水杯塑料模具设计方法

水杯塑料模具设计［摘要］:水杯是一种很平常的民用生活物品，种类繁多，形状各异，大家每天都接触的到，所以说是十分熟悉的。对于看得见的每一种塑料产品，人们通常是评论外观、工艺是否精细，使用寿命是否长久，作为学模具的学生，不光只有这些见解，还会去想，这个产品的分型面在那里，采用什么方式脱模，用什么方式的模架，这是一个模具设计人员的专业素质。把平常的东西拿来设计，首先是专业设计满足于生产，服务于生活的体现，有一句话叫“劳动创造美好生活”，来源于生活为生活考虑的设计才是人性化的设计，服务于生活的设计；其次毕业设计应最大限度的贴近真实的设计，XX的民用塑料工业十分发达，大量的小商品销往各地，塑料生活用品占了很大比重，很适合拿来做毕业设计实践。这次毕业设计使用UGNX4.0作为三维软件，带来了很大的方便。［关键词］:型芯型腔推杆塑料制件分析1.1制件的形状及质量要求该制件为塑料水杯（详见下页效果图及零件图），制件对尺寸精度要求不高，但对表面的质量要求较高，无熔接痕，表面平整光滑，不能有冷疤、云纹等缺陷，该制件特征列表如下:材料质量密度体积水平投影面积聚苯乙烯（PS）44.964g1.054g/cm342.66cm334.33cm21.2制件材料的性质材料性质：PS的透明度高，可达88%〜92%，并具有光泽，它能自由着色，无臭、无味、无毒，不使菌类生长，吸湿性小，能在潮湿情况下保持强度和尺寸。PS的热变形温度为70°C〜98°C，最高连续使用温度为60C〜80C，温度达330C〜380C则会剧烈降解。耐日光性差、易燃，燃烧时产生大量黑烟，且有特殊臭味。PS具有良好的电性能，特别是高频绝缘性能较好，耐电弧性好。另外，它能耐有机酸、碱、盐和水溶液，而又能被许多烃、酮等溶剂侵蚀。1.3制件材料的加工特点、吸水率：因吸水率低，在成型前一般不进行干燥。如需要，可在70°C〜80°C温度下干燥2〜4h。、收缩率：成型时线收缩率为0.1%〜0.6%，制品脱模后尺寸变化极小。、成型温度：聚苯乙烯加热到180C就成为极粘稠的流体，到300C以后开始分解，熔融温度和分解温度的X围很宽，加工时的热稳定性好。、耐冲击强度：聚苯乙烯性脆、机械强度差、耐冲击强度差、耐热性能较低，加工时制品易产生内应力，有开裂现象。制品不宜带有金属嵌件，否则也会开裂。1.4制件对注塑机和模具的要求柱塞式注塑机和螺杆式注塑机都可使用，选用螺杆式注塑机时，螺杆压缩比1:3为宜，转速不宜太快，并尽可能减少背压。对模具的要求，应加工精度高，粗糙度好。为使制品顺利脱模，模壁斜度应增大1°〜2°。1.5PS塑料成型工艺要求和工艺参数干燥和染色：当聚苯乙烯长期受潮或成型制品要求表面粗糙度好时，也应干燥，烘箱温度70C〜80C，料层厚度W25mm，干燥时间2〜4h，聚苯乙烯易染色，一般只需浮染法就可得到色泽鲜艳、光泽好的制品。工艺参数：温 度注射压力/MPa注射机料筒温度喷嘴温度/C模具温度/C后/C中/C前/C60~100柱塞式160~17020~60140~160165~180170~190时 间螺杆转数/(r/min)20〜30注射时间/s保压时间/s冷却时间/s总周期/s0~315~4015〜3040~901.6制件成型初步分析、分型面：分开模具取出塑件的面通称为分型面，分型面是否得当，对制件质量、操作难易、模具制造都有很大影响，主要应考虑以下几点：塑料在型腔中的方位，分型面形状，分型面位置。综合以上几点考虑以通过水杯中心线和把手中心线的面为主分型面。

、浇口形式：点浇口、制件脱模形式：顶杆、模具结构类型：侧分型三板式模-=--比例数量材料-=--比例数量材料制图审核技术要求：未注圆角R1表面光洁无毛刺分模处无明显接痕注射机的选择2.1初步选择注射机制件体积：由三维软件造型直接得到单个制件体积=42.66cm3V1=42.66X2=85.32cm2模具采用一模两腔，材料为PS。材料密度为1.054g/cm3。因此制件质量为：M=42.66X1.054X2=89.927g初步估计浇注系统凝料体积为：V2=8cm3确定合适的型腔数，可以适当的提高劳动生产率，但必须综合考虑成本问题。以注射机的注射能力为基础，每次注射量不超过注射机最大注射量的80%，按下式计算:80%XV注〉V塑件=V1+V2计算:V注〉（V1+V2）/80%=74.656cm3其中V注 注射机理论注射量（cm’）V1 制件体积（cm3）V2 浇注系统凝料体积（cm’）查《塑料成型工艺及模具简明手册》第72页表3—17取注射机型号为G54-S200/400注射机技术参数如下：公称注射量螺杆直径注射压力注射行程注射时间螺杆转数（r/min）注射方式200〜400cm355mm109MPa160mm1.6s16、28、48螺杆式合模力最大成型面积模板最大行程模具最大厚度模具最小厚度模板尺寸（mm2）拉杆空间（mm）2540KN645cm2260mm406mm165mm532X634290X368合模方式模板定位孔尺寸喷嘴球半径（mm）喷嘴口孔径（mm）螺杆驱动功率顶出方式孔径孑L距液压-机械①100H7SR10644KW两侧顶出①22mm230mm2.2最大注射量的校核注塑模一次成型的塑料重量（塑件与流道凝料之和）应在注塑机理论注射量的10〜80%之间；既能保证制品质量，又能充分发挥设备的能力。对于螺杆式注射机，其最大注射能力通常以螺杆在料筒内最大推进容积M（厘米3）表示，因此最大注射量就是该体积的塑料熔体在料筒内的温度及压力下的重量。最大注射量为：Gmax=MXDg=200X1.054=210.8g210.8gX80%=168.64gM制件+M流道二（89.927+8）X1.054=103.22g<168.64g其中式中： M 注射机规定注射容积（厘米3）Dg----在料筒温度及压力下熔融塑料的比重，（克/厘米3）因此所选注射机满足使用要求2.3锁模力的校核锁模力是注射机锁模装置用于夹紧模具的力。所选注射机的锁模力必须大于高压熔体注入模腔而产生的胀模力，此胀模力等于塑件和流道系统在分型面上的投影面积之和与型腔内塑料压力的乘积。F锁=?腔XA/1000由上表查得F锁=2540KN，查《冷冲压与塑料成型一工艺及模具设计》第143页表6-2选取P腔=24.5MPa24.5X7500/1000=183.75KN<F锁=2540KNF锁 锁模力（KN）P腔 型腔压力（MPa）A 塑件及流道系统在分型面上的投影面积（mm2）因此锁模力符合使用要求。2.4开模行程和顶出距离的校核开模取出塑件所需的开模距离必须小于注塑机的最大开模行程，开模行程的校核有三种情况：（1） 最大开模行程与模具厚度无关，对液压机械式锁模机构注射机，其中最大开模行程由注射机曲轴机构的最大行程决定，与模具厚度无关。（2） 注射机最大开模行程与模具厚度有关，对于全液压机械式锁模机构的注射机，最大开模行程要受模具厚度的影响。此时最大开模行程等于注射机固定移动模板台面间的最大距离Sk减去模具厚度Hm。（3） 需利用开模行程完成侧向抽芯，开模行程的校核还应考虑为完成抽拔距离而需要的开模行程Hc。注射机的开模行程是有限的，所取制件的开模距离必须小于注射机的最大开模行程。对于双分型面注射模开模行程可按下式校核：S>H1+H2+a+（5〜10）（mm）=75+5+60+5=145mm其中式中：H1——塑件脱出距离（mm）；H2---包括流道凝料在内的塑件高度（mm）；S 注射机最大开模行程（mm）；a 脱出主流道凝料的距离（mm）；S=145V260符合使用要求2.5模具安装尺寸的校核⑴喷嘴尺寸：注塑机喷嘴口孔径d由上表查得d=①4,主流道小端直径应该大于注塑机喷嘴直径。注塑模主流道衬套始端凹坑的球面半径R应大于注射机喷嘴球头半径r,以保持同心和紧密接触，R=r+（1~2）mm因此取R=r+2=10+2=12mm （标准浇口套的数值）主流道小端孔直径D应大于注射机喷嘴直径d；取D=d+1=5mm⑵定位圈尺寸：注塑模安装用定位圈外径与定位孔成间隙配合，由表查得注塑机定位孔内径为①100+0.054mm，间隙配合为H11/c11,所以定位圈尺寸为①100-0.02。-0.05（3） 模具外形尺寸：模具长宽尺寸应与注射机的拉杆间距相适应，以保证模具至少能从一个方向穿过拉杆间的空间安装在注塑机上。因为注塑机的拉杆间距为290X368,因此模具至少有一个尺寸小于368mm。（4） 模具的厚度：模具的厚度必须在所选注射机的最大模具厚度和最小模具厚度之间，由于受注射机的限制，模具厚度为165mm<t<406mm。（5） 模具固定形式：采用压板固定。浇注系统的设计注射模的浇注系统是指熔体从注射机的喷嘴到型腔为止流动的通道。其作用是：将熔体平稳地引入型腔，使之按要求填充型腔的每个角落；使型腔内的气体顺利地排出；在熔体填充型腔和凝固的过程中，能充分地把压力传到型腔的各部位，以获得组织致密、外形清晰、尺寸稳定的塑料制品。3.1定位圈浇注系统定位圈由以上的分析可知，定位圈尺寸为100H7，采用四个M8螺钉定位，均布分布在定位圈四周。定位圈材料为45号钢，热处理经过淬火处理HRC40〜45。3.2浇口套浇口套直接与喷嘴接触，需要较高的硬度和较好的耐磨性，因此采用T8A经表面淬火。注射机喷嘴头的球面半径与其接触的模具主流道始端的球面半径必须相吻合或者前者稍小于后者。浇口套大端球面半径R=喷嘴球头半径r+2=10+2=12mm，主流道入口直径端直径d二喷嘴直径+1=4+1=5mm，主流道锥角a=4°，表面淬火HRC40~55,流道处的粗糙度Ra小于0.4Mm。3.3流道及浇口的设计、主流道：主流道是连接注射机的喷嘴与分流道的一段距离，通常和注射机的喷嘴在同一轴线上，断面为圆形，带有一定的锥度。其设计要点如下：a、 为便于从主流道中拉出浇注系统的凝料以及考虑塑料熔体的膨胀，主流道设计成圆锥形，其锥角为2°〜4°，对流动性差的塑料，也可取3°〜6°，过大会造成流速减慢，易成涡流。内壁粗糙度Ra小于0.45。b、 主流道大端有过渡圆角，其半径常取r=1〜3mm，以减小料流转向过渡时的阻力。c、 在保证塑件成型良好的情况下，主流道的长度尽量短，否则将会使主流道的凝料增多，且增加压力损失，使塑料熔体降温过多而影响注射成型。一般不超过60mm。d、 为了使熔融塑料从喷嘴完全进入主流道而不溢出，应使主流道与注射机的喷嘴紧密接触，主流道对接处设计成半球形凹坑，其半径r2=r1+(1〜2mm)，其小端直径D=d+(0.5〜1mm)，凹坑深度常取3〜4mm。e、 由于主流道要与高温的塑料熔体和喷嘴反复接触和碰撞，所以主流道部分常设计成可拆卸的主流道衬套，以便选用优质钢材单独加工和热处理。如其大端兼作定位环则圆盘凸出定模端面的长度H=5〜10mm，也常有将模具定位环与主流道衬套分开设计的。、浇口的设计：浇口是连接分流道与型腔的一段细短通道，他是浇注系统的关键部分。浇口的形状、数量、尺寸和位置对塑件的质量影响很大。浇口的主要作用有两个：一是塑料熔体流经的通道；二是浇口的适时凝固可控制保压时间。由于塑件要求表面光洁度、平整度较高，再加上模具采用一模两腔式、双分型面，因此采用点浇口进浇注，以便脱出流道凝料。3.4分型面、排气槽的设计（1） 、打开模具取出塑件或浇注系统凝料的面叫做分型面。分型面应设在塑件断面尺寸最大的部位，由于盒底呈方形，因此将分型面设在塑件的底面。这样有利于保证塑件注塑完整，外观质量较好，而且有利于排气。（2） 、当塑料熔体注入型腔时，如果型腔内原有气体、蒸汽不能顺利地排出，将在制件上形成气孔、接缝、表面轮廓不清，不能完全充满型腔，同时还会因气体被压缩而产生的高温灼伤制件，使之产生焦痕。而且型腔内气体被压缩产生的反压力会降低充模速度，影响注射周期和产品质量。因此设计型腔时必须考虑排气问题。注射过程中排出的气体主要有两种：一是浇注系统和模腔内的空气，二是塑料熔体分解放出的少量气体和低分子挥发物。这些气体在成型过程中必须及时排出。本设计可利用分型面排气，另外还可利用顶杆和组合式型腔或型芯拼合的缝隙排气，因此模具不需另设排气槽。成型零部件工作尺寸的计算所谓工作尺寸是指成型零件上直接用以成型塑件部分的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形或异形型芯的长和宽），型腔和型芯的深度尺寸，中心距尺寸等。任何塑料制品都有一定的尺寸要求，在使用或安装中有配合要求的塑料制品，其尺寸精度常要求较高。在设计模具时，必须根据制品的尺寸和精度要求来确定相应的成型零件的尺寸和精度等级。影响塑料制品精度的因素较为复杂，主要有以下几方面：首先与成型零件制造公差有关，显然成型零件的精度愈低，生产的制品尺寸或形状精度也愈低。其次是设计模具时，估计的塑料收缩率与实际收缩率的差异和生产制品时收缩率的波动值，成型收缩率包括设计选取的计算收缩率与实际收缩率的差异，以及生产制件时由于工艺条件波动，材料批号发生变化而造成制件收缩值的波动，前者造成塑料制品的系统误差，后者造成偶然误差，收缩率波动值5s随制件尺寸增大而成正比的增加。制造误差5z随制件尺寸成立方根关系增大，型腔使用过程中的总磨损量5c随制件尺寸增大而增加的速度也比较缓慢。生产大尺寸塑料制件时因收缩率波动对制件公差影响较大，若单靠提高模具制造精度来提高塑件精度是很困难的和不经济的，而应着重稳定工艺条件，选用收缩率波动小的塑料。相反，生产小尺寸塑料制件时，影响塑件公差的主要因素则是模具成型零件的制造公差和成型零件表面的磨损值。此外型腔在使用过程中不断磨损，使得同一模具在新和旧的时候所生产的制品尺寸各不相同。模具可动成型零件配合间隙变化值，模具固定成型零件安装尺寸变化值，这些度将影响塑件的公差。由于影响因素甚多，而且十分复杂，因此塑料制品的精度往往较低，并总是低于成型零件的制造精度，塑料制件尺寸难以达到高精度。此制件为日常生活用品，对成型零部件工作尺寸的精度要求不是很高，可适当降低要求。该制件材料为PS，参照《塑料成型工艺与模具设计》第68页表3-10查得PS的低精度为IT5,所有尺寸计算均按IT5计算。高平均收缩率为：S=(SM+SM.)/2=(0.2%+0.8%)/2=0.5%、型腔径向尺寸计算：匕»z=[(+S-xA].5z=K1+0.5%)x64一0.5xQ0.46)扁46=64.55+0.46式中：匕一一模具成型零件在常温下的实际尺寸5z模具成型零件制造误差«塑件在常温下的实际尺寸X——精度级别较低时，5z可忽略不计，则x取0.5A——制造公差，塑件的基本尺寸是最大尺寸，其公差△为负偏差、型芯径向尺寸计算：(L%=[(+SL+xA]0=1&+0.5%)x60+0.5x0.46】=60.58。m-5 S -5 -0.46 -0.46z z注：A——制造公差，塑件的基本尺寸是最小尺寸，其公差A为正偏差、型腔深度尺寸计算：(H、5z=[(+S\s-站岭z=1&+0.5%)x72一0.5x(—0.52牛52=72.62+0.52式中：Hm——模具型腔零件在常温下的实际深度尺寸Hs——塑件在常温下的实际高度尺寸X——修正系数取0.5(4)、型芯高度尺寸计算：(h\=[(+Sh+xA]0=K1+0.5%)x69+0.5x0.52】 =69.61°m-5 S -5 -0.52 -0.52zz式中：hm——模具型芯零件在常温下的实际高度尺寸hs——塑件在常温下的型腔深度实际尺寸X——修正系数取0.5强度校核一一成型腔壁厚的计算在注射成型过程中，模具的型腔将受到高压的作用，因此模具型腔应该具有足够的强度和刚度。强度不足将导致塑性变形，甚至开裂。刚度不足将导致弹性变形，导致型腔向外膨胀，产生溢料间隙。型腔壁厚计算以最大压力为准。理论分析和实践证明；对大尺寸的型腔，刚度不足是主要矛盾，应按刚度计算；而小尺寸的型腔在发生大的弹性变形前，其内应力往往就超过作用应力，因此按强度进行计算。强度计算的条件是各种受力形式下的许用应力。刚度计算的条件则由于模具的特殊性，可从以下三方面考虑：1、 从模具型腔不发生溢料的角度出发，当高压塑料熔体注入时，模具型腔的某些配合面会产生足以溢料的间隙，应根据不同塑料的最大不溢料间隙来决定其刚度条件；2、 从保证制件精度的角度出发，塑料制件均有尺寸的要求，某些部位的尺寸常要求较高的精度，这就要求模具型腔有很好的刚性，即塑料注入时不产生过大弹性变形。最大弹性变形值可以取制件允许公差的五分之一左右。3、 从保证制件顺利脱模出发，型腔允许弹性变形值应小于制件收缩值。但一般来说，塑料的收缩率较大，绝大多数均在0.4%以上，当制件某一尺寸同时有几项要求时，应以其中最苛刻者作为设计标准。至于型腔尺寸在多大以上应进行刚度计算，而在该值以下则进行强度计算，这个分界值取决于型腔的形状，模具材料的许用应力，型腔的允许变形量以及塑料的熔体压力。因此在进行型腔设计时应分别根据型腔的结构类型，按强度和刚度条件对侧壁和底板厚度进行计算；本设计对型腔按组合式圆形型腔侧壁厚度和底板厚度进行校核计算。计算公式：侧壁厚度底板厚度按刚度计算按强度计算按刚度计算按强度计算

-171.22pr-171.22pr2h%书-其中：s 侧壁厚度（mm）h 底板厚度 （mm）E——模具材料的弹性模量（MPa），碳钢取E=2.06x105MPaIs]——刚度条件，即允许变形量，由《塑料成型工艺及模具简明手册》表3-37选取对于PS来说取0.05mmp——型腔压力，（MPa），对PS来说为60〜100MPa,在此取80MPa型腔材料泊桑比碳钢取型腔材料泊桑比碳钢取0.25r——型腔内壁半径按上面公式进行计算:侧壁厚度：160.5812)2.06x105x0.05…2.06x105x0.05…1 0.25-130.29x80 )1…2.06x105x0.051-0.25+ 30.29x80i1-^+ rp.=42.83mm]E^-1=42.83mm W-1Jrp底板厚度：：0.74x 80X皿94 =12.03mm' 2.06x10x0.056•推出机构设计注射成型后的塑料制件及浇注系统的凝料从模具中脱出的机构称为推出机构。推出机构的动作通常是由安装在注射机上的顶杆或液压缸完成的。6.1结构设计推出机构一般由推出、复位和导向三大部件组成。脱模机构应尽量使塑件留于动模一侧，不造成制件变形损毁且有良好的外观。另外推出机构应该结构可靠。此模具采用简单推出机构，先采用定模板第一分型面拉断点浇口凝料自动脱落，因为制件呈筒形结构，因此再采用2根锥面顶杆在第二分型面处将制件顶出，这样顶出力均匀，运动平稳且顶出力大。顶出制件后外观上几乎不留痕迹。6.2推出力的计算塑件注射成型后，塑件在模内冷却定形，由于体积收缩，对型芯产生包紧里，当其从模具中推出时，就必须先克服因包紧力而产生的摩擦力。对底部无孔的筒、壳类塑料制件，脱模推出时还要克服大气压力。型芯的成型端部，一般均要设计脱模斜度。另外还必须明白，塑件刚开始脱模时，所需的脱模力最大，其后，推出力的作用仅仅为了克服推出机构移动的摩擦力。因实际上摩擦系数R较小，sina更小，cosa也小于1，故忽略。脱模力：F=AxpJcosa-sina）=15418.3x1.0x107=15418.3x107P式中：F——脱模力（推出力）A——塑件包络型芯的面积P——塑件对型芯单位面积上的包紧力。一般情况下，模外冷却的塑件，P取2.4x107〜3.9x107p；模内冷却的塑件，取0.8x107〜1.2x107Pa由于该制件是筒形结构，模具采用滑块两侧分型，故采用锥面推杆。它加工比较困难，装配时与其他推杆不同，需从动模型腔插入，端部用螺钉固定在推杆固定板上。此模具使用两根推杆，由于推杆与制件的接触面积大，所以不会造成制件被顶破。7.合模导向机构注塑模合模时要求有准确的方向和位置。因此在注射模中要有合模导向装置来引导动模与定模之间按一定的方向闭合和定位。合模导向机构的主要功能有：定位作用。为避免在模具装配过程时，因方向搞错而损坏成型零件，并在模具闭合后使型腔在工作过程中能保持正确地形状和位置，确保塑件壁厚的均匀性。导向作用。在动模向定模闭合过程中，导向机构因首先接触，引导动模定模沿准确方向和位置闭合，避免凸模首先进入型腔而发生损伤事故。承受一定侧压力。高压塑料熔体注入型腔时会产生单一侧压力，需有合模导向机构来