塑料水杯的加工方法设计报告

毕业论文

（2013届）

题目：

姓名：

学号： 08070**** 系部：数控技术系

班级： 08高职数控*班

指导教师：

2013年4月

塑料水杯的加工方法

摘要：此次毕业设计塑料水杯过程中分析了塑料水杯零件的塑料工艺，介绍了塑料PP的成形工艺特点，采取了最佳的成型方案，同时，详细地分析了模具结构与计算。最后还对模具的成型零件进行了加工工艺的分析和设备的校核. 着重说明了一副注射模的一般流程，即注射成型的分析、注射机的选择及相关参数校核、模具的结构设计、注射模具设计的有关计的设计既是重点又是难点，主要包括成型位置的及分型面的选算、模具总体尺寸的确定与结构草图的绘制、模具结构总装图和零件工作图的绘制、全面审核投产制造等。其中模具结构的选择，模具型腔数的确定及型腔的排列和流道选择和浇口位置的确定，模具工作零件的结构设计，推出机构的设计，温度调节系统的设计,模架的选用,模具的装配等。

关键词：塑料水杯 PP 注射模模具结构

一、塑件品种的选择及其性能

1.零件图，如图1所示：

图1

2.材料的选用及性能分析

经过对水杯的用性能进行分析，最终选定PP作为制件的材料。

PP是一种由丙烯聚合而制得的热塑性树脂，是一种半结晶性材料。它比

PE要更坚硬并且有更高的熔点。由于均聚物型的PP温度高于0℃以上时非常脆，因此许多商业的PP材料是加入1~4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度（100℃）、低透明度、低光泽度、低刚性，但是有更强的抗冲击强度。PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。PP的维卡软化温度为150℃。由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。PP不存在环境应力开裂问题。通常，采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。由于结晶，PP的收缩率相当高，一般为1.8~2.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。性质极轻之塑料，密度仅为0.9g/cm3，加工性质毋须预热干燥。PC优点1、易染色2、耐湿性佳3、耐化性佳4、高铰链特性5、耐冲击性。PC缺点1、复杂之异形押出不易2、易被紫外线分解3、不易接合4、易氧化。

3.材料的工艺性分析

(1)、收缩性塑件从模具中取出冷却到室温后，塑件的各部分尺寸都比原来塑模中的尺寸有所缩小，这种性能称为收缩性。，PP的收缩率相当高，一般为1.8~2.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。收缩性的计算公式为：S实=a-b/b，S计=c-b/c。（S实：实际收缩率 S计：计算收缩率 a：塑件在成型温度时的单向尺寸 b：塑件在室温下的单向尺寸 c：塑件在室温下的单向尺寸），经查PP的相关性可知，PP在其厚度为2mm时其收缩率为1.5-2%(0.15-0.20),为避免其它因素对收缩率的影响，我们选取一个相对平均值0.018作为制件的计算收缩率。

(2)、流动性塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性。流动性能较好，溢边值为0.03mm左右.

(3)、吸湿性吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。PP不吸水也不易粘附水分,但均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性

(4)、结晶性所谓结晶现象即为塑料由熔融状态到冷凝时，分子由独立移动，完全处于无次序状态，变成分子停止自由运动，按略微固定的位置，并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象。PP为半结晶性的材料，模具的温度也会对其结晶性产生影响。

(5)、热敏性对热较为敏感，在高温下受热时间较长或进料口截面过小，剪切作用大时，料温增高易出现变色、降解、分解的倾向。这种性能称为热敏性。

另外，塑料熔体发生热分解或热降解时，会释放出一些挥发性气体，这些气体一般具有腐蚀性，或有毒，不管是对人，还是模具都会造成一定的影响。PP对温度敏感。

(6)、腐蚀性均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗酸碱腐蚀性。如表1

PP的加工工艺表

表1

二、分析塑件的结构工艺性

1．塑料件的尺寸精度分析

按塑件的尺寸MT精度要求,未标注公差为自由，按PP材料模塑件公差等级（GB/T 14486-1993）选取一般精度要求MT5。其主要尺寸公差如下:（单位均为mm）

成型零件的外形尺寸：10002.1+- 204.0+- 5044.0+- 8802.1+- 34000,3+- 104.0+- 900

2.1+- 60084.0+-

成型零件的内型尺寸：5064.00+- 5774.00+- 8600.10+-

2.塑料件的使用性能分析

塑件的外表面光亮耐磨，平整，需要有良好的力学性能,要有适合的配合精度、强度和弹性，不容易产生的变形，整体无变形即可。

3.塑料件的表面质量分析

该塑件结构简单，要求外型美观，表面光滑，没有斑点及熔接痕现象，塑件完成后内外表面没有可见缺陷。

4.塑料件的结构分析

该制件结构简单，壁厚为2mm ，杯底的总厚度为4mm ，中心部分比四周薄，厚为2mm ，这种结构有利于杯子摆放的稳定性。杯子四周杯壁为圆弧过度。

三、成型设备的型号与规格 1.成型条件的确定

PP 的成型条件查塑料模具设计手册如下： 密 度：0.9-0.91g/mm 3 预热温度：80-90℃ 预热时间：1-2h

料筒温度：后段 160-180 中段 180-200 前段 200-220 模具温度：80-90℃ 注射时间：20-60s 高压时间：0-3s 冷却时间：20-90s 总 周 期：50-160s

2.塑件的重量计数

(1)、对制件的体积进行计算 在P/roe 中完成三维图，利用P/roe 对制件的本积进行计算，计算所为:

V=5.8677565e+04 mm 3 ,

其中 e=1 04=10000 所以水杯的体积为:V=10058.68mm 3

（2）、对制的重量计算

由公式W=ρV可计算出制件的重量,

V=1005.87mm3

ρ=0.9-0.91g/mm3取0.9g/mm3

W=ρV

=0.9 ×103 ×10058.68

=9.05g

（3）、锁模力的计算

F M=（NA1+A2）P型

式中， F M ——模具所需要的锁模力（N）

N ——初步选定的型腔数量

A1 ——单个塑件在分型面上的投影面积（mm2）

A2 ——流道凝料在分型面上的投影面积（mm2）

P型——塑料熔体对型腔的平均压力(MPa)

其中，A2 按分型面上投影面积A1 的0.2～0.5倍。取中间值0.3，利用

Pro/E进行注塑件投影面积分析（一模一腔一起分析），A1 投影面积为：

6357.21

A2取A1的0.3倍,在通用塑料生产中,小型模具通常械腔内塑料压力取20~40MP,在此我们对P的值取30MP。

F M=（NA1+A2）P型

=(6357.21+0.3×6357.21)×30

=247931.19MP

=24.793t

（4）、注射机的选择

1.注射机的选取：

V=4×41+4cm3=10058.68cm3 Q=0.90*168=152g

因此，注射机的额定注射量应>152/0.8=190g

锁模力的计算：

胀型力=制品投影面积A?型腔压强P

投影面积=π?35?35mm2

型腔压强P=15MPa

胀型力=150KN

锁模力≥胀型力÷0.8=187500N

所以初步选择： JM100C型注射机

JM100C 型注射机的主要参数如表2所示。

表2

2.注塑机参数校核

（1）影响成型零件尺寸的因素

①成型收缩 塑件成型后的收缩率与多种因素有关。在计算工作尺寸时，通常按平均收缩率计算：

%

1002/min max ×)+S =(S S （4-1）

式中，S ——塑件的平均收缩率； max S ——塑件的最大收缩率； min S ——塑件的最小收缩率。

②模具成形零件的制造公差 它直接影响塑件的尺寸公差，成形零件的精度高，则塑件的精度也高。模具设计时，成形零件的制造公差z δ可选塑件公差Δ的1/3—1/14，或选IT7级左右精度，表面粗糙度a R 为0.8—0.4μm 。

（2）塑件制品分析

①产品要求：从对本产品进行的工艺分析中可以得知，所设计的塑件材料为PC/ABS ，材料收缩率为：0.005，精度要求高，故一次注塑一个。

②计算制品的体积重量：材料采用PC/ABS ，其密度为1.12，收缩率为0.5%。

塑件的体积:35353.3628mm V = 塑件的密度: ρ=1.12g/3cm 塑件的重量: M =ρV =5.996g

3.最大注塑量校核

注塑机的最大注塑量应大于制品的质量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），通常注塑机的实际注塑量最好是注塑机的最大注塑量的80%。所以选用的注塑机最大注塑量应满足：

0.8 V 机 ≥ V 塑＋V 浇

式中 V 机 ————注塑机的最大注塑量，180cm 3 V 塑————塑件的体积，该产品V 塑＝45cm 3 V 浇————浇注系统体积，该产品V 浇＝4cm 3 故 V 机≥180cm 3

4.锁模力校核 F 锁≥pA

式中 p ————熔融型料在型腔内的压力，该产品

A ————塑件和浇注系统在分型面上的投影面之和，经计算A=π*35*35mm 2

F 锁————注塑机的额定锁模力。

故 F 锁＞pA=20Mpa ×π*35*35 mm 3= =96N 选定的注塑机的压力为100N ，故满足要求。

5.模具与注塑机安装部分相关尺寸校核

该模具的外形尺寸为: 400400mm mm ?,KM100-C 型注射机模板最大安

装尺寸为410580~??（180400）,故能满足模具的安装要求。

由于KM100-C 型注射机所允许模具的最小厚度为min 200H mm =,最大厚度max 300H mm =,即模具闭合高度满足min max H H H ≤≤闭的安装条件。所以, KM100-C 型注射机满足模具安装要求。

6.开模行程校核

注塑机的最大行程与模具厚度有关（如全液压合模机构的注塑机），故注塑机的开模行程应满足下式：

S 机————注塑机最大开模行程，230mm; H 1———顶出距离，100mm ；

H 2————包括浇注系统在内的塑件高度，120; S 机－(H 模－H min ) ≥H 1＋H 2＋(5～10)

7.型腔壁厚、底板厚度校核

由侧壁厚计算公式：

1)

c t r =

681)43c t mm mm

=?=

由底板计算公式：

d t =

四、塑料模具设计

1.模具设计与与制造可行性的分析

该塑料制件结构简单，精度要求为自由等级MT5级，最小壁厚为2mm，由于PP的最小成型壁厚，可注塑成型。无侧抽芯机构，本产品的四周为圆弧型，具有一定的斜度，因此在此处不考虑脱模斜度。塑料在模具型腔凝固形成塑件，为了将塑件取出来，必须将模具型腔打开，也就是必须将模具分成两部分，即定模和动模两大部分。定模和动模相接触的面称分型面对于塑件的分型面，通常有以下原则：

（1）分型面的选择有利于脱模：分型面应取在塑件尺寸的最大处。而且应使塑件流在动模部分，由于推出机构通常设置在动模的一侧，将型芯设置在动模部分，塑件冷却收缩后包紧型芯，使塑件留在动模，这样有利脱模。如果塑件的壁厚较大，内孔较小或者有嵌件时，为了使塑件留在动模，一般应将凹模也设在动模一侧。拔模斜度小或塑件较高时，为了便于脱模，可将分型面选在塑件中间的部位，但此塑件外形有分型的痕迹。

（2）分型面的选择应有利于保证塑件的外观质量和精度要求。

（3）分型面的选择应有利于成型零件的加工制造。

（4）分型面应有利于侧向抽芯，但是此模具无须侧向抽芯，此点可以不必考虑。考虑到分型面选定的各种原则，该塑料水杯的分型面应选在塑件外形的最大轮廓处，并且应有利于塑件的留模及脱模，所以制件的分型面选定在水杯的顶部，如图2

图2

2.排气糟的设计

塑料熔体在填充模具的型腔过程中同时要排出型强及流道原有的空气，除此以外，塑料熔体会产生微量的分解气体。这些气体必须及时排出。否则，被压缩的空气产生高温，会引起塑件局部碳化烧焦，或塑件产生气泡，或使塑件熔接不良引起强度下降，甚至充模不满。

因该模具为小型模具，且分型面适宜，可利用分型面排气，所以无需设计排气槽

3.模具型腔数的确定

根据制件的形状特点及初步选定的注射机的各项参数，确定“一模一腔”。

4.浇道和浇口的设置

制件产用注射成型的方法生产。浇注系统的功能是将注射机喷出的熔融塑料输送到模具型腔去，浇注系统也称流通系统。其设计内容包括主流道、各级分流道、浇口、冷料穴、主流道衬套(浇口套)、定位环、主流道拉料杆、浇道拉料杆等。浇注系统设计是整个模具设计中最重要的部分，设计的好坏直接影响到塑料产品的成型质量，因此必须予以足够的重视。

本制件对外观要求较高，要保证质件的表面质量，故采用直接浇口，该浇口注射压力和热量损失小，具有很好的成型性。所以本制件只有一个主流道没有分流道，如图3，图4。

图3 主流道图4 直接口

五、模具零部件的设计

1、导向机构的设计

塑料模闭合时为保证型腔形状和尺寸的准确性，应按一定的方向和位置合模，所以必须设有导向定位机构。任何一副模具在定动模之间都设置有导向机构。其作用有如下：

（1）定位作用：合模时维持动定模之间的一定方位，合模后保持模腔的正确形状。

（2）导向作用合模时引导动默按序闭合，防止损坏型芯，并承受一定的侧向力。

（3）承载作用采用推件板脱模或三板式模具结构，导柱有承受推件板和定模型腔板的重载荷作用。

（4）保持运动平稳作用，对于大中型模具的脱模结构，有保持机构运动灵活平稳的作用。本设计就采用最常见的导向定位机构，导柱和导套，在型腔四周设四对导柱和导套。导柱可分为带头导柱和带肩导柱，小型模具和生产批量小的模具主要采用带头导柱，大型模具和生产批量大的模具多采用有肩导柱。而导套有带肩导套和直导套。

安装段与模板间采用过渡配合H7/k6，导向段与导向孔间采用云贵配合H7/f7。导柱采用低碳钢（20号钢）渗碳（05-08mm深），经淬火处理（HRC56-60）或碳素工具钢（T8A、T10A）经淬火或表面淬火处理（HRC50-55）。

导向结构的总体设计：

○1导向零件应合理地均匀分布在模具的周围或靠近边缘的部位，其中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具的强度，防止导柱和导套压入后变形；

○2该模具采用4根导柱，其布置为等直径导柱不对称布置；

○3该模具导柱安装在动模固定板上，导套安装在定模固定板上；

○4为了保证分型面很好的接触，导柱和导套在分型面处应制有承屑板，即可削去一个面或在导套的孔口倒角；

○5各导柱、导套及导向孔的轴线应保证平行；

○6在合模时，应保证导向零件首先接触，避免凸模先进入型腔，导致模具损坏；

○7当动定模板采用合并加工时，可确保同轴度要求。

有(1)导柱国家标准规定了两种结构形式，带头导柱和有肩导柱。有的导柱开设油槽，内存润滑剂，以减小导柱导向的摩檫。小型模具和生产批量小的模具主要采用带头导柱，大型模具和生产批量大的模具多采用有肩导柱。本模具采用带头导柱和带头导套。

图5

2.定模（型腔）结构的设计

模具中决定塑件的几何形状称为成型零件，包括型芯、凹模、镶件、成型杆等。成型零件工作时，直接与塑件接触，塑件熔体的高压、高温、料流的冲刷、脱模时还和塑件摩擦，因此成型零件要求要有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较底的表面粗糙度，此外成型零件还要求结构合理，有较高的强度、硬度及耐磨性。

设计成型零件时，要根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求，确定型腔的总体结构选择分型面的位置和浇口的位置、确定脱模的方式、排气部位等，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行零件结构设计，计算成型零件的工作尺寸，对关键的成型零件需要进行强度和刚度校核。

凹模是成型塑件外表面的部件，凹模按其结构不同可分为整体式、整体嵌入式、局部镶嵌式、大面积镶嵌组合式和四壁拼合式五种。由于该制件的底部是凹陷的，为了便于对定模的加工，所以选择嵌入式的模具型腔。

图6嵌入式凹模

3.型芯的结构设计

型芯是用来成型塑件内表面的零件，型芯也有整体式和组合式之分，考虑到该制件的形状及推出机构的设置，型芯选用嵌入式。

图7 嵌入式型芯

4.推出机构的设计

注塑模必须设有准确可靠的脱模机构，以便在每一循环中塑件从型腔内或型芯上自动地脱出模外，脱出塑件的机构称为脱模机构或推出机构。推出机构可以分为推管，推件板和推杆。推杆是推出机构中最常见最简单的一种形式。由于推杆加工简单、安装方便、维修容易，使用寿命长、脱模效果好，在生产中方泛应用。本产品中使用推杆作为脱模机构。其结构如下图：

图8

5.复位机构

本设计采用的复位装置是在推杆固定板上同时安装上复位杆，这是推出机构复位最简单、最常用的方法。复位杆为圆形截面，复位杆数为4，其位置对称设置在推杆固定板上，以便推出机构在合模时能平稳复位。复位杆在装配后其端面应与动模分型面齐平。同时也用到复位弹簧，通过复位杆与复位弹横将推板复位。本设计采用直径20mm的标准杆件作为复位杆

6.冷却方式

为了获得良好的塑件质量，使模具在工作中维持相当而且均一的温度，需设计合理的冷却水道。本设计采用“口”字形的布置方式，才用

此方法冷却水道基本上围绕型腔分布，冷却较均匀。水孔位置距离型腔表面不可太近，也不可太远，本设计水管的直径取8mm。

图9 冷却水塞

7.模架的选择

(1)根据模具的主要结构，选择两板式模架。

(2)模具安装尺寸校核

模具整体尺寸长宽高：长320、宽300、高341mm，注射机的模具尺寸要求为：高〈180mm模具的整体尺寸不符合注射机对模具的尺寸要求。故，从模具的综合因素考虑，最终注塑机确定为：G54-S200/400。长〈634mm、宽〈532mm高〈406模具的整体尺寸符合注射机对模具的尺寸要求，模具的闭合高度小于注塑机的最大模具厚度要求406mm。

G54-S200/400，其有关的参数为：

额定注射量 200～400cm3

注射压力 109MPa

锁模力 2540KN

最大注射面积 645cm2

最大开合模行程 260mm

最大模具厚度 406mm

最小模具厚度 165mm

喷嘴圆弧半径 18mm

喷嘴孔直径 4mm

动定模板尺寸 532×634mm

拉杆间距290mm×368mm

8.塑料成型工艺卡

根据PP材料的注射成型工艺分析、塑料水杯的结构分析及相关资料

《塑料注塑模结构与设计》编写如下表2成型工艺卡片。

表2塑料成型工艺卡

9.计算成型零件工作尺寸

塑件成型尺寸的计算方法有两种，一种是按平均收缩率计算成型尺寸，别一种是按极限条件计算成型尺寸。按平均收缩率计算成型尺寸是比较简便易行，是最常见的计算方法。因此本设计也采用平均收缩率来计算成型零件的工作尺寸。

取PP的平均成形收缩为0．5%，塑件未注公差按照《塑料模成型工

艺与模具设计》塑件公差数值表MT5精度要求选取。 (1)型腔尺寸 径向尺寸 ()z

s cp M L S L δ

+?????

?

?-+=431

式中 M L ——凹模径向尺寸（mm ）；

cp S ——塑件的平均收缩率（PP 收缩率为1.5%～2.5％，平均收缩率为2.0%）；

s L ——塑件径向公称尺寸（mm ）；

?——塑件公差值(mm)（3?/4项系数随塑件精度和尺寸变化，一般在0.5～0.8之间，取0.6）；

z δ——凹模制造公差（mm ）(当尺寸小于50mm 时，δz =1/4Δ；当

塑件尺寸大于50mm 时，δz =1/5Δ)； min S ——塑料的最小收缩率（％）。 型腔成型尺寸

()z

s cp M L S L δ+?

????

?

?-+=431

M L =[(1+0.02)×100-3/4×1.2] ?+5/1

=(1.02×100-0.9)24

.00+ =101.124

.00+ ()z s cp M L S L δ

+?????

?

?-+=431

M L =[(1+0.02)×4-3/4×0.44] ?+4/1

=(1.02×4-0.33) 11

.00+

=3.7511

.00+ ()z

s cp M L S L δ

+?????

?

?-+=431

M L =[(1+0.02)×340-3/4×3] ?+5/1

=(1.02×340-2.25) 6

.00+

=344.556

.00+ ()z

s cp M L S L δ

+?????

?

?-+=431

M L =[(1+0.02)×1-3/4×0.4] ?+4/1

=(1.02×1-0.3) 1

.00+

=0.721

.00+ ()z

s cp M L S L δ

+?????

?

?-+=431

M L =[(1+0.02)×50-3/4×0.64] ?+5/1

=(1.02×50-0.48) 128

.00+

=50.52128

.00+ ()z

s cp M L S L δ

+?????

?

?-+=431

M L =[(1+0.02)×60-3/4×0.84] ?+5/1

=(1.02×60-0.63) 168

.00+

=60.57168

.00+ 型芯成型尺寸

()z

s cp M L S L δ

-???

????++=431 M L ——型芯径向尺寸（mm ）

； cp S ——塑件的平均收缩率（PP 收缩率为1.5%～2.5％，平均收缩率为2.0%）；

s L ——塑件径向公称尺寸（mm ）；

?——塑件公差值(mm)（3?/4项系数随塑件精度和尺寸变化，一般在0.5～0.8之间，取0.6）；

z δ——型芯制造公差（mm ）(当尺寸小于50mm 时，δz =1/4Δ；当

塑件尺寸大于50mm 时，δz =1/5Δ)； min S ——塑料的最小收缩率（％）。

()z

s cp M L S L δ-?????

?

?++=431

M L =[(1+0.02)×2-3/4×0.4] ?-4/1

=(1.02×2-0.3) 0

1.0+-

=1.740

1.0+-

()z

s cp M L S L δ-??

?

????++=43

1

M L =[(1+0.02)×90-3/4×1.2] ?-5/1

=(1.02×90-0.9) 0

24.0+- =90.9024.0+-

()z s cp M L S L δ-?????

?

?++=431

M L =[(1+0.02)×57-3/4×0.74] ?-5/1

=(1.02×57-0.555) 0

148.0+- =57.5850148.0+-

10.模具总装图

图10 模具结构示意图

1—定模座2—定模板3—型腔4—导套5—型芯嵌块6—型芯7—导柱8—复位杆9—复位弹簧模扣 10—推杆固定板11—动模座12—垃圾钉13—推板14—垫铁 15—动模具板16—内六角螺钉17—冷却水管18—推杆19—内六角螺钉20—型腔嵌块21—水管接头22—铜塞23—浇口套24—定

六、模具的安装及调试

装配模具是模具制造过程中的最后阶段，装配精度直接影响到模具的质量、寿命和各部分的功能。模具装配过程是按照模具技术要求和相互间的关系，将合格的零件连接固定为组件、部件直至装配为合格的模具。

包括相关零件的位置精度，相关的运动精度，配合精度及接触只有当