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 50 70%。 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，
2、它需要产品设计师、模具设计师、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
3、-220 。 成分结构 PP 为结晶型高聚物，常用塑料中 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
4、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
5、 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
6、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 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
7、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） 塑件标注尺寸 尺寸公差（ MT5） 尺寸 18 18 0.3 尺寸 1 1 0.3 20 20 0.3 32 32 0.3 23 23 0.3 33 33 0.3 25 25 0.3 27 27 0.3 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
8、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) 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
9、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= 5.948 0.91=5.412g ，所以注射量m=1.6nm1=1.6 4 5.4=3
10、4.56g 2.3.2 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
11、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） =9156mm2 Fm =AP型 =9156
12、40=366.24kN 2.3.3 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： Gm/ 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
13、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： 1000 3cm 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： 700 850mm 拉杆空间： 650 550mm 定位孔直径： 150mm 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
14、塑量 138.24g 80%=172.8g ， 选 定 的 注 塑 机 额 定 注 塑 量 为 1000cm3 1.76g/cm3=1760g， 注塑量校核合格。 （ 2） 锁模力校核 F kAp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 Z ahPP (3-7) 式中： ZP 注射机最大注射压力 (Mpa)； ahP 塑件成型所需的注射压力 (Mpa)； 采用柱塞式注塑机 PPA注射压力为 140 180MPa，螺杆式注塑机则取 120 140MPa为宜 ，
15、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+s d1+x 0 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+s d2 x 0 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计算 MH = 0)( xsHH 式 中 MH 型腔深度
16、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 Ra0.8 0.4。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
17、，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五级精度。根据塑料制件公差数值表（ SJ1372 78）塑件在五级精度下，基本尺寸 对应的尺寸公差如下： 表 3-4 基本尺寸公差 基本尺寸 公差 基本尺寸 公差 3 0.16 36 0.18 610 0.20 1014 0.22 1418 0.24 1824 0.28 2430 0.32 3040 0.36 4050 0.40 5065 0.46 6580 0.52 80100 0.60 100120 0.68 （ 1）型腔：宽度方向 d2=240；取 s =0.25%（以下收缩率都取 0.25%） D2=（ 1+0.0025） 240 0.5 0.60 11.00 =240.3 11.00 长度方向 d2 =240; D2 =（ 1+0.0025） 240 0.5 0.68 11.00 =240.26 11.00 （ 2） 型腔深度： H=66.4 ; X=0.4
