碗的熱流道多腔注射模設(shè)計(jì)

羅才益，廖春玲

（1.陽江市太仕模具有限公司，廣東陽江 529500；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510515）

0 前言

塑料碗因其不會(huì)輕易摔壞，即使破裂也不會(huì)如瓷碗那樣成碎片、容易傷人，目前正被大量使用。圖1所示為一款常用于餐飲盛放、儲(chǔ)存的中號(hào)塑料碗，具有很大的社會(huì)需求。

對于如圖1所示的碗類小體積塑件，實(shí)現(xiàn)程短流或無澆注系統(tǒng)凝料注射成型，是縮短生產(chǎn)周期、降低成本的最有效方法。熱流道注射成型技術(shù)，因其澆注系統(tǒng)粗大且處于最佳的熔融狀態(tài)，無需進(jìn)行冷卻；同時(shí)，碗外表面底部允許有少許澆口殘余，所以碗模采用熱流道注射成型是合適的[1-3]。

圖1 碗

1 塑件分析與模具結(jié)構(gòu)

1.1 塑件分析

圖1（a）所示的碗塑件，要求外表面光潔度高，無毒害，符合國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。常用材料為聚丙烯（PP），具有抗腐蝕、防銹、輕便、耐高溫、表面光潔度高，熱穩(wěn)定性、熱熔率低和表面平滑性能優(yōu)良，并經(jīng)食品等級(jí)認(rèn)可等優(yōu)點(diǎn)。它的尺寸如圖1（b）。

使用UG軟件分析模塊對所造型塑件分析。依次點(diǎn)選菜單“編輯→特征→實(shí)體密度”，在“指派實(shí)體密度”對話框中：（1）選取三維碗模型；（2）在“實(shí)體密度”空白框中輸入“0.9”；（3）在“單位”中下拉選取“克-厘米”；（4）點(diǎn)“確定”按鈕退出。依次點(diǎn)選菜單“分析→測量體”，選取三維碗模型，可查得體積為41 cm3，質(zhì)量為36.92 g。

從圖1（b）可見，該餐碗壁厚為1.8 cm，較均勻，碗沿是圓弧狀，以加強(qiáng)其受力強(qiáng)度，整個(gè)形體結(jié)構(gòu)比較簡單。

1.2 模具結(jié)構(gòu)

本例熱流道碗模結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的特點(diǎn)是：一次注射成型四個(gè)產(chǎn)品；熱流道所在流道板的加熱采用電加熱方式；為保證熱流道板16和模具定模底板29、熱流道固定模板30的絕熱，在它們之間留有間隙，以空氣防止熱的傳導(dǎo)。為了方便加工、便于脫模，且保證有高的精度，達(dá)到在合模時(shí)有高精度的對中，在凹模所在的定模板32和脫件板34上分別裝有導(dǎo)正塊12、導(dǎo)正槽4。

為便于裝調(diào)、維修模具熱流道系統(tǒng)，在定模板29、熱流道固定板30、定模板32間，采用了4套由導(dǎo)柱I10、導(dǎo)套I11、導(dǎo)套II15組成的導(dǎo)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝調(diào)、維修時(shí)的快速導(dǎo)正；在脫件板34上裝有8支導(dǎo)柱III43，以保證開合模時(shí)型芯3和型腔I5的配合。

對模具采用UG NX8.0進(jìn)行造型，其結(jié)果如圖3。

2 熱流道澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱流道尺寸計(jì)算

塑料熔體的比容積是熔體溫度和壓力的函數(shù)，其值可用斯賓塞狀態(tài)方程計(jì)算[4]，即：

變換（1）式得：

其中：P1——熔體在流道中所受的外部壓力，MPa，取P1=80 MPa；

P2——熔體在流道中所受的內(nèi)部壓力，MPa，取P2=25.3 MPa；

V——熔體在該狀態(tài)下的容積，cm3/g；

ω——熔體在-273℃下的比容，cm3/g，查表得 ω=0.992 cm3/g；

R'——修正的氣體常數(shù)，查表得R'=0.229 cm3/g；

T——熔體絕對溫度，取T=493 K。將以上參數(shù)代入（2）式計(jì)算得：

圖2 熱流道碗模具結(jié)構(gòu)

圖3 熱流道碗模具3D圖

單個(gè)制品的質(zhì)量為36.92 g，查文獻(xiàn)[5]，取注射時(shí)間1秒，則注射時(shí)熔體體積流率為：

主流道熔體體積流率：Q主=Q=152.41cm3s；

分流道熔體體積流率：Q分=Q 4=38.1cm3s；

澆口熔體體積流率：Q澆=Q 4=38.1cm3s。

使用塑料模設(shè)計(jì)手冊中熱澆道的設(shè)計(jì)公式計(jì)算流道直徑，可得：

2.2 熱流道板的加熱

本例碗模熱流道板加熱選用能彎曲成各種形狀鑲嵌在流道板溝槽內(nèi)的管狀電熱管的外加熱方式[4]，如圖4所示。

考慮到開機(jī)時(shí)的熱流道板最大加熱功率、加熱穩(wěn)定后補(bǔ)償和維持模具溫度所需的加熱功率，熱流道板最大加熱功率計(jì)算式為[6]：

圖4 電熱管的布置

其中：P——加熱功率，W；

t——熱流道板所需升高的溫度，℃，取t=210℃

W——熱流道板的質(zhì)量（包括緊固螺釘在內(nèi)），kg，W=24.2 kg；

T——升溫時(shí)間，取T=0.5 h；

η——熱效率（從實(shí)際統(tǒng)計(jì)約為0.2～0.3），出于穩(wěn)妥考慮，在此取η=0.2；

A——熱流道板的表面積，cm2，A=1 379 cm2；

a—支撐物的接觸面積，m2；

t'——熱流道板與模具的溫差，℃，取t'=180℃；

λ—支撐物的熱傳導(dǎo)系數(shù)，選擇DN1.2312鋼， λ=35W/（m·K）；

l——支撐物的高度，m；

1.1 ——加熱的時(shí)候需要留有10%的余量。

本例碗模中會(huì)造成熱流道板熱損失的零件有：4件下隔熱墊17，4件上隔熱墊19，它們單件與熱流道板接觸面積為a=6.6×10-4m2；1件中心墊塊20與熱流道板接觸面積為a=5.1×10-4m2。

將上述參數(shù)代入公式（4），得熱流道板在初始升溫時(shí)加熱功率最大，是：P=11.4 kW。

維持正常工作所需的加熱功率為：

2.3 熱流道板實(shí)際加熱功率的校核

本例中采用8根電熱管加熱，每根熱管長度為1 335 mm，有效長度為460 mm，管徑為8.5mm，最大功率密度為18 W/cm2，則加熱管總功率為：

8×3.14×0.85×46×18=17.7 kW。

大于加熱時(shí)所需的最大功率11.4 kW，符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 流道板的熱膨脹補(bǔ)償

為避免熱流道板在模具工作時(shí)，因熱流道板與型腔板的熱膨脹率不同、溫差大等，造成流道軸線與噴嘴軸線不同軸。在模具安裝時(shí)，應(yīng)使流道軸線與模具軸線之間的距離小于噴嘴軸線至模具軸線的距離，如圖5所示。以保證熱流道板被加熱后，熱流道板和熱噴嘴之間的平面相對滑移，完成橫向熱膨脹補(bǔ)償。

流道軸線與模具軸線的距離可由下式進(jìn)行計(jì)算：

圖5 熱膨脹補(bǔ)償

其中：LR——室溫下流道軸線至模具軸線的距離，mm；

LF——室溫下熱噴嘴軸線至模具軸線的距離，mm；

a——熱膨脹系數(shù)，K-1，查表得：a=1.3×10-5K-1；

TR——熱流道板的溫度，℃，取210℃；

TF——模具的溫度，℃，取30℃。

把模具軸線與各熱噴嘴軸線的距離代入上述公式（6），得到各熱噴嘴流道軸線與模具軸線間的距離。

3 模具工作過程

模具在開模時(shí)，從分型面Ⅰ—Ⅰ處分開，塑件在收縮力作用下包緊型芯3，隨動(dòng)模向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)下行一定距離后，固定在定模板32上的拉板38拉動(dòng)脫件板34，使塑件8從型芯3上脫出，實(shí)現(xiàn)制品的自動(dòng)脫模。

合模時(shí)，在導(dǎo)正槽4、導(dǎo)正塊7、導(dǎo)套III33、導(dǎo)柱II35、導(dǎo)套IV36的共同作用下，保證了合模的準(zhǔn)確、產(chǎn)品壁厚的均勻，從而使制品合格。

4 結(jié)束語

塑料碗的注射模設(shè)計(jì)，采用了熱流道一模四腔組合式型腔制模工藝，配合由二套8副導(dǎo)柱導(dǎo)套組成的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，四套由導(dǎo)正塊導(dǎo)正槽組成的快速定位機(jī)構(gòu)，及推件板的快速導(dǎo)正用導(dǎo)柱共同組成的導(dǎo)向控制系統(tǒng)，合理的熱流道設(shè)計(jì)、優(yōu)化的分型脫模機(jī)構(gòu)，使注射塑件質(zhì)量得到提高，同時(shí)減少了模具頻繁的維護(hù)修理。

采用熱流道技術(shù)雖然增加了模具制造的難度和復(fù)雜性，但在大批量生產(chǎn)條件下，它減少流道廢料，縮短成型周期，提高塑件質(zhì)量，降低成本，提高效益的優(yōu)越性還是顯而易見的。

［1］何冰強(qiáng).塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

［2］何冰強(qiáng)，廖春玲，肖國權(quán).餐具盒熱流道注射模具設(shè)計(jì)［J］.工程塑料應(yīng)用，2012（12）：68-71.

［3］高漢華，何冰強(qiáng).塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)：第二版［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2009.

［4］塑料模設(shè)計(jì)手冊編寫組.塑料模設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］王建華，徐佩弦.注塑模的熱流道技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］弗倫克勒，扎為斯托夫斯基.注射模具的熱流道［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.