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1、精选优质文档-倾情为你奉上中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 杨芸 学 号： 1202064112 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 包装工程 题 目： 矿泉水新品塑料容器结构设计 指导教师： 李 清 职称: 副教授 指导教师： 梅林玉 职称: 讲 师 2015年 12 月 31日专心-专注-专业 中北大学课程设计任务书20152016学年 第 一 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 包装工程 学 生 姓 名： 杨芸 学 号： 1202064112 课程设计题目： 矿泉水新品塑料容器结构设计 起 迄 日 期： 2015年12月12日12月31日 课程设计地点： 2号教
2、学楼 指 导 教 师： 李 清 梅林玉 学科部副主任： 下达任务书日期: 2015年12月12日目 录1.内装物分析及材料、规格1.1内装物介绍矿泉水的广泛含义，已经不仅是天然的泉水，也包括供人们饮用的各种净化的水，例如蒸馏水、纯化水和去离子水等。矿泉水根据产地的不同，带有不同的滋味和对人体有益的微量元素。矿泉水有分天然矿泉水和人工矿泉水之分.通常我们所说的矿泉水是指天然矿泉水,它一般都是地壳岩层中取出来的地下水,通过溶解所经过的或停留的岩石中所含的化学元素,是水体中含有了所处岩层特有的一些元素,也就是对人体有宜的微量元素,如：锌、偏硅酸、锶、硼、溴、碘、锂、硒等等,这些元素在恰当的范围内对人
3、体是有非常的好处的,如锌众所周知是人体海马回(海马回位于人脑控制学习和记忆活动的中枢，主要负责形成和储存长期记忆的重要微量元素，与记忆和智力有关;碘可以用来合成甲状腺素,减少智力障碍,有助于消除紧张、帮助睡眠;硒是甲状腺激素合成和代谢过程中的必需元素.必需微量元素虽然在体内含量很少，但它们在生命过程中的作用不可低估。总之没有这些必需的微量元素，酶的活性就会降低或完全丧失，激素、蛋白质、维生素的合成和代谢也就会发生障碍，人类生命过程就难以继续进行。因此，儿童的许多疾病与元素有关，缺少了或过多了都有可能导致疾病。长喝矿泉水可以有效的吸收这些微量元素,提高身体素质.国家对天然矿泉水有严格的标准和监督
4、,各家天然矿泉水生产厂家都必须达到标准后才准予上市(需要说明的是大多数检测不合格是由于在具体生产中微生物不合格),所以通常长期饮用矿泉水是对人体非常有帮助的。1.2饮用天然矿泉水国家标准(1).为发展饮用天然矿泉水（以下简称矿泉水）事业，由中华人民共和国卫生部、原地质矿产部、轻工总会制定了饮用天然矿泉水国家标准GB8537-1995(以下简称国标）。(2).国标规定了饮用天然矿泉水的技术要求，适用于所有矿泉水及其灌装产品。(3).当其他规程、规范、标准内容中出现与本标准内容中的规定不一致时，以本标准为准。(4).矿泉水是矿产资源，受中华人民共和国矿产资源法调整，作为食品受中华人民共和国食品卫生
5、法、中华人民共和国产品质量法、中华人民共和国标准化法等法律调整。(5).根据国务院三定方案，有关政府主管部门对矿泉水开发管理的职责分工为：地质矿产行政主管部门负责矿泉水资源勘查评价管理，对水源地地质环境、资源开发和保护实行监督管理。卫生行政主管部门负责对矿泉水水源地环境卫生防护、矿泉水水源水质及产品实施卫生监督。轻工主管部门负责矿泉水行业管理，对产品实施质量监督。(6).矿泉水必须经国家或省（自治区、直辖市）饮用天然矿泉水技术评审组认可、政府主管部门批准，方可开发。(7).国家饮用天然矿泉水技术评审组由卫生、轻工和地矿主管部门派员组成。挂靠单位为国土资源部地质环境司，负责办理批准发证工作。下设
6、办公室负责日常管理工作。(8).国家饮用天然矿泉水技术评审组负责跨省销售和出口矿泉水的技术鉴定。(9).凡报请国家矿泉水技术评审组的矿泉水，必须提交饮用天然矿泉水开发评价报告16份，省级鉴定证书和省级矿泉水技术评审委员会（组）或挂靠单位的公函。没有成立矿泉水机构的省（自治区、直辖市），必须提交省地质矿产局（厅）地质环境管理处推荐函。 (10).省（自治区、直辖市）矿泉水技术评审鉴定机构由省政府批准、或由同级地矿、卫生、轻工等主管部门派员联合组成、挂靠单位在省地质矿产局（厅）地质环境管理处。1.4市场分析以高端矿泉水为例，随着环境污染的加剧，消费者对健康的重视程度与日俱增，健康、高品质成为主要的
7、追求，高端矿泉水正是以其纯净、无糖、低热和有益元素含量丰富成为人们首选饮品之一，符合人们追求纯净、有益健康的饮水要求，高端矿泉水是水中珍品，是适合长期饮用的天然健康水，更是天然的保健饮品。随着人们生活水平的日益提高，对饮用水的要求也越来越高。有68%有人对饮用水的要求不仅是解渴，而是更加关注品质和健康。矿泉水已经成为日常生活中常见的一种饮品，超市、商场、小卖部、便利店，它的身影无处不在。但是纵观中国目前的饮用水市场，大多数企业与品牌都把主战场放在低端，并且经历连年价格战之后，这一市场的利润已日渐微薄，许多企业与品牌都在开始尝试拓展新领域，饮用水市场竞争格局的改变和消费需要的拉动，国内饮用水市场
8、赢来高端时代。消费者对健康好水的需求更加明显，瓶装水市场高端好水的销量也逐渐上升，整体呈现高端化趋势。2012年市场上高端水消费量势头尤为喜人，正在快速增速扩张，2015年中国高端水市场销量将达到667千吨。为了设计一款兼有良好的容装性，保护性，方便性，有美观经济的优点，满足消费者购买和使用习惯的矿泉水水瓶包装也是很有经济价值和市场前景的。1.3设计定位 通过对矿泉水的性质和流通环境的分析，设计能在流通过程中起保护作用的包装，设计合理的包装不仅仅能保护产品、方便储运，而且还能在很大程度上起到介绍产品和促进销售的作用。使矿泉水在流通过程得到保护，同时激起人们的购买欲望，设计区别与市场已有的矿泉水
9、瓶的开口方式，起到多功能的作用，从而促进其销售。1.5包装容器材料的选用用来装水的瓶子的材料的要求是：1、 良好的阻隔性能； 2、达到食品包装的标准；3、 通透性要求高，这样能更好的吸引消费者； 4、质量要轻；5、 矿泉水瓶多为一次性用品，成本不能高，并且要求可回收再利用。 目前市场上的矿泉水瓶容器主要是两种材料：塑料和玻璃。其中，塑料的运用量远多于玻璃，而玻璃瓶装的矿泉水往往是档次比较高的，所以市场占有率也比较低，消费人群局限性大。塑料包装的矿泉水主要是底中端产品，价位在1-15元之间；玻璃包装的矿泉水主要是中高端产品，且主要是进口产品，价位主要在15-50元之间。综上所述，结合市场和课题要
10、求此次设计选用塑料为包装材料，具体选用PET。PET的密度为1.3-1.38，加工温度为260-290，模具温度为140，收缩率为1.2-2.0，熔点为245-260。2. 容积和总体尺寸的确定2.1包装容器成型方法介绍 根据本次设计的矿泉水瓶的功能，材料及各个工艺特点，选用吹塑工艺。矿泉水瓶的成型包括成型设备和成型工艺条件等的分析设计。(1).塑料瓶的生产工艺有两种：第一种是挤出吹塑工艺：即将塑料原料加入挤出机中，经加热熔融塑化挤出熔融型胚，再放入瓶子模具中吹胀成型，冷却定型后从模具中取出，修除废边后得到成品。这种工艺主要用来生产聚乙烯、聚氯乙烯塑料瓶，如牛奶瓶、酱油瓶等。 图2-1 挤出吹
11、塑工艺过程a.模具 b.机头 c.型胚 d。压缩空气 第二种是注拉吹工艺：即将塑料原料经注塑机注射成型管状型胚，然后放入放入瓶子模具中经拉伸吹塑成型，冷却后得到成品。这种工艺主要用来生产PET塑料瓶，如矿泉水瓶、可乐瓶等。PET塑料瓶在熔融状态下的流变性较好，压力对粘度的影响比温度要大，因此，主要从压力着手来改变熔体的流动性。塑料瓶在不同的环境中具有不同的使用状态，所以在塑料瓶的熔融状态下对流变性和粘度进行有效的控制。图2-2 注拉吹成型工艺过程（a）型胚成型 （b）型胚加热 （c）型胚拉伸 （d）吹塑成型 （e）脱模1.注塑机 2.热流道 3.冷却水 4.加热体 5.模芯加热 6.型芯棒(2
12、).注射系统：PET塑料瓶由于在熔点后的稳定时间短而熔点又较高，因此需要选用温控段较多、塑化时自摩擦生热少的注射系统，并且制品（含水口料）实际重量不能小于机器的注塑量的2/3。注塑机的选择需要根据机器的注塑量和注射系统进行合理的控制，基于这些要求，我国今年来开发了中小系列的PET专用塑化系统。将粉状或粒状塑料从注射机的料斗送入加热的料筒内，加热熔融塑化后，借助柱塞或螺杆的推力，物料被压缩并向前移动，通过料筒前端的喷嘴，以很快的速度注入温度较低的闭合模具型腔中,经过一定时间的冷却定型后，开启模具即得制品。(3).塑料的处理：由于PET塑料瓶大分子中含有脂基，具有一定的亲水性，粒料在高温下对水比较
13、敏感，当水份含量超过极限时，在加工中PET塑料瓶分子量下降，制品带色、变脆。因此，在加工前必须对物料进行一定的干燥，其干燥温度为150左右,4小时以上，一般为170，3-4小时。可用空射法检验材料是否完全干燥。使用用料时要对原料进行一定的干燥，保证生产的塑料瓶具有良好的产品性能。要注意不同的干燥温度和时间限制，保证生产的塑料瓶具有良好的产品性能。回收料比例一般要超过25%，且要把回收料彻底干燥。(4).注射速度：要快，可防止注射时过早凝固。但过快，剪切率高使物料易碎。射料通常在4秒内完成。(5).吹塑成型：简称吹塑。是利用气体的压力，将闭合在模具中的半溶融状态的管状型坯，吹胀成为中空塑料制品的
14、成型方法吹塑成型适于不同口径、不同容量的瓶、罐类塑料中空容器的成型，是生产率高，质量易于控制的成型方法。吹塑成型的基本工艺条件，对不同的塑料材料、不同的吹塑形式而有所不同。挤出吹塑：型坯温度涉及因素较多，需实验确定；吹塑压力0.21MPa；模具温度20一50；吹胀比24。注射吹塑：型坯注射压力1040MPa；型坯温度65135；吹塑压力0.71.2MPa；吹塑模具温度2060；吹胀比23。拉伸吹塑：不同塑料拉伸吹塑型坯温度是不同的，如PET在90110范围内；空气压力，挤拉吹塑个小于0.2MPa，注拉吹塑一般调控在1.371.47MPa之内。.注意事项：塑料瓶的生产工艺需要进行严格的质量体系进
15、行检验，保证生产的塑料具有良好的产品质量和保证。生产工艺是复杂的，需要不同的生产工序进行严格控制，确保每个工序进行严格的控制，确保每个工序都严格按照标准。(7).塑料的吹胀比和延伸比吹胀比是中空容器的最大外形尺寸与型胚最大尺寸之比。一般取2-4。吹胀比过大会使容器的壁厚不均匀，加工条件不宜掌握。吹胀比表示中空容器的径向最大尺寸和挤出机头口模尺寸之间的关系。当吹胀比确定后，即可根据塑料容器的最大直径确定型胚的口模尺寸。中空容器的长度和型胚的长度之比叫延伸比。延伸比大的塑料中空容器其纵向和横向强度都有提高，即壁越薄，强度越好。但为了保证刚度，延伸比不可太大。本次设计中，吹胀比取2，延伸比取2。图2
16、-3 吹塑比和延伸比2.2容器的尺寸确定本矿泉水瓶容量为600ML，根据成型工艺，选定瓶身为圆柱型。直径65mm，高170mm。3.造型方案论证和造型设计3.1瓶身设计此次设计时，瓶身主要形状为圆柱形。瓶肩和瓶颈和瓶盖是主要的设计要素，为了突出瓶盖的不同本设计并不在瓶身设计装饰花纹或者波纹，或者圆形的沟槽、锯齿纹、刚性棱边等，而是在瓶颈上增加了瓶型的美感，又符合人类工效学原理。如下所示：图3-1 瓶身3.2包装容器的瓶口和瓶盖的设计图3-2 瓶盖瓶盖的设计主要是包括外部结构设计和内部结构设计，瓶盖的外部主要是由图3-2所示的两部分组成，内部设计有螺纹结构，能够与瓶体通过螺纹结构连接在旋合在一起
17、。两部分的连接是依靠一个可以反复弯折的PP铰链来完成的。消费者在饮用瓶内的饮料时只要提前扭下整个瓶盖把密封瓶体口部的封合膜揭下，在把瓶盖整体拧上，在饮用时只要把瓶盖上部扳开就可以享受美味了。 瓶盖的材料用PP聚丙烯其性能：聚丙烯（PP）作为热塑塑料聚合物在塑料领域内有十分广泛的应用，具有机械性能好、强度大、硬度高、有良好的刚性和抗弯性、150C不变形等特点。图3-3 瓶口3.3内包装容器的瓶颈与瓶肩设计图3-4 瓶肩结构a.瓶肩斜度 b.瓶肩高度 c.瓶肩宽度 塑料瓶必须具有足够的垂直负载强度才能承受加料嘴和压盖机构的垂直压力，而瓶体的支承力还可以增加外包装瓦楞纸箱的抗压强度。 瓶肩与瓶颈是形
18、成瓶体垂直负载强度的关键部位。瓶肩和瓶颈在垂直负载的作用下易发生形变，瓶肩斜度、瓶肩高度、瓶肩宽度（瓶肩长度）是主要的影响因素。瓶肩宽度越大，瓶肩斜度越大，垂直载荷强度越好。一般来说，瓶型的结构越复杂则应力越集中，强度越小，瓶型越接近球形应力集中越小，强度越大。瓶肩与瓶身结合部位，只要允许，应尽量采用较大的过度半径，以降低该处的应力。3.4包装容器的瓶底设计本次设计内凹花瓣形底，因为塑料比较软，最容易变形。所以必须在底部采用加强措施，使其垂直抗压强度增加。所以花瓣底不仅稳定性好而且增加了一定的强度，当然此次设计最主要的是增加矿泉水瓶的稳定性。图3-5 瓶底结构3.5包装容器的壁厚分析中空吹塑制
19、品，特别是挤出吹塑制品其壁厚一般难于达到均匀一致。所以，设计上给出的壁厚要求一般是指最小壁厚或平均壁厚。根据此次选用的材料为热塑性塑料PET。因为热塑性塑料易于制成薄壁容器，最薄可以达到0.25mm,但是一般不宜小于0.6-0.9mm。(参考包装结构设计课本P183)。此次设计时的壁厚选用瓶口和瓶底为1mm，瓶身壁厚为0.8mm。4.设计计算校核4.1容量计算(1).瓶口：V1=R2H=3.14*1.4*1.4*2.1=12.924cm3(2).瓶肩：V2=Ri2H=3.14*(5.342+4.842+4.342+3.842)/4=67.13cm3(3).瓶身：V3=R2H=3.14*3.25
20、*3.25*17=563.826cm3(4).瓶底：V4=R2Hr2H=（3.14*2.422*13.14*12*1）/2=7.6cm3满口容量为：Va=V1+V2+V3+V4=12.924+67.13+563.826+7.6=651.48cm3(6).理论的顶隙容量：Vh=Kv*Vo=2%*600=12ml4.2容量误差计算V=Va-Vh-Vo=651.48-12-600=39.48ml4.3单个塑料瓶的塑料用量计算(1).瓶口：V1=R2H=3.14*1.4*1.4*2.1=12.924cm3(2).瓶肩：V2=Ri2H=3.14*(5.52+52+4.52+42)/4=71.81cm3(
21、3).瓶身：V3=R2H=3.14*3.25*3.25*17=563.826cm3(4).瓶底：V4=R2Hr2H=（3.14*2.52*13.14*12*1）/2=8.24cm3 (5).总的体积为：Vb=V1+V2+V3+V4=12.924+71.81+563.826+8.24=656.8cm3(6).塑料的用量为:VbVa=656.8651.48=5.32cm3(7).单个瓶子所用的塑料质量为：G=(Vb-Va)=5.32*1.3=6.916g=7g5.精度设计以及尺寸公差和表面粗糙度设计零件的技术要求包括下列几个方面：(1).加工表面的尺寸精度，零件的外轮廓要光滑。(2).主要加工表面
22、的形状精度，应该完整整、光滑、平稳。(3).主要加工表面之间的相互位置精度。(4).瓶底采用花瓣状，主要用来增加稳定性。(5).成型工艺为吹塑，主要确定其吹胀比和延伸比，它们都取2。(6).其他要求（如动平衡、未注圆角或倒角、去毛刺、毛坯要求等）要注意分析这些要求在保证使用性能的前提下是否经济合理，在现有生产条件下能否实现。特别要分析主要表面的技术要求，因主要表面的加工确定了零件工艺过程的大致轮廓。该零件连接轴在加工时要保证它的各项精度指标，如：各项尺寸精度、表面粗糙度等。零件加工时保证不同的长度尺寸和直径尺寸及表面粗糙度要求。参 考 文 献1 孙诚. 包装容器结构设计（第3版）. 北京：轻工业出版社, 2011,2.2 陈磊.纸盒包装设计原理（第1版）创意与结构设计. 北京： 人民美术，2010.6.3 蔡惠平. 包装折叠纸盒设计技巧. 北京：印刷工业，2012,12.4 鞠海.包装结构.辽宁：辽宁科学技术出版社，2009.10.5 萧多皆.纸盒包装设计指南.辽宁：辽宁美术出版社.2003.10.4 许琳. 塑料成型工艺与模具设计. 北京：清华大学出版社. 2011.8 5 杨永顺. 塑料成型工艺与模具设计. 哈尔滨工业大学出版社.
