，找出缺陷产生的原因并加以改进，提高一次试模的成功率。

（1）填充和保压转换分析

图2.3填充时间

如图所示：

填充时间为2.029秒，等高线的在各块区域间距都相等，说明料流前锋的前进速度有阶段性的一致，填充基本平衡。

而且当填充平衡时，产品末端的填充时刻一致，都在2s左右。

具体填充过程如下：

表2.1填充过程

Fillingphase:

Status:

V=Velocitycontrol

P=Pressurecontrol

V/P=Velocity/pressureswitch-over

|-------------------------------------------------------------|

|Time|Volume|Pressure|Clampforce|Flowrate|Status|

|（s）|（%）|（MPa）|（tonne）|（cm^3/s）||

|-------------------------------------------------------------|

|0.10|2.48|16.75|0.05|216.17|V|

|0.19|7.56|16.77|0.14|217.82|V|

|0.29|12.52|16.95|0.33|217.53|V|

|0.38|17.67|17.13|0.55|217.51|V|

|0.48|22.72|17.41|0.98|217.23|V|

|0.57|27.60|17.70|1.54|216.99|V|

|0.67|32.30|18.07|2.30|217.06|V|

|0.76|37.20|18.51|3.25|217.13|V|

|0.86|42.03|18.99|4.53|217.06|V|

|0.95|46.92|19.47|6.08|217.10|V|

|1.05|51.75|19.87|7.36|217.44|V|

|1.15|56.87|20.29|8.95|217.49|V|

|1.24|61.71|20.66|10.38|217.76|V|

|1.33|66.28|20.97|11.66|217.85|V|

|1.43|70.90|21.40|13.73|217.84|V|

|1.53|75.92|21.77|15.53|217.99|V|

|1.62|80.46|22.11|17.21|218.05|V|

|1.71|85.18|22.57|19.91|217.97|V|

|1.81|89.72|23.71|27.13|218.14|V|

|1.90|94.21|25.07|37.24|218.25|V|

|2.00|98.54|28.40|60.61|218.32|V|

|2.01|98.99|28.54|61.85|217.78|V/P|

|2.02|99.44|22.84|56.89|111.25|P|

|2.03|99.82|22.84|51.98|113.38|P|

|2.03|100.00|22.84|51.91|113.28|Filled|

|-------------------------------------------------------------|

从这个填充过程来看，在t=2.01秒之前，随着时间的增加，垃圾桶底座制件体积逐渐的增加，注塑压力，锁模力及熔体流动速率也逐渐增大，当t=2.01秒时，制件体积达到98.99%，这时注塑压力，锁模力及熔体流动速率达到最大，随着时间继续增加，制件体积从98.99%逐渐增大到100%,但注塑压力，锁模力及熔体流动速率已经在慢慢减小了。

所以称V/P状态为填充率保压切换点。

第三章浇注系统的设计和排溢系统的计

3.1浇注系统的选定

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。

它的设计合理与否，直接影响着模具的整体结构及其工艺操作的难易。

传统的冷流道模具，熔融的塑料原料在被注入型腔前就已在流道中降温，致使其粘度增高，流动性降低，导致注塑压力较大，增大了产品的内应力，从而出现产品变形、表面性能和力学性能降低等方面的问题。

而热流道模具具有改善产品质量、节省塑料原材料能、节约能源、提高生产效率等优点。

并且随着科技的不断进步，热流道模具将越来越广泛地应用在塑料模具行业当中。

因此我们采用热流道模具。

3.2流道的设计与定位圈的设计

3.2.1主流道设计

主流道通常位于模具中心塑料熔体的入口处，它将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。

此模具为一模一件，且主流道直接开在塑件几何中心，但由于它两边对称，我们另开分流道。

主流道的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和流道的清理。

主流道设计要点如下：

1）主流道通常设计成圆锥形，其锥角2～4度，对流动性较差的塑料可取3～6度，以便于凝料从主流道中拔出。

内壁表面粗糙度应在Ra0.8μm以下，抛光时沿轴向进行。

在这里我们采用2度。

2）为防止主流道与喷嘴处溢料，主流道对接处紧密对接，主流道对接处应制成半球形凹坑，其半径R2=R1+（1～2）mm，其小端直径d1=d2+（0.5～1）mm。

凹坑深取h=3～5mm。

根据我们所选注射机的型号我们取R2=20㎜，d1=9.29㎜，h=3㎜。

3）为减小料流转向过渡时的阻力，主流道大端呈圆角过渡，其圆角半径r=1～3mm。

4）

在保证塑料良好成型的前提下，主流道L应尽量短，否则将增多流道凝料，且增加压力损失，使塑件降温过多而影响注射成型。

通常主流道长度由模板厚度确定，一般取L≤60mm。

其结构见下图，具体尺寸见零件图

3.2.2定位环的设计

图3-1

定位圈根据所选注射机确定出大端外径D=150mm，且安装后大端要高出定模端面H=5～10mm，这里H=7mm，起定位作用。

3.2.3热流道浇注系统的设计

3.2.3.1浇口位置的确定

浇口位置需根据塑件的几何形状﹑结构特征﹑技术和质量要求及塑件的流动性能等因素综合加以考虑。

根据这个塑件本身的结构特点，将其定在塑件两边中心的位置上。

3.2.3.2热流道尺寸计算

熔体在高温时的比熔较固体时高，而且随熔体的温度而变化。

浇道内的静压力因塑料品种而异，此值可用斯宾塞方程计算。

即：

（P1+P2）（V-ω）=R’T

因此

式中P1————熔体在浇道中所首的外部压力，取P1=121Mpa；

P2——熔体的内压，查表得P2=25.3MPa；

V——熔体在浇到中的比容cm3/g；

ω——熔体在绝对温度为零度时的比容，查表得ω=0.992cm3/g；

R’——修正的气体常数，查表得R’=0.229Mpa×cm3/（g×k）；

T——熔体的绝对温度220+273=493K；

将以上各参数代入上式得：

取注射时间为3S,塑料制件质量W为415×0.9=373.5g

其容积流率

为

主流道容积流率

分流道容积流率和浇口容积流率

主流道直径

分流道直径

点浇口直径

3.2.3.3喷嘴的选择

热喷嘴是热流道系统最末端的部分，它与型腔直接相连，连接处称为浇口。

采用XX文莎电气系统XX的，开放式喷嘴。

如下图所示

图3-2

3.3排气系统的设计

排气是注射模设计不可忽视的问题。

在注射模成型中。

，若模具排气不良，型腔内的气体受压将