第一章 概 论
1.1塑料成型在工业生产中的重要地位及我国发展现状
在工农业生产、国防建设和科学技术、交通运输、石油化工、机械电子、邮政通信、建筑旅游、医疗卫生、环境保护、家用电器、教育文化、体育艺术等各个领域，塑料制品无处不在。在目光难及的人造卫星、宇宙飞船上，塑料制品占其总体积的一半。甚至塑质人体器官、心脏、肺、骨骼等也离不开塑料。我国塑料模的发展极其迅速。塑料模的设计技术、制造技术、CAD技术、CAPP技术，以有相当规模的开发和应用。我国在塑料模设计技术上，与发达国家和地区的差距，参见下表1—1。可见我国在塑料模设计的计算机辅助技术上的落后。在塑料之间的生产中，高质量的模具设计、先进的模具制造设备、合理的加工工艺、优质的模具材料和现代化的成型设备等是成型优质塑件的重要条件【1】。
表1—1各国计算机辅助塑料模设计的应用情况
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技术名称
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发达国家
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中国
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美国
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日本
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德国
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香港
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台湾
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大陆
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CAD应用
CAE应用
Flow软件
Cool软件
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75%
50%
普及
普及
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75%
50%
普及
普及
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70%
50%
普及
普及
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50%
40%
70%
70%
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40%
30%
50%
50%
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20%
10%
有应用
有应用
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1.2 塑料成型技术的发展趋势
在塑料之间的生产中，高质量的模具设计、先进的模具制造设备、合理的加工工艺、优质的模具材料和现代化的成型设备等是成型优质塑件的重要条件。一幅优良的注射模可成型上百万次，一幅好的压缩模能成型25万次以上，这与上述各因素有很大关系。从塑料模的设计、制造、模具的材料以及成型技术等方面，塑料成型技术的发展趋势如下：
1）CAD/CAE/CAM技术的快速发展和推广应用
利用塑料模流动分析CAE系统，输入有关参数，可以进行熔体充填模具型腔时流动状态的分析、纤维取向的分析、型腔内压力状态的分析和温度分布的分析。模具CAD/CAM系统是计算机辅助某一种类型模具的设计、计算、分析、绘图以及数控加工、自动编程等的有机集成。
2）各种模具新材料的研制和使用
模具材料的选用在模具的设计与制造中是一个比较重要的问题，它直接影响到模具的制造工艺、模具的使用寿命、塑件的成型质量和模具的加工成本等。
3）塑料制件的微型化、超大型化和精密化
为了满足塑料之间在各种工业产品中的使用要求，塑料成型技术朝着微型化、大型化甚至超大型化和精密化方面发展。
4）模具的标准化
为了满足大规模制造塑料成型模具和缩短模具制造周期的需要，塑料模具的标准化工业就行得十分重要了。
1.3 塑料模具的分类
塑料模具是大批生产塑料制品的现代化专用成型工艺装备的总称。塑料模具包括：注射模、压缩模、传递模、挤出模、中空吹塑模、真空成型模、压缩空气成型模，旋转成型模、发泡成型模和空气辅助成型模和水辅助成型模等多种塑料成型模具。
在上述各种塑料模具中，由于注射模具有高效、精密、可成型各种复杂制品，工艺先进等诸多其他成型模具所不及的特点而成为塑料制品成型工艺中最重要的并且起主导作用的模塑成型工艺装备。在高速发展中，注射模又将其它成型模具的优点吸纳、融合和发展，形成了更加完善，更加优越也更加先进的一种新的成型技术。比如将压缩模的特点和先进之处融入注射模中，与注射型模的优点和温流道注射模的优点结合起来，从而发展成为注射、压缩模和温流道注射、压缩模，使其制品的内在质量和成型精度大大提高，应用范围也因此而更加广泛。
1.4 注射模具的机构组成
注射模具由动模和定模两部分组成，定模部分安装在主设计的固定模板上，动模部分安装在注射机的移动模板上。在注射成型过程中，动模随注射机上的合模系统运动，同时动模部分与定模部分由导柱导向而闭合构成浇注系统和型腔，塑料熔体从注射机喷嘴流经模具浇注系统进入型腔。冷却后开模时，动模与定模分离，取出塑件。
塑料注射模由以下几个组成部分:
1）成型部分：成型部分由凸模（型心）、凹模以及嵌件和镶块等组成。
2）浇注系统：融融塑料从注射机喷嘴进入模具型腔所流经的通道成为浇注系统，浇注系统由主流道、分流道、浇口及冷料井等组成。
3）导向机构：导向机构分为动模与定模之间的导向和推出机构的导向。
4）侧向分型与抽芯机构：带动侧向凸模或侧向成型块移动的机构成为侧向侧向分型与抽芯机构。
5）推出机构：推出机构是指模具分型后将塑件从模具中推出的装置。
6）温度调节系统：为了满足注射工艺对模具的温度要求，必须对模具的温度进行控制，所以模具常常设有冷却或加热的温度调节系统。
7）排气系统：在注射成型过程中，为了将型腔内的气体排出模外，常常需要开设排气系统。
8）支撑零部件：用来安装固定或支撑称心的零部件及前述的各部分机构的零部件均成为支撑零部件。
1.5 pro/e模具设计和moldflow分析的介绍
Pro/e在模具设计应用中主要有Pro/MOL DESIGN模块和模具设计专家EMX，Pro/MOL DESIGN模块用于设计模具部件和模板组装，EMX主要是根据模具成型件选择标准模架，完成模具中的标准件的设计；它们包括如下功能：
1）采用参照设计模型的方法，自动生成模具型腔几何体，用不同的缩减补偿方式，修改造型几何体。
2）对单一、多面类似或者多面不同的型腔，采用 Pro/ENGINEER的组装命令及花样组来定出型腔。
3）在模拟过程，采用干扰核查的方法支定度及模似模具开口及 Molding Ejection Sequence.
4）备有 AC Technology的 C—Flow/EZ分析软件，提供空腔冲填及 AIR TRAPPING模拟、 Front、ram速度、weld线及流体速度(Flow Velocity)。
5）直接取得 Pertinent模具设计工程的信息，包括冲填器皿及型腔表面积等信息。
可生成摸具的特定功能，包括浇口(Sprue)、浇道(Runner)、浇槽(Gates)、冷凝线(cooling line)及分离线。
6）建立标准模架，添加导向零件、浇注零部件、顶出零件、冷却系统。
Moldflow是专门用于注塑模的成型模拟的软件，利用Moldflow软件在模具加工之前，在计算机上对整个注塑成形过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力、收缩以及气辅成形和热固性材料流动分析，找出可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率，以达到降低生产成本、缩短生产周期的目的【11】。其主要用途如下：
1）优化塑料制品设计
塑件的壁厚、浇口数量、位置及流道系统设计等对于塑料制品的成败和质量关系重大。以往全凭制品设计人员的经验来设计，往往费力、费时，设计出的制品也不尽合理。利用Moldnow软件，可以快速地设计出最优的塑料制品。
2）优化塑料模设计
由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往要经过反复试模、修模才能成功。利用Moldflow软件，可以对型腔尺寸、浇口位置及尺寸、流道尺寸和冷却系统等进行优化设计，在计算机上进行试模、修模，可大大提高模具质量，减少试模次数。
3）优化注塑工艺参数
由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。Moldflow软件可以帮助工程技术人员确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却时间等，以注塑出最佳的塑料制品来【16】。
第二章 制品成型工艺分析
塑料的成型工艺分析包括对制件的尺寸大小、结构形状、表面质量、材料物理化学性能分析等工件的工艺分析和对注塑过程工艺分析，对注塑模具的设计起到铺垫的作用，是模具设计中的首要环节。
2.1 材料选择
制作塑料碗要考虑的因素主要有:是否符合食品卫生标准，是否环保，耐高温性，塑料的韧性，耐候性，经济性。
查阅资料，可选材料有GPPS，AS，ABS,PP等，现分析如下。
1) GPPS（通用级聚苯乙烯）
通用级聚苯乙烯，可用于日用品、电气、仪表外壳、玩具、灯具、家用电器、文具、化妆品容器、室内外装饰品、果盘、光学零件（如三棱镜、透镜）透镜窗镜和模塑、车灯、电讯配件，电频电容器薄膜，高频绝缘材料、电视机等集装箱、波导管，化工容器等。悬浮聚合树脂可制成不同密度的泡沫塑料，用作绝热、隔音、防震、漂浮、包装材料，软木代用品，预发泡体可作水过滤介质及制备轻质混凝土，低发泡塑料可制成合成木材做家具等经常被用来制作各种需要承受开水的温度的一次性容器，以及一次性泡沫饭盒等。
2）AS（苯乙烯-丙烯腈共聚物）
AS，亦称SAN，苯乙烯-丙烯腈共聚物，比聚苯乙烯有更高的冲击强度和优良的耐热性，耐油性，耐化学腐蚀性。如它能很好地耐某些使聚苯乙烯应力开裂的烃类。而弹性模量是现有热塑性塑料中较高的一种。 AS为苯乙烯-丙烯腈共聚体，不易产生内应力开裂。透明度很高，其软化温度和搞冲击强度比PS高。
SAN（AS）具有很强的承受载荷的能力、抗化学反应能力、抗热变形特性和几何稳定性。SAN(AS)中加入玻璃纤维添加剂可以增加强度和抗热变形能力，减小热膨胀系数。SAN（AS）的维卡软化温度约为110℃。载荷下挠曲变形温度约为100℃。SAN（AS）的收缩率约为0.3-0.7%。SAN（AS）是一种坚硬、透明的材料。苯乙烯成份使SAN(AS)坚硬、透明并易于加工；丙烯腈成份使SAN（AS）具有化学稳定性和热稳定性。
电气（插座、壳体等），日用商品（厨房器械，冰箱装置，电视机底座，卡带盒等）,汽车工业（车头灯盒、反光境、仪表盘等），家庭用品（餐具、食品刀具等），化装品包装等。 广泛用于制作耐油、耐热、耐化学药品的工业制品，以及仪表板、仪表框、罩壳、电池盒、接线盒、多种开关及按规等。
常见问题：溢料飞边、气泡、缩痕、熔接痕、烧焦及黑纹、银丝及斑纹、表面划痕、表面雾状及花纹、烧焦变色及杂质、烧黑、光泽不良、龟裂泛白、颜色不均、脆弱、分层剥离、翘曲变形、脱模不良、模具严重腐蚀。
3）ABS（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物）
ABS树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。 随着三种成分比例的调整，树脂的物理性能会有一定的变化： 1,3-丁二烯为ABS树脂提供低温延展性和抗冲击性，但是过多的丁二烯会降低树脂的硬度、光泽及流动性； 丙烯腈为ABS树脂提供硬度、耐热性、耐酸碱盐等化学腐蚀的性质； 苯乙烯为ABS树脂提供硬度、加工的流动性及产品表面的光洁度。
ABS树脂是微黄色固体，有一定的韧性，密度约为1.04~1.06 g／cm3。它抗酸、碱、盐的腐蚀能力比较强，也可在一定程度上耐受有机溶剂溶解。
ABS树脂可以在-25℃~60℃的环境下表现正常，而且有很好的成型性，加工出的产品表面光洁，易于染色和电镀。因此它可以被用于家电﹑玩具等日常用品。常见的乐高积木就是ABS制品。
ABS树脂可与多种树脂配混成共混物，如PC／ABS、ABS/PVC、PA／ABS、PBT／ABS等，产生新性能和新的应用领域，如：将ABS树脂和PMMA混合，可制造出透明ABS树脂。
4）PP（聚丙烯）
主要应用于汽车工业（主要使用含金属添加剂的PP：挡泥板、通风管、风扇等），器械（洗碗机门衬垫、干燥机通风管、洗衣机框架及机盖、冰箱门衬垫等），日用消费品（草坪和园艺设备如 剪草机和喷水器等）。
PP是一种半结晶性材料。它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。由于均聚物型的PP温度高于0℃以上时非常脆，因此许多商业的PP材料是加入1~4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度（100℃）、低透明度、低光泽度、低刚性，但是有有更强的抗冲击强度。PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。PP的维卡软化温度为150℃。由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。PP不存在环境应力开裂问题。通常，采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。PP的流动率MFR范围在1~40。低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。对于相同MFR的材料，共聚物型的强度比均聚物型的要高。由于结晶，PP的收缩率相当高，一般为1.8~2.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。然而，它对芳香烃（如苯）溶剂、氯化烃（四氯化碳）溶剂等没有抵抗力。PP也不象PE那样在高温下仍具有抗氧化性【2】。
综述:
PP材料成本低，易成型，且无毒无味（PP料还有一种叫食品级的，本身就是做食品用的容器的）。而且PP还有许多优良的特性，比如耐高温，耐气候性能优秀，韧性好等。PP是非极性化合物，对极性溶剂十分稳定，如醇、酚、醛、酮和大多数羧酸都不会使其溶胀。故拟定本次设计采用PP（聚丙烯）生产塑料碗。
2.2 塑件碗的结构和尺寸选择
1、塑件的尺寸
塑件尺寸的大小受制于以下因素：
a) 取决于用户的使用要求。
b) 受制于塑件的流动性。
c) 受制于塑料熔体在流动充填过程中所受到的结构阻力
根据日常需要得到碗尺寸，如下图：
图2—1 塑料碗的零件图
图2—2 塑料碗的三维图
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