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塑料成型工艺与模具设计课程设计说明书

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2020年4月19日
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塑料成型工艺与模具设计
课程设计说明书

牙签盒上盖注塑模具设计

办学单位：班 级：学 生
指导教师：
提交日期：
第一部份：设计题目
（1） 塑料制品名称：牙签盒上盖
（2） 成型方法与没备：TWX-800型注塑机
（3） 塑料原料：丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）
（4） 生产批量：300万件
（5） 塑件图;图1-1为该制品的二维图样和三维图样。

图1-1
第二部份：塑件材料分析
1， 塑料件材料分析：ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成的。这三种组分各自的特性，使ABS具有良好的综合力学性能。丙烯腈使ABS有良好的耐化学腐蚀及表面硬度，丁二烯使ABS坚韧，苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。ABS综合性能较好，抗冲击强度较高，化学稳定性及电性能良好；可制成双色塑件，且可表面镀铬，也可进行涂装处理。柔韧性好，流动性比PMMA、PC等塑料好。ABS无毒、无味、呈微黄色，成型的塑件有较好的光泽。密度为1.02 ～1.05g /cm3。ABS具有极好的抗冲击强度，且在低温下也不迅速下降。ABS有良好的机械强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性，耐水性，有良的化学和稳定性和电器性能。水、无机盐、碱和酸类对ABS几乎没影响，但在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液。ABS不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但与烃长期接触会软化溶胀。ABS塑料表面受冰醋酸、植物油等到化学药品的侵蚀会引起应力开裂。ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工，经过调色可配成任何颜色。ABS的缺点是耐热性不高，连续工作温度为70度左右，热变形温度为93度左右，且耐候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。
2， 塑料成型特性：ABS在升温时粘度较高增高，因此成型压力较高，故塑件上的脱模斜度宜稍大；ABS易吸水，成型加工前必须进行充分的干燥处理，ABS流动性中等到，易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减少浇注系统对料流的阻力，宜取高料温，高模温但料温过高易分解（分解温度大于270度）；在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度对收缩率影响极小。在要求塑件精度高时；模具温度可控制在50～60度，而在强调塑件光泽和耐热时，模具温度应控制在60～80度。根据ABS的成型特点，在生产实际中，其注射模工艺条件如下：
（1） 干燥处理。ABS材料吸收性较强，要求在加工之前进行干燥处理。一般干燥条件为80～90度下最少干燥2小时。
（2） 熔化温度。210～280度；一般温度：245度。模具温度25～70度。
（3） 注射压力。50～100Mpa。
（4） 注射速度。中高速度。
第三部分：塑件的结构工艺性
1， 塑件的尺寸精度分析：因为该塑件是同牙签筒配合的，其内孔尺寸和沟槽尺寸有一定的公差，其尺寸均为自由尺寸，可按MT7级精度查取公差。
2， 塑件表面质量分析：该塑件为牙签筒上盖，其表面没有特殊要求，一般情况下外表面要求光洁，表面粗糙度Ra能够取1.6um，没有特殊要求的塑件内部表面粗糙度Ra能够取3.2um.
3， 塑件的结构工艺性分析:从图纸上分析,该塑件的外型基本上为回转体,内表面有一沟槽,图中尺寸[(A-B)/B≤5%]可允许强制脱模,强行脱模时不会引起变形。
综合来看，该塑件结构简单，无特殊的结构要求和精度要求，在注射成型生产时只要工艺参数控制合适，该塑件是比较容易成形的。
第四部分：塑件的生产批量
该塑件的生产类型是大批量生产，因此在模具设计中要提高塑件的生产率，倾向于用多型腔、高寿命、自动脱模模具，以便降低生产成本。
第五部分：关于注射机
1，根据塑件结构选用甬华Twx—800型注射机，据查有关资料可列出该注射机的主要技术参数，如下：

2,计算塑件体积和质量
(1)塑件的体积计算：由UG分析/体测量得到塑件的体积V≈4459.4793mm3。
(2)塑件的质量计算：查有关手册，取ABS密度为ρ=1.05g/cm3。因此塑件的质量为w=Vρ=4459.4793*1.05*10-3g≈4.682g
(3)确定型腔数量 考虑到甬华TWX-800型注射机的额定注射量为130cm3,本设计中的塑件结构简单,单个塑件的体积为4.6 cm3,注射机的额定注射量限制成型该项塑件的最多数量为2,而该塑件的生产批量为大批量生产,为尽量提高生产率,决定取有一模两件的模具结构,型腔平衡布置在型腔板两侧,这样有利于浇注系统的排列和模具的平衡。
虽然塑件体积、壁厚不大，但该塑件生产类型为大批量，加上低密度聚乙烯比热容大、冷却速度慢，成型时必须充分冷却，模具设计时要求有冷却系统，因此该模具应采用冷却水强制冷却，冷却要均匀，以缩短成型周期，提高生产率。
3、注射压力的校核
该项工作是校核所选注射机的公称压力P能否满足塑件所成型时需要的注射压力P0，其值一般为70～150MPa，一般要求P> P0。我们这里选70MPa。
4、锁模力的校核
锁模力是指注射机的锁模机构对模具所施加的最大夹紧力，当高压的塑料熔体充填模腔时，会沿锁模方向产生一个很大的胀型力。为此，注射机的额定锁模力必须大于该胀型力，即：
F锁 F胀 = A 分 × P型
F锁—注射机的额定锁模力（N）；
P分—模具型腔内塑料熔体平均压力（MPa）；一般为注射压力的0.3～0.65倍，一般取20～40MPa。我们这里选P型=30MPa。
A分—塑料和浇注系统在分型面上的投影面积之和（mm2）
由UG分析/面测量，可得投影面积为70cm2，浇注系统的投影面积不超过10cm2
∴ F锁 F胀 = A 分 × P型
= 80×200×30=4.8×105（N）
而锁模力为800KN，大于480KN，符合要求。
5、开模行程与推出机构的校核
开模行程是指从模具中取出塑料所需要的最小开合距离，用H表示，它必须小于注射机移动模板的最大行程S。由于注射机的锁模机构不同，开模行程可按以下两种情况进行校核：一种是开模行程与模具厚度无关；二种是开模行程与模具厚度有关。我们这里选用的是开模行程与模具厚度无关，且是单分型面注射模具。

1、当开模行程与模具厚度无关时
这种情况主要是指锁模机构为液压-机械联合作用的注射机，其模板行程是由连杆机构的做大冲程决定的，而与模厚度是无关的。此情况又两种类型：
⑴ 对单分型面注射模，所需开模行程H为：
S H = H1 + H2 + （5～10） mm
式中，H1—塑件推出距离（也能够作为凸模高度） （mm）；
H2—包括浇注系统在内的塑高度 （mm）；
S —注射机移动板最大行程 （mm）；
H —所需要开模行程 （mm）。
而我们这里经过资料可得出（结构见图六）：
H = 15 + 95 + 8 = 118（mm）。
⑵ 对双分型面注射模，所需开模行程为：
S机 H = H1 + H2 + a +（5～10） mm
式中，a—中间板与定模的分开距离 （mm）。
2、推出机构的校核
各种型号注射机的推出装置和最大推出距离各不同，设计模具时，推出机构应与注射机相适应，具体可查资料。
第六部分：注射模设计
1，分型面的选择：
分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。一副模具根据需要可能有一个或两个以上的分型面，分型面能够是垂直于合模方向，也能够与合模方向平行或倾斜，我们在这里选用与合模方向平行。
（1）分型面的形式：
分型面的形式与塑件几何形状、脱模方法、模具类型及排气条件、浇口形式等有关，我们常见的形式有如下五种：水平分型面、垂直分型面、斜分型面、阶梯分型面、曲线分型面。
（2）分型面的选择原则：
a）、便于塑件脱模：
Ⅰ、 在开模时尽量使塑件留在动模内
Ⅱ 、应有利于侧面分型和抽芯
Ⅲ、应合理安排塑件在型腔中的方位；
b）、考虑和保证塑件的外观不遭损坏
c）、尽力保证塑件尺寸的精度要求（如同心度等）
d）、有利于排气
e）、尽量使模具加工方便
2，浇注系统的设计
（1）浇注系统的组成

图2 浇注系统的组成
所谓注射模的浇注系统是指从主流道的始端到型腔之间的熔体流动通道。其作用是使塑件熔体平稳而有序地充填到型腔中，以获得组织致密、外形轮廓清晰的塑件。因此，浇注系统十分重要。而浇注系统一般可分为普通浇注系统和无流道浇注系统两类。我们在这里选用普通浇注系统，它一般是由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成，如图四所示：
（2）浇注系统各部件设计
A、主流道设计：
主流道是连接注射机喷嘴与分流道的一段通道，一般和注射机喷嘴在同一轴线上，断面为圆形，带有一定的锥度，其主要设计点为：
⑴ 主流道圆锥角α=2o～6o，对流动性差的塑件可取3 o～6o，内壁粗糙度为Ra0.63μm。
⑵主流道大端呈圆角，半径r=1～3mm，以减小料流转向过渡时的阻力。
⑶在模具结构允许的情况下，主流道应尽可能短，一般小于60mm，过长则会影响熔体的顺利充型。
⑷对小型模具可将主流道衬套与定位圈设计成整体式。但在大多数情况下是将主流道衬套与定位圈设计成两个零件，然后配合固定在模板上。主流道衬套与定模座板采用H7/m6过渡配合，与定位圈的配合采用间隙配合。
⑸主流道衬套一般选用T8、T10制造，热处理强度为52～56HRC。
B、冷料穴的设计
冷料穴一般位于主流道对面的动模板上。其作用就是存放料流前峰的“冷料”，防止“冷料”进入型腔而形成接缝；另外，在开模时又能将主流道凝料从定模板中拉出。冷料穴的尺寸宜稍大于主流道大端的直径，长度约为主流道大端直径。冷料穴的形式有三种：一种是与推杆匹配的冷料穴；二种是与拉料杆匹配的冷料穴；三种是无拉料杆的冷料穴。我们这里选用与推出杆匹配的倒锥形冷料穴，其结构如图3：
图3 冷料穴
1 — 定位圈 2 — 冷料穴
3 — 推 杆 4 — 动模板
C、分流道的设计
分流道就是主流道与浇口之间的通道，一般开设在分型面上，起分流和转向的作用。多型腔模具必定设计分流道，单型腔大型腔塑件在使用多个点浇口时也要设置分流道。
①分流道的截面形状：一般分流道的断面形状有圆形、矩形、梯形、U形和六角形等。为了减少流道内的压力损失和传热损失，提高效率，我们这里就选用圆形分流道，如图六。因为圆形截面
分流道的效率是分流道中效率最高的，固选它。
②分流道的尺寸：因为各种塑料的流动性有差异， 图4 圆形流道
因此能够根据塑料 的品种来粗略地估计分流道的直径，常见塑料的分流道直径推荐值如下表一。
但对于壁厚小于3mm，质量在200g以下的塑料，可用此经验公式确定其流道直径：
式中 ， m—流经分流道的塑料量（g）；L—分流道长度（mm）；D—分流道直径（mm）。对于黏度较大的塑料，可按上式算得的 D值再乘以1.2~1.25的系数。我们这里取m=60*1.05=63g，L=50mm。固分流道尺寸为1.2D，即D`=1.2D=1.2×0.265×√63×=8（ mm）。因此S=Л×8*8/22×1.22=72.4（mm2）
③分流道的布置：分流道的布置取决于型腔的布局，两者相互影响。分流道的布置形式分平衡式与非平衡式两类，这里我们选用的是平衡式的布置方法。
④分流道与浇口的连接：分流道与浇口的连接处应加工成斜面，并用圆弧过渡，有利于塑料熔体的流动及充填。
D、浇口的设计：
浇口是连接分流道与型腔之间的一段细短通道，它是浇注系统的关键部分。浇口的形状、位置和尺寸对塑件的质量影响很大。
浇口的理想尺寸很难用理论公式计算，一般根
据经验确定，取其下限，然后在试模过程中逐步加以修正。 一般浇口的截面积为分流道截面积的3%～9%，截面形状常为矩形或圆形，浇口长度为0.5～2mm，表面粗糙度Ra不低于0.4μm。
浇口的结构形式很多，按照浇口的形状能够分为点浇口、扇形浇口、盘形浇口、环形浇口、及薄片式浇口。而我们这里选用的是点浇口。简图如下
浇口的截面一般只取分流道截面积的3％～9％，浇口的长度约为0.5mm～2mm，现在可算出我们需要的浇口面积S=5％×s=3.9。
浇口位置的选择直接影响到制品的质量问题，因此我们在开设浇口时应注意以下几点：
①浇口应开在能使型腔各个角落同时充满的位置。
②浇口应设在制品壁厚较厚的部位，以利于补缩。
③浇口的位置选择应有利于型腔中气体的排除。
④浇口的位置应选择在能避免制品产生熔合纹的部位。
⑤对于带细长型芯的模具，宜采用中心顶部进料方式，以避免型芯受冲击变形。
⑥浇口应设在不影响制品外观的部位。
⑦不要在制品承受弯曲载荷或冲击的部位设置浇口。
3，型腔的布局
由于塑件的外形是圆形，各方向尺寸一致，且塑件结构简单，不需要侧向分型，因此型腔的排列方式只有一种即左右对称分布在模板两侧，如下图所示：

4．成型零件的结构
（1） 模具的型腔取用整体式 整体式型腔是直接加工在型腔板上的，有较高的强度和刚度，使用中不易发生变形。由于塑件尺寸较少，且形状简单，型腔加工容易实现，故能够采用整体式结构。
（2） 模具的型芯采用整体镶嵌式 整体镶嵌式型芯能够节省贵重模具钢，便于加工和热处理，修理更换方便，同时也有利于型芯冷却和排气。
5．推出机构的确定
根椐塑件的形状特点，确定模具型腔在定模部分，模具的型芯在动模部分。塑件成形开模后，塑件与型芯一起留在动模一侧。该塑件有一沟槽，由于成型塑件的塑料（ABS）有很好的弹性，能够取用强制的脱模，但需要较大的脱模力，故采用推件板推出机构。
6．合模导向机构的设计
该塑件精度要求不是很多高，塑件形状、型腔分布对称，无明显单边注射侧向力，可采用最为常见的导柱导向定位机构。在动模板、推件板，定模板之间使用四对导柱导套，导柱长度要确保推件板推出塑件后不脱落。在定模座板与定模板之间采用四对限距拉杆。

7．冷却系统的设计论证
（1）冷却系统设计
塑料在成型过程中，模具温度会直接影响到塑料的充模、定型、成型周期和塑件质量。因此，我们在模具上需要设置温度调节系统以到达理想的温度要求。
一般注射模内的塑料熔体温度为200℃左右，而塑件从模具型腔中取出时其温度在60℃以下。因此热塑性塑料在注射成型后，必须对模具进行有效的冷却，以便使塑件可靠冷却定型并迅速脱模，提高塑件定型质量和生产效率。对于熔融黏度低、流动性比较好的塑料，如聚丙烯、有机玻璃等等，当塑件是小型薄壁时，如我们的塑件，则模具可简单进行冷却或者可利用自然冷却不设冷却系统；当塑件是大型的制品时，则需要对模具进行人工冷却，以
（2）冷却时间的确定
在注射过程中，塑件的冷却时间，一般是指塑料熔体从充满模具型腔起到能够开模取出塑件时止的这一段时间。这一时间标准常以制品已充分固化定型而且具有一定的强度和刚度为准，这段冷却时间一般约占整个注射生产周期的80%。因为我们所需要的塑件比较薄，固用此公式：

式中，a — 塑料热扩散系数 （m2/s）； S — 制品壁厚 （mm）；
现我们根据已知条件知道PP的TS=260℃，TM=60℃，TE=100℃，而塑件的厚度为2mm：
∴
=4.5s
（3）冷却系统设计原则
①、尽量保证塑件收缩均匀，维持模具的热平衡
②、冷却水孔的数量越多，孔径越大，则对塑件的冷却效果越均匀。
③、尽可能使冷却水孔至型腔表面的距离相等。
④、浇口处加强冷却。
⑤、应降低进水与出水的温差。
⑥、合理选择冷却水道的形式。
⑦、合理确定冷却水管接头位置。
⑧、冷却系统的水道尽量避免与模具上其它机构发生干涉现象。
⑨、冷却水管进出接头应埋入模板内，以免模具在搬运过程中造成损坏。
（4）冷却系统的结构形式
根据塑料制品形状及其所需的冷却效果，冷却回路可分为直通式、圆周式、多级式、螺旋线式、喷射式、隔板式等，同时还能够互相配合，构成各种冷却回路。其基本形式有六种，我们这里选用的是简单流道式。
简单流道式即经过在模具上直接打孔，并经过以冷却水而进行冷却，是生产中最常见的一种形式。其结构如下图：

（5）冷却系统的计算
由塑料成型工艺及模具设计查阅可得，ABS的单位质量成型时放出的热量为300KJ~400KJ/Kg。放出热量为60*1.05/1000*350KJ=22.05KJ
其中，1/3的热量被凹模带走，2/3由型芯带去。
8.主要零部件的设计计算
（1）成型零件的成型尺寸计算 查阅相关资料：ABS的收缩率为0.3%-0.8%.取其平均收缩率为S=0.3%+0.8%/2=0.55%=0.0055 根据塑件尺寸公差的要求，模具的制造公差取δZ=Δ／３。型腔的径向尺寸（以46.5mm为例进行计算）为
=[（1+0.0055）*46.5-0.75*0.57]=46.33

同样的方法，可计算出成型零件的全部工作尺寸，如下表：　

尺寸类型
塑件的尺寸
计算公式
型腔和型芯的工作尺寸
径向尺寸
型腔的径向尺寸
46．5

46．33+00.19
型芯的径向尺寸
44.2

44.5-0.04
45

45.35-0.04
轴向尺寸
型腔的轴向尺寸
18

17.81+00.13
2

1.73+00.06
型芯的轴向尺寸
16.85

17.23-0.13
2

2.15-0.06

课程设计总结
1.塑料注塑模具有哪些设计步骤，经过课程设计在哪方面有了提高？

1）了解塑件的技术要求
2）根据塑件形状、尺寸、估算塑件体积和质量
3）分析塑件确定成型方案
4)初步绘制方案草图
5）设计计算
6）绘制模具设计总装图
7）绘制零件工作图
8）经过全面审核后投产加工

在这段时间，从白纸到完成模具总装图，零件图，设计说明书。学到很多原本学不到但不是很懂的知识，了解了一些设计的原理和过程。在这次设计中，我总结了：要学会亲自去尝试，不要害怕失败，失败也是一种经验。
2.经过课程设计你掌握了哪些方法和技巧？

经过课程设计，我锻炼了：①塑料制品的设计及成型工艺的选择；②一般塑料制品成型模具的设计能力；③塑料制品的质量分析及工艺改进、塑料模具结构改进设计的能力；④了解模具设计的常见商业软件以及同实际设计的结合。

3.分析自己的设计你认为有哪些优缺点，对于缺点如何改进？

优点：
1》由于成型物料的熔融塑化和流动造型是分别在料筒和模腔中进行，模具可始终处于使熔体很快冷凝或交联固化的状态，从而有利于缩短成型周期。
2》成型时要先锁模紧模具后才熔料注入，加之具有良好流动性的熔料对模腔的磨损很小，因此一套模具可生产大批量注塑制品。
3》一个操作工常可管理两台或多台注塑机，特别是当成型件能够自动卸料时还可管理更多台机器，因此，所需要的劳动力相对较低。
4》成型过程的合模、加料、塑化、注射、开模和脱模等全部成型过程均由注塑的动作完成，从而使注塑工艺过程易于全自动化和实现程序控制。
5》由于成型时压力很高，因此可成型形状复杂，表面图案与标记清晰和尺寸精度高的塑件。
6》能过共注可成型多于一种以上的材较，可有效地成型表面硬而心部发泡的材料，能够成型热塑性塑料和纤维增强塑料。
7》由于成型可采用精密的模具和精密的液压系统，加之使用微机控制因此能够得到精度很高的制品。

缺点：
1》注塑成型的关键器具是模具，但模具的设计、制造和试模的周期很长、投产缓慢。

2》由于冷却条件限制，因此对于厚壁且变化又大的塑件的成型较困难。
.
3》由于注塑机和注塑模的造价都比较高，因此启动投资大，故不适合小批量塑件的生产。

4》成型制品的质量受多种因素限制，因此对技术要求较高，掌握的难度较大。

4)在今后学习中，应该注意哪些问题，才能提高学习的设计质量？

塑料制品成型及模具的设计还是个很专业性、实践性很强的技术，而它的主要内容都是在今后的生产实践中逐步积累和丰富起来的。因此，我们要学好这项技术光靠书本上的点点知识还是不够的，我们更多的还应该将理论与实际结合起来，这还需要我们到工厂里去实践。我相信在未来的我一定能走在未来最前头。
经过这次设计，我不但把以前没有掌握的知识得以掌握，而且将学了将近一年的塑料模具作了一个贯穿性的复习，还学到了许多课本上没有的知识。使我具备了一定塑料模分析的能力。
我对模具有了一个新的认识，它是一个精密的，追求尽善尽美的过程，任何一点疏忽，都可能导致工件报废。