水管堵头注塑成型工艺及模具设计

中文摘要

摘要：

塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一，而注塑模具是其中发展较快的种类，因此，研究注塑模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大意义。

本次设计的课题是水管堵头注塑成型及模具设计。对水管堵头进行结构和工艺性分析，然后选择注塑机并确定型腔数目，接着确定成型方案：总体结构设计、分型面选择、浇注系统设计等，接着进行注塑机工艺参数校核，包括注射量、注射压力、模具厚度和注射机闭合高度等方面。最后进行脱模机构设计冷却系统设计等方面。

关键词：水管堵头；注塑模；成型方案

English abstract

Abstract:

plastic industry is in the world grows now one of quickest industry classes,but casts the mold is development quick type,therefore,the research casts the modl to understand the plastic product the production process and improves the product quality to have the very big significance.

The subject of design is Conduit bulkhead injection mold desifn.Based on struture and process analysis of Conduit bulkhead,and then choice of injection molding machine and to determine the number of cavity,and plastic forming programs to determine:The overall structral design,surface selection,gating system design,demoulding body design,colling system design.Finally,process parameters for injection molding machine check,including the injection of the amount of clamping force,injection pressure,injection machine mold thickness and height etc.

Key words:chassis board;injection mold;forming programs

第一章绪论

1.1 注塑成型模具的地位

塑料工业是当今极具活力的一门产业。塑料是现代主要的工业结构材料之一，广泛应用于汽车、宇航、电子通信、仪器仪表、文体用具、化工、纺织、医药卫生、建筑五金、家用电器、等各个领域。至2004年，我国塑料制件的年产量已突破2500t。展望21世纪高分子材料进入质的飞跃发展时期。

从2003年我国模具进口的海关统计资料可知，塑料模具占了模具进口总量的57%，而注塑成型模具在整个塑料模具中占据很大的比例。注塑模具设计的好坏，决定着注塑成型制件的质量优劣及成品率高低，也就是说，是否能加工出优质价廉的塑料制件，在很大程度上要靠注塑模具设计的合理性和先进性来保证。

现代塑料制件生产中，合理的注塑成型工艺、先进的注塑成型模具及高精度、高效率的注塑设备是当代塑料成型加工中必不可少的三个重要因素，缺一将一事无成。尤其是注塑成型模具对完成塑料加工工艺要求、塑料制件使用要求和造型设计骑着重要作用。高效的、全自动的设备也只有装上能全自动生产的模具才有可能发挥其效能，产品的生产和更新都是以密集制造和创新为前提的。

我国注塑模具生产水平自2004年以来也取得了长足进步。在大型注塑模具方面，可以生产1219mm电视机的塑料外壳模具、6.5大容量洗衣机洗衣桶的模具以及汽车保险杠、整体仪表板凳塑料模具；在精密注塑模具方面，已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具等。这也显示了目前我国注塑模具技术已达到了较高水平，并在国民经济发展过程中将发挥越来越重要的作用。

现在考察某个国家的科学与生产技术水平，塑料的生产与应用情况是重要标志之一。塑料的加工与应用和塑料工业发展的快慢，对国家科技与生产，以及国民积极发展的巨大影响是不言而喻的。

纵观世界经济的发展，经济发展较快时，产品畅销，自然要求模具的制造技术能跟上。目前模具市场仍供不应求，可见研究和发展模具技术、提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义。在日本模具被誉为“进入富裕社会的原动力”在德国则冠之为“金属加工工业中的帝王”，在罗马尼亚视为“模具就是黄金”。可以断言，随着现代化技术的迅速发展，人们生存在“塑料世界”中，塑料模具在国民经济发

展过程中将处于十分重要的地位。

1.2 注塑模的现状及发展趋势

随着全球经济一体化进程的不断加快，世界各国对建筑材料、电子通信等诸多领域的塑料制品需求量正在逐年增加，这为模具工业的发展奠定了坚实的基础。据资料显示，全世界模具年产值约为650亿美元，模具工业的发展已经超越了近年来快速发展的新兴产业——电子工业。

中国模具工业产值仅次于日本和美国，排在世界前三位。中国经济的告诉发展同样对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的空间。近十年来，国内模具在数量、质量、技术等方面有了很大的跨越；现在以每年15%左右的增长速度稳步发展。

与发达国家的模具工业相比，我国在精密、大型、复杂、长寿命的高档模具方面依然存在着较大的差距，每年仍需从模具强国井口精密、大型、复杂、长寿命的高档模具。与国外模具同行相比，我国在模具设计理念、制造工艺、生产周期等方面还存在着较大的差异，这阻碍着我国向模具强国发展。同时，我国的模具生产仍然供不应求，无法满足模具市场的需求。而其中主要的模具缺1：1类型，仍集中于精密、大型、复杂、长寿命的高档模具领域。在生产能力、生产技术等几方面，我国还未达到国际先进水平，与国际模具的综合竞争能力还存在着较大的差距。因而，精密、大型、复杂、长寿命的高档模具仍然依靠进口。

我国塑料模具工业起步晚，底子薄，与工业发达国家相比存在很大的差距。但在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和改革开放及开放方针引导下，我国注塑模得到迅速发展，高效率、自动化、大型、微型、精密、无流道、气体辅助、高寿命模具在整个塑料模具产量中所占的比重越来越大。

随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式在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在品种、结构、性能还是加工都必将有较快发展，而且这种发展必须跟上时代步伐。展望未来，下列几方面发展趋势预计会在行业中得到较快应用和推广。

（1）超大型、超精密、长寿命、高效模具将得到发展。

（2）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。

（3）为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的RP/RT技术将得到快速发展。

（4）模具设计、加工机各种管理将向数字化、信息化和网络化方向发展。

（5）更高速、更高精度、更加智慧化的各种模具加工设备将进一步得到发展和推广应用。

（6）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和更为先进的加工方法。

（7）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。

（8）逆向工程、并行工程、复合加工乃至虚拟技术将进一步得到发展。

（9）热流道技术将会迅速发展，气辅和其它注射成型工艺及模具也将会有所发展。

（10）模具标准化程度将不断提高。

（11）在可持续发展和绿色产品被日益重视的今天，“绿色模具”的概念已逐渐被提到议事日程上来。即，今后的模具，从结构设计、原材料选用、制造工艺及模具修复和报废，以及的回收利用等方面，将越来越考虑其节约资源、重复使用、利用环保，以及可持续发展这一趋向。

1.3 课题研究的意义及主要研究内容

结合大学四年所学的理论知识，以及将来所从事的专业，通过这次设计能够正确设计中等复杂程度的塑料模具和常见到的塑料制品，能正确的分析与判断塑料制品成型过程中出现的常见缺陷，将理论知识运用到实践中，并能解决工程中遇到的实际问题。

本设计主要研究的内容如下：

1.对水管堵头进行工艺分析；

2.确定模具型腔的数目、选择分型面、确定型腔的布置方案；

3.选择合理的注塑设备，确定成型机的技术参数；

4.选择模架，确定成型零件、浇注系统、脱模方式、导向机构、温度调节系统；

5.对塑料模的主要零件尺寸进行设计计算；

6.最后绘制注射模的装配图及主要零件图，零件图标注尺寸、公差及技术条件，并对主要零件进行强度校核；

7.撰写毕业设计说明书；

第二章水管堵头的工艺性分析2.1 水管堵头的工艺性分析

水管堵头零件图与立体图如图2．1和图2．2；

图2—1

图2-2

2.2 水管堵头的材料选择

成型塑料选择日常生活中常见的塑料——PE，即聚乙烯。PE为热塑性塑料，加热时变软以致流动，冷却时变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。这种塑料的基本情况如下：

2.2.1基本特性

聚乙烯为白色蜡状半透明材料，柔而韧，比水轻，无毒，具有优越的介电性能。易燃烧且离火后继续燃烧。透水率低，对有机蒸汽透过率则较大。聚乙烯的透明度随结晶度增加而下降在一定结晶度下，透明度随分子量增大而提高。高密度聚乙烯熔点范围为132-135oC，低密度聚乙烯熔点较低（112oC）且范围宽。常温下不溶于任何已知溶剂中，70oC以上可少量溶解于甲苯、乙酸戊酯、三率乙烯等溶剂中。聚乙烯有优异的化学稳定性，室温下耐盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、胺类、氢氧化钠、氢氧化钾等各种化学物质，硝酸和硫酸对聚乙烯有较强的破坏作用。聚乙烯容易光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易发生降解，碳黑对聚乙烯有优异的光屏蔽作用。受辐射后可发生交联、断链、形成不饱和基团等反映。

2.2.2主要用途

低密度聚乙烯总产量的一半以上经吹塑制成薄膜，这种薄膜有良好的透明性和一定的抗拉强度，广泛用作各种食品、衣物、医药、化肥、工业品的包装材料以及农用薄膜。也可用挤出法加工成复合薄膜用于包装重物；高密度聚乙烯强度较高，适宜作中空制品。如牛奶瓶、去污剂瓶；可用吹塑法制成瓶、桶、罐、槽等容器，或用浇铸法制成槽车罐和贮罐等大型容器。挤出法可生产聚乙烯管材，高密度聚乙烯管强度较高，适于地下铺设；挤出的板材可进行二次加工；也可用发泡挤出和发泡注射法将高密度聚乙烯制成低泡沫塑料，作台板和建筑材料；防护套（例如缆索护套）；用注射成型法生产的杂品包括日用杂品、人造花卉、周转箱、小型容器、自行车和拖拉机的零件等；电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等；制造结构件时要用高密度聚乙烯。

2.2.3成型特点

结晶料,吸湿小,不须充分干燥,流动性极好流动性对压力敏感,成型时宜用高压注射,料温均匀,填充速度快,保压充分.不宜用直接浇口,以防收缩不均,

表1—2 力学性能

2.2.4成型条件

注射机成型类型：柱塞式

密度：0.94~0.96g/cm3

计算收缩率：1.5~3.6%

预热时间：1~2h

预热温度：70~80℃

料筒温度（后段）：140~160℃

料筒温度（中段）：150~170℃

料筒温度（前段）：170~200℃

喷嘴温度：200~260℃

模具温度：50~70℃

成型温度：150~250℃

注射压力：60~100MPa

成型时间（注射时间）：15~60s

成型时间（高压时间）：0~3s

成型时间（冷却时间）：15~60s

成型时间（总周期）：40~130s

螺杆转速：10~140

通用注射机类型：螺杆式、柱塞式均可

第三章分型面的选择

3.1分型面的确定

分型面是模具结构中的基准面，它直接影响着成型塑件的质量、模具加工的工艺性以及注射成型的效率等等。因此确定模具的分型面是模具设计中的总要环节之一。

由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统的设计、塑件的结构工艺性及精度、形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响、因此在选择分型面的时候应该综合分析。

选择分型面的时候一般应遵循以下几项基本原则：

1.分型面应该选在塑件外形最大轮廓处

2.确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模

3.保证塑件的精度

4.满足塑件的外观质量要求

5.便于模具制造的加工

6.注意对分型面积的影响

7.对排气效果

8.对侧抽芯的影响

在实际设计中，不可能全部满足上述原则，一般应该抓住主要矛盾，以确定分型面。

对于水管堵头拟有三种分型面的选择方式，如图3-1，3-2,3-3

图3-1

图3-2

图3-3 综合考虑选择第二种方式。

第四章 注射机的选择

4.1

型腔数目的确定

型腔是指模具中成型塑件的空腔，而该空腔是塑件的复形，除去具体尺寸比塑料大以外，其他都和塑件完全相同，只不过凸凹相反而已。

注射成型是先闭合模具以形成空腔，然后进料成型，因此必须由两部分或（两部分以上）形成这一空腔——型腔。其凹入的部分称为凹模，凸出的部分称为型芯。 型腔数目的确定于下列条件有关： 1.塑件尺寸精度

型腔数越多时，精度也相对地降低，1、2级超精密注塑件，只能一模一腔，当尺寸数目少时可以一摸两腔；3、4级的精密塑件，最多一模四腔。 2.模具的制造成本

多腔模的制造成本高于单腔模，但不是简单的倍数比，从塑件成本中所占的模具费用比例看，多腔模比单腔模具低。 3.注塑成型的生产效益

多腔模从表面上看，比单腔模经济效益高。但是多腔模所使用的注射机大，每一注射循环周期长而且维持费较高，所以要从最经济的条件上考虑模具的腔数。 4.制造难度

多腔模的制造难度不单腔模大，当其中某一腔先损坏时，应立即停机维修，这样就影响生产。塑料的成型收缩时受多方面影响的，如塑料品种，塑件尺寸、大小、形状，熔体温度，模具温度，注射压力，充模时间，保压时间等。影响最显著的是塑件的壁厚和几何形状的复杂程度。 5.注射机额定注射量

每次注射量不超过最大注射量的80%，即()

z j g m m m n /8.0-=式中 n —型腔数

m j —浇注系统重量（g ） m z ——塑件重量（g ）

m g —注射机的额定注射量（g ）

本次设计根据塑件的结构特点，考虑型腔布局方式，采用一模两腔的模具结构，这样比一模一腔的生产效率高，同时结构更为合理。

4.2 注射机的选择

机的主要参数有额定注射量，注射压力，注射速度，塑化能力，锁模力，合模装置的基本尺寸，注射方式，开模行程，成型面积，开合模速度，空循环时间，电动机功率，及其外形尺寸等。这些参数是设计，制造，购买和使用注射机的主要依据。

1.额定注射量：指在对空注射的情况下，注射螺杆或柱塞做一次最大行程时，注射机

所能达到的最大最大注射量，反映了注射机的加工能力。

2.注射压力：为了克服熔料流经喷嘴，浇道和型腔时的流动阻力，螺杆或柱塞对熔料必

须施加足够的压力，我们将这种压力称为注射压力。

3.注射速率：为了使熔料及时充满型腔，除了必须有足够的注射压力外，熔料还必须有

一定的流动速率，描述这一参数为注射速率或注射时间或注射速度。

常用的注射速率如表3.1所示。

表3.1 注射量与注射时间的关系

4.塑化能力：单位时间内所能塑化的物料量。塑化能力应与注射机的整个成型周期配

合协调若塑化能力高而机器的空循环时间长，则不能发挥塑化装置的能力，反之则加长了成型周期。

5.锁模力：注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力，在此力的作用下模具不

应被熔融的塑料所顶开。

6.合模装置的基本尺寸：包括模板尺寸，拉杆空间，模板见最大开距，动模板的行程，

模具最大厚度与最小厚度。这些参数规定了机器加工制件所用模具尺寸范围。

7.开合模速度：为使模具闭合时平稳，以及开模，推出制件时不使塑料制件损坏，要

求模板在整个行程中的速度合理，即合模时从快到慢，开模时由慢到快再到停。8.空循环时间：在没有塑化，注射保压，冷却，取出制件等动作的情况下，完成一次

循环所需的时间

4.2.1由公称注射量选定注射机：

塑件体积V=22.7cm 3，质量m=21.8g ；材料的密度取0.96g/cm 3

浇注系统凝料体积的初步估算：浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确的数值，但是可以根据经验按照塑件体积的0.2~1倍来计算。由于本次采用流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积的0.5倍来计算，故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积为

()31.6825.01cm V V =?+=塑总 又根据313.858.0/1.688.0/cm V V ===总公 根据以上的计算，初步选定公称注射量为104cm3，注射机型号为XS-ZY —125卧式注射机，其主要技术参数见表3.2 表3.2 XS —ZY —125注射机技术参数表

4.3 注射量的校核

注射机一个注射周期内所需注射量的塑料熔体的总量必须在注射机额定注射量的

80%以内。

在一个折射成型周期内，需要注射如模具内的塑料熔体的容量或质量，应为制件和浇注系统两部分容量或质量之和，即 ()塑塑总V V V 8.025.01≤?+= 根据计算得

()332.838.01.6825.01cm V cm V V 总塑总≤=?+= 可见注射机的注射量符合要求

4.4 型腔数量的校核

型腔数量与注射机的塑化率、最大注射量及锁模力等参数有关，此外，还受到塑件

的精度和生产的经济性等因素的影响。 可根据注射机的最大注射量确定型腔数n n ≤ (km n －m 2)/m 1

式中 K ──注射机的最大注射量的得用系数，一般取0.8； m N ──注射机允许的最大注射量； m1──单个塑件的质量； m2──浇注系统所需要塑料的质量 故可以计算得：

n ≤ (0.8×104－22.7)/22.7≈2.67 所以n=2符合要求。

4.5 锁模力的校核

注射成型时，塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素，其数值越大，需要的锁模力也就越大。如果这一数值超过了注射机允许使用的最大成型面积，则成型过程中将会出现溢漏现象。 1） 塑件在分型面上的投影面积A 塑，则

222.4714/mm R A ==π塑

2） 浇注系统在分型面上的投影面积A 浇，即流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面

积A 浇数值可以按照多型腔模的统计分析来确定。A 浇是每个塑件在分型面上的投影面积A 型的0.2~0.5倍。由于本例流道设计简单，分流道想对较短，因此流道凝料投影面积可以适当取小一些。这里取A 浇=0.2A 塑。 3） 塑件和浇注系统在分型面上的总的投影面积A 总，则

()()2mm 28.10012.4172.122.0n n =??=+=+=塑塑浇塑总A A A A A

4） 模具型腔内的胀型力F 胀，则

KN N P A F 04.304.300383028.1001==?==锁总胀

式中，P 模是型腔的平均计算压力值。P 模是模具型腔内的压力，通常取注射压力的20%~40%,大致的范围是25~40MPa 。对于粘度较大的精度较高的塑件制品应取较大值。PE 属于低等粘度塑料及有精度要求的塑件，故P 模取30MPa 。 查表3—3可得该注射机的公称锁模力F 锁=900KN ，锁模力的安全系数为k 2=1.1~1.2这里取k=1.2，则

锁胀胀F KN KN F F k 04.3604.302.12.12=?=，所以，注射机锁模力合格。

4.6 最大注射压力校核

注射机的额定注射压力即为它的最高压力P 公，应该大于注射机成型时所调用的

注射压力，即：

注公P P ≥ 很明显，上式成立，符合要求。

4.7 模具注射机安装部分的校核

喷嘴尺寸 注射机头为球面，其球面半径与相应接触的模具主流道始端凹下球面半径相适应。

模具厚度 模具厚度H （又称为闭合高度）必须满足： Hmin

式中 Hmin ――注射机允许的最小厚度，即动、定模板之间的最小开距； Hmax ——注射机允许的最大模具厚度。 注射机允许厚度

200 < H < 300 符合要求。

4.8 开模行程的校核

开模行程s （合模行程）是指模具开合过程中动模固定板的移动距离。对于具有液

压—机械式合模机构的注射机，其最大开模行程是由肘杆机构的最大行程所决定的，而不受模具厚度的影响，当模具厚度变化时可由其调模装置调整。故校核时只需使注射机最大开模行程大于模具所需的开模距离，即：

Smax≥S=H1+H2+5—10mm；

式中Smax──注射机最大开模行程，（mm）；

H1──推出距离（脱模距离）（mm）；

H2──浇注系统凝料的高度（mm）。

脱模距离取H1 =34.5mm

浇注系统凝料高度取H2=55mm

余量取5mm

则有：

Smax≥s=94.5mm

满足要求。

第五章浇注系统的设计

注射模具的浇注系统通常由主流道、分流道、浇口、冷料穴等部分组成。在注射模具设计中对浇注系统进行合理的布局和形式的选择是一个重要的环节。因为它的设计正确与否直接影响着注射工程中的成型效果和塑件质量。

5.1主流道的设计

主流道是熔融塑料由注射机喷嘴喷出时最先经过的部位，它与注射机喷嘴在同一轴心线上。主流道的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和开模时主流道凝料顺利拔出。

主流道主要技术参数：

主流道的长度：小型模具L主应尽量小于60mm，本次设计中初取50mm进行设计。

主流道小端直径：d=注射机喷嘴尺寸+（0.5~1）mm=（4+0.5）mm=4.5mm。

主流道大端直径：D=d+2L主tanα≈7mm，式中α=3°。

主流道球面半径：SR0=注射机喷嘴球头半径+（1~2）mm=（12+2）=14mm。

球面的配合高度：h=3mm。

图5-1 浇口套

主流道浇口套的结构形式有两种，一种是整体式，即定位圈与浇口套为一体，并压配于定模板内，一般用于小型模具；另一种是分体式，将浇口套和定位圈设计成两个零