醫(yī)藥瓶蓋內(nèi)側(cè)進(jìn)澆的延伸式熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳劍玲，陳劍梅

(1．廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 南寧 530007； 2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育中心，廣西 南寧 530007)

0 前言

熱流道注塑模具能縮短制件成型周期、節(jié)省塑料原料、提高產(chǎn)品品質(zhì)、易于生產(chǎn)自動(dòng)化，所以在注塑成型中應(yīng)用日漸廣泛。但對(duì)于許多包裝類(lèi)制品和其他小型零件如各種瓶蓋，隨著客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和審美要求的提高，瓶蓋正面不允許留下澆口痕跡，此類(lèi)內(nèi)側(cè)進(jìn)澆產(chǎn)品的多腔熱流道模具在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的受到很大限制。

本文以醫(yī)藥瓶蓋內(nèi)側(cè)進(jìn)澆注塑模具應(yīng)用熱流道技術(shù)為例，重點(diǎn)研究了延伸式熱流道系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品為聚丙烯(PP)醫(yī)藥品包裝用的30 mL瓶蓋件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該制品外部尺寸為φ25.70 mm，內(nèi)側(cè)尺寸為φ20.70 mm，總高為21 mm，產(chǎn)品約重4 g。結(jié)構(gòu)上分析，產(chǎn)品內(nèi)表面底部有環(huán)形凸起，尺寸為φ8 mm高4.4 mm；出于藥品密封要求的旋緊功能，產(chǎn)品內(nèi)側(cè)需成型右旋螺紋,制品口部設(shè)計(jì)有6個(gè)3 mm×1.2 mm的方形凹槽，用于脫模時(shí)留在在螺紋型芯上的塑件止轉(zhuǎn)。

(a)產(chǎn)品二維圖 (b)產(chǎn)品三維圖圖1 醫(yī)藥包裝用的30 mL瓶蓋產(chǎn)品圖Fig.1 Product structure of medical bottle caps

2 注塑難點(diǎn)及工藝方案確定

產(chǎn)品材料為PP，收縮率在1.0 %～2.5 %之間，從加工性能分析，熔料流動(dòng)性好，吸水性小，容易成型。但PP收縮率大，采用冷流道注射成型時(shí)易發(fā)生凹陷縮孔。并且，當(dāng)成型溫度低時(shí)產(chǎn)品冷卻速度快，易產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，故在成型時(shí)需注意控制成型溫度。

根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合及使用要求，該產(chǎn)品尺寸精度和外觀(guān)要求高，不允許外表面進(jìn)澆，且要求制品表面光潔無(wú)毛刺、凹孔、縮痕和變形。塑件的生產(chǎn)任務(wù)為年產(chǎn)量1 000 000件，針對(duì)高產(chǎn)量和高質(zhì)量要求，宜使用多腔熱流道注塑技術(shù)。

產(chǎn)品總尺寸不大，由于澆口設(shè)置要求，只能從產(chǎn)品內(nèi)側(cè)的狹小型腔設(shè)計(jì)熱流道系統(tǒng)的熱嘴，不僅需要解決熱嘴安放空間不足和型腔排列緊密的問(wèn)題，而且需要精確控制多腔熱嘴的塑料溫度和流動(dòng)平衡，故注塑成型此類(lèi)產(chǎn)品對(duì)熱流道技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，以下側(cè)重詳述所設(shè)計(jì)的延伸式熱流道系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

3 熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 熱流道系統(tǒng)的熱上模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)為一模八腔均衡布置，裝配了H型熱流道系統(tǒng)的熱上模結(jié)構(gòu)如圖2所示。支承板件有定模座板1、熱流道支撐板18、熱嘴固定板11；組成熱流道系統(tǒng)的部件有熱流道板4、主噴嘴6、延伸式熱噴嘴15、熱流道板加熱器2、支撐零件及溫控元件。為準(zhǔn)確監(jiān)控流道內(nèi)熔融塑料溫度，該系統(tǒng)共設(shè)10個(gè)溫控區(qū)。熱流道板4在中心定位塊12和銷(xiāo)釘10作用下可靠定位，四周用8顆緊固螺釘8將其安裝在熱嘴固定板上。熱流道支撐板18上開(kāi)設(shè)出線(xiàn)槽，配合壓線(xiàn)片19，將熱流道系統(tǒng)所有溫控元件的線(xiàn)路引出外接溫控聯(lián)接器。

1—定模座板 2—熱流道板加熱器 3—承壓塊 4—熱流道板 5—螺釘 6—主噴嘴 7—定位圈 8—螺釘 9—定位導(dǎo)柱 10—銷(xiāo) 11—熱嘴固定板 12—中心定位塊 13—熱嘴定位環(huán) 14—螺釘 15—延伸式熱噴嘴 16—熱噴嘴溫控線(xiàn)路 17—流道塞頭 18—熱流道支撐板 19—壓線(xiàn)片 20—熱噴嘴出線(xiàn)端(a)主視圖 (b)左視圖圖2 熱流道系統(tǒng)熱上模組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Component structure of hot half mold with hot runner system inside

3.2 熱流道板設(shè)計(jì)

如圖3所示，熱流道板4采用H型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，單側(cè)一級(jí)流道下設(shè)4個(gè)熱嘴總共需8點(diǎn)進(jìn)膠。采用中心定位墊塊12和圓柱銷(xiāo)10槽型定位的方式防止熱流道板轉(zhuǎn)動(dòng)及整體偏移，中心定位墊塊12與熱嘴固定板11采用H7/g6過(guò)渡配合。

圖3 H型熱流道板的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of H type manifold

熱流道板選用加熱器的功率需大于加熱升溫?zé)崃鞯腊逅璧臒崃?，一般按?1)來(lái)計(jì)算[2]：

(1)

式中P——加熱功率，kW

T——熱流道板所需加熱的溫度(熱流道板溫度減去室溫)， ℃

G——熱流道板的質(zhì)量，kg

t——升溫時(shí)間，h

η——熱效率，一般為0.2～0.3

該熱流道板約重10 kg，熱流道板工作溫度設(shè)為230 ℃，設(shè)定需0.5 h從室溫20 ℃升溫到工作溫度,所需熱流道板的加熱器功率至少為：P=0.115×10×(230-20)/(860×0.5×0.2)=2.80 kW

選用4根800 W的管型加熱器上下左右對(duì)稱(chēng)布置，根據(jù)熱流道板內(nèi)流道的分布和方向彎繞，另用黃銅壓條緊固壓入槽中的發(fā)熱器，能增加加熱器與熱流道板之間的接觸面積，獲得較好的熱傳遞效果。

3.3 延伸式熱噴嘴設(shè)計(jì)

熱噴嘴組成的零部件主要包含有熱噴嘴主體、熱嘴尖、加熱器及溫控零件。加熱器及溫控零件需纏繞設(shè)置在熱噴嘴主體上，熱嘴尖與熱噴嘴主體緊密聯(lián)接傳遞熱量，保證熔融的塑料輸送到澆口實(shí)現(xiàn)注射。如圖2熱流道系統(tǒng)的熱上模結(jié)構(gòu)所示，因該延伸式熱噴嘴15較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)熱嘴定位環(huán)13和緊固螺釘14不僅可實(shí)現(xiàn)熱噴嘴的裝配定位，并且能支撐定模型芯防止高速高壓注塑時(shí)的反作用力。

塑件材料、澆口形式和產(chǎn)品的使用特性是設(shè)計(jì)熱嘴尖結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵因素。如圖4所示，因澆口設(shè)在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)狹小的螺紋型芯鑲件9內(nèi)，熱噴嘴主體10的安放空間受限，熱嘴尖需要從熱嘴主體10加長(zhǎng)延伸，才能將物料送達(dá)澆口。又因常用點(diǎn)澆口的尖形熱嘴尖出膠拐角和壓力損失過(guò)多，易成型不順或換色困難，故參考?jí)毫p失最少的開(kāi)放式熱嘴尖結(jié)構(gòu)，將熱嘴尖改良設(shè)計(jì)成延伸的開(kāi)放式直通弧形嘴尖12，物料流動(dòng)通暢并利于保壓補(bǔ)縮。

1—水路密封圈 2—?jiǎng)幽Ｐ颓昏偧?3—瓶蓋制品 4—定模冷卻鑲件 5—螺紋脫模鑲件 6—襯套 7—彈簧 8—熱嘴隔熱環(huán)套 9—螺紋型芯鑲件 10—熱噴嘴主體 11—熱嘴密封圈 12—延伸式熱嘴尖 13—冷卻水槽圖4 延伸式熱噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Structure of designed extending nozzle

熱嘴尖12選用熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異的鈹銅保證料流前端熔融。熱嘴與螺紋型芯鑲件之間設(shè)置熱嘴隔熱環(huán)套8，開(kāi)設(shè)若干環(huán)槽以減少熱嘴與模具接觸的熱量損失。

熱嘴加熱器的功率選用應(yīng)參考發(fā)熱部分的線(xiàn)性長(zhǎng)度和發(fā)熱貼合面積，該延伸式直通熱噴嘴主體加熱部分長(zhǎng)為120 mm，為保證熱嘴流道內(nèi)塑料熔融，并能將熱量傳遞到延伸的熱嘴尖，選用橫截面為4 mm×4 mm的400 W螺旋型加熱器。

3.4 澆口設(shè)計(jì)

因產(chǎn)品內(nèi)表面底部有環(huán)狀凸起，熱嘴尖開(kāi)設(shè)相應(yīng)的嘴腔若延伸到制品底部，則模具腔壁強(qiáng)度不足成型時(shí)極易破裂，故采用一段錐型冷流道直通式澆口與熱噴嘴過(guò)渡，如圖5所示，設(shè)計(jì)的澆口大小為φ1.2 mm，斷裂分離高度為0.2 mm。

圖5 澆口方案及尺寸設(shè)計(jì)Fig.5 Design of hot-tip gate with sizes

3.5 主要部件的熱膨脹量計(jì)算

熱流道板和熱噴嘴在模具工作時(shí)會(huì)受熱膨脹，所以模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)算膨脹量，修正設(shè)計(jì)尺寸。一般，鋼材熱膨脹變形量按式(2)計(jì)算[2]：

δ=L×(T1-T2)×α

(2)

式中δ——膨脹變形量，mm

α——鋼材熱膨脹系數(shù)，取值1.2×10-5℃-1

T1——熱流道板溫度， ℃

T2——模具型腔板的溫度， ℃

L——澆口中心距離或熱嘴長(zhǎng)度，mm

3.5.1 熱流道板的熱膨脹量計(jì)算

為保持流道內(nèi)物料熔融，熱流道板在220～270 ℃的溫度區(qū)域工作，本例熱流道板400 mm×140 mm×45 mm，以長(zhǎng)度方向膨脹最甚作為主要計(jì)算。模具共設(shè)8個(gè)澆口(G1～G8),其中G1和G4澆口距離最遠(yuǎn)為300 mm，以模具溫度為60 ℃，熱流道板溫度為250 ℃計(jì)算, G1、G4澆口間距的熱膨脹量為：δ1=150×(250-60)×1.2×10-5=0.34 mm

同理，可計(jì)算其他澆口間距長(zhǎng)度方向熱膨脹量。

熱流道板實(shí)際加工的各澆口位置應(yīng)參照熱膨脹量的計(jì)算值，將每個(gè)熱噴嘴與中心主噴嘴的距離進(jìn)行修正。

在裝配熱流道系統(tǒng)時(shí)，預(yù)留熱流道板厚度方向0.1 mm的膨脹間隙，如圖6所示。為保證裝配精度，要求將8個(gè)隔熱支承塊在同一個(gè)平面磨平預(yù)留此間隙。

1—定模座板 2—圓柱銷(xiāo) 4—隔熱支承塊 5—熱流道板圖6 熱流道板預(yù)留厚度方向的膨脹間隙Fig.6 Retained expansion for manifold thickness

3.5.2 熱噴嘴熱膨脹量計(jì)算

熱噴嘴以長(zhǎng)度方向的熱膨脹為主，該延伸式熱噴嘴長(zhǎng)165 mm，按式(2)，溫度達(dá)250 ℃時(shí)其熱膨脹量δ2=165×(250-60)×1.2×10-5=0.342 mm。

在裝配熱噴嘴時(shí)，在澆口位置處應(yīng)預(yù)留0.342 mm的膨脹間隙。表1所示為PP材料加工過(guò)程中，熱噴嘴在不同工作溫度時(shí)的熱膨脹量，供生產(chǎn)調(diào)試時(shí)參考。

表1 延伸式熱噴嘴在不同溫度受熱時(shí)長(zhǎng)度的熱膨脹量Tab.1 The length expansion of heated extending nozzle at different degree

4 延伸式熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

因產(chǎn)品進(jìn)澆位置特殊和模具狹小型腔的結(jié)構(gòu)，采用的延伸式熱流道系統(tǒng)需要解決好熱流道零部件的選用與安放、物料流動(dòng)平衡和熱量傳導(dǎo)等問(wèn)題。

(1)熱流道模具對(duì)澆口的尺寸設(shè)計(jì)和溫控要求較高，既要保證注射和保壓時(shí)澆口處的物料熔融，又要保證成型冷卻后澆口能與產(chǎn)品斷裂分離，故在模具澆口附近增設(shè)定模和動(dòng)模的冷卻鑲件。

(2)為保證物料熔融及受熱均勻，加熱器的功率需滿(mǎn)足升溫要求，并沿著流道外側(cè)合理繞制。尤其對(duì)于需熱量傳導(dǎo)控溫的延伸式熱嘴尖，不僅要合理設(shè)計(jì)及選材，并適當(dāng)調(diào)整熱嘴主體上加熱器的纏繞分布。

(3)防止熔體泄露。在熔體流經(jīng)每?jī)蓚€(gè)零件聯(lián)結(jié)處都有熔體泄露的可能性，不僅需增設(shè)密封圈，各關(guān)鍵零部件要求較高的加工精度及裝配精度。

(4)該多腔熱流道系統(tǒng)共設(shè)10個(gè)加熱溫控區(qū)域，需合理排布出線(xiàn)，并在熱流道支撐板上開(kāi)設(shè)引導(dǎo)線(xiàn)槽和接線(xiàn)盒。

(5)為避免熱散失和保證加熱器額定功率，熱流道系統(tǒng)與其他模具零件之間應(yīng)能較好的隔熱。除定位、支撐、型腔密封等需要接觸的部位外，熱流道板采用空氣隔熱間隙10 mm。

5 結(jié)論

(1)本項(xiàng)醫(yī)藥瓶蓋延伸式熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了因塑件從內(nèi)側(cè)進(jìn)膠導(dǎo)致型腔空間不夠安放熱噴嘴的問(wèn)題；

(2)創(chuàng)新設(shè)計(jì)延伸的開(kāi)放式直通弧形熱嘴，能保證熔體流動(dòng)順暢，冷卻時(shí)產(chǎn)品在型腔內(nèi)得到足夠的保壓補(bǔ)縮，成品的表面質(zhì)量和光潔度更好；

(3)經(jīng)模具投產(chǎn)使用運(yùn)行良好，能滿(mǎn)足高效量產(chǎn)的全自動(dòng)化需求，有利于客戶(hù)縮短設(shè)計(jì)、加工和生產(chǎn)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。