浅析塑料瓶盖的模具设计与加工
2014-06-09王德泰
王德泰
摘 要：随着我国经济的迅速发展，高精度塑料模具的使用数量也日益增加，且用户对塑料模具的使用要求也越来越高，该文就塑料瓶盖的模具设计、加工工艺方法和常见质量问题作了简明的阐述，并提出了一些较合理的解决方法，以提高塑料瓶盖的模具的使用效率，提高塑料瓶盖的整体质量。
关键词：塑料瓶盖 模具设计 加工工艺
中图分类号：TQ32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0087-02
伴随着中国经济的飞速发展，现代塑料成型技术也得到了长足的发展，其中影响塑料成型生产最关键的三大因素是：高精度的模具、合理的加工工艺方法、高效快速的成型设备。高精度的塑料模具是保证合理的加工工艺方法的实现、保证塑料件的质量的关键因素。先进的制造设备只有配备高精度且合理的模具才能完全发挥设备的效能，当今一般塑料产品的更新换代都以生产模具的更新为基础的。
该文将以塑料瓶盖的模具设计为重点，阐述当今模具设计的一些技术特点。在塑料瓶盖的模具设计中以完整内螺纹式瓶盖最常见，其对模具设计要求也较高，由于其内腔结构复杂，加工精度也较高，需使用先进CAD/CAE技术，配合高精度的加工设备才能达到设计要求。
1 塑料件结构分析
该设计为完整内螺纹式瓶盖，其效果图如图1所示，其塑件总高50 mm，整体壁厚2.5 mm，外径为30 mm，内外壁有拔模斜度，内径螺距为5 mm。可选用较常用的聚乙烯（PE）材质制造。内螺纹式瓶盖与瓶身配合时需具有良好的密封性能，不会产生泄漏。
对于完整内螺纹式瓶盖一般有以下几种成型方法：（1）采用强制脱模的形式，此方法会导致脱模困难，且内螺纹变形严重，产品的合格率也会随之降低。（2）采用活动螺纹型芯的模具进行手动脱模，此方法形式结构较简单，但生产效率较低，人工成本较高，不适用于大批量生产。（3）采用自动脱螺纹技术，此方法结构适中，生产效率高，人工成本低，可适用于大规模批量生产。
完整内螺纹式瓶盖设计属于大批量生产，一般都采用一模多腔。综合开始模具的加工费用等因素，采用一模16腔的模具形式来制造。浇注采用热流道浇注模式，点浇口进料，在动模装置那需设置型芯固定板和推板。
2 塑料瓶盖的模具设计
在做模具设计时，一般应使设计基准与加工基准一致，这样可减少由于尺寸的累积而造成的加工误差。如关键的加工尺寸的定位基准不统一，在加工制造过程中需确定加工基准，需进行相应的尺寸精度换算，消除在加工工程产生的误差，一般要求机械设计员需了解相应的加工工艺。
根据客户的需求和上文所述的塑料件的结构分析，模具设计装配图如图2所示。
2.1 浇注口设计
由于此模具采从模具中心进料，从而利于塑胶填充性能增腔，排气性也较好，在分模时较易实现现有浇注系统冷凝料与塑浇件的切断功能，此方法生产效率较高，所以浇铸系统采用点浇口浇注。因为塑料瓶盖的全螺纹部位需与瓶身上部的螺纹口相配合，为保证螺纹的高强度性，需增加螺纹部分的壁厚来满足性能，为防止在注塑过程出现气泡、表面变型等缺陷，需将相应的点浇口设置在塑胶件的底部中心的位置，此方法可提高塑胶件的流动性，提高注塑件的尺寸稳定性，从而提高产品的质量。
2.2 限位机构设计
此拉杆限位机构比较常用，其是利用螺纹的连接性能来实现定距分模的，结构工艺性较好，其常用来分模时的定距定量。工作时，上卸料板（3）与流道板（4）分开，动模部分也随之往后移动，在拉杆的作用下使上定模板（2）与上卸料板（3）也随之 分离，将流道里的一些冷凝料取出，动模部分将随之往后移，在小拉杆端面限位的作用下，使上定模板4（2）与垫板（10）分开，完成相应的脱模动作。
2.3 螺纹旋转分离结构设计
螺纹旋转分离结构设计是利用塑料零件上的螺纹旋转从而带动轴向移动的方法实现塑件脱模的，在推板的作用下将塑件自然顶出。其工作过程是：在主轴（17）轴向移动下，其连接的太阳轮（15）也随之转动，从而啮合行星轮（9）转动，通过行星轮（9）的转动从而带动行轮轴的传动，在导向螺纹套（12）的作用下，使塑件与向配合的螺纹分离，达到塑件脱模的目的。
3 塑料瓶盖的加工工艺分析
3.1 加工工艺对模具质量的影响
选择合理的加工工艺对模具质量有着极其重要的影响，如加工细长轴、薄厚较薄的支撑件时、若装夹的位置不当，在加工时会导致工艺的变形，从而导致尺寸超差，影响模具的质量。以下阐述的是模具加工过程中常出现的几个典型问题。
（1）在加工模具型腔和型芯倒圆角时，若进给量过大时会留下较深的粗刀痕，这些刀痕一般会产生应力集中，在淬火加回火时会形成微小裂纹，在装配至注塑机上工作时，由于使用时间较长会产生裂纹扩展现象，从而导致工件断裂。
（2）工件的热处理工艺对模具质量的影响也较大，如在工件淬火会影响工件的尺寸，在精加工时需考虑其淬火变形的导致的余量不足问题。如在切割T10等碳钢工件时，由于其材料本身的淬透性能较差，其淬火的位置对工件整体的精度影响比较大，选择不合适的淬火位置会导致工件变形严重大。
3.2 塑料瓶盖模具材料的选用
选择模具材料时需综合考虑模具的使用工况和加工工艺，一般此类热作模具的材料常选用5CrMnMo和5CrNiMo等材料，但由于其材料的合金含量不高，当工件模具的尺寸大于300 mm时，其淬透性较差，心部会出现不能淬透的情况，所以此类材料一般适用于尺寸较小的模具中，若模具尺寸较大，且形状较复杂一般选用5Cr2NiMoVS和3Cr2MoVNi等材料。
3.3 塑料瓶盖模具的合理加工工艺
塑料瓶盖模具加工工艺的基本要求是减少工件变形和加工误差，避免由于应力集中而产生的裂纹。如在加工细长轴或薄壁零件时应增加支撑点来保持工件的加工刚度。其他需要注意的情况如下。endprint
（1）在加工塑料瓶盖模具的型芯倒圆角时，一般在粗加工后留有足够的余量，一般余量取0.5～1 mm，再进行后续半精加工和精加工。留有足够的余量是保证工件在热处理后能够有足够的尺寸余量来精加工。
（2）在精磨加工时一般选用粘结性差和切削力强的精砂轮，在砂轮机上空跑几次后清磨；减小磨削进刀量和使用合适冷却剂，在精磨后一般需进行回火处理，保证工件的尺寸稳定性。
4 塑料瓶盖的常见质量问题分析
塑料瓶盖在注塑模加工过程中，常由于模具、材料和设备等原因导致零件出现飞边、缺料等现象，增加零件的不合格率。常见的质量问题如下。
4.1 缺料
一般在塑料加工过程中，由于模具的型腔填充不满，从而造成零件的外形与设计不符的现象叫缺料。
（1）工艺方法
导致塑胶件缺料的工艺因素很多，其中最重要的原因是填充压力小，注射时间短和模具温度低三个因素造成的。填充压力小时，注塑机在注塑成型时，会导致型腔的压力不足，塑胶很难填充满整个型腔，从而导致零件缺料；注射时间短也会导致塑胶未完全充满型腔，导致零件缺料；模具温度低，会加速塑胶凝固，液体流动性减小，也会导致塑胶不能充满整个型腔，造成缺料现象。
（2）设备原因
导致塑胶件缺料的设备原因主要是射嘴部分，一般为射嘴堵塞，一般方法是清理射嘴可以解决；射嘴漏胶也会导致缺料，此类故障一般需更换射嘴。
（3）模具原因
一般由于模具内部排气不通畅造成的，由于型腔内积累的空气无法排出，会造成塑胶填充量不足，从而导致缺料，采取的措施是降低塑胶的充填速度或在模具上增加相应的排气孔。
由于热流道堵塞或流动不平衡造成塑胶熔料流动不顺畅，造成零件的缺料，一般采取的措施是提高缺料产品相对应的热浇流道温度，并使用精致且干净的原料。
4.2 飞边
飞边一般发生在模具的分型位置上，如：模具的分型面、滑块的配合位置、镶件的侧隙、推杆的孔隙等地方。当溢料问题不及时解决将会飞边扩大。镶件侧隙和推杆孔隙产生的溢料会使塑胶件卡在模具上，影响分模。
（1）工艺方法
一般由于注塑机的注塑压力过大或注塑的速度较快的原因造成的。由于其模具型腔内的高压高速导致模具的张力增加产生溢料的现象。一般解决的措施是延长注塑的时间和保压时间。
（2）设备方面
机器自身合模力不够。导致模具不能正常压紧，一般在选择注塑机型号时，机器所标定的的额定合模力一般须大于注射成型件轴向横截面积在注射时所形成的张力，否则将造成脱模，形成飞边。当注塑机的合模装置调节不合适会产生合模不均衡、模具自身的平行度不够也会造成飞边现象。
（3）模具原因
一般是由于模具的设计不合理所造成，此问题很难解决，需重新设计模具。
4.3 缩水
塑料缩水现象主要是因为由于体积收缩，壁厚处的表面原料被拉入，冷却后在成品表面出现凹陷痕迹。缩水是成品表面所发生的不良现象中最多的，大多发生于壁厚处。
（1）工艺方法
注塑机注塑的速度和保压时间较少，使得塑胶件的的流动性不足，首先进入模具型腔的塑胶件冷却较快，无足够的保压时间来进行补缩，一般解决的措施是采用更高的注塑压力。
（2）模具原因
塑料瓶盖的模具内部的排气不通畅，也会导致型腔内有多余空气不能排除，需要补缩的塑胶也较少，零件的收缩较大，一般措施为对模具进行维护保养和增加排气口。
5 结语
该文着重介绍了塑料瓶盖的模具设计与加工，其模具结构比较简单，紧凑且加工成本较低，其合理的限位结构和螺纹旋转分离结构是该文的设计亮点，通过相应的可靠性分析，此模具结构适用于大批量生产，且经济效率较高。对塑料瓶盖的加工工艺分析和典型的质量问题分析进行阐述，合理的运用这些成熟的加工工艺方法可提高塑料瓶盖模具生产效率，也是公司持续发展，取得较好的经济效益的前提条件。也对提高劳动生产率、降低生产制造成本有着深刻的意义。
参考文献
[1] 王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.
[2] 王兴天.注塑工艺与设备[M].北京：化学工业出版社，2010.
[3] 刘晓艳，赵素芬.塑料瓶盖在加工过程中常见的质量故障分析[J].塑料包装，2013（2）：32-34.
[4] 张杰，吴涛.螺纹型芯自动收缩式注塑模设计[J].模具工业，2000（2）：37-38.endprint
（1）在加工塑料瓶盖模具的型芯倒圆角时，一般在粗加工后留有足够的余量，一般余量取0.5～1 mm，再进行后续半精加工和精加工。留有足够的余量是保证工件在热处理后能够有足够的尺寸余量来精加工。
（2）在精磨加工时一般选用粘结性差和切削力强的精砂轮，在砂轮机上空跑几次后清磨；减小磨削进刀量和使用合适冷却剂，在精磨后一般需进行回火处理，保证工件的尺寸稳定性。
4 塑料瓶盖的常见质量问题分析
塑料瓶盖在注塑模加工过程中，常由于模具、材料和设备等原因导致零件出现飞边、缺料等现象，增加零件的不合格率。常见的质量问题如下。
4.1 缺料
一般在塑料加工过程中，由于模具的型腔填充不满，从而造成零件的外形与设计不符的现象叫缺料。
（1）工艺方法
导致塑胶件缺料的工艺因素很多，其中最重要的原因是填充压力小，注射时间短和模具温度低三个因素造成的。填充压力小时，注塑机在注塑成型时，会导致型腔的压力不足，塑胶很难填充满整个型腔，从而导致零件缺料；注射时间短也会导致塑胶未完全充满型腔，导致零件缺料；模具温度低，会加速塑胶凝固，液体流动性减小，也会导致塑胶不能充满整个型腔，造成缺料现象。
（2）设备原因
导致塑胶件缺料的设备原因主要是射嘴部分，一般为射嘴堵塞，一般方法是清理射嘴可以解决；射嘴漏胶也会导致缺料，此类故障一般需更换射嘴。
（3）模具原因
一般由于模具内部排气不通畅造成的，由于型腔内积累的空气无法排出，会造成塑胶填充量不足，从而导致缺料，采取的措施是降低塑胶的充填速度或在模具上增加相应的排气孔。
由于热流道堵塞或流动不平衡造成塑胶熔料流动不顺畅，造成零件的缺料，一般采取的措施是提高缺料产品相对应的热浇流道温度，并使用精致且干净的原料。
4.2 飞边
飞边一般发生在模具的分型位置上，如：模具的分型面、滑块的配合位置、镶件的侧隙、推杆的孔隙等地方。当溢料问题不及时解决将会飞边扩大。镶件侧隙和推杆孔隙产生的溢料会使塑胶件卡在模具上，影响分模。
（1）工艺方法
一般由于注塑机的注塑压力过大或注塑的速度较快的原因造成的。由于其模具型腔内的高压高速导致模具的张力增加产生溢料的现象。一般解决的措施是延长注塑的时间和保压时间。
（2）设备方面
机器自身合模力不够。导致模具不能正常压紧，一般在选择注塑机型号时，机器所标定的的额定合模力一般须大于注射成型件轴向横截面积在注射时所形成的张力，否则将造成脱模，形成飞边。当注塑机的合模装置调节不合适会产生合模不均衡、模具自身的平行度不够也会造成飞边现象。
（3）模具原因
一般是由于模具的设计不合理所造成，此问题很难解决，需重新设计模具。
4.3 缩水
塑料缩水现象主要是因为由于体积收缩，壁厚处的表面原料被拉入，冷却后在成品表面出现凹陷痕迹。缩水是成品表面所发生的不良现象中最多的，大多发生于壁厚处。
（1）工艺方法
注塑机注塑的速度和保压时间较少，使得塑胶件的的流动性不足，首先进入模具型腔的塑胶件冷却较快，无足够的保压时间来进行补缩，一般解决的措施是采用更高的注塑压力。
（2）模具原因
塑料瓶盖的模具内部的排气不通畅，也会导致型腔内有多余空气不能排除，需要补缩的塑胶也较少，零件的收缩较大，一般措施为对模具进行维护保养和增加排气口。
5 结语
该文着重介绍了塑料瓶盖的模具设计与加工，其模具结构比较简单，紧凑且加工成本较低，其合理的限位结构和螺纹旋转分离结构是该文的设计亮点，通过相应的可靠性分析，此模具结构适用于大批量生产，且经济效率较高。对塑料瓶盖的加工工艺分析和典型的质量问题分析进行阐述，合理的运用这些成熟的加工工艺方法可提高塑料瓶盖模具生产效率，也是公司持续发展，取得较好的经济效益的前提条件。也对提高劳动生产率、降低生产制造成本有着深刻的意义。
参考文献
[1] 王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.
[2] 王兴天.注塑工艺与设备[M].北京：化学工业出版社，2010.
[3] 刘晓艳，赵素芬.塑料瓶盖在加工过程中常见的质量故障分析[J].塑料包装，2013（2）：32-34.
[4] 张杰，吴涛.螺纹型芯自动收缩式注塑模设计[J].模具工业，2000（2）：37-38.endprint
（1）在加工塑料瓶盖模具的型芯倒圆角时，一般在粗加工后留有足够的余量，一般余量取0.5～1 mm，再进行后续半精加工和精加工。留有足够的余量是保证工件在热处理后能够有足够的尺寸余量来精加工。
（2）在精磨加工时一般选用粘结性差和切削力强的精砂轮，在砂轮机上空跑几次后清磨；减小磨削进刀量和使用合适冷却剂，在精磨后一般需进行回火处理，保证工件的尺寸稳定性。
4 塑料瓶盖的常见质量问题分析
塑料瓶盖在注塑模加工过程中，常由于模具、材料和设备等原因导致零件出现飞边、缺料等现象，增加零件的不合格率。常见的质量问题如下。
4.1 缺料
一般在塑料加工过程中，由于模具的型腔填充不满，从而造成零件的外形与设计不符的现象叫缺料。
（1）工艺方法
导致塑胶件缺料的工艺因素很多，其中最重要的原因是填充压力小，注射时间短和模具温度低三个因素造成的。填充压力小时，注塑机在注塑成型时，会导致型腔的压力不足，塑胶很难填充满整个型腔，从而导致零件缺料；注射时间短也会导致塑胶未完全充满型腔，导致零件缺料；模具温度低，会加速塑胶凝固，液体流动性减小，也会导致塑胶不能充满整个型腔，造成缺料现象。
（2）设备原因
导致塑胶件缺料的设备原因主要是射嘴部分，一般为射嘴堵塞，一般方法是清理射嘴可以解决；射嘴漏胶也会导致缺料，此类故障一般需更换射嘴。
（3）模具原因
一般由于模具内部排气不通畅造成的，由于型腔内积累的空气无法排出，会造成塑胶填充量不足，从而导致缺料，采取的措施是降低塑胶的充填速度或在模具上增加相应的排气孔。
由于热流道堵塞或流动不平衡造成塑胶熔料流动不顺畅，造成零件的缺料，一般采取的措施是提高缺料产品相对应的热浇流道温度，并使用精致且干净的原料。
4.2 飞边
飞边一般发生在模具的分型位置上，如：模具的分型面、滑块的配合位置、镶件的侧隙、推杆的孔隙等地方。当溢料问题不及时解决将会飞边扩大。镶件侧隙和推杆孔隙产生的溢料会使塑胶件卡在模具上，影响分模。
（1）工艺方法
一般由于注塑机的注塑压力过大或注塑的速度较快的原因造成的。由于其模具型腔内的高压高速导致模具的张力增加产生溢料的现象。一般解决的措施是延长注塑的时间和保压时间。
（2）设备方面
机器自身合模力不够。导致模具不能正常压紧，一般在选择注塑机型号时，机器所标定的的额定合模力一般须大于注射成型件轴向横截面积在注射时所形成的张力，否则将造成脱模，形成飞边。当注塑机的合模装置调节不合适会产生合模不均衡、模具自身的平行度不够也会造成飞边现象。
（3）模具原因
一般是由于模具的设计不合理所造成，此问题很难解决，需重新设计模具。
4.3 缩水
塑料缩水现象主要是因为由于体积收缩，壁厚处的表面原料被拉入，冷却后在成品表面出现凹陷痕迹。缩水是成品表面所发生的不良现象中最多的，大多发生于壁厚处。
（1）工艺方法
注塑机注塑的速度和保压时间较少，使得塑胶件的的流动性不足，首先进入模具型腔的塑胶件冷却较快，无足够的保压时间来进行补缩，一般解决的措施是采用更高的注塑压力。
（2）模具原因
塑料瓶盖的模具内部的排气不通畅，也会导致型腔内有多余空气不能排除，需要补缩的塑胶也较少，零件的收缩较大，一般措施为对模具进行维护保养和增加排气口。
5 结语
该文着重介绍了塑料瓶盖的模具设计与加工，其模具结构比较简单，紧凑且加工成本较低，其合理的限位结构和螺纹旋转分离结构是该文的设计亮点，通过相应的可靠性分析，此模具结构适用于大批量生产，且经济效率较高。对塑料瓶盖的加工工艺分析和典型的质量问题分析进行阐述，合理的运用这些成熟的加工工艺方法可提高塑料瓶盖模具生产效率，也是公司持续发展，取得较好的经济效益的前提条件。也对提高劳动生产率、降低生产制造成本有着深刻的意义。
参考文献
[1] 王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.
[2] 王兴天.注塑工艺与设备[M].北京：化学工业出版社，2010.
[3] 刘晓艳，赵素芬.塑料瓶盖在加工过程中常见的质量故障分析[J].塑料包装，2013（2）：32-34.
[4] 张杰，吴涛.螺纹型芯自动收缩式注塑模设计[J].模具工业，2000（2）：37-38.endprint
