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1、攀枝花学院 本科课程设计S曲线杯注塑模具设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 机电工程学院 年级专业： 2008级工业设计 指导教师： 助理指导教师： 二一一年十二月摘 要当今时代是追求美的时代，纵使是一个小小的杯子也应该让人心旷神怡；也是一个商务时代，酒店宾馆如雨后春笋般遍布神州大地，价廉物美安全的杯子自然得到亲睐，同时亦有广告效应；同时也是一个商品高需求时代，商家活动对小礼品需求也大，美丽安全的广告杯可以抓住商家的需求，大打广告而不令顾客厌倦。为满足时代的要求，S曲线杯横空出世。该课题从产品结构工艺性，具体模具结构出发，对模具的浇注系统、模具成型部分的结构、顶出系统、冷却系统、注塑机的选
2、择及有关参数的校核、都有详细的设计，同时并简单的编制了模具的加工工艺。通过整个设计过程表明该模具能够达到此塑件所要求的加工工艺。关键词 塑料杯，模具，聚丙烯（pp）目 录摘 要I前 言- 1 -1 塑件的工艺分析- 2 -1.1 塑件原材料分析- 2 -1.1.1 原料选取- 2 -1.2 测量- 3 -1.2.1 壁厚检测- 3 -1.2.2 脱模检测- 3 -1.2.3 塑件的外形尺寸及体积重量检测- 4 -1.3 初选注塑成型机的型号和规格- 6 -2 模具结构设计- 8 -2.1 确定型腔布置及数目- 8 -2.2 分型面的选择- 8 -2.3 浇注系统的设计- 9 -2.3.1 主流
3、道设计- 9 -2.3.2 分流道- 10 -2.3.3 冷料穴- 11 -2.3.4 浇口设计- 12 -2.3.5 浇道- 13 -2.4 排气系统设计- 13 -2.5 冷却系统设计- 14 -2.6 脱模机构的设计- 14 -3 模具成型零件的设计与计算- 16 -3.1 凹模、凸模、设计与计算- 16 -3.1.1 凹模有关的尺寸计算- 16 -3.1.2凸模有关尺寸计算- 16 -3.2 型腔壁厚计算- 17 -4 校核计算- 19 -4.1 最大浇注量的校核- 19 -4.2 注塑力的校核- 19 -4.3 点状进料口模具与机床开模行程关系的校核- 19 -4.4 脱模厚度的校核
4、- 20 -4.5 锁模力校核- 20 -5 凹凸模材料的确定- 21 -6 装配图- 22 -7 预期效果- 23 -8 设计小结- 25 -参考文献- 26 -前 言随着我国制造业的国际地位的不断提高,模具工业获得了飞速的发展,模具的需求量也成倍增加,其生产周期愈来愈短，高效率、自动化、大型、长寿命、精密模具在模具产量中所占比例越来越大。而模具生产是多品种小批量生产,乃至单件生产。其特点为：品种多样化；生产过程多样化；生产能力复杂化。因此塑料模具中的标准件,如标准模具架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库以实现数据共享,使模具的
5、设计分析快速、准确、高效。参数化特征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息,而且可以获得产品的精度、材料及装配等信息,其所建立的产品模型是一种易于处理、能反映设计意图和加工特征的模型。注塑成型模具就是将塑料先加在注塑机的加热料筒内，塑料受热熔化后，在注塑机的螺杆或活塞的推动下，经过喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔内，塑料在其中固化成型。塑成型工艺及模具设计是一门不断发展的综合学科，不仅随着高分子材料合成技术的提高、注塑成型设备的革新、成型工艺的成熟而改进，而且随着计算机技术、快速造型技术、树枝模拟技术、数字化应用技术等在注塑成型加工领域的渗透而发展。本次课程设计我们组的设计课题是水杯注塑模具
6、设计，这个水杯注塑模具设计课题来源于生活，应用广泛，虽成型难度有点大，模具结构较复杂，但对我们专业人士来说是一个很好的锻炼机会，它能加强塑料成型模具原理的理解，同时对塑料成型模具的设计和制造能力。本次设计以注塑模具设计为主线，综合了注塑机的选择，塑件成型材料分析、成型工艺分析，模具结构设计，模具参数的校核，最后到模具零件的加工方法，模具总的装配等一系列模具生产的所有过程，不仅能够把学过的工业设计材料与加工工艺、机械设计基础、产品模型制作基础、实用注塑成型及模具设计等专业基础知识综合应用到本次设计，将它们学以致用，还能学到新的设计理念和设计方法，一举两得。1 塑件的工艺分析1.1 塑件原材料分析
7、1.1.1 原料选取因高安全等级及特殊要求选用pp材料。聚丙烯（pp）密度低，无色，无味，无毒，透明度较聚乙烯高，透气性低。此外，聚丙烯的屈服强度、弹性、硬度及抗拉、抗压强度等都高于聚乙烯，其拉伸强度甚至高于聚苯乙烯和ABS。聚丙烯吸水率低，绝缘性能好，能耐弱酸、弱碱。聚丙烯在100C以上的温度下进行消毒灭菌，熔点为164170C，其最高使用温度达150C，最低使用温度达-15C。聚丙烯在氧、热、光的作用下极易降解老化，所以必须加入防老化剂。定向拉伸后的聚丙烯可制作铰链，抗弯曲疲劳强度特别高。聚丙烯成型加工时收缩率较大，易导致成型加工出来的制件出现变形、缩孔等缺陷。成型性能：1.结晶料,吸湿性
8、小,易发生融体破裂,长期与热金属接触易分解。 2.流动性好,但收缩范围及收缩值大,易发生缩孔.凹痕,变形。3.冷却速度快,浇注系统及冷却系统应缓慢散热,并注意控制成型温度.料温低方向方向性明显.低温高压时尤其明显,模具温度低于50度时,塑件不光滑,易产生熔接不良,留痕,90度以上易发生翘曲变形。4.塑料壁厚须均匀,避免缺胶,尖角,以防应力集中。熔化温度：220275，注意不要超过275。 模具温度：4080，建议使用50。结晶程度主要由模具温度决定。 注射压力：可大到1800bar。 注射速度：通常，使用高速注塑可以使内部压力减小到最小。如果制品表面出现了缺陷，那么应使用较高温度下的低速注塑。
9、 流道和浇口：对于冷流道，典型的流道直径范围是47mm。建议使用通体为圆形的注入口和流道。所有类型的浇口都可以使用。典型的浇口直径范围是11.5mm，但也可以使用小到0.7mm的浇口。对于边缘浇口，最小的浇口深度应为壁厚的一半；最小的浇口宽度应至少为壁厚的两倍。PP材料完全可以使用热流道系统。物理和化学特性：PP是一种半结晶性材料。它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。由于均聚物型的PP温度高于0以上时非常脆，因此许多商业的PP材料是加入14%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度（100）、更高的透明度、低光泽度、低刚性，但是有有更强的抗冲击强度
10、。PP的冲击强度随着乙烯含量的增加而增大。PP的维卡软化温度为150。由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。PP不存在环境应力开裂问题。通常，采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。PP的流动率MFR范围在140。低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。对于相同MFR的材料，共聚物型的冲击强度比均聚物型的要高。由于结晶，PP的收缩率相当高，一般为1.82.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。然而，它对芳香烃（如苯
11、）溶剂、氯化烃（四氯化碳）溶剂等没有抵抗力。PP也不象PE那样在高温下仍具有抗氧化性。1.2 测量1.2.1 壁厚检测零件壁厚基本均匀，所有壁厚都在1.1-1.3mm之间，如图1-1。图1-1 壁厚检测1.2.2 脱模检测能顺利脱模，如图1-2图1-2脱模检测1.2.3 塑件的外形尺寸及体积重量检测单个塑件外形尺寸如图，体积约为22.63cm3，最大质量为20.48g，如图1-3,1-4图1-3外形尺寸图1-4脱模检测1.3 初选注塑成型机的型号和规格从经济角度考虑，模具设计初定为一模四腔。为了保证塑件质量，充分发挥设备的能力，公称注塑量在20%-80%，初步选定用XS-Z-60（卧式）型注塑
12、机。SZ-200/120（卧式）型注塑机的主要技术规格如表2-1：表1-1注塑机的主要参数理论注射容积(cm）200螺杆直径(mm)42注射压力(MPa)150注射速率(g/s)120塑化能力(g/s)70螺杆转速(r/min)0220锁模力(kN)120拉杆有较距离(mm)355385移模行程(mm)305模具最大厚度(mm)400模具最小厚度(mm)230锁模形式双曲肘模具定位孔直径(mm)125喷嘴球半径(mm)15喷嘴孔直径（mm）4模板外形尺寸(m)4.0 1.41.92 模具结构设计2.1 确定型腔布置及数目根据注塑机的选择，采用一模四腔结构，四腔紧密对称布置。单个腔体如图3-12
13、.2 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，选择分型面时一般应遵循以下几项原则：保证塑料制品能够脱模 （2）使型腔深度最浅 （3）使塑件外形美观，容易清理 （4）尽量避免侧向抽芯（5）使分型面容易加工 （6） 使侧向抽芯尽量短 （7）有利于排气 根据设计原则，分型面选择如图2-1图2-1 分型面及型腔2.3 浇注系统的设计2.3.1 主流道设计设计如图2-2图2-2主流道2.3.2 分流道断面形状及直径如图2-3图2-3分流道截面分流
14、道布置如图2-4图2-4分流道布置2.3.3 冷料穴用来储藏在注射间隔时期内由于喷嘴部文都低而形成的所谓冷料渣，以及用它拉出在浇口内的塑料。查手册冷料穴及拉料杆的形式，选用冷料穴为圆扣形，应用在脱模板脱模无冷料穴时的情况。冷料穴设计如图2-5图2-5冷流道2.3.4 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
15、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，本产品选用点浇口较为合适，见图2-6。图2-6浇口2.3.5 浇道浇道是融料从浇口注入型腔前的过滤部位，其作用是通过流道截面及方向变化使融料平稳转换流向，注入型腔浇道的形状尺寸应满足在相等截面积时其周长为最小的要求，从而可减
16、小融料散热面积和摩擦阻力。为了便于加工、减小热量损失和流动阻力，本模具浇道选为圆形。表2-1塑料名称分流道断面直径塑料名称分流道断面直径ABS、AS4.8-9.5 聚苯乙烯3.5-10聚乙烯1.6-9.5软聚氯乙烯3.5-10尼龙类1.6-9.5硬聚氯乙烯6.5-16聚甲醛3.5-10聚氨酯6.5-8.0丙烯酸塑料8-10热塑性聚酯3.5-8.0抗冲击丙烯酸塑料8-12.5聚苯醚6.5-10醋酸纤维素5-10聚砜6.5-10聚丙烯5-10离子聚合物2.4-10异质同晶体8-10聚苯硫醚6.5-13根据表及实际情况 浇道直径5mm。2.4 排气系统设计排气系统的作用是将型腔中原有的空气及成型过程
17、中产生的气体顺利的排出，以免塑件产生气泡，疏松等缺陷而影响成型及表面质量。排气槽的作用主要有两点。一是在注射熔融物料时，排除模腔内的空气；二是排除物料在加热过程中产生的各种气体。越是薄壁制品，越是远离浇口的部位，排气槽的开设就显得尤为重要。另外对于小型件或精密零件也要重视排气槽的开设，因为它除了能避免制品表面灼伤和注射量不足外，还可以消除制品的各种缺陷，减少模具污染等。那么，模腔的排气怎样才算充分呢？一般来说，若以最高的注射速率注射熔料，在制品上却未留下焦斑，就可以认为模腔内的排气是充分的。适当地开设排气槽；可以大大降低注射压力、注射时间。保压时间以及锁模压力，使塑件成型由困难变为容易，从而提
18、高生产效率，降低生产成本，降低机器的能量消耗。其设计往往主要靠实践经验，通过试模与修模再加以完善，此模我们利用模具零部件的配合间隙及分型面自然排气。排气槽的设计原则：1）排气槽尽量开设在分型面；2）排气槽应在型腔最后充满的地方；3）排气槽一般应开设在分型面动模一方；4）排气槽的槽深按表3-3选用为0.02mm；5）排气槽的式要预防溢料溅出伤人，最好不要面对操作者；2.5 冷却系统设计注塑模在塑料成型过程中如果横温过高，成型收缩率会变大、塑件变化也相应增加，并且容易粘模，难以取出。为防止塑件脱模变形、缩短成型周期，注塑模一般都应设计冷却系统装置，以控制模温。冷却水孔开设原则：（1）孔边离型腔的距
19、离一般保持在1525mm，太近则效率低，水孔直径一般在8mm以上，根据模具大小决定；（2）孔管路应畅通无阻；（3）水管接头的位置应尽可能放置在不影响操作的一侧；（4）冷却水管最好不开设在型腔塑料熔接的地方以免影响塑件强度；因为本塑件的加热温度对塑件的质量影响较大，温度过高易于分解（分解温度250）、成型时要控制模温在50-80 ，具体措施是布置冷却水管，具体要求：（1）冷却水管直径8mm（2）冷却回路形式为直流循环式2.6 脱模机构的设计脱模机构的设计原则：（1）推出机构应尽量设置在动模一侧 （2）保证塑件不因推出而变形损坏 为（3）机构简单动作可靠 （4）良好的塑件外观 （5）合模时的正确复
20、位 表2-2各种材料推荐脱模斜度材料脱模斜度聚乙烯、聚丙烯、软聚氯乙烯- ABS、尼龙、聚甲醛、聚苯醚氯化聚醚-硬氯乙烯、聚碳酸醋、聚苯乙烯、有机玻璃-热固性塑料- 查表，本模具脱模斜度取为，因为在该模具没有特殊要求，所以不影响塑件质量与精度的情况下尽量选取大值3 模具成型零件的设计与计算3.1 凹模、凸模、设计与计算塑件的平均收缩率为2%3.1.1 凹模有关的尺寸计算径向尺寸 深度尺寸 3.1.2凸模有关尺寸计算径向尺寸高度尺寸 3.2 型腔壁厚计算塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应有足够的强度和刚度。该模具型腔的大径为60.60mm，小径为50.40mm，（查书-P121 -公
21、式（6-14 6-15）刚度： 强度：S型腔壁厚mm 模具材料的许用压力MPaP塑料在型腔中的压力MPar型腔半径mm刚度条件下允许形变量mmE模具材料的弹性模量MPa碳钢为MPa在型腔内，塑料压力P=（0.24-0.5）（查书-P106-公式4-6）（注： 模具设计与制造技术教育丛书编委会编.模具结构设计.机械工业出版社，2003.10），取p=50MPa许用压力=160MPa，允许变形量=0.05 ，聚丙烯（PP）=0.025-0.04（查书-P120 -表6-7），r=60.60mm代入数据求得： S=14mm和S=28mm 取S=14mm4 校核计算4.1 最大浇注量的校核（以克量计算
22、） 0.8CG 式中C-注塑机最大注射容量（g）； G-成型塑件及浇注系统所需塑料克量； 0.8-系数，一般要求成型塑件的容量不得超过注塑机容量的80%； 由前面初选注塑机可知C=V=0.91X200=182.00g，而塑件的最大克量为20.48g， 故 0.8182.00=145.6020.484=81.92满足要求。 4.2 注塑力的校核 式中 -选用的注塑机的最大注射压力（MPa）；-成型需要的注射压力（MPa）；其中=180 MPa，=80 MPa； 所以 满足要求4.3 点状进料口模具与机床开模行程关系的校核 S+a+（5-10） 式中 S-开模行程（mm）； -脱模距离（mm）；
23、-塑件高度（mm）； 5-10为保证取出塑件而增设的余量（mm）； a-定模板与浇口套分离距离（取出浇口的长度），对阶梯型塑件，不需要全部定出型芯，但必须考虑脱模后型芯是不妨碍取出塑件（mm） 其中，S=240mm，=42mm，=25mm，a=40mm取 ，显然 S+a+（5-10） 满足要求4.4 脱模厚度的校核 -注塑机所允许的最小模具厚度（mm）；-所设计模具在闭合状态下的厚度（mm）；-注塑机所允许的最大模具厚度（mm）； 其中=12mm，=15mm，=17mm，显然 满足要求4.5 锁模力校核 =AF -型腔平均压力（MPa），非精密级成型时根据塑件的复杂程度及塑料的流动性好坏，常取
24、20-45MPa， A-塑件及浇注系统在分型面的总投影（）； F-注塑机的额定锁模力（N）； 其中 =A=187.3NF=400N 满足要求5 凹凸模材料的确定本模具凹凸模采用铝合金。现今人们已经改变了过去不愿意使用软质金属铝的观念，因为铝材料供货商对其性能和使用性做了显著的改进，铝（第三代铝，大约在1990年后投入使用）很多优点的应用日益增加，铝熔点低，热工作特性好（与钢相比），良好的机加工性能；此外，易于回收再利用，相对较低的能量消耗，这些使得铝这种材料在模具加工中广泛应用。第三代铝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
25、于得到，合理的价格体积比。6 装配图7 预期效果 8 设计小结通过本次设计任务充分检验了模具设计课程学习的情况，同时也为以后模具的设计打下了坚实的基础（查阅大量资料、手册、标准、期刊等，结合教材上的知识也对注塑模具的组成结构有了系统的认识，拓宽了视野，丰富了知识。）另外，本次设计还必须具很强的计算机应用的能力，在此方面深感不足，在以后的日子要努力弥补。一人的力量终究微薄，只能是熟悉下整个模具制作的流程，在考虑问题上也不可能面面俱到。本次课程设计的主要任务是S曲线杯注塑模具的设计，设计出一副优良的注塑模具来生产该塑件制品，提高工作质量和效率是摆在面前的重要任务。参 考 文 献1桂元龙.徐向荣编著.工业设计材料与加工工艺M.北京：北京理工大学出版社，20072史铁梁.模具设计指导M.北京：机械工业出版社， 20033全国模具编辑委员会.模具设计M.北京.模具钳工工艺机械工业出版社， 20034屈华昌.塑料成型工艺与模具设计M.高等教育出版社，20055洪慎章.实用注塑成型及模具设计M.机械工业出版社， 20056杨关全编.模具设计与制造基础M.北京：北京师范大学出版社，2005
