瓶盖模具设计

瓶盖塑料模具设计

摘要

1 瓶盖塑料模具设计

1.1拟定模具的结构形式

1.1.1 塑件成型工艺性分析

该塑件是一塑料瓶盖，如图1所示，塑件壁厚属薄壁塑件，生产批量大，材料为聚乙烯（PE，在高密度聚乙烯中掺入了部分低密度聚乙烯，改善塑件的柔韧性），成型工艺性很好，可以注射成型。

1.1.2 分型面位置的确定

根据塑件结构形式，分型面选在瓶盖的底平面，如图2所示。

1.1.3 确定型腔数量和排列方式

(1) 型腔数量的确定

该塑件精度要求不高，又是大批大量生产，可以采用一模多腔的形式。考虑到模具制造费用，设备运转费低一些，初定为一模八腔的模具形式。

(2) 型腔排列形式的确定

该塑件有两圈内螺纹，要使螺纹型芯从塑件上脱出，必须设计一套自动螺纹的齿轮传动结构，并且型腔的分布圆直径和齿轮分布圆直径相吻合，若采用一模八腔，型腔分布圆直径就相当大了，这样模具结构尺寸就比较大，加上齿轮传动系统，模具结构复杂，制造费用也很高。但该塑件螺纹的牙型不高，且呈圆弧

形牙，内侧突起与直径的比例约为5.26%（

6.

266.

26

28-?100% = 5.26%）。因为所用材料为聚乙烯，材料弹性模量比较小，材质硬度不高，课采取强制脱模的方式，这也是注塑厂成型这种类型瓶盖的常用方法。因此本设计采用推件板推出的强制推脱方法，型腔的排列方式采用双列直排，如图2所示。

1.1.4 模具结构形式的确定

从上面分析中可知，本模具拟采用一模八腔，双列直排，推件板推出，流道采用平衡式，浇口采用潜伏式浇口或侧浇口，定模不需要设置分型面，动模部分需要一块型芯固定板和支撑板，因此基本上可确定模具结构形式为A型带推件板的单分型面注射模。

1.1.5 注射机型号的选定

(1) 注射量的计算

通过计算或Pro/E建模分析，塑件质量m

1为2.8g，塑件体积V

1

=

ρ

1

m

=

91

.0

8.2 = 3.077cm3,流道凝料的

质量m

2

还是个未知数，课按塑件质量的0.6倍来估算。从上述分析中确定为一模八腔，所注射量为

M = 1.6nm

1

= 1.6 ?8?2.8 = 35.84g 。

(2)塑件和流道凝料在分型面上的投影面积及所需锁模力的计算

流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积A

2

,在模具设计前是个未知值，根据多型腔模的统计分析，

A 2是每个塑件在分型面上的投影面积A

1

的0.2倍～0.5倍，因此可用0.35nA

1

来进行估算，所以

A = nA

1

+ A

2

= nA

1

+ 0.35nA

1

= 1.35nA

1

= 8412.336mm2

式中A

1=

4

π

d2 = 0.785 ? 31.52 = 778.92mm2。

F

m

= Ap

型

= 8412.336 ? 30 = 252370N = 252.37KN

式中型腔压力p

型

取30MPa(因是薄壁塑件，浇口又是潜伏式浇口，压力损失大，取大一些)。

(3) 选择注射机

根据每一生产周期的注射量和锁模力的计算值，可选用SZ-60/450卧式注射机(上海第一塑料机械厂)，见表1。

表1 注射机主要技术参数

(4) 注射机有关参数的校核

①由注射机料筒塑化速率校核模具的型腔数n 。

n≤

12

3600 /

m m

kMt-=

8.2

8.2

8

6.0

3600

/

30

3600

6.5

8.0?

?

-

?

?

?

=43.2>>8,

型腔数校核合格。

式中k──注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8；

M──注射机的额定塑化量（5.6g/s）;

t──成型周期，取30s 。

②注射压力的校核。

p e ≥k'p

= 1.3?130 = 169MPa,而p

e

= 170MPa,注射压力校核合格。

式中k'──取1.3；

p

──取130MPa(属薄壁窄浇口类)。

③锁模力校核。

F ≥KAp型= 1.2 ?252.37 = 302.84kN,而F = 450kN，锁模力校核合格。

其他安装尺寸的校核要待模架选定，结构尺寸确定以后才可进行。

1.2 浇注系统的设计

1.2.1 主流道设计

(1) 主流道尺寸

根据所选注射机，则主流道小端尺寸为

d = 注射机喷嘴尺寸 + （0.5～1）= 3.5+0.5 = 4mm

主流道球面半径为

SR = 喷嘴球面半径 + （1～2）= 20 + 2 = 22mm

(2)主流道衬套形式

本设计虽然是小型模具，但为了便于加工和缩短主流道长度，衬套和定位圈还是设计成分体式，主流道长度取40mm，约等于定模板的厚度（见图3）。衬套如图5所示，材料采用T10A钢，热处理淬火后表面硬度为53HRC～57HRC 。

(3) 主流道凝料体积

q 主 =

12

h

π

(D2 + Dd + d2) =

12

40π

(6.12 + 6.1 ? 4 + 42) = 812mm3≈0.8cm3

(4) 主流道剪切速率校核

由经验公式

.

γ=

3

3.3

n

R

q

π

γ = 1840.19 = 1840s1- < 5 ? 103s1-

式中 q

γ = q

主

+ q

分

+ q

塑件

= 0.8 + 2.772 + 8?3.077 = 28.188cm3

R n =

2

2

/)1.6

4(+ =

2

05

.5 = 0.2525cm

主流道剪切速率偏小主要是注射量小、喷嘴尺寸偏大，使主流道尺寸偏大所致。

1.2.2 分流道设计

(1) 分流道布置形式

分流道应能满足良好的压力传递和保持理想的填充状态，使塑料熔体尽快地经分流道均衡的分配到各个型腔，因此，采用平衡式分流道，如图4所示。

(2) 分流道长度

第一级分流道 L

1

= 50mm

第二级分流道 L

2

= 10mm

第三级分流道 L

3

= 15.5mm

(3) 分流道的形状、截面尺寸以及凝料体积

①形状及截面尺寸。

为了便于机械加工及凝料脱模，本设计的分流道设置在分型面上定模一侧，截面形状采用加工工艺性比较好的梯形截面。梯形截面对塑料熔体及流动阻力均不大，一般采用下面经验公式来确定截面尺寸，即

B = 0.2654m·4L= 0.26544

8.2??50= 1.996mm

根据参考文献[1]取B = 4mm 。

H =

32B = 3

2

?4 = 2.67mm ,取H = 3mm 分流道L 1截面形状如图5所示。

从理论上L 2、L 3分流道可比L 1截面小10%，但为了刀具的统一和加工方便，在分型面上的分流道采用一样的截面。

② 凝料体积。

分流道长度 L =（50 + 10 ? 2 + 15.5 ? 4）?2 = 264mm

分流道截面积 A = 2

3

4+?3 = 10.5mm 2

凝料体积 q 分= 264 ? 10.5 = 2772mm 3

= 2.772cm 3

(4) 分流道剪切速率校核 采用经验公式?

γ =

3

3.3n

R q π= 2.39 ? 103S 1-在5?102～5?103

之间，剪切速率校核合格。 式中q =

t v = 1

41v ? = 4 ? 3.077 = 12.3cm 3 R n = 3

2

2c

A π= 0.1755cm 式中 t ──注射时间，取1s;

A ──梯形面积（0.105cm 2

）;

c ──梯形周长（1.3cm ）。 (5) 分流道的表面粗糙度

分流道的表面粗糙度Ra 并不要求很低，一般取0.8μm ～1.6μm 即可，在此取1.6μm，如图5所示。

1.2.3 浇口的设计

根据外部特征，外观表面质量要求比较高，应看不到明显的浇口痕迹，圆周上布满了防滑直纹，因此采用潜伏式浇口，在开模时浇口自行剪断，几乎看不到浇口的痕迹。对于这类小型薄壁塑件，几乎所有工厂都是这样做的（个别工厂在盖的顶部采用点浇口），若采用侧浇口，不太符合工程实践。

(1) 潜伏式浇口尺寸的确定 由经验公式得

d = nk 4A = 0.6 ? 0.2724A = 1.1mm

式中 A = dh π+ πr 2

= 2.69.456mm 2

(塑件的表面积)；

n ──塑料材料系数取0.6；

k ──塑件壁厚的函数值取0.272 。

浇口截面形状如图6所示，浇口先取φ0.8，在试模式根据填充情况再进行调整。 (2)浇口剪切速率的校核 由点浇口的经验公式得

.

γ =

34R q π = 3

)

04.0(14.3077.34??= 61244.488s 1-= 6.1 ? 104s 1

- .

γ为104s 1-～105s 1-,剪切速率校核合格。

1.2.4 冷料穴的设计

(1) 主流道冷料穴

如图7所示，采用半球形，并采用球形头拉料杆，该拉料杆固定在动模固定板上，开模时利用凝料对球头的包紧力使主流道凝料从主流道衬套中脱出。

(2) 分流道冷料穴

在分流道端部加长5mm(约1.5d 0)作分流道冷料穴。

1.3 成型零件的设计

模具中确定塑件几何形状和尺寸精度的零件称为成型零件。在本设计中成型零件就是成型盖外表面的凹模，成型内表面的螺纹型芯(凸模)。

1.3.1成型零件的结构设计

(1) 凹模（型腔）

瓶盖圆周上均匀分布着防滑直纹，若凹模制成整体式，则直纹用机械加工方法很困难(没有退刀位置)，若制成一个电极来加工防滑直纹，成本也比较高。整体模板都要用价格较贵重的模具钢，维修也不方便。因此，瓶盖圆周部分若采用局部嵌入式凹模，上述存在的问题能够很方便地得到解决，如图8所示，嵌件外径尺寸按经验

]

2[，取44mm(壁厚7mm)。

(2) 型芯

型芯是一个带有两圈螺纹的、且牙型不高的整体式型芯，如图9所示。

1.3.2 成型零件钢材的选用

瓶盖是大批量生产，成型零件所选用钢材耐磨性和抗疲劳性能应该良好；机械加工性能和抛光性能也应良好。因此构成型腔的嵌入式凹模钢材选用SM1 。

定模板构成瓶盖顶部花纹、文字部分，成型时有料流的冲刷，但没有脱模时塑件的摩擦，因此采用55钢调质(定模板材质可和模架厂协商)。

螺纹型芯因为是采用强制脱模，磨损比较厉害，采用硬度比较高的模具钢Gr12MoV,淬火后表面硬度为58HRC ～62HRC 。

1.3.3 成型零件工作尺寸的计算

(1)型腔径向尺寸

L M

= [(1 + s)L s -?χ]z

δ+0= 31.9860104

.00+

式中 s ──塑件平均收缩率s = 2

035

.0015.0+=0.025;

L s ──塑件外径尺寸（取31.5）； χ──修正系数（取0.58）；

?──塑件公差值（查塑件公差表，取0.52）；

z δ──制造公差，(取?/5)。 （2）螺纹型芯径向尺寸

① 螺纹型芯大径

d 大M = [(1 + s)d 大s + ?

中]o

z

δ-= 28.850

03.0- 式中 d 大s ──塑件内螺纹大径基本尺寸（取28）； ?

中

──塑件内螺纹中径公差（取制造公差z δ的5倍）;

z δ──中径制造公差，根据参考文献[1]中的表9.4-10（取0.03）。 ② 螺纹型芯小径

d 小M = [(1 + s)d 小s + ?

中]o

z δ-= 27.4150

03.0-

式中d 小s ──塑件内螺纹小径基本尺寸（取26.6）。

③ 螺距工作尺寸

T M = t S (1 + s) ±

2

z

δ = 4.61 ± 0.015

式中t S ──塑件内螺纹螺距（取4.5）。

(3) 型腔深度尺寸

H M = [(1 + s)h - ?χ]0

z δ-= 18.72088

.00+

式中 h ──塑件高度最大尺寸（取18.5）；

χ──修正系数（取0.56）；

?──塑件公差值，查塑件公差表（取0.44）。

(4)型芯高度尺寸

h m = [(1 + s)H + ?χ]0

z δ-= 17.6570080.0-

式中H ──塑件高度最小尺寸（取17）； χ──修正系数（取0.58）；

?──塑件公差值，查塑件公差表（取0.40）。

注：瓶盖螺纹是一个非标准型螺纹，螺距4.5，牙型高度比较小，在螺纹结构设计上，适合于强制脱模，所以螺纹中径和标准相差很大，就不做计算了，瓶盖在使用中满足要求。

1.3.4 成型零件强度及支撑板厚度计算

(1) 型腔侧壁厚度（按组合式圆筒形凹模计算）

]

1[

S = r (rp

E rp

E p p

25.175.0-+δδ)2

1= 15.75（30

75.1525.1101.2016.03075.1575.0101.2016.055??-????+??）2

1

= 18.24mm

式中 p ──型腔压力（取30MPa ）; E ──材料弹性模量（取2.1?105

MPa ）;

P δ──根据注射塑料品种，模具刚度计算许用变形量。

P δ = 25i 1 = 25?0.6232 = 15.58μm ≈0.016mm

式中i 1 = 0.35W 5

1 + 0.001W = 0.35 ? 15.755

1 + 0.001?15.75 = 0.6232μm;

W ──型腔半径。

型腔侧壁是采用嵌件，嵌件单边厚选7mm,两型腔之间受力是大小相等、方向相反的，在和模状态下不会产生变形，因此两型腔之间壁厚只要满足结构设计的条件就可以了。型腔与模板周边的距离由模板外形尺寸来确定，因模板平面尺寸比型腔布置的尺寸要大得多（（200-115）/2 = 42.5 > 18.24）,所以完全满足强度和刚度的要求。

(2) 支撑板厚度

支撑板厚度和所选模架两垫块之间的跨度有关，根据前面的型腔布置，模架应选在200?250这个大类范围之内，垫块之间的跨度大约为140mm,根据型腔布置及型芯对支撑板的压力，就可计算得到支撑板的厚度，即

T = 0.54L （P

EL l pl δ121）31

= 0.54 ? 140（027.0250101.252.4923305????）31

= 35.5mm

式中p δ──支撑板刚度计算许用变形量，p δ= 25 i 1= 25?1.08 = 27μm = 0.027mm,

i 1= 0.35 ? W 5

1 + 0.001 ? W = 0.35 ?1405

1 + 0.001 ? 140 = 1.08μm； L ──两垫块之间的距离（约为140）；

W ──影响模具变形的最大尺寸，若圆筒形是r 或h,若矩形是L ； L 1──支撑板长度，取250mm;

1l 、2l ──8个型芯投影到支撑板上的面积。

单件型芯所受压力的面积为

A 1 =

4

π

d 21 = 0.785 ? 282 = 615.44mm 2

8个型芯的面积为

1l ? 2l = 8 A 1 = 4923.52 mm 2

此支撑板厚度计算尺寸为35.5，对于小型模具还可以减小一点，可利用两根推板导柱来对支撑板进行支撑，这样支撑板厚度可近似为

n T = 〔

1

1

+n 〕34T = (111+)34

? 35.5 = 14mm 因此，支撑板厚度可取得稍薄一点，取标准厚度32 。

1.4 模架的确定

根据型腔的布局可看出，型腔嵌件分布尺寸为115 ? 195，有根据型腔侧壁最小厚度为18.24，再考虑

到导柱、导套及连接螺钉布置应占的位置和采用推件板推出等各方面问题，确定选用模架序号为5号（200

? L = 200 ? 250）

，模架结构为A4的形式，如图10所示。 各模板尺寸的确定。 1. A 板尺寸

A 板是定模型腔板，塑件高度18.5，在模板上还要开设冷却水道，冷却水道离型腔应有一定的距离，因此A 板厚度取40mm 。 2.

B 板尺寸

B 板是凸模（型芯）固定板，凸模的成型部分直径为φ28，因此B 板厚度取32mm 。

3. C 板块尺寸

垫块 = 推出行程 + 推板厚度 + 推杆固定板厚度 + （5～10）= 18.5 + 20 + 15 +（5～10）=58.5～63.5 根据计算，垫块厚度C 取63。

上述尺寸确定之后，就可以确定模架序号为5号，模面为200 ? 250，模架结构形式为A4的标准模架。 从选定模架可知，模架外形尺寸：宽? 长?高 = 200 ? 250 ?237。 模具平面尺寸200 ? 250 < 280 ?250（拉杆间距），合格；模具高度237,100 < 237 < 300合格；模具开模所需行程 = 17.6（型芯高度）+ 18.5（塑件高度）+（5～10）= （41.1～46.1）< 200（注射机开模行程），合格；其他各参数在前面校核均合格，所以本模具所选注射机完全满足使用要求。

1.5 排气槽的设计

瓶盖成型型腔比较小，约为 3.1cm 3

,注射时间约为1s,采用的是潜伏浇口向型腔顶部倾斜，塑料熔体先充满型腔顶部，然后充满周边下部，这样型腔顶部不会造成憋气现象，气体会沿着分型面和型芯与推件之间的轴向间隙向外排出。如果对于中大型塑件一定要通过计算，开设一定量的排气槽，方可保证产品质量。

1.6 脱模推出机构的设计

推件板推出过程中，为了减小推件板与型芯的摩擦，采用如图11所示结构，推件板与型芯间留0.2mm ～0.25mm 的间隙，本设计中取0.2mm,并用锥面配合，以防止推件板因偏小而板溢料。

1.7 温度调节系统的设计

冷却系统的计算很麻烦，在此只进行简单的计算，在单位时间内塑料熔体凝固时所放出的热量应等于冷却水所带走的热量，模具温度设为40℃。

1.7.1 冷却水的体积流量

V q =

)(2111θθρ-c WQ = )

255.26(187.410104.60513.032-???? = 0.00522m 3/min = 5.2 ? 103- m 3

/min 式中 W ──单位时间（每分钟）内注入模具中的塑料质量（kg/min ）,按每分钟注射2次，即

28.188cm 3

?0.91(g/cm 3

)?2次/min = 51.3g/min = 0.0513 g/min;

Q 1──单位质量的塑件在凝固时所放出的热量，PE 为6.4 ? 102

kJ/kg;

ρ──冷却水的密度（1000kg/m 3）;

C 1──冷却水的比热容（4.187kJ/(kg ·℃)）;

θ1──冷却水出口温度（26.5℃）；

θ

2

──冷却水入口温度（25℃）。

1.7.2 冷却管道直径

为使冷却水处于湍流状态，查资料

]

3[取d = 8mm 。

1.7.3 冷却水在管道内的流速

由式 s m d q v V /72.160

)1000/8(14.3102.54423

2=????==-π 大于最低流速1.66m/s,达到湍流状态，所选管道直径合理。

1.7.4 冷却管道孔壁与冷却水之间的传热膜系数

查参考文献[1]中的表9.8-5取f = 7.22（水温为30℃时），因此

22

.08

.032.08.0/(3.26463)

1000/8()72.110(22.76.3)(6.3m kJ d v f h =??==ρ·h ·℃) 1.7.5 冷却管道的总传热面积

222

152********.0]

2/)255.26(40[3.26463104.60513.06060mm m h WQ A ==+-????=?=θ

1.7.6 模具上应开设的冷却水孔数

1250

148.35224

≈?==

dL A n π 从计算结果看，因塑件小，单位时间注射量小，所需冷却水道也比较小，但一定水道对模具来说是不可取的（冷却不均匀）。

根据注塑厂的生产经验，在强制脱模的情况下，型芯必须冷却，型芯纵向分两排布置，若是采用串联水道，势必造成型芯温度较大，因此两排型芯应分别采用两条进水道，在注射工艺过程中，根据具体情况确定采用并联水道还是串联水道。在定模部分的流道凝料也应得到冷却，可开设一条往返水道，模外胶管串联，水道流量大小可根据注射时具体工艺情况进行调整，水孔开设见装配图。