奶粉盒盖塑料成型模具的设计
奶粉盒盖塑料成型模具的设计
1 引言
塑料制件在日常生活中与我们息息相关，在塑料产品的生产过程中，塑料模具的应用极其广泛，在各类模具中的地位也越来越突出，成为各类模具设计、制造与研究中最具有代表意义的模具之一。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。
1.1 注塑模具的现状
模具是十分重要的基础工艺装备，模具工业是工业的基础，是装备制造业的重要组成部分，模具的发展水平已确确实实地成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志之一。2008年我国模具总销售额约为950亿元，在世界上仅次于日本，已是一个生产大国，但模具行业综合水平与工业发达国家相比尚有较大差距，离强国的距离还很远。在10大类模具中，塑料模具约占模具总量的44%，冲压模具约占37%，铸造模具约占10%，其他各类模具总和约占9%。“没有高水平的模具就没有高水平的工业产品”，“发展工业须模具先行”已进一步成为共识。
关于全国塑料加工业区域分布，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列，浙江、江苏和广东塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占到70％。塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域得到了广泛的应用。
注塑模具在量和质方面都有较快的发展，我国最大的注塑模具单套重量己超过50吨，最精密的注塑模具精度己达到2微米。制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔，高速模具方面已能生产挤出速度达6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤和低发泡钢塑共挤等各种模具。在CAD/CAM得到普及的同时， CAE技术应用越来越广，CAD/CAM/CAE一体化得到发展，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。
整体来看我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，但与国民经济发展的需求、世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。
1.2 塑料注塑模具的发展趋势
（1）高效率
随着各种配合模具生产的自动化设备（主要是机械手）的普及，还有模具内部标准件的智能化程度提升（主要是热流道），模具生产的效率是越来越高了，而且会朝着更高，跟好的境界发展。而在这个过程中，对模具设计人员的要求也会越来越高，模具设计人员对自动化设备不能仅仅是了解了，还要参与到设计中才行。
（2）新型模具
随着技术革新不断进步，很多原来很复杂的模具可以变得很简单，也有很多原来认为是不可能的结构成为可能。这些都是模具行业新的机遇与挑战，具体来说，是模具设计师们的机遇与挑战，掌握了这些新型模具设计与制造技术的模具厂，将有着更多的主动。掌握模具高新技术需要深厚的设计和制造底蕴，这些新型模具丰厚的利润会很好的回报为此投入不菲的公司，而这些高新技术也很好的成为公司打名气的资源，争取更优质客户的筹码。
（3）在模具设计制造中将全面推广CAD/CAM/CAE技术
模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑.实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。现在，CAD/CAM/CAE技术已基本成熟。由于模具CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，特别是微机的普及应用，更为广大模具企业普及模具CAD/CAM技术创造了良好的条件。随着微机软件的发展和进步，技术培训工作也日趋简化。加大技术培训和技术服务的力度的同时，进一步扩大CAE技术的应用范围。
（4）注塑模向更广的范围发展
随着人类社会的不断进步，模具必然会向更广泛的领域和更高水平发展。现在，能把握机遇、开拓市场，不断发现新的增长点的模具企业和能生产高技术含量模具企业的业务很是红火，利润水平和职工收入都很好。因此，模具企业应把握这个趋向，不断提高综合素质和国际竞争力。
随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必然会不断发展，因此对模具的要求也越来越高。为了满足市场需要，未来的塑料模具无论是品种、结构、性能还是加工都必将有较快发展。超大型、超精密、长寿命、高效模具；多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到发展。更高性能及满足特殊用途的模具新材料将会不断发展，随之将产生一些特殊的、更为先进的加工方法。各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺也会不断得到发展。
2 塑件工艺分析
2.1 塑件结构
（a）塑件正面 (b)塑件反面
图1 塑件图
图1所示塑件为普通奶粉盒盖，外形结构简单。最大直径为130mm，重15g,壁厚为0.8mm。
2.2 塑件材料介绍
2.2.1 使用性能
根据对塑件的主要用途、基本性能及经济性进行分析，该塑件采用聚乙烯（PE）材料。聚乙烯无臭，无毒，具有优良的绝缘性、耐化学腐蚀性及耐低温性能，还有很高的耐水性，长期与水接触其性能可保持不变。这种塑料很容易加工成各种形状（管、桶、袋、盆等）的塑料制件。
2.2.2 成型性能
（1）结晶料吸湿小，不须充分干燥，流动性极好，成型时宜用高压注射，保持料温均匀，不宜用直接浇口，以防收缩不均，内应力增大。注意选择浇口位置，防止产生缩孔和变形。
（2）收缩范围和收缩值大，方向性明显，易变形翘曲。模具设冷料穴，并有冷却系统。
（3）加热时间不宜过长，否则会发生分解、灼伤。
（4）软质塑件有较浅的侧凹槽时，可强行脱模。
（5）可能发生融体破裂，不宜与有机溶剂接触，以防开裂。
（6）聚乙烯的主要设计参数如表1所示。
表1 聚乙烯主要设计参数
密度/(g·cm-3) 0.94～0.96
收缩率/(﹪) 1.5～3.6
模具温度/(℃) 60～70
注射压力P注/MPa 60～100
最大不溢料间隙/mm 0.02
3 型腔布局及分型面的设计
3.1 分型面的确定
通过对塑件结构形式的分析，分型面应选择在外壳截面积最大且利于开模取件的底平面上，其位置图如图2所示。
ⅡⅡ 图2 分型面
本设计采用的是点浇口，双分型面。Ⅰ-Ⅰ分型面设置在流道板上面，塑件底部为Ⅱ-Ⅱ分型面。
3.2 型腔数量及排列方式
此盒盖属中小型塑件，形状比较规则，精度要求一般，且为批量生产，无需侧抽芯。如果用一模一腔的或一模两腔固然可以简化模具结构，但考虑到经济效益和生产效率，并结合模具结构，防止其过于复杂，初步拟选一模四腔。
由于该模具选择的是一模四腔，流道采用H形对称排列，使型腔进料平衡，流程较短。如图3所示。
图3 型腔分布
3.3 模具结构形式的确定
由以上分析可知，本模具设计为一模四腔，对称H型直线排列，根据塑件结构形状，推出机构初选推件板推出方式。浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，浇口采用点浇口。因此定模部分需要添加流道板，动模部分需要添加推杆。由上综合分析可确定采用点浇口双分型面注射模。
4 选择注射机
4.1 塑件的相关计算
4.1.1 注射量计算
根据生产要求初定一模四腔，实际测量得到单个塑件质量m1为15g，V115.79cm3。流道凝料的质量m2为m1的0.2倍来估算，浇注系统的质量初步选为12g。取材料密度为0.95g/cm3，故一次成型的注射量为：
V=m/ρ
=（4×15﹢12）/0.95＝75.79cm3
一个注射成型周期内所需注射的塑料熔体的容量在注射机额定注射量的80%以内。
4.1.2 锁模力计算
流道凝料在分型面上的投影面积A2，在设计模具之前是个未知数，根据多型腔模的统计分析，A2是每个塑件在分型面上的投影面积A1的0.2倍～0.5倍，可取0.35nA1来进行估算，所以：
A=nA1+A2=1.35nA1=1.35x4x13266.5=71639.1mm2
模具所需锁模力：Fm=AP型=71639.1 mm2x40MPa=2865.56kN
式中P型可取20-40MPa。
1 引言
塑料制件在日常生活中与我们息息相关，在塑料产品的生产过程中，塑料模具的应用极其广泛，在各类模具中的地位也越来越突出，成为各类模具设计、制造与研究中最具有代表意义的模具之一。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。
1.1 注塑模具的现状
模具是十分重要的基础工艺装备，模具工业是工业的基础，是装备制造业的重要组成部分，模具的发展水平已确确实实地成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志之一。2008年我国模具总销售额约为950亿元，在世界上仅次于日本，已是一个生产大国，但模具行业综合水平与工业发达国家相比尚有较大差距，离强国的距离还很远。在10大类模具中，塑料模具约占模具总量的44%，冲压模具约占37%，铸造模具约占10%，其他各类模具总和约占9%。“没有高水平的模具就没有高水平的工业产品”，“发展工业须模具先行”已进一步成为共识。
关于全国塑料加工业区域分布，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列，浙江、江苏和广东塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占到70％。塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域得到了广泛的应用。
注塑模具在量和质方面都有较快的发展，我国最大的注塑模具单套重量己超过50吨，最精密的注塑模具精度己达到2微米。制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔，高速模具方面已能生产挤出速度达6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤和低发泡钢塑共挤等各种模具。在CAD/CAM得到普及的同时， CAE技术应用越来越广，CAD/CAM/CAE一体化得到发展，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。
整体来看我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，但与国民经济发展的需求、世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。
1.2 塑料注塑模具的发展趋势
（1）高效率
随着各种配合模具生产的自动化设备（主要是机械手）的普及，还有模具内部标准件的智能化程度提升（主要是热流道），模具生产的效率是越来越高了，而且会朝着更高，跟好的境界发展。而在这个过程中，对模具设计人员的要求也会越来越高，模具设计人员对自动化设备不能仅仅是了解了，还要参与到设计中才行。
（2）新型模具
随着技术革新不断进步，很多原来很复杂的模具可以变得很简单，也有很多原来认为是不可能的结构成为可能。这些都是模具行业新的机遇与挑战，具体来说，是模具设计师们的机遇与挑战，掌握了这些新型模具设计与制造技术的模具厂，将有着更多的主动。掌握模具高新技术需要深厚的设计和制造底蕴，这些新型模具丰厚的利润会很好的回报为此投入不菲的公司，而这些高新技术也很好的成为公司打名气的资源，争取更优质客户的筹码。
（3）在模具设计制造中将全面推广CAD/CAM/CAE技术
模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑.实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。现在，CAD/CAM/CAE技术已基本成熟。由于模具CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，特别是微机的普及应用，更为广大模具企业普及模具CAD/CAM技术创造了良好的条件。随着微机软件的发展和进步，技术培训工作也日趋简化。加大技术培训和技术服务的力度的同时，进一步扩大CAE技术的应用范围。
（4）注塑模向更广的范围发展
随着人类社会的不断进步，模具必然会向更广泛的领域和更高水平发展。现在，能把握机遇、开拓市场，不断发现新的增长点的模具企业和能生产高技术含量模具企业的业务很是红火，利润水平和职工收入都很好。因此，模具企业应把握这个趋向，不断提高综合素质和国际竞争力。
随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必然会不断发展，因此对模具的要求也越来越高。为了满足市场需要，未来的塑料模具无论是品种、结构、性能还是加工都必将有较快发展。超大型、超精密、长寿命、高效模具；多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到发展。更高性能及满足特殊用途的模具新材料将会不断发展，随之将产生一些特殊的、更为先进的加工方法。各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺也会不断得到发展。
2 塑件工艺分析
2.1 塑件结构
（a）塑件正面 (b)塑件反面
图1 塑件图
图1所示塑件为普通奶粉盒盖，外形结构简单。最大直径为130mm，重15g,壁厚为0.8mm。
2.2 塑件材料介绍
2.2.1 使用性能
根据对塑件的主要用途、基本性能及经济性进行分析，该塑件采用聚乙烯（PE）材料。聚乙烯无臭，无毒，具有优良的绝缘性、耐化学腐蚀性及耐低温性能，还有很高的耐水性，长期与水接触其性能可保持不变。这种塑料很容易加工成各种形状（管、桶、袋、盆等）的塑料制件。
2.2.2 成型性能
（1）结晶料吸湿小，不须充分干燥，流动性极好，成型时宜用高压注射，保持料温均匀，不宜用直接浇口，以防收缩不均，内应力增大。注意选择浇口位置，防止产生缩孔和变形。
（2）收缩范围和收缩值大，方向性明显，易变形翘曲。模具设冷料穴，并有冷却系统。
（3）加热时间不宜过长，否则会发生分解、灼伤。
（4）软质塑件有较浅的侧凹槽时，可强行脱模。
（5）可能发生融体破裂，不宜与有机溶剂接触，以防开裂。
（6）聚乙烯的主要设计参数如表1所示。
表1 聚乙烯主要设计参数
密度/(g·cm-3) 0.94～0.96
收缩率/(﹪) 1.5～3.6
模具温度/(℃) 60～70
注射压力P注/MPa 60～100
最大不溢料间隙/mm 0.02
3 型腔布局及分型面的设计
3.1 分型面的确定
通过对塑件结构形式的分析，分型面应选择在外壳截面积最大且利于开模取件的底平面上，其位置图如图2所示。
ⅡⅡ 图2 分型面
本设计采用的是点浇口，双分型面。Ⅰ-Ⅰ分型面设置在流道板上面，塑件底部为Ⅱ-Ⅱ分型面。
3.2 型腔数量及排列方式
此盒盖属中小型塑件，形状比较规则，精度要求一般，且为批量生产，无需侧抽芯。如果用一模一腔的或一模两腔固然可以简化模具结构，但考虑到经济效益和生产效率，并结合模具结构，防止其过于复杂，初步拟选一模四腔。
由于该模具选择的是一模四腔，流道采用H形对称排列，使型腔进料平衡，流程较短。如图3所示。
图3 型腔分布
3.3 模具结构形式的确定
由以上分析可知，本模具设计为一模四腔，对称H型直线排列，根据塑件结构形状，推出机构初选推件板推出方式。浇注系统设计时，流道采用对称平衡式，浇口采用点浇口。因此定模部分需要添加流道板，动模部分需要添加推杆。由上综合分析可确定采用点浇口双分型面注射模。
4 选择注射机
4.1 塑件的相关计算
4.1.1 注射量计算
根据生产要求初定一模四腔，实际测量得到单个塑件质量m1为15g，V115.79cm3。流道凝料的质量m2为m1的0.2倍来估算，浇注系统的质量初步选为12g。取材料密度为0.95g/cm3，故一次成型的注射量为：
V=m/ρ
=（4×15﹢12）/0.95＝75.79cm3
一个注射成型周期内所需注射的塑料熔体的容量在注射机额定注射量的80%以内。
4.1.2 锁模力计算
流道凝料在分型面上的投影面积A2，在设计模具之前是个未知数，根据多型腔模的统计分析，A2是每个塑件在分型面上的投影面积A1的0.2倍～0.5倍，可取0.35nA1来进行估算，所以：
A=nA1+A2=1.35nA1=1.35x4x13266.5=71639.1mm2
模具所需锁模力：Fm=AP型=71639.1 mm2x40MPa=2865.56kN
式中P型可取20-40MPa。
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