水杯注塑模具设计.docx

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水杯注塑模具设计

水杯注塑模具设计

摘要......................................................2

第一章注塑模具的国内外发展现状...........................2

第二章塑料成型工艺......................................3

2.1塑料制品的结构和工艺性能设计..........................4

2.2注塑成型工艺的过程.....................................5

2.3.塑件的后处理..........................................6

2.4.注塑成型工艺参数......................................7

2.5.注塑成型特点..........................................9

2.6注塑成型设备...........................................9

2.7注塑机的工作过程......................................9

2.8.注塑机的基本参数.....................................10

第三章水杯注塑模设计....................................10

3.1注塑模................................................10

3.2水杯模具的结构设计...................................11

3.3型腔数量的确定.......................................11

3.4浇注系统设计..........................................12

3.5成型零件设计.........................................12

3.6合模导向机构的设计...................................12

第四章模具三维设计

4.1水杯的三维造型.......................................12

4.2水杯模具设计.........................................13

4.3设计脱模机构.........................................14

4.4限位机构.............................................14

4.5设顶出机构...........................................14

4.6设冷却系统...........................................14

第五章小结.............................................14

参考文献.................................................15

摘要

近年来，由于我国的模具行业迅速发展，尤其是对塑料模具有了更高的要求。

在整个模具市场做占的比例上升到30%左右，而且还讲保持着年增长达到10%的发展趋势，因此国内的模具市场以注塑模具需求了最大。

而其发展的方向亦向更精密、高效、复合以及多功能方面发展，制造的技术含量不断提高，周期也在研发中不断缩短。

塑料成型的最重要一种方法就是注射成型，它适用于热塑料的成型，可以一次成型简单或辅助的精密塑件。

本课题讲水杯作为设计模型，将注塑模具的相关知识作为依据，阐释塑料注射模具的设计过程。

介绍塑件结构形状，塑件的材料选择及其结构工艺，注射机成型的设备组成分类及型号规格。

关键词：

注塑模具注射机注塑工艺结构特点成型装置

第一章注塑模具的国内外发展现状

注塑模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑胶模具设计工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航太、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的塑胶模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。

电脑辅助工程（CAE）技术已成为塑胶产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。

美国上市公司Moldflow公司是专业从事注塑成型CAE软体和谘询公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软体以来，一直主导塑胶成型CAE软体市场。

近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。

利用CAE技术可以在模具加工前，在电脑上对整个注塑成型过程进行类比分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以後再返修模具。

这不仅是对传统塑胶模具的设计方法一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。

塑胶模具设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。

这是发展的必然趋势。

注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。

传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕後，通常需要几次试模，发现问题後，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料模具设计制品和塑胶模具的设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。

第二章塑料成型工艺

塑料成型的选择主要决定于塑料的类型（热塑性还是热固性）、起始形态以及制品的外形和尺寸。

加工热塑性塑料常用的方法有挤出、注射成型、压延、吹塑和热成型等，加工热固性塑料一般采用模压、传递模塑，也用注射成型。

塑料成型是将各种形态（粉料、粒料、溶液和分散体）的塑料制成所需形状的制品或坯件的过程。

成型的方法多达三十几种。

层压、模压和热成型是使塑料在平面上成型。

上述塑料加工的方法，均可用于橡胶加工。

此外，还有以液态单体或聚合物为原料的浇铸等。

在这些方法中，以挤出和注射成型用得最多，也是最基本的成型方法。

2.1塑料制品的结构和工艺性能设计

2.11塑件结构形状

制品整体外观尺寸与塑料的流动性有关。

在注射成型与彻底成型中，当塑料流动性差是以及制品壁厚较薄时，其整体外形尺寸不能太大。

此外，整体外形尺寸受到成型设备的制约。

本次设计为水杯，其结构形状如下：

2.12塑件材料的选择

塑件的材料选择采用ABS，属于热塑性塑料。

综合性能比较好：

机器强度高；抗冲击能力强，低温时也不好迅速下降；缺口的敏感度交换；抗蠕变性好。

温度升高时也不好迅速下降；表面有一定的硬度，抗抓伤；耐磨性好，摩擦系数低，较小的收缩率，较宽的成型工艺范围。

另外，在塑料成型时容易产生缩孔、凹痕、变形等缺陷。

因此在成型时注意控制成型温度，浇注系统应较慢散热，冷却速度不宜过快。

ABS的性能指标

2.13塑料制品的结构工艺性

除了塑件的原材料外，还必须考虑塑件的结构工艺性。

塑件的结构工艺性与模具设计有直接关系，只有塑件结构设计满足成型工艺要求，才能设计出合理的模具结构。

塑件结构工艺性设计的主要内容包括：

尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形状、壁厚、斜度、加强筋、支承面、圆角、孔、螺纹、齿轮、嵌件、文字、符号及标记等。

（1.）脱模斜度

常用的塑件脱模斜度

由此可知ABS型腔的脱模斜度为35’~1︒45’，型芯的脱模斜度为30’~40’。

（2）壁厚

制品最小壁厚的确定原则：

（1）脱模时受顶出零件的推力而不变形；

（2）能承受0.25mm，但一般在（0.6~.09）mm之间。

常用壁厚为（2~4）mm。

本课题水杯的壁厚是1mm。

（3）制品的精度

本课题采用一般精度MT3，对于公差2为0.55mm。

在制品成型中，对塑料制品的精度要求不能过高，应在保证使用性能的情况下，尽可能选用低精度等级。

（4）.表面的粗糙程度

在一般情况下，模具型腔表面的粗糙度可比所成型的制品表面粗糙度低1-2级。

本课题可选用Ra（1.6~0.2）μm。

2.14塑料注塑成型

注塑成型又称注射模塑成型，它是一种注射兼模塑的成型方法。

注塑成型方法的优点是生产速度快、效率高，操作可实现自动化，花色品种多，形状可以由简到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精确，产品易更新换代，能成形状复杂的制件，注塑成型适用于大量生产与形状复杂产品等成型加工领域。

在一定温度下，通过螺杆搅拌完全熔融的塑料材料，用高压射入模腔，经冷却固化后，得到成型品的方法。

该方法适用于形状复杂部件的批量生产，是重要的加工方法之一。

2.2.注塑成型工艺的过程

1.注塑成型过程

首先将准备好的塑料加入注射机的料斗，然后送进加热的料筒中，结果加热融塑化成粘流态塑料，在注塑机的柱子赛或螺杆的高压推动下经过喷嘴压入模具型腔，塑料充满型腔后，需要保压一段时间，使塑件在型腔中冷却、硬化、定型，压力撤销后开模，并利用注塑机的顶出机构使塑件脱模，最后取出塑件。

这样就完成了一次注塑成型工作循环，以后是不断重复上诉周期的生产过程。

由此可知，注塑成型过程包括加料、塑化、注射、脱模等、几个步骤。

2.塑化是颗粒状塑料在注射机料筒中经过加热达到粘留状态并且具有良好可塑性的过程。

对塑料的塑化要求是：

塑料溶体在加入型腔之情，纪要达到规定的成型温度，并要在规定的时间内提供足够量的融塑料化料各处的温度尽量均匀一致，不发生或极少发生热分解以确保生产的顺利进行。

螺杆式煮熟对塑料的塑化比柱塞式注塑机好得多。

不管是何种形式的注塑机，注射过程均可分为充模、保压、倒流、浇口冻结后的冷却四个阶段。

3.充模阶段是从柱塞或螺杆开始向前移动起，到塑料熔体经过喷嘴及模具浇注系统充满腔型时为止。

4.塑料熔体充满型腔后，熔体开始冷却收缩，但柱塞或螺杆继续保持施压状态，料筒内的燃料会向模具型腔内继续流入进行补缩，以形成形态完整而致密的塑件。

这一阶段被称为保压阶段。

5.倒流阶段是指柱塞或螺杆开始后退保压结束时开始的，这首型腔内的压力比流道内的高，因此会发生塑料熔体的倒流，从而使型腔内的压力迅速下降，直到浇口处熔料冻结倒流才结束。

如果保压结束之前浇口已经冻结或者是在喷嘴上装有止逆阀，则倒流阶段不会存在。

6.浇口冻结后的冷却是从浇口的塑料完全冻结时开始，这一阶段型腔内塑料继续进行冷却，没有塑料从浇口处流进或流进，但型腔内还有少量的流动。

应该指出，塑料从注入型腔后即被冷却，直到脱模时为止。

7.脱模是塑件冷却到一定温度后开模，在推出机构的作用下将塑料制件推出模外的过程。

2.3.塑件的后处理

为改善和提高塑件的性能和尺寸稳定性，苏建经脱模或机械加工后应进行适当的后处理。

后处理主要是指退火和调湿处理。

（1）退火处理是将塑件制品放在定温的加热液体介质中（如热水、热的矿物油等）或热空气循环烘箱中静置一段时间，然后缓慢冷却的过程。

目的是减少或消除塑件的内应力。

（2）调湿处理是指将刚脱模的塑件放在热水中隔绝空气进行防止氧化的退火，同时加快达到吸湿平衡的一种后处理方法。

目的是是塑件的颜色、性能、尺寸得到稳定。

聚酰胺类塑料制品通常需要进行调湿处理。

2.4.注塑成型工艺参数

⒈注塑压力

注塑压力是由注塑系统的液压系统提供的。

液压缸的压力通过注塑机螺杆传递到塑料熔体上，塑料熔体在压力的推动下，经注塑机的喷嘴进入模具的竖流道（对于部分模具来说也是主流道）、主流道、分流道，并经浇口进入模具型腔，这个过程即为注塑过程，或者称之为填充过程。

压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力，或者反过来说，流动过程中存在的阻力需要注塑机的压力来抵消，以保证填充过程顺利进行。

注塑过程中压力包括塑化压力和注射压力两种，并直接影响塑料的塑化和制品质量。

（1.）塑化压力：

（背压）采用螺杆式注射机时，螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力称为塑化压力，亦称背压。

这种压力的大小是可以通过液压系统中的溢流阀来调整的。

在注射中，塑化压力的大小是随螺杆的设计、制品质量的要求以及塑料的种类不同而需要改变的，如果说这些情况和螺杆的转速都不变，则增加塑化压力会加强剪切作用，即会提高熔体的温度，但会减小塑化的效率，增大逆流和漏流，增加驱动功率。

此外，增加塑化压力常能使熔体的温度均匀，色料的混合均匀和排出熔体中的气体。

一般操作中，塑化压力的决定应在保证制品质量优良的前提下越低越好，其具体数值是随所用的塑料的品种而异的，但通常很少超过20公斤/平方厘米。

（2.）注射压力：

在当前生产中，几乎所有的注射机的注射压力都是以柱塞或螺杆顶部对塑料所施的压力（由油路压力换算来的）为准的。

注射压力在注塑成型中所起的作用是，克服塑料从料筒流向型腔的流动阻力，给予熔料充模的速率以及对熔料进行压实。

在注塑过程中，注塑机喷嘴处的压力最高，以克服熔体全程中的流动阻力。

其后，压力沿着流动长度往熔体最前端波前处逐步降低，如果模腔内部排气良好，则熔体前端最后的压力就是大气压。

影响熔体填充压力的因素很多，概括起来有3类：

⑴材料因素，如塑料的类型、粘度等；⑵结构性因素，如浇注系统的类型、数目和位置，模具的型腔形状以及制品的厚度等；⑶成型的工艺要素。

⒉注塑时间

这里所说的注塑时间是指塑料熔体充满型腔所需要的时间，不包括模具开、合等辅助时间。

尽管注塑时间很短，对于成型周期的影响也很小，但是注塑时间的调整对于浇口、流道和型腔的压力控制有着很大作用。

合理的注塑时间有助于熔体理想填充，而且对于提高制品的表面质量以及减小尺寸公差有着非常重要的意义。

注塑时间要远远低于冷却时间，大约为冷却时间的1/10～1/15，这个规律可以作为预测塑件全部成型时间的依据。

在作模流分析时，只有当熔体完全是由螺杆旋转推动注满型腔的情况下，分析结果中的注塑时间才等于工艺条件中设定的注塑时间。

如果在型腔充满前发生螺杆的保压切换，那么分析结果将大于工艺条件的设定。

⒊注塑温度

注塑温度是影响注塑压力的重要因素。

注塑机料筒有5～6个加热段，每种原料都有其合适的加工温度（详细的加工温度可以参阅材料供应商提供的数据）。

注塑温度必须控制在一定的范围内。

温度太低，熔料塑化不良，影响成型件的质量，增加工艺难度；温度太高，原料容易分解。

在实际的注塑成型过程中，注塑温度往往比料筒温度高，高出的数值与注塑速率和材料的性能有关，最高可达30℃。

这是由于熔料通过注料口时受到剪切而产生很高的热量造成的。

在作模流分析时可以通过两种方式来补偿这种差值，一种是设法测量熔料对空注塑时的温度，另一种是建模时将射嘴也包含进去。

（1.）料筒温度：

注射模塑过程需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度等。

前两种温度主要影响塑料的塑化和流动，而后一种温度主要是影响塑料的流动和冷却。

每一种塑料都具有不同的流动温度，同一种塑料，由于来源或牌号不同，其流动温度及分解温度是有差别的，这是由于平均分子量和分子量分布不同所致，塑料在不同类型的注射机内的塑化过程也是不同的，因而选择料筒温度也不相同。

（2.）喷嘴温度：

喷嘴温度通常是略低于料筒最高温度的，这是为了防止熔料在直通式喷嘴可能发生的"流涎现象"。

喷嘴温度也不能过低，否则将会造成熔料的早凝而将喷嘴堵塞，或者由于早凝料注入模腔而影响制品的性能。

（3.）模具温度：

模具温度对制品的内在性能和表观质量影响很大。

模具温度的高低决定于塑料结晶性的有无、制品的尺寸与结构、性能要求，以及其它工艺条件（熔料温度、注射速度及注射压力、模塑周期等）。

⒋保压压力与时间

在注塑过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。

保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的容积。

如果型腔充满后不进行保压，制件大约会收缩25%左右，特别是筋处由于收缩过大而形成收缩痕迹。

保压压力一般为充填最大压力的85%左右，当然要根据实际情况来确定。

常用塑料的注塑成型工艺参数表

⒌背压

背压是指螺杆反转后退储料时所需要克服的压力。

采用高背压有利于色料的分散和塑料的融化，但却同时延长了螺杆回缩时间，降低了塑料纤维的长度，增加了注塑机的压力，因此背压应该低一些，一般不超过注塑压力的20%。

注塑泡沫塑料时，背压应该比气体形成的压力高，否则螺杆会被推出料筒。

有些注塑机可以将背压编程，以补偿熔化期间螺杆长度的缩减，这样会降低输入热量，令温度下降。

不过由于这种变化的结果难以估计，故不易对机器作出相应的调整。

2.5.注塑成型特点

1.成型周期短

2.对成型各种塑料的适应性强。

3.生产效率高，易于实现自动化生产。

4.注塑成型所需设备昂贵，模具结构复杂，制作成本较高，所以注塑成型特别适合大规模批量生产。

2.6注塑成型设备

2.3.1.注塑成型机的结构

一般注塑机包括注射装置、合模装置、液压系统和电气控制系统等部分。

注射成型的基本要求是塑化、注射和成型。

塑化是实现和保证成型制品质量的前提，而为满足成型的要求，注射必须保证有足够的压力和速度。

同时，由于注射压力很高，相应地在模腔中产生很高的压力（模腔内的平均压力一般在20~45MPa之间），因此必须有足够大的合模力。

由此可见，注射装置和合模装置是注塑机的关键部件。

2.7注塑机的工作过程

合模→预塑→倒缩→喷嘴前进→注射→保压→喷嘴后退→冷却→开模→顶出→开门→取工件→关门→合模。

1.首先模具以低压快速进行闭合，当动模与定模接近是，合模压力低速，在确认模内无异物存在时再切换成高压低速将模具锁紧。

锁紧后注射液压缸开始工作，使注射装置前移，保证喷嘴与模具主浇套入口以一定的压力贴合。

之后便可向注射液压缸接入压力油。

预算液压缸活塞杆相接的螺杆便以高压高速将头部的熔料注入模腔，并将模腔中的气体从模具分型面驱赶出去。

此时螺杆头部作用产生的注射压力称为一次压力。

注入模腔的熔料由于低温模具的冷却作用而产生收缩，为了生产出质量致密的制件，还需对熔料保持一定的压力进行补缩，直到浇注系统的塑料冻结为止。

此时螺杆作用熔料的压力称为保压压力，又称二次压力。

保压时，螺杆因补缩会有少量的前移。

2.制件冷却与预塑化

注射结束、冷却计时器计时完毕后，预塑动作开始。

螺杆旋转将塑料熔融料挤送到螺杆头前面。

由于螺杆前端单向阀的作用，熔融塑料积存在机筒的前端，将螺杆向后迫退。

当螺杆退到预定的位置时（此位置由行程开关确定，控制螺杆后退的距离，实现定量加料），预塑停止，螺杆停止转动。

紧接着是倒缩动作，倒缩即螺杆做微量的轴向后退，此动作可使聚集在喷嘴处的熔料的压力得以解除，克服由于机筒内外压力的不平衡而引起的"流涎"现象。

若不需要倒缩，则应把倒缩停止，开关调到适当位置，让预塑停止。

开关被压上的同一时刻，倒缩停止开关也被压上。

当螺杆做倒缩动作后退到压上停止开关时，倒缩停止。

接着注座开始后退。

当注座后退至压上停止开关时，注座停止后退。

若采用固定加料方式，则应注意调整好行程开关的位置。

一般生产多采用固定加料方式以节省注座进退操作时间，加快生产周期。

当保压进行到模腔内熔料失去从浇口回流的肯学，注射液压缸内的保压压力即可卸去，使制件在模内冷却定型。

注射装置是否后退可根据所加工塑料的工艺而定。

另一方面，有时为了清理啊而使注射装置退回。

模具内的制件冷却定型后，合模机构就开启模样。

在注射机的顶出系统和模具的推出机构的联合作用下，将制件自动推出。

2.8.注塑机的基本参数

注塑机的分类有很多，目前最常用的是卧式注塑机。

小型注塑的话一般采用立式注塑机。

还有介于两者之间的角式注塑机。

注塑压力的作用是克服注射中各种阻力对注入模腔的熔体产生一定的压力。

通常注射速度为0.8~1.2m/s，注射时间为4~10s。

锁模力指合模机构施于模具上的最大夹紧力，单位为KN。

锁模力的作用是与注射时的压力相平衡，保证操作时模具不被撑开。

合模装置的基本参数包括动、定模固定板尺寸、拉杆间距、动定模固定板间最大开距、模具高度及动模固定板行程与移动速度。

第三章水杯注塑模设计

3.1注塑模

按所成型的塑料制品材料可分为热塑塑性塑料注射射模和热固性塑料注射模。

按注射模整体结构分为单分型面注射模、双分型面注射模、垂直分型面注射模、有侧面分型和抽芯结构的注射模等等。

按浇注系统结构可分为热流道结构的注射模、浇注系统为绝热流道结构的注射模、浇注系统为温流道结构的注射模。

3.2水杯模具的结构设计

该制品㓟两个分型面，一个是动模定模之间的水平分型面，另一个则是便于手柄部分脱模的垂直分型面。

主分型面侧分型面

AA面为最佳主分型面，。

BB面为侧抽芯的分型面，位于制品的中心位置。

3.3型腔数量的确定

注塑模在型腔数量的确定时主要考虑：

塑件的尺寸精度、模具制造成本、注塑成型的生产效益、模具制造难度。

如图：

一模一腔一模两腔

采用一模一腔的模具制造成本不高，但是点状进料口，塑料流程短，塑件质量好，浇口容易去除，但是不能满足大规模生产需求。

采用一模两腔的生产效率高，点浇口进料，适用于外形要求较高，但塑料流程较大，模具制造成本相对较高。

3.4浇注系统设计

（1）尽可能采用平衡式布置，型腔布置和浇口开设部位力求对称，型腔尽可能紧凑。

（2）浇注系统由主流道、分力道、进料浇口和冷料穴组成。

3.5成型零件设计

（1.）定模的结构设计

定模是成型制品外表面的成型零件，由零件结构确定该定模为两个半个的滑动定模块结构。

定模动模

（2）动模的结构设计

动模即成型塑料制品表面的型芯。

3.6合模导向机构的设计

注射模的导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种类型。

第一章是用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。

锥面定位机构用于动、定模之间的精密对中定位。

推件板设计

在注射成型过程中，使熔体在模具内冷却定型，所以起着热交换器的作用，一般注射200摄氏度左右的塑料熔体。

第四章模具三维设计

4.1水杯的三维造型

利用Pro/E系统下的“零件”、“实体”木块进行三维造型。

应用Pro/E中的拉伸、旋转、倒圆角、扫描等创建如图

4.2水杯模具设计

1.利用Pro/E系统下的模具模块进行组件，进入“制造”/“模具型腔”模块，新建模块型腔设计文件，直接调入零件模型并定义为参考模型将其定位。

根据铸造原理，由之前准备所得的工件收缩率为0.55%，则该产品的收缩率设置为“0.005”。

2.采用裙边定义分型面的方法，利用刚建立的分型面将参考工件拆分成型芯，滑动定模块。

动模块。

型芯滑动定模块

动模块

模具展开效果图如下：

4.3设计脱模机构

1.建立坐标系统，设计滑块结构。

修改滑块机构元件，创建自动工件。

4.4限位机构

包括限位挡块、拉簧、紧固螺钉等。

如图：

4.5设顶出机构

1.通过“拉伸”等工具完成切剪，创建动模切剪特征及推件板。

2.在EMX工具栏中选择动模板上的基准点，程序弹出“顶杆对话框，从中选择参数”，设置顶杆参数。

3.在支承板的适当位置上创建4沉头螺丝并在其中心位置上创建4个准点。

按对话框操作，最后单击“确定”的按钮，结束螺钉的定义。

4.6设冷却系统

1.设计水线

分别选择动模、定模垫板、定模板零件，在选中的模型上建立基准平面，创建水线。

2.创建喷嘴、接头和密封塞

单击EMX工具栏中“Createcoolingbore”按钮进行操作，最后选择相对应的参数完成喷嘴、接头和密封塞的创建。

3.加载所有组件

在菜单栏中选择“EMX4.1/模具基体/装配元件”命令，在弹出对话框勾选全部复选框，单击