【文章內(nèi)容簡介】 研究所開發(fā)的 CAXA 系統(tǒng)、華牙膏瓶蓋注塑模具設計 –5– 中理工大學開發(fā)的注塑模 系統(tǒng)及 CAE 軟件等，這些軟件具有適應國內(nèi)模具的具體情況、能在微機上應用且價格低等特點，為進一步普及模具 CAD/CAM 技術創(chuàng)造了良好條件 。 近年來，國內(nèi)已較廣泛地采用一些新的塑料模具鋼，如： P20， 3Gr2Mo、 PMS、SMⅠ 、 SMⅡ 等，對模具的質(zhì)量和使用壽命有著直接的重大影響，但總體使用量仍較少。塑料模具標準模架、標準推桿和彈簧等越來越廣泛得到應用，并且出現(xiàn)了一些國產(chǎn)的商品化的熱流道系統(tǒng)元件。但目前我國模具標準化程度的商品化程度一般在 30%以下，和國外先進工業(yè)國家已達到 70%～ 80%相比 ， 仍有差距。 ④ 長期以來，中國模具工業(yè)的發(fā)展在地域分布上存在不平衡性，東南沿海地區(qū)發(fā)展快于中西部 地區(qū)，南方的發(fā)展快于北方，模具生產(chǎn)最集中的地區(qū)在珠江三角和長江三角地區(qū)，其模具產(chǎn)值約占全國產(chǎn)值的三分之二以上。 其中 長三角和珠三角 個別企業(yè)的產(chǎn)品己達到相當高的水平，個別企業(yè)的部分產(chǎn)品已達到或接近國際水平，但總體來看， 這些企業(yè)的 模具的精度、型腔表面粗糙度、生產(chǎn)周期、壽命等指標與國外先進水平相比尚有較大差距。 同樣在 生產(chǎn)方式和企業(yè)管理在內(nèi)的總體水平與國外工業(yè)發(fā)達國家相比尚有10 年以上的差距。 ⑤ 企業(yè)是模具創(chuàng)新的主體。長期以來我國塑模具企業(yè)存在著研 發(fā)能力弱 ，創(chuàng)新意識薄弱。 一方面是 由于 技 術人員比例低、水平不夠高，另一方面是 由于 科研開發(fā)投入少，更重要的是觀念落后，對開發(fā)不夠重視。 使得我國大多數(shù)塑料模具企業(yè)長期處在中低檔模塑制品加工鏈下游，難以實現(xiàn)高附加值的企業(yè)利潤。 ⑥ 一切競爭都可歸結于人才的競爭。由于我國現(xiàn)行 體制 和教育培養(yǎng)體系問題。 高質(zhì)量 模具研發(fā) 人才 缺口 問題的解決尚待時日。在社會主義市場經(jīng)濟中，在經(jīng)濟全球化的過程中，競爭性行業(yè)，特別是像模具這樣依賴于特殊用戶，需單件生產(chǎn)的行業(yè)，許多企業(yè)目前的體制和經(jīng)營機制仍舊很難適應多變的市場。人才的數(shù)量和素質(zhì)水平也跟不上行業(yè)的快速發(fā)展。雖然各地都在努力解決這兩個問題，但要得到較好解決尚待時日。 （ 2） 我國塑料模具工業(yè)和今后的主要發(fā)展 方向 。 ① 提高大型、精密、復雜、長壽命模具的設計水平及比例。這是由于塑料模成型的制品日漸大型化、復雜化和高精度要求以及因高生產(chǎn)率要求而發(fā)展的一模多腔所致。 ② 在塑料模設計制造中全面推廣應用 CAD/CAM/CAE 技術。 CAD/CAM 技術已發(fā)展成為一項比較成熟的共性技術，近年來模具 CAD/CAM 技術的硬件與軟件價格已降低到中小企業(yè)普 遍可以接受的程度，為其進一步普及創(chuàng)造良好的條件；基于網(wǎng)絡的CAD/CAM/CAE 一體化系統(tǒng)結構初見端倪，其將解決傳統(tǒng)混合型 CAD/CAM 系統(tǒng)無法滿足實際生產(chǎn)過程分工協(xié)作要求的問題； CAD/CAM 軟件的智能化程度將逐步提高；塑牙膏瓶蓋注塑模具設計 –6– 料制件及模具的 3D 設計與成型過程的 3D 分析將在我國塑料模具工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。 ③ 推廣應用熱流道技術、氣輔注射成型技術和高壓注射成型技術。采用熱流道技術的模具可提高制件的生產(chǎn)率和質(zhì)量，并能大幅度節(jié)省塑料制件的原材料和節(jié)約能源，所以廣泛應用這項技術 是塑料模具的一大變革。制訂熱流道元器件的國家標準，積極生產(chǎn)價廉高質(zhì)量的元器件，是發(fā)展熱流道模具的關鍵。氣體輔助注射成型可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大幅度降低成本。目前在汽車和家電行業(yè)中正逐步推廣使用。氣體輔助注射成型比傳統(tǒng)的普通注射工藝有更多的工藝參數(shù)需要確定和控制，而且常用于較復雜的大型制品，模具設計和控制的難度較大，因此，開發(fā)氣體輔助成型流動分析軟件，顯得十分重要。另一方面為了確保塑料件精度，繼續(xù)研究開發(fā)高壓注射成型工藝與模具也非常重要。 ④ 開發(fā)新的成型工藝和快速經(jīng)濟模具 。以適應多品種、少批量的生產(chǎn)方式。 ⑤ 提高塑料模標準化水平和標準件的使用率。我國模具標準件水平和模具標準化程度仍較低，與國外差距甚大，在一定程度上制約著我國模具工業(yè)的發(fā)展，為提高模具質(zhì)量和降低模具制造成本，模具標準件的應用要大力推廣。為此，首先要制訂統(tǒng)一的國家標準，并嚴格按標準生產(chǎn)；其次要逐步形成規(guī)模生產(chǎn)，提高商品化程度、提高標準件質(zhì)量、降低成本；再次是要進一步增加標準件的規(guī)格品種。 ⑥ 應用優(yōu)質(zhì)材料和先進的表面處理技術對于提高模具壽命和質(zhì)量 顯得十分必要。 ⑦ 研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程。采用三坐標測量儀或三坐標掃描儀實現(xiàn)逆向工程是塑料模 CAD/CAM 的關鍵技術之一。研究和應用多樣、調(diào)整、廉價的檢測設備是實現(xiàn)逆向工程的必要前提。 ⑧ 隨著科學技術的進步，產(chǎn)品不斷向微型化方向發(fā)展，因而產(chǎn)生了新世紀產(chǎn)業(yè)需求的微機電系統(tǒng)技術。許多新興制造技術隨之產(chǎn)生，包括光刻，電鑄及脫模技術 (LIGA)、紫外光蝕刻技術 (UV)、放電加工 (EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。其中，微注射 成型技術以容易實現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)具有精密微細結構零件的優(yōu)點成為世界制造技術的研究熱點之一。 因此我國必須在現(xiàn)有的基礎上加強對微注塑成型領域的理論及技術研究。 牙膏瓶蓋注塑模具設計 –7– 2 注塑成型工藝與設備 注塑模的組成及各部分作用 （ 1） 塑件成型零件： 賦予成型材料形狀和尺寸的零件。 通常由型芯、型腔以及其他輔助零件等。 （ 2） 澆注系統(tǒng)： 將 熔融塑料從注射機噴 嘴引向 流入 閉合的模腔 ，一般由主流道、分流道、澆口、冷井以及鉤料桿等。 （ 3） 合模導向與定位零件：保證模具各結構件相互的移動精度 ，通常有導柱和導套以及定位環(huán)、錐面 定位元件等。 （ 4） 脫模機構：將塑件從模具中平穩(wěn)可靠地脫出來的機構裝置，稱之為脫模機構或推出機構。脫模機構一般情況下設在動模一側，主要有推桿、推桿固定板以及推桿電板等零件組成。 （ 5） 復位機構：模具完成塑件推出動作后，需要將動、定模閉合以便完成下一次的注塑。合模時為避免 推桿損傷型腔表面，一般采用復位桿帶動推桿回到原先位置。 （ 6） 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)： 為了滿足注射工藝對模具溫度的要求，模具應設有 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對模具溫度進行調(diào)節(jié)。 溫度調(diào)節(jié) 系統(tǒng)主要由加熱和冷卻系統(tǒng)組成。 一般熱塑性塑料成型時需要冷卻，熱固性塑料成型時 需要加熱。 （ 7） 排氣系統(tǒng)：塑料熔體注入模具型腔時，會使型腔填充不滿或因氣體在高壓力作用下快，快速升溫而使塑件局部燒傷。所以在模具中應開有排氣槽以保證氣體迅速徹底排出模腔。 （ 8） 側向分型抽芯機構： 當 塑件側向有凸凹及孔時，在塑件 被頂出之前， 需要 先抽拔 出側向的型芯（或鑲塊 ），才能使塑 件 順利 實現(xiàn) 脫模。 （ 9） 模架：模具中各模板和導柱、導套以及復位桿、推桿等，通過螺釘連接組合成一起的裝配體稱之為模架。模架是實現(xiàn)模具基本功能的基礎零件，模架的尺寸規(guī)格已實現(xiàn)系列化、標準化、商品化。在設計模具時可直接選用模架。 注塑成型過程 注塑成型是熱塑性塑料的主要方法。它的注塑成型過程歸納起來是塑化、注射和模塑三個過程。 其注射工藝流程如圖 所示。 （ 1） 塑化過程：塑料在機筒內(nèi)經(jīng)過加熱達到流動狀態(tài)，經(jīng)過螺桿旋轉(zhuǎn)或者柱塞的推擠，達到組分均勻并具有良好可塑性的過程，即塑化過程是注塑過程的準備過程。 牙膏瓶蓋注塑模具設計 –8– 圖 塑料注射成型工藝流程方框圖 （ 2） 注射過程： 塑料在噴嘴的注射壓力下由料筒 克服一系列的流動阻力和運動阻力 注射進入模腔的過程。一般噴嘴的注射壓力常在 80～ 120MPa 之間。 （ 3） 模塑過程：從塑料熔體 注射進入模具開始，經(jīng)過模腔注滿熔體冷卻固化定型，一直到塑件制品從模腔內(nèi)脫出的這一過程。模塑過程大體可以分為三個階段。 ① 沖模階段：從柱塞或螺桿開始向前推動融料起直至塑料充滿模腔時為止。在此過程中注射壓力起決定作用。 ② 保壓階段： 熔料充滿模腔后，由于塑料熔體在模腔內(nèi)受到冷卻而發(fā)生收縮但因模腔內(nèi)的塑料仍然處于柱塞或螺桿的穩(wěn)壓之下，料筒內(nèi)的熔料必須向模腔內(nèi)繼續(xù)填充，才能補足因收縮而留出的空間。 牙膏瓶蓋注塑模具設計 –9– ③ 固化階段：在冷卻系統(tǒng)和 模體溫度的作用下，塑件逐漸固化成型，開模后頂出。 注塑機 注塑機是塑料（主要是熱塑性塑料）注射成型時所使用的主要設備。其結構主要是由注射裝置、脫模裝置、鎖模裝置、模板機架等部分所組成。 注射成型時，將 成型模具安裝注塑機的動模固定板和定模固定板上，由鎖模裝置合模并鎖緊，塑料在料筒中被加熱而呈熔融狀態(tài)，由注射裝置將塑料熔體注入模具型腔之中，塑料件冷卻固化后由鎖模裝置開模，并由推出裝置將塑件推出。 根據(jù)注塑機的工作過程，一般可以將注塑機分為以下幾個部分： （ 1） 注射裝置：注射裝置的主要作用是使固態(tài)的塑 料顆粒均勻地塑化而呈熔融狀態(tài)，并以足夠的壓力和速度將塑料熔體注入閉合的模具型腔中。注射裝置包括料斗、料筒、加熱器、計量裝置、螺桿（柱塞式注塑機為柱塞和分流梭）、噴嘴及其驅(qū)動系統(tǒng)。 （ 2） 鎖模裝置：鎖模裝置的功能有三點：第一是實現(xiàn)成型模具的開、合動作；第二是在成型過程中 提供足夠的夾緊力使模具鎖緊；第三是開模時能夠推出模具型腔中的塑料件。鎖模機構可以是機械式的，也可以是液壓式的，或者是液壓與機械聯(lián)合作用 式的。推出機構也有機械推出式式和液壓推出式兩種。 （ 3） 液壓傳動和電氣控制：液壓傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)是保 證注塑機注塑成型按照預定的工藝要求（壓力、速度、溫度和時間）和動作程序準確進行而設置的。液壓傳動系統(tǒng)是注塑機的動力系統(tǒng)，而電氣控制系統(tǒng)則是控制各個動力液壓缸完成開啟、閉合及注射、推出與前進、后退等動作的系統(tǒng)。 隨著塑料工業(yè)飛躍的發(fā)展，注塑機的發(fā)展也快。類型不斷增加，注塑機的分類方法較多，通常以下兩種分類方法較為普遍。 （ 1） 按塑化方式和注射方式，可分為以下兩種。 ① 柱塞式注塑機： 通過柱塞在料筒內(nèi)作反復運動，將塑料熔體 注入模具型腔之中。塑料在料筒內(nèi)的塑化主要依靠料筒外的加熱器 提供的熱量使其塑化成黏流狀態(tài) 。由于塑料的導熱性差，若料筒內(nèi)塑料層過厚，則會導致塑料內(nèi)外層塑化不均勻。因此，柱塞式注塑機的注射量不宜過大，一般為 30～ 60g,而且不宜用來成型流動性差、熱敏性強的塑料件。 ② 螺桿式注塑機：通過螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將料斗中的塑料卷入，并逐步將其塑化、排氣、壓實，不斷地將塑料熔體推向料筒前端，積存在料筒頂部和噴嘴之間，螺桿本身受到熔體的反作用力而后退。當積存的熔體達到預定的注射量時，螺桿停止轉(zhuǎn)動，牙膏瓶蓋注塑模具設計 –10– 并在液壓油缸的驅(qū)動下向前移動，將熔體注入模具型腔 。在螺桿 式注塑機中 螺桿的作用是送料、塑化、傳遞壓力和壓實物料。 （ 2） 按外形特征分類可分為三類。 ① 立式注塑機：立式注塑機的注射裝置和定模固定板設置在設備的上部，而鎖模裝置、動模固定板、推出機構均設置在設備的下部。立式注塑機的優(yōu)點是設備占地面積小，模具裝拆方便，安裝嵌件和活動型芯方便可靠。其缺點是不易進行自動化操作，只適用于小注射量場合 ，注射量一般為 10～ 60g。 ② 臥式注塑機：臥式注塑機的注射裝置和定模固定板在設備的右側，而鎖模裝置、動模固定板、 推出機構等均設置在左側。臥式注塑機的優(yōu)點是機體較矮，易于操作，塑料件退出后能自動落下，便于實現(xiàn)自動化操作。其缺點是設備占地面積大，模具裝卸比較麻煩。 ③ 直角式注塑機：此注塑機的注射裝置為立式布置、鎖模、定頂出機構以及動模固定板、定模固定板均按臥式排列，兩者互為直角。直角式注塑機適用于中心部分不允許有澆口痕跡的塑料制品，其缺點是加料比較困難，嵌件或活動型芯安放不便，只適用于小注射量的場合，注射量一般為 20～ 45g。 立式注塑機和 直角式注塑機 的結構為柱塞式，而臥式注塑機的結構多為 螺桿式。隨著注塑機的成型范圍的擴大，近年來出現(xiàn)了許多新型注塑機，如玻璃纖維增強塑料注塑機、發(fā)泡注塑機、熱固性注塑機等。 牙膏瓶蓋注塑模具設計 –11– 3 模具分析與設計 設計任務要求 （ 1） 塑件名稱：牙膏蓋 （ 2） 塑件材料： PE （ 3） 型腔設置：一模四腔 （ 4） 模具壽命： 30 萬次 （ 5） 尺寸要求：參見產(chǎn)品塑件圖，單位 mm 個人工作重點：旋轉(zhuǎn)自動脫螺紋機構設計分析，澆注系統(tǒng)設計分析，模具冷卻系統(tǒng)設計分析。 圖 塑件產(chǎn)品圖 牙膏瓶蓋注塑模具設計 –12– 塑件介紹 及塑件材料 塑件介紹 所設計的產(chǎn)品為牙膏蓋。零件 尺寸較小，形狀較規(guī)則。牙膏蓋內(nèi)部有 連續(xù)的內(nèi) 螺紋 ，外側有起止轉(zhuǎn)作用以及增大摩擦力的的直紋。由于塑件產(chǎn)品直接與手接觸，要求塑件表面光滑、無明顯毛刺。 此外，牙膏蓋內(nèi)部的內(nèi)螺紋需要經(jīng)常與牙膏管頭部的外螺紋配合使用，故對內(nèi)螺紋的尺寸，形狀有較高的精度要求。 塑件材料分析介紹 PE 的 化學名稱為聚乙烯。聚乙烯是由乙烯聚合而成的屬于烯烴累聚合物，是塑料工業(yè)中產(chǎn)量最大的塑料。 聚乙烯無毒，無味，呈乳白色，密度為 ～ 3/cmg 。聚乙烯具有優(yōu)良的絕緣性、耐化學腐蝕性及耐 低溫性能，此外還有很高的耐水性，長期與水接觸其性能可保持不變。這種 塑料很容易加工成各種形狀（管、桶、袋、盆等）的塑料制件，已廣泛應用于電器工業(yè)、化學工業(yè)、食品工業(yè)、機械制造工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個方面。 按