水杯模具设计

课程设计说明书学生姓名：学号：学院：材料科学与工程学院专业：高分子材料与工程题目：塑料水杯注射模的设计指导教师：职称:2011年12月1日课程设计任务书2011~2012学年第一学期学院：材料科学与工程学院专业：高分子材料与工程学生姓名：学号：课程设计题目：塑料水杯注射模的设计起迄日期：课程设计地点：指导教师：系主任：下达任务书日期:2011年12月3日课程设计任务书1.塑件设计1.1塑件图我所设计的塑件为塑料水杯，该塑件的平面图见图1.1图1.1（a）塑件主视图图1.1（b）塑件府视图1.2塑件分析本次设计的制件为塑料水杯，所选材料为聚丙烯（PP），无填料填充，塑件壁厚均匀，为2毫米，未注倒角半径为R0.3，塑件本身的斜度为0.80，尺寸见塑件图1.1。1.3塑料材料的成型特性与工艺参数聚丙烯的主要性能参数见表1.1。表1.1聚丙烯（PP）的性能指标塑件性能PP玻纤增强PP屈服强度/MPa3778~90拉伸强度/MPa30~3979~90断裂伸长率/%＞200拉伸弹性模量/GPa1.65弯曲强度/MPa67132弯曲弹性模量/GPa1.454.5布氏硬度HBS8.569.1密度/（g/cm2）0.90~0.91比体积/(cm2/g)1.10~1.11透明度或透光率半透明玻璃化温度/°C-18~-10熔点（粘流温度）/°C170~176170~180线膨胀系数/（10-5/°C）9.84.9比热容/[J/（kg·K）]1930热导率/[W/（m·K）]0.118燃烧性/（cm/min）慢体积电阻/Ω·cm＞106聚丙烯的主要注射工艺参数见表1.2表1.2PP的主要注射工艺参数工艺参数PP料筒温度/℃后部180~200中部210~230前部200~210喷嘴温度/℃180~190模具温度/℃50~70注射压力/MPa70~90螺杆转速/(r·min-1)30~602.设备的选择与校核2.1注射机的选择由Proe画图工具生成制件体积V1=55。浇注系统的凝料体积一般可按制件体积的0.2~1倍计算。则注射机实际注射容积为：V=V1（1+0.2）=55*1.2=66cm3注射机实际注射容积V与理论最大注射容积V2有V=aV2取a=0.8则V2=V/a=66/0.8=82.5cm3所以选择SZ-100/60型塑料注射成型机。表2.1注射机的主要参数项目单位数值理论注射量cm3100注射压力Mpa150锁模力KN600移模行程mm260最大模具厚度mm340最小模具厚度mm10喷嘴球半径mm12喷嘴口孔径mm4

2.2注射压力的校核PP的注射压力一般为70~140Mpa，取P0=100Mpa注塑安全系数K=1.25~1.4，取K=1.4则P=K*P0=1.4*100=140Mpa<150Mpa所以注射压力符合要求。2.3锁模力的校核经计算制件及流道系统凝料在分型面上的投影面积为：型腔压力为20-40Mpa，取压力P1=40MpaA=π*R2+16*21=3.14*402+336=5360mm2由F=K*P1*A0得A0=600*1000/0.5*40=300000>A所以锁模力符合要求。2.4开模行程的校核已知制品脱模距离H1=100-5=95mm制品高度H2=100mm注射机最大开模行程S=260mmH1+H2+(5~10)=95+100+(5~10)<S=260mm由于该模具有侧向抽芯机构，开模行程还应按下式校核：S≥Hc+(5~10)mm又因为Hc<H1+H2所以开模行程满足要求。3.浇注系统的设计浇注系统是指模具中从注射机的喷嘴起到型腔入口为止的制件熔体的流道通道。它的作用是将制件熔体顺利的充满各个部位，并在填充及保压过程中，将注射压力传递到型腔的各个部位，以获得外形清晰、内在质量优良的制件。它向型腔中的传质、传热、传压情况决定着制件的内在和外在质量，它的布置和安排影响着制件成型的难易程度和模具的复杂程度。3.1浇口的选择浇口是连接流道与型腔的一段较短的通道，它是浇注系统的关键部分，浇口的形状、数量、尺寸和位置对制件的质量影响很大。浇口的作用有两个：一是制件熔体流经的通道；二是浇口的适时凝固可控制保压时间。由于设计的是塑料杯子，属于直径较大的管状体，故浇口选择直接浇口，这种浇口具有良好的成型性。图3.13.2主流道的设计为便于从主流道中拉出浇注系统以及熔体的膨胀，主流道设计成圆锥形。内粗糙度为0.8um，喷嘴球半径为12mm，喷嘴口孔径为4mm。主流道长度，小型模具应尽量小于60mm，本设计采用30mm进行设计。主流道小端直径d=注塑机喷嘴口孔径+（0.5~1）=5mm主流道大端直径D=d+2L*tanα/2=6.8mm图3.2主流道3.3定位环的设计图3.3定位环3.4分型面和排气槽的设计分型面设计的是否得当对制件质量、操作难易、模具结构复杂性有很大影响，而排气槽的设置则可以将浇注系统和模腔内的空气及聚丙烯熔体分解放出的少量气体和低分子挥发物及时排除。3.5流动比的校核浇口位置选择是否合适，利用流动比公式来计算，公式如下：式中B—流动比；Li—流路各段长度，mm；δi—流路各段厚度，mm；n—段数。PP的流动比在压力120MPa下为280，选择这个浇口位置的流动比为104.2小于280，符合设计要求。4.成型零部件的设计与计算成型零部件是构成模具型腔的零件，通常有型腔、型芯、成型环等，由于工作尺寸的计算受制件尺寸精度的制约，影响尺寸精度的因素甚多，且是十分复杂，因此制件尺寸难以达到高精度，为简便起见，规定凡是孔类尺寸均以最小尺寸作为公称尺寸，即公差为正；凡是轴类尺寸均以最大尺寸作为公称尺寸，即公差为负。4.1型腔与型芯的尺寸计算4.1.1主型腔径向尺寸的计算LM=[(1+Smin)LS-(δC-δZ)]+δz式中：LM---主型腔的径向尺寸，mmSmin---最小成性收缩率LS---制品外径尺寸，mmδC---最大磨损量mm；取为0.04mmδZ---模具制造误差mm；一般为Δ/3四级精度塑件尺寸为80mm时,公差值Δ=0.72增强pp的收缩率查表可知为0.4﹪~0.8﹪。则LM=((1+0.4﹪)*80-0.04+0.72/3)+0.24=80.52+0.24mm按极限尺寸计算LM=[（1+Smax）LS-Δ]+δz=[(1+0.8﹪)*80-0.72]+0.24=79.92+0.24mm校核塑件可能出现的最大尺寸，设模具最大磨损量为0.04mm。LS`=LM+δC+δZ–SminLS=79.92+0.04+0.24-0.4﹪*80=79.88mm<80mm所以满足要求。型腔直径为79.92+0.24mm，比按平均收缩率计算的结果偏小，有更大的修模余量。4.1.2主型芯的径向尺寸计算LS---型芯径向尺寸为76mm，相应公差值Δ=0.64LM=[(1+Smax)LS+δC+δZ]-Δz=[(1+0.8%)*76+0.04+0.64/3]-0.64/3=76.858-0.21mm按公差带计算LM=[(1+Smin)LS+Δ]-Δz=[(1+0.4%)*76+0.64]-0.21=76.944-0.21mm校核塑件可能出现的最大尺寸，设模具最大磨损量为0.04mm.LS`=LM-δC-δZ–SmaxLS=76.944-0.04-0.21-0.8﹪*76=76.086mm>76mm所以满足要求,型芯直径为76.944-0.21mm，比按平均收缩率计算的结果偏小，便于修模。4.1.3型腔深度按平均收缩率计算HS---型腔高度为100mm,相应公差值Δ=0.72HM=(HS+HS*SCP-2Δ/3)+Δz=[100+100*(0.4%+0.8%)/2-2*0.72/3]0.24=100.12+0.24mm按公差计算型腔深度尺寸：HM=[(1+Smin)HS-δZ]+Δz=[(1+0.4%)*100-0.24]+0.24=100.16+0.24mm校核塑件最小高度：HM-HS*Smax+Δ=100.16-100*0.8%+0.72=100.08mm>100mm所以满足要求，型腔深度为100.16+0.24mm。4.1.4型芯高度按平均收缩率计算HS---型芯高度为95mm,相应公差值Δ=0.72SCP---平均收缩率为（0.4%+0.8%）/2=0.6%HM=(HS+HS*SCP+2Δ/3)-Δz=（95+95*0.6%+2*0.72/3）-0.24=96.05-0.24mm按公差带计算型芯高度尺寸：HM=[(1+Smax)HS+δZ]-Δz=[(1+0.8%)*95+0.24]-0.24=96-0.24mm校核塑件最大高度：HM-Smin*HS-Δ=96-0.4%*95-0.72=94.9mm<95mm所以满足要求，型芯高度为96-0.24mm4.1.5按平均收缩率计算型芯或成型孔中心距尺寸LS=51mm，相应公差值Δ=0.56δZ=Δ/4=0.14LM=(LS+LS*SCP)±δZ/2=（51+51*0.6%）±0.14/2=51.306±0.07mm按公差带计算型芯或成型孔中心距尺寸LM=(LS+LS*SCP)±δZ/2=51.306±0.07mm校核最大中心距当型芯或成型杆为紧配合时或求成型孔孔间距时Sj=0LM+δZ/2+Sj-Smin*LS-Δ/2=51.306+0.07+0-0.4%*51-0.56/2=50.892mm<51mm最小中心距LM-δZ/2-Sj-Smin*LS+Δ/2=51.306-0.14/2-0-0.8%*51+0.56/2=51.108mm>51mm4.2型腔壁厚刚度和强度的计算在注射过程中，模具的型腔将受到高压的作用，因此模具型腔应该有足够的强度和刚度，强度不足将导致塑性变形，刚度不足将导致弹性变形，致使型腔向外膨胀，产生溢料间隙，故二者都应进行校核。型腔设计为圆形型腔，材料为碳钢按第三强度理论推算得出计算公式：P为型腔压力,取P=50Mpa；[σ]为许用应力，取[σ]=160MpaS=r*{[[σ]/([σ]-2P)]1/2-1}=40*{[160/(160-2*50)]1/2-1}=23.25mm底板厚度的计算强度计算：h=(1.22P*r2/[σ])1/2=(1.22*50*402/160)1/2=24.70mm5.合模导向机构的设计注塑模具的动定模开和模运动的导向，主要依靠装在模架上的导柱导向机构，嵌入导套来保护其不受到严重的磨损、拉伤，延长使用寿命。除此之外，为保证成型高精密度的塑件，注射模具的其它零部件还需要通过自身的结构来保证其在模具开合模运动中的精确定位和导向。5.1导柱的结构设计导柱一般安装在动模的一侧，也可以安装的定模一侧，因为作为成型零件的主型芯多装在动模一侧，导柱与主型芯安装在同一侧，合模时可以保证主型芯不碰撞。导柱的基本机构有两种，一种是带头导柱，另一种是有肩导柱。导柱材料采用优质钢材T8A，其具有硬而难磨的表面，坚韧而不易断的型芯，材料经过淬火硬度达到HRC55～60。导柱如图5.1。图5.1导柱5.2导套的结构设计导套的常用结构有两种，一种不带安装凸肩，另一种带安装凸肩，相应的称为直导套和带肩导套，导套的主要作用是方便模板的加工和模具的维修。材料采用耐磨的优质钢材T8A，经过淬火表面硬度达到HRC50～55，比导柱的硬度低5度左右，这样工作时间久后磨损的是导套而不是导柱，导柱的更换比导套容易。导套如图5.2。图5.2导套6.塑件脱模机构的设计注射成型的每一循环中，制件必须从模具的型芯上脱出，这就需要脱模机构，制件脱模阻力通常按薄壁和厚壁两种类型考虑，每种类型制件再根据断面几何形状进行计算。6.1脱模阻力的计算因塑件厚度/内孔直径=2/76=1/38<1/20,因此属于薄壁壳体形塑件。6.1.1正压力的计算P=E*ε*t*cosα/(1-u)*r式中：E---塑料拉伸弹性模量，取E=1.7*103Mpaε---塑件收缩率,取ε=1.5%t---制件平均厚度，t=2mmα---塑件的斜度，α=0.80u---塑料泊松比，取u=0.43r---型芯半径，r=38mm所以P=1.7*103*1.5%*2*cos0.80/(1-0.43)*38=2.354Mpa6.1.2总压力的计算FP=2*π*E*ε*t*L/(1-u)式中：L---薄避制品型芯总长，L=100mm所以FP=2*3.14*1.7*103*1.5%*2*100/(1-0.43)=56.19KN6.1.3脱模力的计算对薄避塑件有：Fd=[FP*cosα*(f-tanα)/(1+f*sinα*cosα)]+10A式中：f---摩擦因数，取f=0.5A---垂直于抽芯方向型芯的投影面积所以Fd=[56.19*cos0.80*(0.5-tan0.80)/(1+0.5*sin0.80*cos0.80)]+10*3.14*382=27.116+45.3=72.416KN6.2推杆推板的设计本设计采用推板脱模，所以推杆的直径可不用计算，可以根据塑件形状选择推杆的直径，其结构设计如图6.1。图6.1（a）推杆图6.1（b）推板7.侧向分型机构的设计7.1抽拔力的计算l=4mmt=5mm=0oFd===3.37103N7.2斜导柱的设计取斜销角度为200，侧抽芯4mm。斜孔长度L1>4/sin200=14mm斜导柱长度计算公式：L=tan+++(10~15)=tan200+++(10~15)46mm图7.1斜导柱8.强度调节系统的设计8.1冷却时间的计算T0=S2㏑[8（TC-TM）/π2(T1-TM)]/π2*a式中：S---塑件厚度，S=2mma---塑料热扩散率，取a=0.067mm2/sTC---塑料注射温度，取TC=190℃TM---模具温度，取TM=50℃T1---塑料的热变形温度，取T1=65℃所以T0=22*㏑[8*(190-50)/3.142*(65-50)]/3.142*0.067=12.275s冷却时间T0通常占成型周期t的75%，所以t=T0/75%=12.275/0.75=16.37s8.2单位时间注射量的计算每秒注射次数大约为N0=1/t=1/16.37每次注射塑料的质量M=ρ*v=0.9*66=59.4g每秒注入塑料的质量M0=N0*M=59.4*1/16.37=3.63g单位时间内注入模具的熔体质量G(kg/h)=M0*3600=13.063kg8.3冷却介质体积流量的计算单位时间内塑件在凝固时所放出的热量（J/h）Q=N*M*g式中：N---每小时注射次数，N=3600*N0=3600*1/16.37=219次/hM---每次注射塑料的质量，M=59.4gg---单位塑料熔体的热容量，取g=5.9*105J/kg所以Q=219*59.4*10-3*5.9*105=7.675*106J/h冷却介质的体积流量（m3/min）QV=Q/ρC1(Q1-Q0)式中：ρ---冷却介质的密度，冷却介质为水，取ρ=1000kg/m3C1---冷却介质的比热容，取C1=4.2*103J/kg*℃Q1、Q0---冷却介质进出口温度，取Q0=20℃Q1=25℃所以QV=7.675*106/1000*4.2*103*(25-20)=6.09*10-3m3/min8.4冷却介质在冷却管中的流速当QV=6.09*10-3m3/min时，为了使冷却水处于湍流状态，取模具冷却水孔的直径d=10mm。V=4QV/π*d2=4*6.09*10-3/3.14*60*(10*10-3)2=1.293m/s8.5冷却水孔总传热面积A=Q2/K(TW-Tθ)式中：K---管壁与冷却水之间的传热膜系数K=4187*f*(V*P)0.8/3600*d0.2式中：f---冷却介质温度有关的物理常数，经查表f在水温20℃时，取f=3.0*10-3。所以K=4187*3*10-3*(1.293*592)0.8/3600*(10*10-3)0.2=1.778kw/m2*h*℃所以A=7.675*106*10-3/1.778*15*3600=0.08m29.标准零件的选择模具设计中选用了一些标准零件，选用的标准零件见表9.1。标准零件数量螺钉M16×2104螺钉M10×404螺钉M6×2012螺钉M10×384螺钉M10×304表9.1标准零件10.动作原理图10.1（a）主视图图10.1(b)左视图1.动模座板2.垫块3.推板4.推杆固定板5、12、16、21、23.螺钉6.支撑板7.型芯固定板8.推件板9.滑块10.锁紧块11.定模板13.斜导柱14.定位环15.主流道衬套17.导套18.导柱19.型芯20.推杆22.垃圾钉24.滑块压板25.限位螺钉28.弹簧模具开模过程：开模时，在弹簧28作用下，首先由A分型面打开，此时滑块向下和两侧移动，同时通过斜导柱的作用完成侧抽芯，在限位螺钉25的作用下，滑块运动一定距离后停止，此时推杆20推动推件板8使塑件从型芯上脱下来。11.模具装配与试模11.1模具装配模具装配包括预检、装模、紧固、校正顶出距离、调节闭模松紧度和模温控制系统。预检在模具装上注射机以前，应根据图纸对其进行全面仔细的检查，以便及时发现问题进行修模，以免安装上机后又拆下来，当动定模分开检查时，要注意方向记号，以免合拢时搞错。装模模具吊装时要注意安全，在可能的情况下尽量整体安装。型芯的装配：将型芯压入固定板，在压入过程中，应注意校正型芯的垂直度和防范型芯切坏孔以及使固定板变形。压入平磨床登高垫铁支撑磨平平面。型腔采用拼块式，拼块的拼合面在热处理后要进行磨削加工，保证拼合后无缝隙，拼块两端留余量，装配后同模板一起在平面磨床上磨平。侧型芯在滑块和滑槽、型腔和固定板装配后再装配，以型腔侧向孔为基准，利用压印工具对滑块端面压印，然后，以压印为基准加工型芯配合孔后再装入型芯，保证型芯和侧向孔的配合精度。对于斜导柱则是在滑块型芯和型腔装配合格后用导柱、导套进行定位，将动定模板、滑块合装后按所要求的角度进行加工斜导柱孔，然后在压入斜导柱。装配动模时，将型芯固定板、支撑板、垫块和动模固定板按其工作位置合拢找正并用平行夹头夹紧。以型芯固定板上的螺孔、顶杆孔定位，在支撑板上出螺孔、顶杆孔的锥窝。然后拆下型芯固定板，以锥窝为定位基准钻出螺钉过孔、顶杆过孔最