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果汁容器的成型工藝及塑料模具設計
緒 論
塑料模具的發(fā)展是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的。近年來，人們對各種設備和用品輕量化要求越來越高，這就為塑料制品提供了更為廣闊的市場。塑料制品要發(fā)展，必然要求塑料模具隨之發(fā)展 。汽車、家電、辦公用品、工業(yè)電器、建筑材料、電子通信等塑料制品主要用戶行業(yè)近年來都高位運行，發(fā)展迅速，塑料模具也快速發(fā)展。2000年，我國（未包括港澳臺統(tǒng)計，下同）塑料模具產值約100億元，2004年已發(fā)展到212億元，4年平均增長率為21%，高于模具行業(yè)總體發(fā)展速度近4個百分點。
1.塑料模具市場情況
我國塑料模具無論是在數(shù)量上，還是在質量、技術和能力等方面都有了很大發(fā)展，但與國民經(jīng)濟發(fā)展需求和世界先進水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、復雜、長壽命的中高檔塑料模具每年仍大量進口。在總量供不應求的同時，一些低檔塑料模具已供過于求，市場競爭激烈；一些技術含量不太高的中檔塑料模具也有一些趨向于供過于求。
2.塑料模具水平及發(fā)展趨向
近年來，我國塑料模具水平已有較大提高。大型塑料模具已能生產單套重量達50t以上的注塑模，精密塑料模的精度已可達到3μm，制件精度為0.5μm的小模數(shù)齒輪模具及達到高光學要求的車燈模具等也已能生產，多腔塑料模已能生產一模7800腔的塑封模，高速模具方面已能生產4m/min以上擠出速度的高速塑料異型材擠出模及主型材雙腔共擠、雙色共擠、軟硬共擠、后共擠、再生料共擠出和低發(fā)泡鋼塑共擠等各種模具。在生產手段上，模具企業(yè)設備數(shù)控化率已有較大提高，CAD/CAE/CAM技術的應用面已大為擴大，高速加工及RP/RT等先進技術的采用已越來越多。模具標準件使用覆蓋率及模具商品化率都已有較大幅度的提高，熱流道模具的比例也有較大提高。三資企業(yè)蓬勃發(fā)展進一步促進了塑料模具設計制造水平及企業(yè)管理水平的提高。
經(jīng)過近幾年的發(fā)展，在塑料模具的開發(fā)、結構和企業(yè)管理等方面已顯示出了一些新的趨向，現(xiàn)綜合如下：
（1）模具的質量、周期、價格、服務四要素中，已有越來越多的用戶將周期放在首位，要求模具盡快交貨，這已成為一種趨勢。為滿足用戶的這一要求，各方面的工作必須跟上。
（2）大力提高開發(fā)能力，將開發(fā)工作盡量往前推，直至介入到模具用戶的產品開發(fā)中去，甚至在尚無明確的用戶對象之前進行開發(fā)（這需要在有較大把握和敢冒一定風險的情況下進行），變被動為主動。目前，電視機和顯示器外殼、空調器外殼、摩托車塑件等已經(jīng)采用這種方法，手機和電話機模具開發(fā)也已開始嘗試。這種做法打破了長期以來模具廠只能等有了合同，才能根據(jù)用戶要求進行模具設計的被動局面。事實證明，這種做法不但使模具廠變被動為主動，而且對開發(fā)業(yè)務和縮短模具生產周期也十分有利，受到用戶的歡迎。青島海爾模具公司等企業(yè)的“你給我一個概念，我還你一個產品”的一站式服務模式及太倉求精模塑公司和浙江陶氏模具集團有限公司等企業(yè)主動開發(fā)的辦法已被越來越多企業(yè)所接受，這可能也是今后發(fā)展的一種趨向。
（3）隨著模具企業(yè)設計和加工水平的提高，過去以鉗工為核心，大量依靠技藝的現(xiàn)象已有了很大變化。在某種意義上說：“模具是一種工藝品”的概念已逐漸被“模具是一種高新技術工業(yè)產品”所替代，模具“上下模單配成套”的概念正在被“只裝不配”的概念所替代。模具正從長期以來主要依靠技藝而變?yōu)榻窈笾饕揽考夹g。這不但是一種生產手段的改變，也是一種生產方式的改變，更是一種觀念的改變。這一趨向使得模具標準化程度不斷提高，模具精度越來越高，生產周期越來越短，鉗工比例越來越低，最終促使整個模具工業(yè)水平不斷提高，正在被社會所接受。我國模具行業(yè)，目前已有4個國家級高新技術企業(yè)，近百個省市級高新技術企業(yè)。與此趨向相適應，生產模具的主要骨干力量從技藝型人才逐漸變?yōu)榧夹g型人才是十分必要的。當然，目前及相當長一段時間內，技藝型人才仍是十分重要的，因為模具畢竟難以完全擺脫對技藝的依靠。
（4）模具企業(yè)及其模具生產正在向信息化方面迅速發(fā)展，這也是一種趨向。21世紀，信息越來越多，信息技術越來越先進發(fā)達，信息已與人們的生產和生活休戚相關。在目前的信息社會中，高水平的模具，現(xiàn)代模具企業(yè)，單單只是CAD/CAM的應用已遠遠不夠。目前許多企業(yè)已經(jīng)采用的CAE、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP等技術及其他許多先進制造技術和虛擬網(wǎng)絡技術等都是信息化的表現(xiàn)。向信息化方向發(fā)展這一趨向已被行業(yè)所共認。
（5）隨著人類社會的不斷進步，模具必然會向著更廣泛的領域和更高水平發(fā)展。現(xiàn)在，能把握機遇，開拓市場，不斷發(fā)現(xiàn)新的增長點的模具企業(yè)和能生產高技術含量模具的企業(yè)日子普遍好過，任務忙不過來，利潤水平和職工收入都很好，日子紅紅火火。因此，模具企業(yè)應把握這個趨向，使自己生產的模具向高水平發(fā)展，不斷提高自己的綜合素質和整體實力及進入國際市場的競爭力。
（6）世界上工業(yè)發(fā)達國家的模具正加速向我國轉移，其表現(xiàn)形式：一是遷廠，二是投資，三是采購。這一趨向雖然并非近幾年才有，但近幾年更加明顯。我們應抓住機遇，加快發(fā)展步伐。
3.存在的主要問題
我國塑料模具行業(yè)與其發(fā)展需要和國外先進水平相比，主要存在6個方面的問題。
（1）發(fā)展不平衡，產品總體水平較低。雖然個別企業(yè)的產品已達到相當高的水平，個別企業(yè)的部分產品已達到或接近國際水平，但總體來看，模具的精度、型腔表面粗糙度、生產周期、壽命等指標與國外先進水平相比尚有較大差距。包括生產方式和企業(yè)管理在內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。
（2）工藝裝備落后，組織協(xié)調能力差。雖然部分企業(yè)經(jīng)過近幾年的技術改造，工藝裝備水平已比較先進，有些三資企業(yè)的裝備水平也并不落后于國外，但大部分企業(yè)工藝裝備仍比較落后。更主要的是我們的企業(yè)組織協(xié)調能力差，難以整合或調動社會資源為我所用，從而就難以承接比較大的項目。
（3）大多數(shù)企業(yè)開發(fā)能力弱。一方面是技術人員比例低、水平不夠高，另一方面是科研開發(fā)投入少，更重要的是觀念落后，對開發(fā)不夠重視。模具企業(yè)不但要重視模具開發(fā)，而且要重視產品開發(fā)。
（4）管理落后更甚于技術落后。技術落后往往容易看到，管理落后有時卻難以意識到。國內外模具企業(yè)管理上的差距十分明顯，管理的差距所帶來的問題往往比技術上的差距更為嚴重。同一個企業(yè)，設備不變，人員不變，管理一變，立竿見影，這樣的例子并不少見。
（5）供需矛盾一時還難以解決。2004年，國產塑料模具國內市場滿足率不足74%，其中大型、精密、長壽命模具滿足率還要低，估計不足60%。同時，工業(yè)發(fā)達國家的模具正在加速向我國轉移，國際采購越來越多，國際市場前景很好。市場需求旺盛，生產發(fā)展一時還難以跟上，供不應求的局面還將持續(xù)一段時間。
（6）體制和人才問題的解決尚待時日。在社會主義市場經(jīng)濟中，競爭性行業(yè)，特別是像模具這樣依賴于特殊用戶，需單件生產的行業(yè)，國有和集體所有制原來的體制和經(jīng)營機制已越來越顯得不適應。人才的數(shù)量和素質水平也跟不上行業(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。
展望未來，由于國際、國內宏觀環(huán)境良好，國內塑料模具各主要用戶行業(yè)仍將以較快速度發(fā)展，塑料模具也必將持續(xù)高速發(fā)展。目前存在的主要問題通過國內外交流與合作。全行業(yè)的共同努力和各方面的支持，不久的將來，定會得到較好的解決。
4.發(fā)展展望
在信息化帶動工業(yè)化發(fā)展的今天，我們既要看到成績，又要重視落后，要抓住機遇，采取措施，在經(jīng)濟全球化趨向日漸加速的情況下，盡快提高塑料模具的水平，把自己帶入到國際市場中去，促進我國整個模具行業(yè)的快速發(fā)展。
隨著市場的發(fā)展，塑料新材料及多樣化成型方式今后必然會不斷發(fā)展，因此對模具的要求也一定會越來越高。為了滿足市場的需要，未來的塑料模具無論是品種、結構、性能還是加工技術都必將會有較快發(fā)展，而且這種發(fā)展必須跟上時代發(fā)展步伐。展望未來，下列幾方面發(fā)展趨勢預計會在行業(yè)中得到較快應用和推廣。當然，這是需要開拓、創(chuàng)新和做出艱苦努力的。
（1)超大型、超精密、長壽命、高效模具將得到發(fā)展。
（2)多樣材質、多種顏色、多層多腔、多種成型方法一體化的模具將得到發(fā)展。
（3)各種快速經(jīng)濟模具，特別是與快速成型技術相結合的RP/RT技術將得到快速發(fā)展。
（4)模具設計、加工及各種管理將向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展，CAD/CAM/CAE/CAPP及PDM等將向智能化、集成化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
（5)更加高速、更加高精度、更加智能化的各種模具加工設備將進一步得到發(fā)展和推廣應用。
（6)更高性能及滿足特殊用途的各種模具新材料將會不斷發(fā)展，隨之而來的也會產生一種特殊的和更為先進的加工方法。
（7)各種模具型腔表面處理技術、涂覆、修補、研磨和拋光等新工藝也會不斷得到發(fā)展。
（8)逆向工程、并行工程、復合加工乃至虛擬技術將得到發(fā)展。
（9)熱流道技術將會迅速發(fā)展，氣輔和其他注射成型工藝及模具也將會有所發(fā)展。
（10)模具標準化程度將不斷提高。“十一五”期間，在科學發(fā)展觀指導下，廣大模具企業(yè)將進一步深化改革，下功夫搞好科技進步與創(chuàng)新，堅持走新型工業(yè)化道路，將速度效益型的增長模式逐步轉變到質量和水平效益型的軌道上來，模具工業(yè)必將得到更好的發(fā)展。
第1章 塑料及其性能
1.1塑料制件的結構
我所設計的為一個榨汁器中的一部分——果汁容器，如圖1-1所示：
圖1－1 塑件
其功用是盛裝果汁，在選擇材料時必須保證：首先要求無毒性，無任何氣味，且要有耐酸，耐腐蝕性，在常溫下長時間不會發(fā)生物理、化學分解。其次外觀要求美觀完整，無斑點，無熔接痕，有一定的光滑度，且有一定的強度和韌性，塑件本身還要具備透明性。
根據(jù)以上對塑料制件的結構分析及其工作條件的要求，材料采用聚碳酸酯（PC），精度等級為MT5。
1.2 塑料制件的原料分析
表一
塑料的品種
聚碳酸酯（熱塑性塑料）
結構特點
非結晶型的線型結構的高聚物
使用溫度
耐熱性好，長期使用溫度可達130℃，耐寒性也好，脆化溫度為-100℃
使用性能
沖擊強度高，尺寸穩(wěn)定性好，無色透明，著色性好，電絕緣、耐腐蝕、耐磨性好，但自潤性差，有應力開裂傾向，高溫易水解，與其它樹脂相溶性差
成型性能
a.無定形料，熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍寬，流動性差，吸濕小，但對水敏感，須經(jīng)干燥處理。成型收縮率小，易發(fā)生溶融開裂和應力集中。
b.熔融溫度高，粘度高，大于200g的塑料制件宜用螺桿式注射機，開暢或延伸噴嘴,噴嘴應加熱。
c.冷卻速度快，模具澆注系統(tǒng)以粗短為原則，宜設冷料穴，澆口宜取大，模具宜加熱。
d.料溫過低會造成缺料，塑料制件無光澤，料溫過高易溢邊，塑料制件起泡。模溫低時收縮率、伸長率、抗沖擊強度高，抗彎、抗壓、抗張強度低。模溫超過120℃時塑料制件冷卻慢，易變形粘模。
結論
此塑料制件適宜注射成型，成型前原料需要干燥處理，塑料易，塑料制件易產生內應力，須退火處理來消除內應力，且應嚴格控制成型條件，型腔要采用加熱裝置，而型芯要采用冷卻裝置。
1.3 塑料制件注塑成型工藝參數(shù)（如表二所示），試模事，可根據(jù)實際情況適當調整。
表二
工藝參數(shù)
規(guī)格
預熱和干燥
溫度（℃）110~120；時間（h）8~12
料筒溫度（℃）
后段：210~240；中段：230~280；前段：240~285
噴嘴溫度（℃）
240~250
模具溫度（℃）
90~110
注射壓力（Mpa）
80~130
成型時間（s）
注射時間20~90
高壓時間0~5
冷卻時間20~90
總周期40~90
螺桿轉速（r/min）
28
適用注射機類型
螺桿或較好
后處理
方法：紅外線、鼓風烘箱
溫度（℃）：100~110
時間（h）：8~12
1.4塑料制件的工藝分析
（1）尺寸精度：從所設計塑料制件的總體尺寸分析得知，其尺寸較為合理，不會太大，這樣就避免塑料熔體充不滿模具型腔或塑料制件不能正常成型。
（2）形狀：本塑料制件的幾何形狀能滿足使用要求外，還要盡可能使其所對應的模具結構簡單，便以加工。
（3）壁厚：塑件壁厚一般在1—4mm范圍內，分析設計塑件功能要求，確定塑件的壁厚為2.5mm。
（4）脫模斜度：該塑件制品本身具有一定的斜度，所以制品易脫模，且脫模后不會刮傷制品表面。
（5）圓角：塑件底面與面之間一般應采用圓弧過度，這樣不僅可以避免塑件尖角處的應力集中，提高塑件強度，而且可以改善塑料的流動狀態(tài)，降低充模阻力，便于充模，避免出現(xiàn)熔合線，塑件轉角處的圓角半徑通常不要小于0.5—1mm。
第2章 成型制品的體積和質量的計算
該產品為榨汁器的果汁容器，材料采用聚碳酸酯（PC），其密度為1.2×10-9t/mm3
收縮率為0.65%。使用Pro/Engineer軟件對三維產品自動計算出產品的體積和質量，計算過程如下：
塑件的體積：V1=7.58×104mm3
塑件的質量：M1=9.09×10-5t
澆注系統(tǒng)的體積：V1=1.14×103mm3
澆注系統(tǒng)的質量：M2=1.37×10-6t
故一次注射所需要的塑料總體積和總質量為：
V總=V1+V2=7.58×104+1.14×103=76940mm3
M總=M1+M2=（9.09×10-5+1.37×10-6）×106=92.27g
第3章 成型設備的選擇
3.1塑料的常用成型方法
（1）注射成型
它主要用于熱塑性塑料制品的成型，也可用于熱固性塑料制品的成型。前者成型周期短，生產效率高，模具使用壽命長，能大批量的成型形狀復雜、尺寸精度高的塑料制件。
（2）壓縮成型
它用于熱固性塑料的成型。成型的塑件的收縮率小， 變形小，各項性能比較均勻；但其生產效率低，不宜實現(xiàn)自動化、而且勞動條件差，不宜成型帶有深孔和形狀復雜的塑料，且模具使用條件較差，模具的壽命教低。
（3）壓注成型
它適用于各種熱固性塑料，比起壓縮成型，塑料應具有良好的流動性和固化速率。也適用于熱塑性塑料的成型，適用于批量較小，而又無注射機的情況下的熱塑性塑料的成型
（４）擠出成型
它主要適用于熱塑性塑料的成型，也可用于熱固性塑料制品有管材、板材、片材、電器和電纜覆層、單絲、網(wǎng)材以及具有異形截面的各種型材。
3.2成型設備的選擇
常用的模塑成型設備有三種
第一種：液壓機，它是熱固性塑料壓縮和壓注成型的主要成型設備。
第二種：注射機，它是熱塑性塑料和部分熱固性塑料注射成型的主要設備。
第三種：擠出機，它是熱塑性塑料和部分熱固性塑料注射成型的主要成型設備。
本塑件塑料材料采用聚碳酸酯，屬于熱塑性塑料，且由塑料制件的結構分析，得其采用注射成型更有利于該塑料制件的成型。所以本塑料的成型設備選用注射機
第4章模具類型及結構形式的比較與選擇
澆注系統(tǒng)設計的基本原則：
a.適應塑料的工藝性
b.排氣良好
c.流程要短
d.避免料流直沖型芯或嵌件
e.修整方便
f.防止塑料制品變形
g.澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積應盡量小，容積也盡量少
h.澆注系統(tǒng)的位置盡量與模具的軸線對稱，澆注系統(tǒng)與型腔的布置應盡量減小模具的尺寸。
4.1澆注系統(tǒng)的設計方案
本塑件可采用3種澆注系統(tǒng)成型，其方案比較見下分析：
方案一：（采用直接澆口）
直接澆口特點是：熔體通過主流道直接進入型腔，流程最短，進料快，流體阻力小，傳遞壓力好，成型容易，保壓補縮作用強，有利于排氣和消除熔接痕，流量大，且澆注系統(tǒng)耗料少，模具結構簡單而緊湊，制造方便，適用于成型流動性差的塑件或成型大型、厚壁、長流程以及一些粘度高的制品。其缺點：由于澆口處熔體固化慢，容易造成成型周期長，產生過大的殘余應力，在澆口處易產生裂紋，澆口凝料切除后制品上的疤痕較大，且不宜成型平薄塑件及易變形的塑件。
方案二（采用側澆口）
測澆口的特點是：其澆口開設在模具的分型面上，從制品惻面邊緣進料，其優(yōu)點是其截面形狀為矩形，形狀簡單，易于加工，且進料口可隨意選擇，澆口的深度可在試模后加深、加寬，便于修正。其缺點是塑料流程較長，壓力損失大，保壓補縮作用比直接澆口小，且不易排氣，易產生熔接痕|、縮孔及氣孔缺陷，則會影響塑件的質量及外觀。它適用于一模多件。
方案三（采用點澆口）
點澆口特點是：其澆口一般設在型腔底部，這樣排氣順暢，成型良好。由于進料口小，故去澆口后殘留余量小，塑件上不易留有痕跡。它使適用于深腔盒類零件，其缺點是：
a.采用點澆口時，為了能取出流道凝料，必須使用雙分型面的結構形式或者單分型面熱流道結構，模具結構較復雜，費用較高。
b.不適合粘度高和對剪切速率不敏感的塑料熔體。
c.不適合厚壁或壁厚不均勻的制品成型。
d.要求采用較高的注射壓力。
e.模具采用三板模，模具結構復雜，模具費用較高。
本塑料制件采用聚碳酸酯（PC），其流動性差，且此塑料制品為深腔制品，要求排氣良好，也要保證塑件的外觀及質量。
綜上考慮，采用直接澆口作為本塑件的澆注系統(tǒng)最為有利的塑件成型。該制品的澆口可設置在制品的底部，因為該制品底部為較隱蔽的地方，不會影響制品的外觀。
根據(jù)本塑料制件采用的澆注系統(tǒng)為直接澆口，則模具類型可選用兩板模。
4.2型腔、型芯結構的設計方案
4.2.1型腔、型芯結構的設計方案
整體式凹模由整快材料加工制成，其特點是強度和剛度高，不會使制品產生拼接縫痕跡，質量好。但加工困難，需要采用電火花機床和立式銑床加工，熱處理也不方便，消耗貴重的模具鋼，費用高，且制品表面光滑度差，僅適于形狀簡單的。
（1） 組合式
采用組合式型腔的優(yōu)點：
a.簡化凹模型腔加工，可將復雜凹模內形體的加工變成外形體的加工，降低了加工的難度。
b.鑲件可用高碳鋼或高碳合金鋼淬火，可用專用磨床研磨曲面形狀。凹模中使用鑲件的局部型腔有較高的精度和耐磨性，并可方便地更換鑲件。
c.可節(jié)省優(yōu)質塑料模具鋼，對于大型模具可大大降低模具的制造。
d.有利于排氣系統(tǒng)的設計。
采用組合式型腔的缺點：在設計和制造這類型腔時，必須注意提高拼塊的加工和熱處理工藝性，拼接必須牢靠嚴密。
綜合考慮，模具選用組合式更能保證塑件的外觀和質量以及模具鋼的費用。其結構如圖4-1：
圖4-1
4.2.2型芯的結構設計
型芯是成型塑料制品內表面的成型零件。型芯有整體式和組合式兩類：
（1）整體式
采用整體式，其結構牢固，成型的制品質量較好，但消耗貴重模具鋼較多，不便加工。
（2）組合式
采用組合式型芯的優(yōu)缺點與組合式凹模的基本相同。但在設計和制造這類型芯時，必須注意提高拼塊的加工和熱處理工藝性，拼接必須牢靠嚴密。
綜合考慮，模具選用組合式更能保證塑件的外觀和質量以及模具鋼的費用。其結構如圖4-2：
圖4-2
第五章 模具方案確定
5.1標準模架的選擇
(1)型腔數(shù)目的確
根據(jù)前面對澆注系統(tǒng)設計方案的比較，本塑料制件采用的是直接澆口，則確定本塑件的模具為單型腔模具。
(2)成型零件尺寸的確定
半徑r1=128/2=64mm, r2=103/2=51.5mm
a.側壁的計算（按整體式圓形型腔計算）
計算側壁的分界值r=86mm是剛度和強度的分界，大于86mm應按剛度條件求側壁厚，小于86mm應按強度條件求壁厚。而在r=86mm時按剛度和強度條件求得壁厚應是相等的。
r1=64
66mm時，按剛度條件計算底版厚度；當r<66時，則按強度計算。
r1=64
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