碗的熱流道多腔注射模設計

羅才益，廖春玲

（1.陽江市太仕模具有限公司，廣東陽江 529500；2.廣東機電職業技術學院，廣東廣州 510515）

0 前言

塑料碗因其不會輕易摔壞，即使破裂也不會如瓷碗那樣成碎片、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、儲存的中號塑料碗，具有很大的社會需求。

對于如圖1所示的碗類小體積塑件，實現程短流或無澆注系統凝料注射成型，是縮短生產周期、降低成本的最有效方法。熱流道注射成型技術，因其澆注系統粗大且處于最佳的熔融狀態，無需進行冷卻；同時，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 塑件分析與模具結構

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，符合國家衛生標準。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，熱穩定性、熱熔率低和表面平滑性能優良，并經食品等級認可等優點。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。依次點選菜單“編輯→特征→實體密度”，在“指派實體密度”對話框中：（1）選取三維碗模型；（2）在“實體密度”空白框中輸入“0.9”；（3）在“單位”中下拉選取“克-厘米”；（4）點“確定”按鈕退出。依次點選菜單“分析→測量體”，選取三維碗模型，可查得體積為41 cm3，質量為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，以加強其受力強度，整個形體結構比較簡單。

1.2 模具結構

本例熱流道碗模結構如圖2所示。它的特點是：一次注射成型四個產品；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。為了方便加工、便于脫模，且保證有高的精度，達到在合模時有高精度的對中，在凹模所在的定模板32和脫件板34上分別裝有導正塊12、導正槽4。

為便于裝調、維修模具熱流道系統，在定模板29、熱流道固定板30、定模板32間，采用了4套由導柱I10、導套I11、導套II15組成的導向系統，實現裝調、維修時的快速導正；在脫件板34上裝有8支導柱III43，以保證開合模時型芯3和型腔I5的配合。

對模具采用UG NX8.0進行造型，其結果如圖3。

2 熱流道澆注系統設計

2.1 熱流道尺寸計算

塑料熔體的比容積是熔體溫度和壓力的函數，其值可用斯賓塞狀態方程計算[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部壓力，MPa，取P2=25.3 MPa；

V——熔體在該狀態下的容積，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，查表得R'=0.229 cm3/g；

T——熔體絕對溫度，取T=493 K。將以上參數代入（2）式計算得：

圖2 熱流道碗模具結構

圖3 熱流道碗模具3D圖

單個制品的質量為36.92 g，查文獻[5]，取注射時間1秒，則注射時熔體體積流率為：

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。

使用塑料模設計手冊中熱澆道的設計公式計算流道直徑，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的管狀電熱管的外加熱方式[4]，如圖4所示。

考慮到開機時的熱流道板最大加熱功率、加熱穩定后補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——熱流道板的質量（包括緊固螺釘在內），kg，W=24.2 kg；

T——升溫時間，取T=0.5 h；

η——熱效率（從實際統計約為0.2～0.3），出于穩妥考慮，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—支撐物的熱傳導系數，選擇DN1.2312鋼， λ=35W/（m·K）；

l——支撐物的高度，m；

1.1 ——加熱的時候需要留有10%的余量。

本例碗模中會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。

將上述參數代入公式（4），得熱流道板在初始升溫時加熱功率最大，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。

大于加熱時所需的最大功率11.4 kW，符合設計要求。

2.4 流道板的熱膨脹補償

為避免熱流道板在模具工作時，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，應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，完成橫向熱膨脹補償。

流道軸線與模具軸線的距離可由下式進行計算：

圖5 熱膨脹補償

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，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，從分型面Ⅰ—Ⅰ處分開，塑件在收縮力作用下包緊型芯3，隨動模向下運動。當下行一定距離后，固定在定模板32上的拉板38拉動脫件板34，使塑件8從型芯3上脫出，實現制品的自動脫模。

合模時，在導正槽4、導正塊7、導套III33、導柱II35、導套IV36的共同作用下，保證了合模的準確、產品壁厚的均勻，從而使制品合格。

4 結束語

塑料碗的注射模設計，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副導柱導套組成的導向機構，四套由導正塊導正槽組成的快速定位機構，及推件板的快速導正用導柱共同組成的導向控制系統，合理的熱流道設計、優化的分型脫模機構，使注射塑件質量得到提高，同時減少了模具頻繁的維護修理。

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

［1］何冰強.塑料成型工藝與模具設計［M］.上海：上海交通大學出版社，2011.

［2］何冰強，廖春玲，肖國權.餐具盒熱流道注射模具設計［J］.工程塑料應用，2012（12）：68-71.

［3］高漢華，何冰強.塑料成型工藝與模具設計：第二版［M］.大連：大連理工大學出版社，2009.

［4］塑料模設計手冊編寫組.塑料模設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］王建華，徐佩弦.注塑模的熱流道技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

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