包裝容器課程設(shè)計多功能飲料瓶

1、中北大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書學(xué)生姓名： 楊蕓 學(xué) 號： 學(xué) 院： 機(jī)械與動力工程學(xué)院 專 業(yè)： 包裝工程 題 目： 礦泉水新品塑料容器結(jié)構(gòu)設(shè)計 指導(dǎo)教師： 李 清 職稱: 副教授 指導(dǎo)教師： 梅林玉 職稱: 講 師 2015年 12 月 31日 中北大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書20152016學(xué)年 第 一 學(xué)期學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 專 業(yè)： 包裝工程 學(xué) 生 姓 名： 楊蕓 學(xué) 號： 課程設(shè)計題目： 礦泉水新品塑料容器結(jié)構(gòu)設(shè)計 起 迄 日 期： 2015年12月12日12月31日 課程設(shè)計地點： 2號教學(xué)樓 指 導(dǎo) 教 師： 李 清 梅林玉 學(xué)科部副主任： 下達(dá)任務(wù)書日期: 2015年1

2、2月12日目 錄1.內(nèi)裝物分析及材料、規(guī)格11.1內(nèi)裝物介紹11.2飲用天然礦泉水國家標(biāo)準(zhǔn)11.4市場分析21.3設(shè)計定位31.5包裝容器材料的選用32. 容積和總體尺寸的確定42.1包裝容器成型方法介紹42.2容器的尺寸確定63.造型方案論證和造型設(shè)計73.1瓶身設(shè)計73.2包裝容器的瓶口和瓶蓋的設(shè)計73.3內(nèi)包裝容器的瓶頸與瓶肩設(shè)計93.4包裝容器的瓶底設(shè)計93.5包裝容器的壁厚分析104.設(shè)計計算校核114.1容量計算114.2容量誤差計算114.3單個塑料瓶的塑料用量計算115.精度設(shè)計以及尺寸公差和表面粗糙度設(shè)計12參 考 文 獻(xiàn)131.內(nèi)裝物分析及材料、規(guī)格1.1內(nèi)裝物介紹礦泉水的

3、廣泛含義，已經(jīng)不僅是天然的泉水，也包括供人們飲用的各種凈化的水，例如蒸餾水、純化水和去離子水等。礦泉水根據(jù)產(chǎn)地的不同，帶有不同的滋味和對人體有益的微量元素。礦泉水有分天然礦泉水和人工礦泉水之分.通常我們所說的礦泉水是指天然礦泉水,它一般都是地殼巖層中取出來的地下水,通過溶解所經(jīng)過的或停留的巖石中所含的化學(xué)元素,是水體中含有了所處巖層特有的一些元素,也就是對人體有宜的微量元素,如：鋅、偏硅酸、鍶、硼、溴、碘、鋰、硒等等,這些元素在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)對人體是有非常的好處的,如鋅眾所周知是人體海馬回(海馬回位于人腦控制學(xué)習(xí)和記憶活動的中樞，主要負(fù)責(zé)形成和儲存長期記憶的重要微量元素，與記憶和智力有關(guān);碘可以

4、用來合成甲狀腺素,減少智力障礙,有助于消除緊張、幫助睡眠;硒是甲狀腺激素合成和代謝過程中的必需元素.必需微量元素雖然在體內(nèi)含量很少，但它們在生命過程中的作用不可低估?？傊疀]有這些必需的微量元素，酶的活性就會降低或完全喪失，激素、蛋白質(zhì)、維生素的合成和代謝也就會發(fā)生障礙，人類生命過程就難以繼續(xù)進(jìn)行。因此，兒童的許多疾病與元素有關(guān)，缺少了或過多了都有可能導(dǎo)致疾病。長喝礦泉水可以有效的吸收這些微量元素,提高身體素質(zhì).國家對天然礦泉水有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)督,各家天然礦泉水生產(chǎn)廠家都必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才準(zhǔn)予上市(需要說明的是大多數(shù)檢測不合格是由于在具體生產(chǎn)中微生物不合格),所以通常長期飲用礦泉水是對人體非常有幫

5、助的。1.2飲用天然礦泉水國家標(biāo)準(zhǔn)(1).為發(fā)展飲用天然礦泉水（以下簡稱礦泉水）事業(yè)，由中華人民共和國衛(wèi)生部、原地質(zhì)礦產(chǎn)部、輕工總會制定了飲用天然礦泉水國家標(biāo)準(zhǔn)GB8537-1995(以下簡稱國標(biāo)）。(2).國標(biāo)規(guī)定了飲用天然礦泉水的技術(shù)要求，適用于所有礦泉水及其灌裝產(chǎn)品。(3).當(dāng)其他規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中出現(xiàn)與本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中的規(guī)定不一致時，以本標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。(4).礦泉水是礦產(chǎn)資源，受中華人民共和國礦產(chǎn)資源法調(diào)整，作為食品受中華人民共和國食品衛(wèi)生法、中華人民共和國產(chǎn)品質(zhì)量法、中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法等法律調(diào)整。(5).根據(jù)國務(wù)院三定方案，有關(guān)政府主管部門對礦泉水開發(fā)管理的職責(zé)分工為：地質(zhì)礦產(chǎn)行政主

6、管部門負(fù)責(zé)礦泉水資源勘查評價管理，對水源地地質(zhì)環(huán)境、資源開發(fā)和保護(hù)實行監(jiān)督管理。衛(wèi)生行政主管部門負(fù)責(zé)對礦泉水水源地環(huán)境衛(wèi)生防護(hù)、礦泉水水源水質(zhì)及產(chǎn)品實施衛(wèi)生監(jiān)督。輕工主管部門負(fù)責(zé)礦泉水行業(yè)管理，對產(chǎn)品實施質(zhì)量監(jiān)督。(6).礦泉水必須經(jīng)國家或?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）飲用天然礦泉水技術(shù)評審組認(rèn)可、政府主管部門批準(zhǔn)，方可開發(fā)。(7).國家飲用天然礦泉水技術(shù)評審組由衛(wèi)生、輕工和地礦主管部門派員組成。掛靠單位為國土資源部地質(zhì)環(huán)境司，負(fù)責(zé)辦理批準(zhǔn)發(fā)證工作。下設(shè)辦公室負(fù)責(zé)日常管理工作。(8).國家飲用天然礦泉水技術(shù)評審組負(fù)責(zé)跨省銷售和出口礦泉水的技術(shù)鑒定。(9).凡報請國家礦泉水技術(shù)評審組的礦泉水，必須提交飲用

7、天然礦泉水開發(fā)評價報告16份，省級鑒定證書和省級礦泉水技術(shù)評審委員會（組）或掛靠單位的公函。沒有成立礦泉水機(jī)構(gòu)的?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），必須提交省地質(zhì)礦產(chǎn)局（廳）地質(zhì)環(huán)境管理處推薦函。 (10).?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）礦泉水技術(shù)評審鑒定機(jī)構(gòu)由省政府批準(zhǔn)、或由同級地礦、衛(wèi)生、輕工等主管部門派員聯(lián)合組成、掛靠單位在省地質(zhì)礦產(chǎn)局（廳）地質(zhì)環(huán)境管理處。1.4市場分析以高端礦泉水為例，隨著環(huán)境污染的加劇，消費者對健康的重視程度與日俱增，健康、高品質(zhì)成為主要的追求，高端礦泉水正是以其純凈、無糖、低熱和有益元素含量豐富成為人們首選飲品之一，符合人們追求純凈、有益健康的飲水要求，高端礦泉水是水中珍品，是適合長期飲

8、用的天然健康水，更是天然的保健飲品。隨著人們生活水平的日益提高，對飲用水的要求也越來越高。有68%有人對飲用水的要求不僅是解渴，而是更加關(guān)注品質(zhì)和健康。礦泉水已經(jīng)成為日常生活中常見的一種飲品，超市、商場、小賣部、便利店，它的身影無處不在。但是縱觀中國目前的飲用水市場，大多數(shù)企業(yè)與品牌都把主戰(zhàn)場放在低端，并且經(jīng)歷連年價格戰(zhàn)之后，這一市場的利潤已日漸微薄，許多企業(yè)與品牌都在開始嘗試拓展新領(lǐng)域，飲用水市場競爭格局的改變和消費需要的拉動，國內(nèi)飲用水市場贏來高端時代。消費者對健康好水的需求更加明顯，瓶裝水市場高端好水的銷量也逐漸上升，整體呈現(xiàn)高端化趨勢。2012年市場上高端水消費量勢頭尤為喜人，正在快速

9、增速擴(kuò)張，2015年中國高端水市場銷量將達(dá)到667千噸。為了設(shè)計一款兼有良好的容裝性，保護(hù)性，方便性，有美觀經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點，滿足消費者購買和使用習(xí)慣的礦泉水水瓶包裝也是很有經(jīng)濟(jì)價值和市場前景的。1.3設(shè)計定位 通過對礦泉水的性質(zhì)和流通環(huán)境的分析，設(shè)計能在流通過程中起保護(hù)作用的包裝，設(shè)計合理的包裝不僅僅能保護(hù)產(chǎn)品、方便儲運，而且還能在很大程度上起到介紹產(chǎn)品和促進(jìn)銷售的作用。使礦泉水在流通過程得到保護(hù)，同時激起人們的購買欲望，設(shè)計區(qū)別與市場已有的礦泉水瓶的開口方式，起到多功能的作用，從而促進(jìn)其銷售。1.5包裝容器材料的選用用來裝水的瓶子的材料的要求是：1、 良好的阻隔性能； 2、達(dá)到食品包裝的標(biāo)準(zhǔn)；3

10、、 通透性要求高，這樣能更好的吸引消費者； 4、質(zhì)量要輕；5、 礦泉水瓶多為一次性用品，成本不能高，并且要求可回收再利用。 目前市場上的礦泉水瓶容器主要是兩種材料：塑料和玻璃。其中，塑料的運用量遠(yuǎn)多于玻璃，而玻璃瓶裝的礦泉水往往是檔次比較高的，所以市場占有率也比較低，消費人群局限性大。塑料包裝的礦泉水主要是底中端產(chǎn)品，價位在1-15元之間；玻璃包裝的礦泉水主要是中高端產(chǎn)品，且主要是進(jìn)口產(chǎn)品，價位主要在15-50元之間。綜上所述，結(jié)合市場和課題要求此次設(shè)計選用塑料為包裝材料，具體選用PET。PET的密度為1.3-1.38，加工溫度為260-290，模具溫度為140，收縮率為1.2-2.0，熔點為

11、245-260。2. 容積和總體尺寸的確定2.1包裝容器成型方法介紹 根據(jù)本次設(shè)計的礦泉水瓶的功能，材料及各個工藝特點，選用吹塑工藝。礦泉水瓶的成型包括成型設(shè)備和成型工藝條件等的分析設(shè)計。(1).塑料瓶的生產(chǎn)工藝有兩種：第一種是擠出吹塑工藝：即將塑料原料加入擠出機(jī)中，經(jīng)加熱熔融塑化擠出熔融型胚，再放入瓶子模具中吹脹成型，冷卻定型后從模具中取出，修除廢邊后得到成品。這種工藝主要用來生產(chǎn)聚乙烯、聚氯乙烯塑料瓶，如牛奶瓶、醬油瓶等。 圖2-1 擠出吹塑工藝過程a.模具 b.機(jī)頭 c.型胚 d。壓縮空氣 第二種是注拉吹工藝：即將塑料原料經(jīng)注塑機(jī)注射成型管狀型胚，然后放入放入瓶子模具中經(jīng)拉伸吹塑成型，冷

12、卻后得到成品。這種工藝主要用來生產(chǎn)PET塑料瓶，如礦泉水瓶、可樂瓶等。PET塑料瓶在熔融狀態(tài)下的流變性較好，壓力對粘度的影響比溫度要大，因此，主要從壓力著手來改變?nèi)垠w的流動性。塑料瓶在不同的環(huán)境中具有不同的使用狀態(tài)，所以在塑料瓶的熔融狀態(tài)下對流變性和粘度進(jìn)行有效的控制。圖2-2 注拉吹成型工藝過程（a）型胚成型 （b）型胚加熱 （c）型胚拉伸 （d）吹塑成型 （e）脫模1.注塑機(jī) 2.熱流道 3.冷卻水 4.加熱體 5.模芯加熱 6.型芯棒(2).注射系統(tǒng)：PET塑料瓶由于在熔點后的穩(wěn)定時間短而熔點又較高，因此需要選用溫控段較多、塑化時自摩擦生熱少的注射系統(tǒng)，并且制品（含水口料）實際重量不能小

13、于機(jī)器的注塑量的2/3。注塑機(jī)的選擇需要根據(jù)機(jī)器的注塑量和注射系統(tǒng)進(jìn)行合理的控制，基于這些要求，我國今年來開發(fā)了中小系列的PET專用塑化系統(tǒng)。將粉狀或粒狀塑料從注射機(jī)的料斗送入加熱的料筒內(nèi)，加熱熔融塑化后，借助柱塞或螺桿的推力，物料被壓縮并向前移動，通過料筒前端的噴嘴，以很快的速度注入溫度較低的閉合模具型腔中,經(jīng)過一定時間的冷卻定型后，開啟模具即得制品。(3).塑料的處理：由于PET塑料瓶大分子中含有脂基，具有一定的親水性，粒料在高溫下對水比較敏感，當(dāng)水份含量超過極限時，在加工中PET塑料瓶分子量下降，制品帶色、變脆。因此，在加工前必須對物料進(jìn)行一定的干燥，其干燥溫度為150左右,4小時以上，

14、一般為170，3-4小時。可用空射法檢驗材料是否完全干燥。使用用料時要對原料進(jìn)行一定的干燥，保證生產(chǎn)的塑料瓶具有良好的產(chǎn)品性能。要注意不同的干燥溫度和時間限制，保證生產(chǎn)的塑料瓶具有良好的產(chǎn)品性能。回收料比例一般要超過25%，且要把回收料徹底干燥。(4).注射速度：要快，可防止注射時過早凝固。但過快，剪切率高使物料易碎。射料通常在4秒內(nèi)完成。(5).吹塑成型：簡稱吹塑。是利用氣體的壓力，將閉合在模具中的半溶融狀態(tài)的管狀型坯，吹脹成為中空塑料制品的成型方法吹塑成型適于不同口徑、不同容量的瓶、罐類塑料中空容器的成型，是生產(chǎn)率高，質(zhì)量易于控制的成型方法。吹塑成型的基本工藝條件，對不同的塑料材料、不同的

15、吹塑形式而有所不同。擠出吹塑：型坯溫度涉及因素較多，需實驗確定；吹塑壓力0.21MPa；模具溫度20一50；吹脹比24。注射吹塑：型坯注射壓力1040MPa；型坯溫度65135；吹塑壓力0.71.2MPa；吹塑模具溫度2060；吹脹比23。拉伸吹塑：不同塑料拉伸吹塑型坯溫度是不同的，如PET在90110范圍內(nèi)；空氣壓力，擠拉吹塑個小于0.2MPa，注拉吹塑一般調(diào)控在1.371.47MPa之內(nèi)。.注意事項：塑料瓶的生產(chǎn)工藝需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量體系進(jìn)行檢驗，保證生產(chǎn)的塑料具有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和保證。生產(chǎn)工藝是復(fù)雜的，需要不同的生產(chǎn)工序進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保每個工序進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保每個工序都嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)

16、。(7).塑料的吹脹比和延伸比吹脹比是中空容器的最大外形尺寸與型胚最大尺寸之比。一般取2-4。吹脹比過大會使容器的壁厚不均勻，加工條件不宜掌握。吹脹比表示中空容器的徑向最大尺寸和擠出機(jī)頭口模尺寸之間的關(guān)系。當(dāng)吹脹比確定后，即可根據(jù)塑料容器的最大直徑確定型胚的口模尺寸。中空容器的長度和型胚的長度之比叫延伸比。延伸比大的塑料中空容器其縱向和橫向強度都有提高，即壁越薄，強度越好。但為了保證剛度，延伸比不可太大。本次設(shè)計中，吹脹比取2，延伸比取2。圖2-3 吹塑比和延伸比2.2容器的尺寸確定本礦泉水瓶容量為600ML，根據(jù)成型工藝，選定瓶身為圓柱型。直徑65mm，高170mm。3.造型方案論證和造型設(shè)

17、計3.1瓶身設(shè)計此次設(shè)計時，瓶身主要形狀為圓柱形。瓶肩和瓶頸和瓶蓋是主要的設(shè)計要素，為了突出瓶蓋的不同本設(shè)計并不在瓶身設(shè)計裝飾花紋或者波紋，或者圓形的溝槽、鋸齒紋、剛性棱邊等，而是在瓶頸上增加了瓶型的美感，又符合人類工效學(xué)原理。如下所示：圖3-1 瓶身3.2包裝容器的瓶口和瓶蓋的設(shè)計圖3-2 瓶蓋瓶蓋的設(shè)計主要是包括外部結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，瓶蓋的外部主要是由圖3-2所示的兩部分組成，內(nèi)部設(shè)計有螺紋結(jié)構(gòu)，能夠與瓶體通過螺紋結(jié)構(gòu)連接在旋合在一起。兩部分的連接是依靠一個可以反復(fù)彎折的PP鉸鏈來完成的。消費者在飲用瓶內(nèi)的飲料時只要提前扭下整個瓶蓋把密封瓶體口部的封合膜揭下，在把瓶蓋整體擰上，在飲用

18、時只要把瓶蓋上部扳開就可以享受美味了。 瓶蓋的材料用PP聚丙烯其性能：聚丙烯（PP）作為熱塑塑料聚合物在塑料領(lǐng)域內(nèi)有十分廣泛的應(yīng)用，具有機(jī)械性能好、強度大、硬度高、有良好的剛性和抗彎性、150C不變形等特點。圖3-3 瓶口3.3內(nèi)包裝容器的瓶頸與瓶肩設(shè)計圖3-4 瓶肩結(jié)構(gòu)a.瓶肩斜度 b.瓶肩高度 c.瓶肩寬度 塑料瓶必須具有足夠的垂直負(fù)載強度才能承受加料嘴和壓蓋機(jī)構(gòu)的垂直壓力，而瓶體的支承力還可以增加外包裝瓦楞紙箱的抗壓強度。 瓶肩與瓶頸是形成瓶體垂直負(fù)載強度的關(guān)鍵部位。瓶肩和瓶頸在垂直負(fù)載的作用下易發(fā)生形變，瓶肩斜度、瓶肩高度、瓶肩寬度（瓶肩長度）是主要的影響因素。瓶肩寬度越大，瓶肩斜度越

19、大，垂直載荷強度越好。一般來說，瓶型的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜則應(yīng)力越集中，強度越小，瓶型越接近球形應(yīng)力集中越小，強度越大。瓶肩與瓶身結(jié)合部位，只要允許，應(yīng)盡量采用較大的過度半徑，以降低該處的應(yīng)力。3.4包裝容器的瓶底設(shè)計本次設(shè)計內(nèi)凹花瓣形底，因為塑料比較軟，最容易變形。所以必須在底部采用加強措施，使其垂直抗壓強度增加。所以花瓣底不僅穩(wěn)定性好而且增加了一定的強度，當(dāng)然此次設(shè)計最主要的是增加礦泉水瓶的穩(wěn)定性。圖3-5 瓶底結(jié)構(gòu)3.5包裝容器的壁厚分析中空吹塑制品，特別是擠出吹塑制品其壁厚一般難于達(dá)到均勻一致。所以，設(shè)計上給出的壁厚要求一般是指最小壁厚或平均壁厚。根據(jù)此次選用的材料為熱塑性塑料PET。因為熱塑性

20、塑料易于制成薄壁容器，最薄可以達(dá)到0.25mm,但是一般不宜小于0.6-0.9mm。(參考包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計課本P183)。此次設(shè)計時的壁厚選用瓶口和瓶底為1mm，瓶身壁厚為0.8mm。4.設(shè)計計算校核4.1容量計算(1).瓶口：V1=R2H=3.14*1.4*1.4*2.1=12.924cm3(2).瓶肩：V2=Ri2H=3.14*(5.342+4.842+4.342+3.842)/4=67.13cm3(3).瓶身：V3=R2H=3.14*3.25*3.25*17=563.826cm3(4).瓶底：V4=R2Hr2H=（3.14*2.422*13.14*12*1）/2=7.6cm3滿口容量為：Va

21、=V1+V2+V3+V4=12.924+67.13+563.826+7.6=651.48cm3(6).理論的頂隙容量：Vh=Kv*Vo=2%*600=12ml4.2容量誤差計算V=Va-Vh-Vo=651.48-12-600=39.48ml4.3單個塑料瓶的塑料用量計算(1).瓶口：V1=R2H=3.14*1.4*1.4*2.1=12.924cm3(2).瓶肩：V2=Ri2H=3.14*(5.52+52+4.52+42)/4=71.81cm3(3).瓶身：V3=R2H=3.14*3.25*3.25*17=563.826cm3(4).瓶底：V4=R2Hr2H=（3.14*2.52*13.14*12*1）/2=8.24cm3 (5).總的體積為：Vb=V1+V2+V3+V4=12.92