塑件的结构分析和成型工艺分析
塑件的结构分析和成型工艺分析
引言：塑料制件在日常生活中占有一席地位，这次课题主要研究的是塑料制件中的带嵌件水管直接头成型模具设计，选择该课题主要是针对所学的材料成型与控制工程专业而言的，要对该课题有深入的研究，就需要充分了解到塑料注射是材料成形领域中最重要的组成部分,在国民经济中占有十分重要的地位，因为在目前的生活中塑料制品占了很大的比例，人们对塑料制件的需求越来越高，相应的塑料制品的发展也带动了相应模具行业的进一步发展。随着工程技术和材料科学的不断发展,塑料工业以“朝阳工业”的姿态昂首步入新世纪。据统计,美国的塑料年使用量在体积上已超过钢、铝、铜的总和,并正以比钢材高2倍的速度发展。
本次的设计课题带嵌件水管直接头成型模具设计来源于自来水管组件的生产实践。通过对生产技术及工艺装备进行设计、研究并编写了此说明书。说明书详细介绍了带嵌件水管直接头注塑模具的结构设计及相关工艺。在该注塑模设计中，对成型零件的设计、合模导向机构的设计、脱模机构、型芯的设计、推出机构的设计等内容均作了比较详细的说明。
2 产品结构性能及工艺分析
2.1 制件结构设计与分析
本次毕业设计课题是“带嵌件水管直接头成型模具设计”，产品的三维造型及二维图如图2.1所示:
图2.1三维造型
图2.2 塑件嵌件
该产品形状接近圆柱体，有一嵌件，直径较细一端壁厚较薄，但中部壁厚较厚，成型时易产生变形，浇口选择时要注意。直径较粗一端与嵌件接触，外侧有防滑凸起。
2.2 制件材料
HDPE为无毒，无味，无臭的白色颗粒，熔点为130℃，相对密度0.941-0.960，它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好，介电性能，耐环境应力开裂性亦较好。
HDPE/5306J/扬子石化物性参数
牌号 5306J
厂家(产地) 扬子石化
规格级别 注塑
用途 通用级
密度 0.953 g/cm3
熔体流动速率 6 g/10min
拉伸强度 20 MPa
HDPE/5306J/扬子石化 技术数据
性能项目 试验条件[状态] 测试方法 测试数据 数据单位
密度 0.951-0.955 g/cm3
熔体流动速率 190℃ 2.16kg 5.0-7.0 g/10min
拉伸屈服强度 ≥20 MPa
收缩率 1.6-2.4%
清洁度 色粒 ≤5 个/kg树脂
3 工艺方案及设计步骤
3.1 设计目标
该塑料制件在日常生活中应用广泛，是长期占据市场的商品，为大批制造生产，产品质量为22g，计划年产量为50万件。
3.2 成型工艺方案
根据HDPE塑料的抗冲击韧性、流动性好，易于塑性成型性，采用注塑成型，注塑机参考JN128-E型（射胶量172g、合模力1280kN、开模行程450mm），本设计预备采用注射成型方法,它具备以下特点：成型周期短，能一次成型复杂、尺寸精确，对成型各种塑料的适应性强。
2.2.1 成型工艺参数
（1）温度 料筒温度240℃、喷嘴温度180℃、模具温度70℃。
（2）压力 注射压力80MP、保压压力50MP、塑化压力50MP。
（3）时间 注射时间4s、冷却时间20s、辅助工艺时间16s,成型周期为40s。
3.3 注射成型机的选择
注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机的动模板和定模板上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态，这就需要校核该模具所需要的锁模力是否在注塑机允许范围内；另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过校核。
注射机为JN128-E注射机，其螺杆直径为36mm，实际浇注量为172g，注塑压力185MPa，螺杆转速0～161 r/min，锁模力 1280 KN，拉杆间距350mm，模板行程450mm，模具最小厚度 145mm，模具最大厚度 360mm，顶出力42KN，顶出行程130mm，喷嘴球半径30mm。
下面从注射量、注射压力和锁模力三个方面对该型注塑机进行初步校核，以验证该注塑机能否满足制品成型的要求。
（1）注射量的校核：注射量是注射机每次注射塑料的最大体积或质量。但是，注射机的公称最大注射量，通常是用聚苯乙烯标定的。所以在使用其它塑料时，柱塞式注射机的公称注射量应根据塑料的密度进行转换。一般，注射机注射量的利用率为20%～85%。所以，选择的注射机，其注射量应满足下式要求，即
W机≥W塑件/0.8
式中： W机——注射机注射塑料的最大质量，单位为g；
W塑件——塑件质量（包括浇注系统），单位为g；
本塑件的质量为22g，浇注系统凝料质量约为2g，拟采用一模四腔，所以m = 22×4+2×4 = 96g ≤172× 80%=137g，所以该注塑机能满足制品成型的要求。
(2)注射压力与锁模力的校核
注射压力的校核是校验注射机的最大注射压力能否满足制品成型的需要。只有在
注射机额定的注射压力内才能调出某一制件所需要的注射压力，因此注射机的最大注射压力要大于该制件所要求的注射压力。
型腔内熔料的压力p：
p = 80%p注
式中 p注——塑料的注射压力，可从资料中查得。
HDPE成型时的注射压力约为80～120MPa，该注射机能提供的注射压力为185MPa，满足成型要求。
（3) 锁模力的校核
当高压的熔料进入并充满型腔时，将产生一个很大的推力F推，该推力应小于注
射机额定的锁模力F锁，否则在注射成型时会因锁模不紧而发生溢边跑料现象。锁模力F锁 ：
F锁≥ F= pA
式中 F推——型腔内塑料熔体沿注射机轴向的推力，N；
A——塑件与浇注系统在分型面上的投影面积，mm2。
本塑件与浇注系统在分型面上的最大投影面积约为4070mm2，所以F推= 80×4070= 325600N =325.6KN≤1280KN。所以该注射机能满足制品成型的要求，适用于本次注塑模具设计。
3.4 设计步骤
注塑模具的结构设计一般按如下步骤进行，在本章只作简要概述，初步拟订设计方案，具体详细设计依据及计算放在后面进行论述。
1.确定型腔的数目；
2.选定分型面；
3.确定浇注系统；
4.确定成型零部件；
5.确定合模导向机构；
6. 确定脱模顶出机构；
7. 温度调节系统分析；
8. 排气系统分析；
9. 绘制模具结构草图，选取标准模架。
在这次毕业设计中准备采用AutoCAD和UG两套软件进行注塑模具的辅助设计。
4 模具设计工艺方案
4.1 型腔数目的确定及分型面选择
4.1.1 型腔数目的确定
型腔数目的确定，应根据制件的几何形状及尺寸、质量要求、批量大小、交货期长短、所选注射机能力、模具制造成本等因素综合考虑。根据该制件的外形(40*40)，宽度方向依据产品外形为曲面，两侧对称，考虑到导向机构的设置，选用80mm。因此，若采用一模四腔腔，初步选用模板的外形尺寸为295mm×295mm。
4.1.2 分型面的选择
分型面的形式主要有：水平分型面、倾斜分型面、阶梯分型面、曲线分型面及瓣合分型面等几种。分型面设计总体原则:开设在有利于脱模的制件最大轮廓处；应尽可能使制件留在动模一侧；有利于确保制件的形状及尺寸精度；满足制件外观质量要求；有利于模具的锁紧和保证壁厚均匀；应有利于模具的排气；应有利于模具的加工制造。本课题采用建块法进行分模，其主要分型面选择在塑件断面尺寸最大的部分所在平面，这样选择不影响产品的外观，有利于制品的脱模，排气效果较好，对模具的加工也较为方便。根据分型面设计原则结合本塑件特点，本模具采用的分型面如图4.1所示：
图 4.1 分型面 分型面
4.2 确定浇注系统
所谓浇注系统是指注射模中从主流道的始端到型腔之间的熔体进料通道。普通流道浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成，浇注系统的主要作用是将来自注射机喷嘴的塑料熔体平稳而顺利的充模、压实和保压。
4.2.1 主流道的设计
主流道是浇注系统中从注射机喷嘴与模具相接触的部分开始，到分流道为止的塑料熔体的流动通道。在卧式或立式注射机上使用的模具中，主流道垂直于分型面，设计要点如下：
为使凝料能从其中顺利拔出，主流道通常设计成圆锥形，其锥角α=2°～4°，对于流动性较差的塑料可取α=3°～6°。内壁表面粗糙度一般为Ra=0.8μm。在本设计中，考虑到所采用的材料HDPE的流动性较好，所以取α=3°。
为防止主流道与喷嘴处溢料主流道对接处应紧密对接，所以主流道对接处应加工出半圆形凹坑，其半径R2=R1+（1～2）mm，其小端直径d1=d2+（0.5～1）mm，凹坑深取h=2～5mm，在本次设计中取R2 = 12mm ，d1 = 3mm,凹坑深取h=2 mm。
通常主流道长度由模板厚度确定，本设计采用的是L=77mm。
由于主流道与塑料熔体及喷嘴反复接触和碰撞，因此常将主流道加工成可拆卸的主流道衬套（浇口套），便于用优质钢材进行加工和热处理。本设计中采用的衬套材料为高强度中碳钢，热处理HRC30±2°，其结构如图4.2所示
引言：塑料制件在日常生活中占有一席地位，这次课题主要研究的是塑料制件中的带嵌件水管直接头成型模具设计，选择该课题主要是针对所学的材料成型与控制工程专业而言的，要对该课题有深入的研究，就需要充分了解到塑料注射是材料成形领域中最重要的组成部分,在国民经济中占有十分重要的地位，因为在目前的生活中塑料制品占了很大的比例，人们对塑料制件的需求越来越高，相应的塑料制品的发展也带动了相应模具行业的进一步发展。随着工程技术和材料科学的不断发展,塑料工业以“朝阳工业”的姿态昂首步入新世纪。据统计,美国的塑料年使用量在体积上已超过钢、铝、铜的总和,并正以比钢材高2倍的速度发展。
本次的设计课题带嵌件水管直接头成型模具设计来源于自来水管组件的生产实践。通过对生产技术及工艺装备进行设计、研究并编写了此说明书。说明书详细介绍了带嵌件水管直接头注塑模具的结构设计及相关工艺。在该注塑模设计中，对成型零件的设计、合模导向机构的设计、脱模机构、型芯的设计、推出机构的设计等内容均作了比较详细的说明。
2 产品结构性能及工艺分析
2.1 制件结构设计与分析
本次毕业设计课题是“带嵌件水管直接头成型模具设计”，产品的三维造型及二维图如图2.1所示:
图2.1三维造型
图2.2 塑件嵌件
该产品形状接近圆柱体，有一嵌件，直径较细一端壁厚较薄，但中部壁厚较厚，成型时易产生变形，浇口选择时要注意。直径较粗一端与嵌件接触，外侧有防滑凸起。
2.2 制件材料
HDPE为无毒，无味，无臭的白色颗粒，熔点为130℃，相对密度0.941-0.960，它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好，介电性能，耐环境应力开裂性亦较好。
HDPE/5306J/扬子石化物性参数
牌号 5306J
厂家(产地) 扬子石化
规格级别 注塑
用途 通用级
密度 0.953 g/cm3
熔体流动速率 6 g/10min
拉伸强度 20 MPa
HDPE/5306J/扬子石化 技术数据
性能项目 试验条件[状态] 测试方法 测试数据 数据单位
密度 0.951-0.955 g/cm3
熔体流动速率 190℃ 2.16kg 5.0-7.0 g/10min
拉伸屈服强度 ≥20 MPa
收缩率 1.6-2.4%
清洁度 色粒 ≤5 个/kg树脂
3 工艺方案及设计步骤
3.1 设计目标
该塑料制件在日常生活中应用广泛，是长期占据市场的商品，为大批制造生产，产品质量为22g，计划年产量为50万件。
3.2 成型工艺方案
根据HDPE塑料的抗冲击韧性、流动性好，易于塑性成型性，采用注塑成型，注塑机参考JN128-E型（射胶量172g、合模力1280kN、开模行程450mm），本设计预备采用注射成型方法,它具备以下特点：成型周期短，能一次成型复杂、尺寸精确，对成型各种塑料的适应性强。
2.2.1 成型工艺参数
（1）温度 料筒温度240℃、喷嘴温度180℃、模具温度70℃。
（2）压力 注射压力80MP、保压压力50MP、塑化压力50MP。
（3）时间 注射时间4s、冷却时间20s、辅助工艺时间16s,成型周期为40s。
3.3 注射成型机的选择
注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机的动模板和定模板上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态，这就需要校核该模具所需要的锁模力是否在注塑机允许范围内；另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过校核。
注射机为JN128-E注射机，其螺杆直径为36mm，实际浇注量为172g，注塑压力185MPa，螺杆转速0～161 r/min，锁模力 1280 KN，拉杆间距350mm，模板行程450mm，模具最小厚度 145mm，模具最大厚度 360mm，顶出力42KN，顶出行程130mm，喷嘴球半径30mm。
下面从注射量、注射压力和锁模力三个方面对该型注塑机进行初步校核，以验证该注塑机能否满足制品成型的要求。
（1）注射量的校核：注射量是注射机每次注射塑料的最大体积或质量。但是，注射机的公称最大注射量，通常是用聚苯乙烯标定的。所以在使用其它塑料时，柱塞式注射机的公称注射量应根据塑料的密度进行转换。一般，注射机注射量的利用率为20%～85%。所以，选择的注射机，其注射量应满足下式要求，即
W机≥W塑件/0.8
式中： W机——注射机注射塑料的最大质量，单位为g；
W塑件——塑件质量（包括浇注系统），单位为g；
本塑件的质量为22g，浇注系统凝料质量约为2g，拟采用一模四腔，所以m = 22×4+2×4 = 96g ≤172× 80%=137g，所以该注塑机能满足制品成型的要求。
(2)注射压力与锁模力的校核
注射压力的校核是校验注射机的最大注射压力能否满足制品成型的需要。只有在
注射机额定的注射压力内才能调出某一制件所需要的注射压力，因此注射机的最大注射压力要大于该制件所要求的注射压力。
型腔内熔料的压力p：
p = 80%p注
式中 p注——塑料的注射压力，可从资料中查得。
HDPE成型时的注射压力约为80～120MPa，该注射机能提供的注射压力为185MPa，满足成型要求。
（3) 锁模力的校核
当高压的熔料进入并充满型腔时，将产生一个很大的推力F推，该推力应小于注
射机额定的锁模力F锁，否则在注射成型时会因锁模不紧而发生溢边跑料现象。锁模力F锁 ：
F锁≥ F= pA
式中 F推——型腔内塑料熔体沿注射机轴向的推力，N；
A——塑件与浇注系统在分型面上的投影面积，mm2。
本塑件与浇注系统在分型面上的最大投影面积约为4070mm2，所以F推= 80×4070= 325600N =325.6KN≤1280KN。所以该注射机能满足制品成型的要求，适用于本次注塑模具设计。
3.4 设计步骤
注塑模具的结构设计一般按如下步骤进行，在本章只作简要概述，初步拟订设计方案，具体详细设计依据及计算放在后面进行论述。
1.确定型腔的数目；
2.选定分型面；
3.确定浇注系统；
4.确定成型零部件；
5.确定合模导向机构；
6. 确定脱模顶出机构；
7. 温度调节系统分析；
8. 排气系统分析；
9. 绘制模具结构草图，选取标准模架。
在这次毕业设计中准备采用AutoCAD和UG两套软件进行注塑模具的辅助设计。
4 模具设计工艺方案
4.1 型腔数目的确定及分型面选择
4.1.1 型腔数目的确定
型腔数目的确定，应根据制件的几何形状及尺寸、质量要求、批量大小、交货期长短、所选注射机能力、模具制造成本等因素综合考虑。根据该制件的外形(40*40)，宽度方向依据产品外形为曲面，两侧对称，考虑到导向机构的设置，选用80mm。因此，若采用一模四腔腔，初步选用模板的外形尺寸为295mm×295mm。
4.1.2 分型面的选择
分型面的形式主要有：水平分型面、倾斜分型面、阶梯分型面、曲线分型面及瓣合分型面等几种。分型面设计总体原则:开设在有利于脱模的制件最大轮廓处；应尽可能使制件留在动模一侧；有利于确保制件的形状及尺寸精度；满足制件外观质量要求；有利于模具的锁紧和保证壁厚均匀；应有利于模具的排气；应有利于模具的加工制造。本课题采用建块法进行分模，其主要分型面选择在塑件断面尺寸最大的部分所在平面，这样选择不影响产品的外观，有利于制品的脱模，排气效果较好，对模具的加工也较为方便。根据分型面设计原则结合本塑件特点，本模具采用的分型面如图4.1所示：
图 4.1 分型面 分型面
4.2 确定浇注系统
所谓浇注系统是指注射模中从主流道的始端到型腔之间的熔体进料通道。普通流道浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成，浇注系统的主要作用是将来自注射机喷嘴的塑料熔体平稳而顺利的充模、压实和保压。
4.2.1 主流道的设计
主流道是浇注系统中从注射机喷嘴与模具相接触的部分开始，到分流道为止的塑料熔体的流动通道。在卧式或立式注射机上使用的模具中，主流道垂直于分型面，设计要点如下：
为使凝料能从其中顺利拔出，主流道通常设计成圆锥形，其锥角α=2°～4°，对于流动性较差的塑料可取α=3°～6°。内壁表面粗糙度一般为Ra=0.8μm。在本设计中，考虑到所采用的材料HDPE的流动性较好，所以取α=3°。
为防止主流道与喷嘴处溢料主流道对接处应紧密对接，所以主流道对接处应加工出半圆形凹坑，其半径R2=R1+（1～2）mm，其小端直径d1=d2+（0.5～1）mm，凹坑深取h=2～5mm，在本次设计中取R2 = 12mm ，d1 = 3mm,凹坑深取h=2 mm。
通常主流道长度由模板厚度确定，本设计采用的是L=77mm。
由于主流道与塑料熔体及喷嘴反复接触和碰撞，因此常将主流道加工成可拆卸的主流道衬套（浇口套），便于用优质钢材进行加工和热处理。本设计中采用的衬套材料为高强度中碳钢，热处理HRC30±2°，其结构如图4.2所示
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