矿泉水饮料瓶盖注射模具及成型零件加工工艺设计

矿泉水饮料瓶盖注射模具及成型零件加工工艺设计

[摘要] 本设计是对给定的材料为PP小尺寸，一般精度的矿泉水饮料瓶盖塑件进行模具设计。在综合研究了经济性、零件的成型工艺以及复杂性等诸多因素的基础上进行成型与工艺的分析与计算。文中还对注塑模具成型零件和其他相关零件的选择原则及选择方法进行了说明。期间借鉴了与塑料模具有关的文献再加上翻阅各种指导书籍，并通过大量的计算以确定模具的结构和尺寸，还在指导老师的悉心关怀和耐心指导下进行多次的反复修改，最终画出了装配图和零件图。

最终确定矿泉水饮料瓶盖塑件的设计方案，主要包其注塑模的设计的过程、以及注塑模主要零部件的设计过程等。

[关键词]注塑模具设计；模具结构；塑料瓶盖

Abstract

This design is for a given material for PP small size, the general accuracy of the charger shell plastic parts for mold design. Within consideration of the economy, parts of the molding technology and complexity, and many other factors in the molding process on the basis of the analysis and calculation. It also of injection mold shaping parts, and other related parts to illustrate the selection principle and selection method. During to refer to a lot of useful information related to injection mold and leaf through all kinds of manual, And through calculation to determine the mold structure and size, Through continuous calculation and modification, And in guiding the teacher's careful care under the guidance and patience to constantly modify again and again, Finally the sure to draw the assembly drawing and part drawing.

Make sure the design of the charger shell, namely the mold with one module and two cavities, side core-pulling design scheme. Then focuses on the solution, this paper mainly includes the side core-pulling of plastic parts and injection mold design process, key points of injection mold design of main components.

Key words: Injection mold design; The mold structure; Plastic bottle cap

目录

1 概述 (1)

1.1 课题来源 (1)

1.2 课题的研究目的 (1)

2 塑件结构工艺性分析 (3)

2.1 塑件造型 (3)

2.2塑件分析 (4)

2.2.1.塑件设计要求 (4)

2.2.2 塑件结构分析 (4)

2.2.3 脱模斜度 (4)

2.3 塑件原材料分析 (5)

2.3.1 PP材料特性 (5)

2.3.2 PP塑料主要用途 (5)

2.3.3 塑料材料成型性能 (5)

2.3.4 PP成型温度条件 (6)

2.3.5. 塑件的公差与表面质量 (7)

3 拟定注塑模具结构 (8)

3.1 分型面的确定 (8)

3.2型腔数目的确定 (8)

3.3 拟选注塑机型号 (9)

3.3.1 注射量的计算 (9)

3.3.2 选择注塑机 (10)

4 注塑机相关参数的校核 (11)

4.1最大注射量的校核 (11)

4.2注射压力的校核 (11)

4.3锁模力的校核 (11)

4.4注射模安装尺寸的校核 (12)

5 浇注系统的设计 (14)

5.1主流道 (14)

5.2分流道 (14)

5.3浇口的设计 (15)

5.4 浇注系统的平衡 (16)

6 温度调节系统的设计 (17)

7 结构零部件的设计 (18)

7.1成型零件的结构设计及计算 (19)

7.1.1凹模的结构设计（型腔） (19)

7.1.2凸模的结构设计（型芯） (19)

7.2成型零件结构的尺寸计算 (20)

7.2.1 型腔（凹模）的尺寸计算 (21)

7.2.2 型芯（凸模）的尺寸计算 (22)

7.3 动定模板的长、宽尺寸的确定 (23)

7.4定模板和动模板厚度的确定 (23)

7.5 模具厚度尺寸的选定 (23)

8 矿泉水饮料瓶盖的注塑模拟分析 (26)

8．1 CAE技术在注射模具中的应用 (26)

8．2基于 Moldflow 的注塑工艺模拟 (26)

8.2.1Moldflow在注塑模设计中的作用 (26)

8.2.2 Moldflow的模流模块分析步骤 (26)

8．3 应用 moldflow进行矿泉水饮料瓶盖注射阶段分析 (27)

8.3.1 几何建模 (27)

8.3.2 网格划分 (27)

8.3.3 浇口位置及数量的确定 (28)

8.3.4 材料设置 (28)

8.3.5注塑条件设置 (28)

8．4模拟结果 (29)

8.4.1充填时间 (29)

8.4.2 压力分布 (30)

8.4.3体积温度分布 (31)

8.4.4 熔接痕 (32)

8.4.5气泡 (33)

8.4.6剪切应力分布 (34)

8.4.7剪切速率 (35)

8.4.8锁模力 (36)

8.4.9翘曲分析 (37)

8.5 总结 (37)

致谢语 (38)

参考文献 (39)

1 概述

1.1 课题来源

模具工业是制造业中的一项最基础的产业，许多产品的制造离不开模具的支持。而对于塑件成型而言，塑料模具占有相当大的一部分，塑件的生产如手机外壳、电视机外壳，汽车齿轮的壳罩，电冰箱等的一些部件的成型模具等等，这些模具的制造都体现了塑料模具的制造水平。

矿泉水饮料瓶盖塑件有我们模具行业需要去研究与创新改进的地方，同时塑料件的成型有很多缺点。那么，本次的设计任务就是矿泉水饮料瓶盖塑件进行成型分析、研究成型塑料件的缺点、并通过软件对塑件进行分析以达到对塑料模的进一步的改造，进一步的创新与设计，才能满足于现阶段广大人民的使用要求。在这样的背景下，在老师的要求下，本设计选用了矿泉水饮料瓶盖塑件注塑模具设计进行毕业设计。

本次设计介绍了注射成型的基本原理，特别是分型面注射模的结构和其工作原理。详细介绍冷流道注塑模具的成型系统的基础的设计过程。这次设计的完成成果：测绘矿泉水饮料瓶盖塑件注射模实物，画出壳体的三维模型和二维零件图；设计塑料模具，画出出二维、三维装配图；画出塑料模具的非标准零件的二维图；选择了对应注射装备；用moldflow软件进行模流分析；对设计的模具来进行注射仿真。

1.2 课题的研究目的

为了对所学知识的使用和举一反三，本设计进行了矿泉水饮料瓶盖塑件注射模具设计。矿泉水饮料瓶盖塑件塑料产品是个薄壁型芯型腔塑件，壁厚较为均匀。从造型方面分析，其侧凹部分是尺寸较小且简单的塑件，所以三维造型有比较简单；

从产品成形方面分析，它在成形时造成填充不足，塑件变形等缺陷；从成型流道方面，本次设计采用冷流道浇注系统；从产品脱模分析，饮料瓶盖有柔韧性很好的内螺纹结构，采用强制脱模。通过对塑件结构的设计和模具结构进行优化改造，同时也利用毕业设计的机会，使自己更全面的了解塑料及其主要功能，认识模塑成型工艺方法、塑料模具典型结构、塑料模具加工方法与手段，熟悉模具结构知识，模具制作工艺及注塑工艺，以及采用计算机绘图软件辅助完成课题造型设计等，并锻炼自己独立完成模具设计的能力。

2 塑件结构工艺性分析

2.1 塑件造型

矿泉水饮料瓶盖塑件形状见图2.1所示，整体尺寸可见与图2.2。

运用UG软件进行塑件造型的绘制如图2.1：

图2.1 塑件3D模型

CAD零件图二维图如图2.2所示：

图2.2 二维工程图

2.2塑件分析

2.2.1.塑件设计要求

最大的尺寸Φ32*14.00mm，属于外部配件，表面精度要求光洁，尺寸精度要求较高。采用点进胶的浇口流道型腔注射模可以保证其表面光洁度。从工件本身尺寸来看，属较中小型零件，可采用直推杆结构来完成产品的成型及最后的顶出脱模。根据产品产量要求来考虑，产品要求一模出四件，所以直接采用直流道直接大浇口或点进胶胶口。

2.2.2 塑件结构分析

（1）开模方向

该零件的推出机构为推杆推出机构，沿零件的Z轴推出，所以开模方向为z 轴。

（2）收缩率

PP是一种热塑性塑料，收缩率在0.6%~1.6%之间。因该塑料产品为饮料瓶盖，在本次的设计中，零件的塑料收缩率为1.0%。

（3）零件壁厚

零件壁厚与塑件的尺寸有关，随着塑件的增大，壁厚可以适当增加。塑件最小壁厚与流程的关系如下：S=(L/100+0.5)*0.8由模具设计手册可知当流程小于等于50mm时，PP的最小壁厚为0.8mm。

2.2.3 脱模斜度

由于塑件逐渐冷却后产生强大的收缩，会紧紧地收缩在模具的型芯、型腔中凸出的零件部分，使塑件顶出脱出很困难，强制性的取出会导致塑件表面损坏。所以必须设计足够的脱模斜度方便脱模。因为塑件高度很大、有特殊窄小细小部位时，需要设计更大斜度。最小脱模斜度与塑料性能、收缩率、塑件的几何形状等因素有关[3]。本设计中脱模斜度取1. 5o。

2.3 塑件原材料分析

2.3.1 PP材料特性

聚丙烯（PP），聚丙烯属于线型烯烃类聚合物，是上世纪60年代发展起来的热塑性塑料。聚丙烯密度低，无色，无味，无毒，外观和聚乙烯很相似，呈白色蜡状，密度为 0.90～0.91 g/㎝3。但和聚乙烯相比，它的特明性更高，透气性更低。此外，聚丙烯的弹性、屈服强度、硬度及抗拉、抗压强度等都高于聚乙烯，其中拉伸强度甚至高于聚苯乙烯和ABS。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。

2.3.2 PP塑料主要用途

主要用于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。比如聚丙烯编织袋、工程塑料、电器外壳、电器绝缘材料、饮料瓶盖、管道等。

2.3.3 塑料材料成型性能

PP流动性好，但收缩范围及收缩值大，易发生缩孔、凹痕和变形；PP特别易吸水，成型加工前应进行干燥处理；PP塑料壁厚须均匀，避免缺胶，尖角，以防

应力集中；在要求塑件精度高时，模具温度可以控制在40～90°C，而在强调塑件光泽和耐热时，模具温度应控制在60～80°C.PP材料具有超强的易加工性，外观特有属性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度[2]。

表 2.33塑料的成型工艺参数

2.3.4 PP成型温度条件

注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度，喷嘴温度和模具温度等。喷嘴温度通常略微低于料筒的最高温度，以防止熔料在直通式喷嘴口发生“流涎现象”；

模具温度一般通过冷却系统来控制；为了保证制件有较高的形状和尺寸精度，应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形，模具温度必须低于塑料的热变形温度。根据饮料瓶盖制件壁厚等元素考虑，选择成型温度为80。

2.3.5. 塑件的公差与表面质量

①影响塑件尺寸精度的因素主要有：塑料材料的收缩率（缩水率）以及其波动特性。

②塑件结构的复杂程度。

③模具的结构如多个模腔一般比一个模腔零件的尺寸波动大的多，对于多模腔注塑模具为了减少尺寸波动，需要进行一些其他方面的努力，如：流道采用对称布置，使模具内的温度保持一致。另外，模具的结构如分型面的选择、浇注系统的设计、排气、模具的冷却和加热以及模具刚度等都会造成一定的影响。

④成型工艺因素（模塑成型的温度T、压力p、时间t及取向结晶成型后处理等）。

⑤成型设备的控制精度等。

⑥塑件尺寸精度主要取决于塑料收缩率的波动及模具制造误差。我们按未注公差的尺寸取偏差计算，查表取MT3。

⑦塑件的表面质量。

⑧塑件的表面质量包括塑件缺陷、表面光泽性与表面粗糙度，其与模塑成型工艺、塑料的品种、模具成型零件的表面粗糙度、模具的磨损程度等相关。模具型腔的表面粗糙度通常应比塑件对应部位的表面粗糙度在数值上要低1-2级。

3 拟定注塑模具结构

3.1 分型面的确定

如何确定模具产品的分型面，需要考虑的因素比较多样。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、使型腔深度最浅、使塑件外形美观，容易清理、尽量避免侧向抽芯、使分型面容易加工、使侧向抽芯尽量短、有利于排气。

直接获取塑件的最大截面处为该塑件的分型面。

最终我用3D软件UG6.0

型腔数目的多少会影响塑料制品的精度，太多了，精度会下降，有可能造成充模不完全；太少了，又会造成浪费，影响效率。确定型腔数目常用方法：1）按注塑机的最大注射量确定；

2）按注塑机的额定锁模力确定；

按分型面的设计方案，因为该产品较小，采用一模多腔，则存在着生产设备要求很高，故而从注射压力的平衡和生产效益角度考虑，该产品的模具设计成一模四腔。型腔的排位如图3-2所示：

图3.2型腔的排位

3.3 拟选注塑机型号

3.3.1 注射量的计算

在进行模具设计时，必须对所选用注塑机的相关技术参数进行最好的了解。

通过三维软件建模设计分析计算得

单件塑件体积： v= 3.53cm

单件塑件重量： m=ρv=1.2×3.5=4.2g

式中， 为PP 塑料件的密度，为 1.13/cm g ～1.33/cm g ，取其平均值为1.23/cm g .

本次设计采用冷流道浇注系统，凝料永久处于高温状态，取出制品时凝料大小可忽略不计，故浇注系统凝料不计入注射量中。因设计采用一模四腔。故总质量计算如下：M=4m=4*4.2=16.80g

3.3.2 选择注塑机

图3.5

根据上步计算塑件得到的体积，V= 3.503cm

计算塑件的公称注射量如下：V=4*v=14.003cm

根据以上计算初步选择公称注射量为125cm3的注塑机XS-ZY-125，其主要参数如下：

4 注塑机相关参数的校核

4.1最大注射量的校核

模具设计时，在一次注射行程中，总的注射量必须小于注塑机额定注射量的80%。校核公式为：

m nm %801≤

式中：n --型腔数量；

1m --一个零件的体积（3cm ）； 本设计中：n=4 =1m 3.5 3cm V=4x3.5=14＜80%m=1003cm

注塑机额定注塑量为1253cm ，注射量符合要求 4.2注射压力的校核

所选注塑机的额定注射压力必须大于成型时所需的注射压力。查资料可知聚丙烯所需成型注射压力为70～100MPa ，这里取MPa P 800=，该注塑机的公称注射压力MPa P 120=公，注射压力安全系数k1=1.2～1.3，这里取k1=1.3，则： k1公P MPa MPa P <=?=104803.10，所以注塑机注射压力合格。 4.3锁模力的校核

锁模力的校核公式如下：

（21A nA +）P < F

式中： P —塑料熔体对型腔的成型压力（MPa ） F —注塑机额定锁模力（N ） n --型腔数目

1A --塑件在模具分型面上的面积 2A --浇注系统在分型面上的面积 n=4 1A =12002mm 2A =2002mm

查资料，型腔内的通常为15-55MPa ，一般制品为15-45MPa ，精密制品为25-56MP

（21A nA ）P=5000x30x1.1=165KN<900KN 锁模力符合要求。 4.4注射模安装尺寸的校核

主要校核的项目有：喷嘴尺寸、定位圈尺寸、模具外形尺寸及开模行程等。 1喷嘴尺寸

注射模灌嘴的衬套凹球头半径R 2应大于注塑机注塑的球头半径R 1，R 2= R 1+（0.5~2）mm ，如图4.4所示。主流道小端直径d 2应大于注塑机喷嘴孔直径d 1，d 2=d 1+（1~2）mm,以利于塑料熔体的流动。

图4.4 主流道与喷嘴位置示意图

2 定位圈尺寸

定位圈尺寸与注射机定位孔尺寸呈间隙配合，定位圈尺寸比定位孔尺寸小0.2mm 以下。

3 模具外形尺寸

模具至少有个方向的尺寸能穿过拉杆间的空间装固在注塑机工作台面。本次设计的模具的最大的外形尺寸为230mm*250mm，所以所选的注塑机的拉杆间距至少要在一个方向上的尺寸要满足尺寸250。

模具厚度（闭合高度）必须满足下式[2]：

H

min ≤H m≤H

max

（mm）

式中 H m—所设计的模具厚度（mm）；

H

min

—注塑机允许的最小模具厚度（mm）；

H

max

—注塑机允许的最大模具厚度（mm）；

本次设计的模具厚度为H为296mm ， 200

4 开模行程的校核

该注塑机为液压—机械式注塑机，因此该校核为注塑机的最大开模行程与模具厚度无关的校核。按下式校核[3]

S≥H1+H2+（5~10）（mm）

式中 S—注塑机最大开模行程（mm）

H1—塑件脱模距离（mm）

H2—包括浇注系统在内的塑件高度（mm）

本设计模具塑件的脱模距离H1为115mm，H2为15mm，

因此综上所述所我们选则注塑机的最大开模行程S≥115+15+（5~15）（mm）=155mm<300mm。经过上述的注塑机参数校核，选用注塑机XS-ZY-125。

5 浇注系统的设计

5.1主流道

根据注塑机注射量及PP这种材料选用主流道截面直径，为便于将凝料从浇口套中拔出，将主流道设计成锥形,锥度为2度，其进口端直径为 3.5mm，出口端直径为13mm。结构见图5-1。

图5.1：主流道结构图

设计成圆锥形，锥度在 1° - 4o,粗糙度 Ra 小于0.4μm

主流道长度由定模板厚度确定

表5.1 设计主流道的最终的参数,可查阅最终的工程设计图纸

5.2分流道

分流道可以改变溶料的方向，使溶料能够将各个型腔均匀的填充，溶料运动的路线要尽可能的短以及避免不必要的转弯。

（1）.分流道的形状

分流道截面形状一般为圆形、半圆形、梯形及矩形等，模具设计中常采用梯形的截面形状，因其加工较容易且运动过程中损耗不大。根据塑件的体积、壁厚、形状、注塑速率、分流道的长度和塑料的流动方向，此次设计采用直接点浇口，其基本形状见图5-2所示。

图5.2流道截面基本形状

（2）.分流道的表面粗糙度

分流道表面粗糙度Ra一般取1.6μm左右，可以增加对溶料的摩擦阻力，有助于塑料熔体的外层冷却皮层固定，形成绝热层。从而与内部的熔体之间产生一定的速度差，有利于充填型腔。

5.3浇口的设计