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1、塑料刷牙杯模具设计前言近年来，中国塑料模具制造水平已有较大提高。目前，塑料模具在整个模具行业中所占比重约为 30% ，在模具进出口中的比重高达5070% 。目前，带嵌件模具发展也是相当的快。现在最常见带嵌件模具是带金属嵌件的模具以及带树脂嵌件的模具。结合Pro/E、Moldex3D等 CAE分析软件一起对带嵌件模具进行模拟分析，从而来指导带嵌件模具设计及其工艺方案的优化，已经成为了当今社会的一个的重要研究手段。但是总体说来，对带嵌件的模具设计仍然还不成熟。塑料产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个主要方面，它需要产品设计师、模具
2、设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、 修改、再设计的反复迭代，不断优化的过程。传统的手工设计已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。1 塑件工艺性分析1.1 塑件的原材料分析产品名称 : 塑料刷牙杯型腔数 : 一模四腔生产类型 : 大批量材料: PP 图 1-1(1) 塑件材料性能分析PP塑料，化学名称：聚丙烯英文名称 :Polypropylene（简称 PP ）比重 :0.9-0.91克/ 立方厘米成型收缩率 :1.0-2.5% 成型温度： 160- 220 。成分结构PP为结晶型高聚物，常
3、用塑料中PP最轻，密度仅为0.91g/cm3 （比水小）。通用塑料中， PP的耐热性最好，其热变形温度为80- 100，能在沸水中煮。PP有良好的耐应力开裂性，有很高的弯曲疲劳寿命，俗称“百折胶”。PP的综合性能优于 PE料。 PP产品质轻、韧性好、耐化学性好。PP的缺点：尺寸精度低、刚性不足、耐候性差，它具有后收缩现象，脱模后，易老化、变脆、易变形。成型特性1) 结晶料 , 吸湿性小 , 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。料温低温高压时
4、容易取向, 模具温度低于50 度时 , 塑件不光滑 , 易产生熔接不良, 流痕,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。PP与其它几种主要的通用塑料的性能比较表 1-1 材料性能表材料性能、种类PP PE PVC PS ABS 密度最小小于水较大略高于水略高于水刚性较好差好好好收缩率差一般好好好韧性低温下差好差差好强度较高低较高高高耐热性好一般差较差较差化学稳定性好好好好好耐候性差差一般一般较差毒性无毒无毒可以无毒无毒无毒粘合剂粘合差差好一般一般热合性一般好一般一般一般成型加工性好好不易好好(2) 成型工艺性分析PP在熔融温度下有较好的流动性，成
5、型性能好，PP在加工上有两个特点：其一：PP熔体的粘度随剪切速度的提高而有明显的下降（受温度影响较小）；其二：分子取向程度高而呈现较大的收缩率。PP的加工温度在200- 300左右较好，它有良好的热稳定性（分解温度为310），但高温下（270- 300），长时间停留在炮筒中会有降解的可能。因PP的粘度随着剪切速度的提高有明显的降低，所以提高注射压力和注射速度会提高其流动性，改善收缩变形和凹陷。模温宜控制在30- 50范围内。 PP熔体能穿越很窄的模具缝隙而出现披锋。PP在熔化过程中， 要吸收大量的熔解热（比热较大） ，产品出模后比较烫。PP料加工时不需干燥，PP的收缩率和结晶度比PE低。1.2
6、 塑件结构分析塑件的具体结构如图所示。其中塑件外形结构大致圆柱形，带有拔模角度，注塑重点在于，注塑时不能出现浇不足，收缩均匀。同时外观要求不能有熔接痕、脱模痕, 不能有划伤、变形、飞边，必须符合GB/T 2828.1 、QC/T 32-2006 和 GB/T 3730.1-2001 。制品尺寸精度分析。该塑件尺寸无特殊要求，尺寸精度按MT5查取公差。该塑件内外 尺 寸 均 受 到 模 具 活 动 的 影 响 ， 故 为B 类 尺 寸 。 据 国 家 标 准 塑 件 尺 寸 公 差（GB/T144486-1993）查得，该零件主要尺寸如下所示：表 1-2 塑件标注尺寸尺寸公差 （MT5 ）塑件标
7、注尺寸尺寸公差 （MT5 ）尺寸18 180.3 尺寸1 10.3 20 200.3 32 320.3 23 230.3 33 330.3 25 250.3 27 270.3 图 1-2 水杯三维图2 拟定模具结构形式2.1 分型面位置确定在模具设计初期阶段，应首先确定分型面的位置，然后才选择模具的结构。分型面设计是否合理， 对塑件质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大影响。因此，分型面的选择是在注射模设计中的一个关键因素。分型面的选择主要应遵循以下原则：（1) 分型面应选在塑件外形最大截面处。（2) 便于塑件顺利脱模，尽可能使塑件留在动模一侧。（3) 有利于保证塑件的精度要求。（4)
8、 满足塑件的外观质量要求。（5) 有利于简化模具结构。（6) 尽量减少塑件在合模方向上的投影面积。（7) 有利于排气。综合上述的各原则，分型面可取在制件的最大投影面积处。图 2-1 分型面2.2 型腔数量及排列方式确定该塑件三维是? 54上?40下66高mm ，为中小型尺寸工件，采用一模四腔，大批量生产。排列如图所示。图 2-2 型腔排列2.3 注塑机选择和参数校核2.3.1 注射量计算模具所需塑料熔体注射量m = nm1 + m2 (3-1) 式中：m 一副模具所需塑料的质量或体积（g 或 cm3）; n 初步选定的型腔数量；m1 单个塑件的质量或体积（ g 或 cm3）m2 浇注系统的质量
9、或体积（ g 或 cm3）其中 m2是个未知值（注塑厂的统计资料） ，在做设计时以0.6nm1来估算，即m = 1.6n m1 (3-2) 经proe分 析 ， 塑 件 质 量m1= 5.9480.91=5.412g ， 所 以 注 射 量m=1.6nm1=1.64 5.4=34.56g2.3.2 投影面积及锁模力的计算塑件和流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积及所需锁模力为：A = nA1+A2 (3-3) Fm=(nA1+A2)P型 (3-4) 式中： A 塑件及流道凝料在分型面上的投影面积（mm2）; A1单个塑件在分型面上的投影面积（mm2） ；A2流道凝料（包括浇口）在分型面上的
10、投影面积（mm2）; Fm 模具所需的锁模力（ N） ；P型塑料熔体对型腔的平均压力（MPa ） 。表 5-1 常用塑料注射成型时型腔平均压力单位： MPa 塑件特点P型举例容易成型塑件25 PE 、PP 、PS等壁厚均匀的日用品，一般塑件30 容器类中等黏度塑件及有精度要求塑件35 在模温较高的情况下，成型薄壁容器类高黏度塑料及高精度、 难充模塑料40 ABS 、POM 等有精度要求的零件，如壳类等高精度的机械零件，如齿轮、凸轮等流道凝料 (包括浇口 )在分型面上的投影面积 A2，在模具设计前是个未知值，根据多型腔模的统计分析，A2是每个塑件在分型面上的投影面积的0.2 倍到0.5 倍，因此
11、可用0.45nA1来估算，另外部分塑料注射压力P可查相关数据。经过 moldex 3D 的计算，总投影面积为： 9156mm2。所以： A=4（3.14*27*27 ）=9156mm2Fm =AP型=9156 40=366.24kN2.3.3 选择注射机根据上面计算得到的m和 Fm值来选择一种注射机，注射机的最大注射量（额定注射量 G ）和额定锁模力 F 满足G m/ (3-5) 式中 注射系数，无定型塑料取0.85 ，结晶型塑料取 0.75。FFm (3-6) 则：G m/ G 34.56g/0.85=40.66g 生产原料密度为1.76g/cm3 注射容量为 23.1 cm3 一般注塑机浇
12、注塑料原料时, 其每次注射量仅达标准注射量的75 % 。为了提高制件质量及尺寸稳定 , 表面光泽、色调的均匀, 要求注射量为标定注射量的50 %为宜，即46.2cm3。根据注射机的注射容量需大于46.2cm3、锁模力需大于 366.24kN，又由于模具设计与制造简明手册表2-40 选择注射机 XS-ZY-1000 螺杆式注射机，其参数如下：额定注射量： 10003cm螺杆直径：85mm 注射压力： 178Mpa 锁模力： 4500KN 模板行程： 700-mm 模具最大厚度： 700mm 模具最小厚度： 300mm 模板尺寸： 700850mm 拉杆空间： 650550mm 定位孔直径：150
13、mm 合模方式：液压 机械2.3.4 注射机有关参数的校核（1） 最大注塑量校核模具成型塑料制品和流道凝料总质量应小于注塑机的额定注塑量的80% ，所以额定注 塑 量 138.24g 80%=172.8g， 选 定 的 注 塑 机 额 定 注 塑 量 为 1000cm31.76g/cm3=1760g，注塑量校核合格。（2） 锁模力校核FkAp型=1.2* 366.24KN =439.482KN，所选注塑机的锁模力为 4500KN ，锁模力校核合格。（3） 注射压力的校核注射机的最大压力应大于塑件成型所需的压力，即ZahPP (3-7) 式中：ZP注射机最大注射压力 (Mpa)；ahP塑件成型所
14、需的注射压力(Mpa)；采用柱塞式注塑机 PPA注射压力为 140180MPa， 螺杆式注塑机则取 120140MPa为宜，因此选定的注塑机的注射压力：178 Mpa，满足要求。3 成型零件有关尺寸的计算（1）型芯设计图 3-1 型芯型芯的尺寸计算型芯的尺寸按以下公式计算D1= 1+sd1+x0 式中 D1型芯外径尺寸d1塑件内形尺寸塑件公差s塑料平均收缩率成形零件制造公差 ,取/2 。（2） 型腔设计图 3-2 型腔1 ）型腔径向尺寸按以下公式计算D2= 1+sd2x0式中 D2型腔的内形尺寸d2塑件外形基本尺寸 塑件公差s塑料平均收缩率成形零件制造公差 ,取/2。2）型腔深度尺寸按以下公式
15、计算MH=0)(xsHH式中MH型腔深度H塑件外形高度尺寸 塑件公差s塑料平均收缩率成形零件制造公差 ,取/ 3（3）由于该产品不是透明的， 所以型芯的表面粗糙度要求不需那么高。一般取 Ra1.6,在机床上加工就可以直接投入使用，不需要经过其它的特殊加工。考虑模具的修模以及型芯的磨损，在精度范围内，型芯尺寸尽量取大值。而型腔则取大值，型腔的表面粗糟将决定产品的外观， 因此型腔的表面粗糙度则要求较高，一般取 Ra0.80.4。在本次设计中，型腔取 Ra0.8。（4） X综合修正系数 （考虑塑料收缩率的偏差和波动， 成型零件的磨损等因素） ，塑件精度低、批量较小时， X 取 1/2 ；塑件精度高、批量比较大， X 取 3/4 ，根据设计要求取 X 为 0.5。要计算型芯、型腔的工作尺寸，必先确定塑件的公差及模具的制造公差。根据要求塑件精度取
