瓶盖塑料模具设计(模具制造工技师论).doc

饮料瓶盖的塑料模具设计与制造
摘要:本文以瓶盖塑料件为研究对象，在分析塑件结构特点基础上，对材料的选择和模具类型的选择做了详细的说明，提出了完善的模具设计方案，阐述了模具结构设计，介绍了模具工作过程,并以图示的方式模拟了模具的脱模过程。
关键词：瓶盖、注射模、浇注系统
引言:在设计注塑模具过程中,模具结构尤其脱模结构是否合理，将直接影响模具的使用寿命、塑件的质量和生产效率。如何在保证塑件质量的前提下,使模具结构简单、紧凑,加工制造方便，成为注射模设计中要解决的重要问题。图1为一饮料瓶盖的塑料制品,该塑件属于大批量生产。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定后，塑料模设计对制品质量与产量就具有决定性的影响。首先，模腔形状、尺寸、表面粗糙度、分型面、浇口与排气的选择以及脱模方式的确定等,均对制品尺寸精度和形状精度以及塑件的物理性能、内应力大小、表面质量与内在质量等起到十分重要的影响。其次,在塑件加工过程中塑料模结构的合理性对操作的难易程度具有重要的影响。再次，塑料模对塑件的成本也有相当大的影响，一般制模费用是十分昂贵的，尤其是大型塑料模具更是如此。
我国塑料模的发展极其迅速.30年已走过国外90年的历程,现已具有相当规模。塑料模的设计技术、制造技术、CAD技术、CAM技术、CAE技术、CAPP技术,已有相应的开发应用.我国在塑料模设计技术和制造技术上与发达国家也有相当的差距,专用模具钢品种少，规格不全，质量不稳定,且供应渠道不畅，是约制我国模具行业快速发展障碍.当前我国作为一个经济快速发展的国家，模具技术发展已是刻不容缓。
1． 瓶盖塑件结构及工艺分析
1．1 瓶盖成型结构分析。
图1所示塑件为某饮料瓶瓶盖,材料为PE( 聚乙烯）—高压聚乙烯LDPE 。除螺纹处较厚外，瓶盖为壁厚为2mm的塑料制件，其余部位厚度则均匀一致。瓶盖外形结构为圆形,中间有抽芯结构.瓶盖内侧有凸起1mm半圆形的螺纹，内侧用圆弧过度，可以起到减少零件应力集中的效果。

图1 瓶盖零件图
1．2 瓶盖塑件材质及外观分析。
瓶盖属于外观产品，对外观要求较严格：①外观光泽；②材质为:聚乙烯
（PE）—高压聚乙烯LDPE。 塑件精度：按GB/T14486—1993，MT6级精度,查表未注公差的尺寸允许偏差为±074。收缩率：1.5%，无毒，价廉，加工方便，吸水性小，可不用干燥，流动性好等。吸湿性小,可能发生熔融破裂，模温不宜太高(80℃~90℃） ，冷却速度快，所以浇注系统及冷却系统应散热缓慢；其成型收缩范围大,收缩率大,易发生缩孔、凹痕、变形，方向性强，注射时应严格控制成型温度，料温低方向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50℃以下塑件不光泽，且易产生熔接不良、流痕；模具温度高于90℃以上时易发生翘曲、变形；要求塑件壁厚均匀，应避免缺口、尖角，防止成型时应力集中.模具应设计有足够的排气。
1．3 聚乙烯（PE)—高压聚乙烯LDPE料的特性和应用
聚乙烯（PE)按聚合时所采用压力的不同，可分为高压聚乙烯LDPE和低压聚乙烯HDPE。聚乙烯收缩率通常取2%，它是世界上产量取大的塑料。PE料的特点是软性，无毒，价廉，加工方便，吸水性小，可不用干燥,流动性好等。但其制件成型收缩率大，易产生收缩凹陷和变形.LDPE模温尽量前后一致,冷却水道离型腔不要太近,用PE料的塑件可强行脱模.
1．4 塑件及浇注系统质量计算
(1)塑件重量计算：塑件外形尺寸见插图1, LDPE的密度在0.91～0。925g/㎝3之间；收缩率在1。5％～4％之间。
m1＝13.55cm3×0.9g/cm3＝12.2g
（2）主流道塑料重量：
m2＝3。14×52×82÷1000×0。91＝5。8g
(3）注射模汪射一次塑料的重量为(一模1件计）：
M＝1×m1+m2=1×12.2+5。8＝18 g
2．塑件工艺分析
模具型腔的数理通常是客户或产品工程部根据产品的批量、塑料制品的精度、塑料制品的大小、用料以及颜色来确定的.但在设计过程中还须考虑到成型工艺、成型设备以及模具的制作等其他因素,确定合理的型腔数量.
注射模具每一次注射循环所能成型的塑件个数是由模具型腔的数目所决定的。表1列出单型腔模具和多型腔模具的优缺点及适用范围。
表1
类型
优点
缺点
适用范围
单型腔模具
塑件的精度高；工艺参数易于控制;模具结构简单；模具制造成本低，周期短
塑件成型的生产效率低、成本高
塑件较大，精度要求较高或者小批量及试生产
多型腔模具
塑件成型的生产高、成本低
塑件的精度低；工艺参数难以控制;模具结构复杂;模具制造成本高,周期长
大批量、长期生产的小型塑件
为了使模具与注射机相匹配以提高生产率和经济性，并保证塑精度，模具设计应合理确定型腔数量。
2．1 按注射机的最大注射量确定型腔数量n
（单件塑料制品总重+浇注系统凝料）≤注射机额定注射量×80%
n≤（0.8Vg—Vj）/Vn 或 n≤（0。8Mg-Mj）/Mn
式中:
Vg(Mg）—-—— 注射机最大注射量，cm3或g；
Vj（Mj）—-—- 浇注系统凝料量，cm3或g；
Vn（Mz）-—-- 单个塑件的容积或质量，cm3或g。
设n = 1 则得
g
从计算结果，并根据塑料注射机技术规格，选用XS—ZY-125型注射机（螺杆式注射机）.
根据塑件精度，由于生产条件和装备,故采用单型腔即n = 1.
生产批量,试制或小批量生产宜取单腔，大批大量生产宜取多腔，该塑件为试制产品,故宜采用单腔。当限定在某一设备上成型时（可根据工厂现有设备），则可根据塑件的体积和重量来确定型腔数，例如本塑件注射成型时，首先明确在125g注射机上成型,则利用式4—5（模具结构设计.机械工业出版社），计算型腔数。得
则取一模一腔。
2．2 校核注射机有关工艺参数
2．2．1注射量的校核 由前面计算得塑件重量为12.2g， 浇注系统重量为5。8g，则每次注射量为(按一模一腔）
M＝1×m1+m2=1×12。2g+5.8g＝18 g
注射机的最大注射量192g×0。8 = 153。6g＞18 g,能满足要求。
2．2．2锁模力与注射压力的校核 锁模力可按式4—9（模具结构设计.机械工业出版社）校核.
式中：F - 注射机额定锁模力，XS—YZ—125型注射机900kN。
AZ — 塑件在分型面上的投影面积(㎝2）
Aj — 浇注系统在分型面上的投影面积（㎝2）,点浇口取 Aj =0
Pm — 注射压力查表4-11（塑料成型加工与模具.化学工业出版社）知Pm = 100～120ＭPa，取Pm =100ＭPa；投影面积计算：
代入式4—9
由于F = 900kN故满足，同时XS—YZ—125的额定注射压力为150ＭPa故也能满足 聚乙烯 PE塑料成型的注射压力的要求.
2．2．3模具厚度H与注射机闭合高度的校核
式中 Hmin — 注射机允许最小模厚（200㎜)
Hmax - 注射机允许最小模厚（300㎜）
则设计模具的闭合高度为H = 285．5㎜
因为；所以能满足要求.
2．2．4注射机开模行程的校核 注射机开模行程应大于模具开模时取出塑件（包括浇注系统）所需的开模距,即满足下式：
式中 Sk - 注射机行程(Sk=300㎜)
H1 —脱模距离（顶出距离），H1 = 25㎜;
H2 —塑件高度+胶模行程高度。
则 ,所以能满足要求。
3． 分型面的选择
3．1 浇注系统设计
根据瓶盖塑件结构,模具设计成三板式采用点浇口，浇口设置在塑件顶部正中央位置，点浇口可显著提高熔体的剪切速率，使熔体粘度大为降低有利于充模，对于PE 这样对剪切速率敏感的熔体尤为有效.并且塑件作为包装容器,外观质量要求高，点浇口的残留痕迹小，可确保塑件的表面质量，脱模时浇口处自动拉断,便于实现制品生产过程的自动化，提高了生产效率，增加了经济效益。采用非平衡浇注系统，型腔排列紧凑，减小了模具尺寸,为了能使各个型腔能同时均衡地充满，采用BGV(Balanced Gat Value） 法通过人工修改各个型腔浇口尺寸达到平衡.利用冷料穴储存前锋冷料。
为方便脱模，主流道在设计上大多采用圆锥形，两板模主流道锥度取2°～4°，三板模主流道锥度可取5°～10°（如图所示）。粗糙度Ra1。6～0。8um,锥度须适当，太大造成速度减小，产生翰流,易混进空气,产生产孔，锥度过小，会使流速增大，造成注射困难,同时还会使主流道脱模困难。
3．2 分型面选择
模具采用了三板模结构，为保证模具的开模顺序和开模距离，采用定距分型机构,如图4所示。
（1）在弹性胶柱的吸引下,流道推板和面板通过限位螺钉打开距离6㎜.
（2)型腔板和流道推板在拉条的限制下打开距离100㎜。
（3）型腔板和型芯固定板打开。
3.3冷却系统设计
模温调节系统直接影响到制品的质量和生产效率。动模型芯直径较细，采用如图3 所示的冷却回路，定模冷却水道直径为φ6mm( 见图2），并与模外软管连接形成循环冷却。为提高型腔的冷却效率,采用如图4 所示的冷却回路，根据塑件形状及模具结构限制，定模冷却水道直径为φ8mm（ 见图2) ，与模外软管连接形成循环冷却。

图2型芯冷却系统示意图 图3型腔冷却系统示意图
3．4 脱模机构设计
塑件（ 瓶盖) 主体部分内有半圆形粗牙螺纹，塑件材料为聚乙烯( PE) ，具有良好的柔韧性，采用限位板和整体式斜推杆组合的脱模机构（ 见图4) .内置式定距分型机构，定距分型机构装于模具内部,如图：
图4脱模系统示意图
3．4。 2 外置式分型机构设计：外置式定距分型机构种类较多，我们采用的是双拉条式外置式分型机构.
3．4。 3 整体式斜推杆的设计：
制品的内侧存在螺纹，抽芯距取4.64㎜,制品推出高度为33㎜，用作图法求得斜推杆倾角度为8°。为使斜推杆在推出时稳定可靠,设计斜推杆导向底座5和辅助导向块4如图所示。

图5斜推杆设计
1-凹模；2--凸模；3-斜推杆；4--辅助导向块；5-斜推杆导向底座；6-推杆固定板；7-推杆底板

4。模具工作过程
第一步：模具合模，塑化后的粘流态塑料熔体经注射、保压、冷却凝固定型，注射机喷嘴后移，在注射机的拉动下，由于尼龙塞27的阻力，模具首先从面板和定模推板之间打开，由于流道板限位钉的限制，面板和定模推板打开L=6㎜，胶件停放在定模镶件上。
第二步：由于尼龙塞27的阻力，和拉条的限制，模具从流道推板5和定模A板6之间打开100㎜后，流道拉板5将点浇口凝料拉断，并将浇口凝料从定模A板6中拉出自动坠落。
第三步：定模A板和动模B板打开,由于熔体冷却时的收缩作用，塑件包在型芯上，在注射机移动模板的带动下动模部分继续后移,塑件从型腔脱出，与此同时,斜导柱19和20顶出收缩完成侧抽芯动作，动模部分继续后移，在注射机顶出杆的作用下，斜推杆型芯在往复来回顶出收缩和回位张紧,使制品在收缩时脱离模具自动坠落。
第四步:合模，脱模机构、侧抽芯机构复位，至此完成一个注射周期.
图6 模具装配图
1-挂板；2、3、13、14、21—内六角螺钉；4-顶板；5—水口板；6—A板；7—B板；8—面钉板；9-底钉板；10—C板；11—底板;12—安全扣；15—耐磨垫板；16—密封圈；17-快换水管接头；18-导向块；19、20-斜推；22-斜推座；23-定位圈;24-浇口套(B型）
5。模具制造工艺
(1）模具标准件清单
序号
零件名称
尺寸规格
数量
材料
热处理
备注
1
模架
FCI2020
1

标准模架
2
内六角螺钉
M8X25
10

M10X60
4

M10X45
4

M6X15
6

M6X25
2

3
垃圾钉
Ф8

4
吊坏
M12
8

5
尼龙胀套
Ф13
2

6
浇口套（B型）

4

7
定位圈
Ф100X15(B型）
1

8
黄弹簧
TF25X100
4

9
快换水管接头
PC12—PT1/4
6

10
密封圈
Ф14XФ8XФ2.5
2

11
螺塞
PT1/4
5

（2)模具毛坯料准备
序号
零件名称
尺寸规格
数量
材料
热处理
备注
1
挂板
38X20X167
4
45#

已留加工余量
2
安全扣
15X22X92。5
1
45#

已留加工余量
3
耐磨垫板
10X20X30
4
Gr12
淬火HRC50
已留加工余量
4
导向块
50X42X20
2
黄铜

未留加工余量
5
斜推
22X60X140
2
2344
预硬
已留加工余量
6
斜推座
30X32X50
2
718H
表面氮化HRC48
未留加工余量
7
限位柱
Ф18X20
4
45＃

已留加工余量
8
支撑柱
Ф40X90
2
45#

已留加工余量
9
B板镶件
110X130X39
1
P20

精磨料
10
A板镶件
110X130X35
1
P20

精磨料
(3）模具加工使用装备与工具
1）设备：线切割、电火花、数控铣床、磨床、万能摇臂铣床、钻床.
2)量具：游标卡尺(0—150）、千分尺（0—25、25-50、50-75、75—100）、塞尺等。
3）工具:铜棒、内六角板手、手锤等。
4）其他工具：红丹、毛刷等
(4）重要模具零件加工工艺
1)斜推座加工工艺
序号
工艺步骤
使用设备
1
备料：30X32X50（精磨料）

2
检查毛坯30X32X50,重直度和平行度是否达到要求
游标卡尺、90°角尺
3
普铣加工5X45°（用角度斜块辅助加工）、钻螺纹底孔Ф6。7、攻丝。
普通铣床
4
热处理:表面氮化HRC48

5
线切割加工T型槽
线切割机床
6
尺寸检查
游标卡尺、90°角尺
7
去毛刺、倒角

图6 斜推座零件图
1）型芯镶件加工工艺
序号
工艺步骤
使用设备
1
备料：130X130X39（精磨料）

2
检查毛坯130X130X39，重直度和平行度是否达到要求
游标卡尺、90°角尺
3
数铣加工型芯部分及成型电极、枕位
数控铣床
4
线切割加工斜推过口
线切割机床
5
电火花加工型芯镶件配合处
电火花机床
6
普铣钻水道孔、螺纹底孔、拉料杆孔
普通铣床
7
钳工攻丝、去毛刺
台虎钳、丝锥、铰杆
8
成型面的表现处理
气动工具、砂纸、油石
9
送检

图7 型芯镶件零件图
6。结束语
经生产实践验证,根据瓶盖生产要求和生产批量，按上述塑模工艺方案和上述设计要点设计的模具，模具设计过程主要是塑件内壁处有不完整的螺纹，在成型过程中需要侧向抽芯，用内斜推机构进行推件和抽芯成型,加工过程塑件容易变形，模温的控制和分型面的确定也是模具设计的关键。所以通过对塑件的结构和塑料的选择，根据生产实际，本文选择一模具 一腔完成，产品质量易于控制，模具工作可靠，效果很好。但生产效率不高,在瓶盖之类的塑件产品生产过程中，应尽量考虑瓶盖的通用性,在设计瓶身过程中，尽可能做到能通用使用一种瓶盖，在外观方面，可以提高美观和吸引顾客，选择多种外观形状，模具设计可以更换型腔的方法达到一套模架和型芯，采用不同的型腔达到更多产品的瓶盖的加工，为达到生产批量，模具设计可采用一模多腔。
综合上述，本人通过瓶盖的注塑模具设计和工艺分析、和工作原理介绍，认识到塑件在模具设计和加工过程应该考虑的一些问题，比如:塑件的结构分析、材料性能、生产批量、模具的结构选择，凸凹模的设计和浇注系统、冷却系统等的设计，模架的选用和注射机的选用等等问题。相信在今后的工作中，本人会更加努力学习，开拓进取,不断钻研新的技术，争取在工作中为社会和企业多作贡献，给企业减少一些不必要的开支和提高经济效益。
参考文献：
1.齐卫东主编.塑料模具设计与制造，北京：高等教育工出版社, ISBN 978-7-04—025411-2,
2008年12月.
2. 张维合编著.注塑模具设计实用教程，北京:化学工业出版社, ISBN 7—122—01002—5， 2007年9月.
3。宋玉恒。塑料注射模具设计实用手册，北京：航空工出版社， ISBN 9787800467653, 1994年8月。
9