醫藥瓶蓋內側進澆的延伸式熱流道系統設計

陳劍玲，陳劍梅

(1．廣西機電職業技術學院機械工程系，廣西 南寧 530007； 2.廣西建設職業技術學院繼續教育中心，廣西 南寧 530007)

0 前言

熱流道注塑模具能縮短制件成型周期、節省塑料原料、提高產品品質、易于生產自動化，所以在注塑成型中應用日漸廣泛。但對于許多包裝類制品和其他小型零件如各種瓶蓋，隨著客戶對產品質量和審美要求的提高，瓶蓋正面不允許留下澆口痕跡，此類內側進澆產品的多腔熱流道模具在結構和技術上的受到很大限制。

本文以醫藥瓶蓋內側進澆注塑模具應用熱流道技術為例，重點研究了延伸式熱流道系統關鍵零部件的結構設計和相關計算。

1 塑件結構分析

產品為聚丙烯(PP)醫藥品包裝用的30 mL瓶蓋件，結構如圖1所示。該制品外部尺寸為φ25.70 mm，內側尺寸為φ20.70 mm，總高為21 mm，產品約重4 g。結構上分析，產品內表面底部有環形凸起，尺寸為φ8 mm高4.4 mm；出于藥品密封要求的旋緊功能，產品內側需成型右旋螺紋,制品口部設計有6個3 mm×1.2 mm的方形凹槽，用于脫模時留在在螺紋型芯上的塑件止轉。

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

2 注塑難點及工藝方案確定

產品材料為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易發生凹陷縮孔。并且，當成型溫度低時產品冷卻速度快，易產生殘余內應力，故在成型時需注意控制成型溫度。

根據產品應用場合及使用要求，該產品尺寸精度和外觀要求高，不允許外表面進澆，且要求制品表面光潔無毛刺、凹孔、縮痕和變形。塑件的生產任務為年產量1 000 000件，針對高產量和高質量要求，宜使用多腔熱流道注塑技術。

產品總尺寸不大，由于澆口設置要求，只能從產品內側的狹小型腔設計熱流道系統的熱嘴，不僅需要解決熱嘴安放空間不足和型腔排列緊密的問題，而且需要精確控制多腔熱嘴的塑料溫度和流動平衡，故注塑成型此類產品對熱流道技術提出了新的挑戰，以下側重詳述所設計的延伸式熱流道系統各關鍵部件的結構及應用。

3 熱流道系統設計

3.1 熱流道系統的熱上模結構設計

模具結構為一模八腔均衡布置，裝配了H型熱流道系統的熱上模結構如圖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。為準確監控流道內熔融塑料溫度，該系統共設10個溫控區。熱流道板4在中心定位塊12和銷釘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上開設出線槽，配合壓線片19，將熱流道系統所有溫控元件的線路引出外接溫控聯接器。

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—定位導柱 10—銷 11—熱嘴固定板 12—中心定位塊 13—熱嘴定位環 14—螺釘 15—延伸式熱噴嘴 16—熱噴嘴溫控線路 17—流道塞頭 18—熱流道支撐板 19—壓線片 20—熱噴嘴出線端(a)主視圖 (b)左視圖圖2 熱流道系統熱上模組成結構圖Fig.2 Component structure of hot half mold with hot runner system inside

3.2 熱流道板設計

如圖3所示，熱流道板4采用H型對稱結構，單側一級流道下設4個熱嘴總共需8點進膠。采用中心定位墊塊12和圓柱銷10槽型定位的方式防止熱流道板轉動及整體偏移，中心定位墊塊12與熱嘴固定板11采用H7/g6過渡配合。

圖3 H型熱流道板的結構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熱流道板所需的熱量，一般按式(1)來計算[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——熱流道板的質量，kg

t——升溫時間，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為230 ℃，設定需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稱布置，根據熱流道板內流道的分布和方向彎繞，另用黃銅壓條緊固壓入槽中的發熱器，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 延伸式熱噴嘴設計

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置在熱噴嘴主體上，熱嘴尖與熱噴嘴主體緊密聯接傳遞熱量，保證熔融的塑料輸送到澆口實現注射。如圖2熱流道系統的熱上模結構所示，因該延伸式熱噴嘴15較長，設計熱嘴定位環13和緊固螺釘14不僅可實現熱噴嘴的裝配定位，并且能支撐定模型芯防止高速高壓注塑時的反作用力。

塑件材料、澆口形式和產品的使用特性是設計熱嘴尖結構形式的關鍵因素。如圖4所示，因澆口設在產品內側狹小的螺紋型芯鑲件9內，熱噴嘴主體10的安放空間受限，熱嘴尖需要從熱嘴主體10加長延伸，才能將物料送達澆口。又因常用點澆口的尖形熱嘴尖出膠拐角和壓力損失過多，易成型不順或換色困難，故參考壓力損失最少的開放式熱嘴尖結構，將熱嘴尖改良設計成延伸的開放式直通弧形嘴尖12，物料流動通暢并利于保壓補縮。

1—水路密封圈 2—動模型腔鑲件 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 延伸式熱噴嘴結構設計圖Fig.4 Structure of designed extending nozzle

熱嘴尖12選用熱傳導性能優異的鈹銅保證料流前端熔融。熱嘴與螺紋型芯鑲件之間設置熱嘴隔熱環套8，開設若干環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參考發熱部分的線性長度和發熱貼合面積，該延伸式直通熱噴嘴主體加熱部分長為120 mm，為保證熱嘴流道內塑料熔融，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 澆口設計

因產品內表面底部有環狀凸起，熱嘴尖開設相應的嘴腔若延伸到制品底部，則模具腔壁強度不足成型時極易破裂，故采用一段錐型冷流道直通式澆口與熱噴嘴過渡，如圖5所示，設計的澆口大小為φ1.2 mm，斷裂分離高度為0.2 mm。

圖5 澆口方案及尺寸設計Fig.5 Design of hot-tip gate with sizes

3.5 主要部件的熱膨脹量計算

熱流道板和熱噴嘴在模具工作時會受熱膨脹，所以模具設計時應預算膨脹量，修正設計尺寸。一般，鋼材熱膨脹變形量按式(2)計算[2]：

δ=L×(T1-T2)×α

(2)

式中δ——膨脹變形量，mm

α——鋼材熱膨脹系數，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度，mm

3.5.1 熱流道板的熱膨脹量計算

為保持流道內物料熔融，熱流道板在220～270 ℃的溫度區域工作，本例熱流道板400 mm×140 mm×45 mm，以長度方向膨脹最甚作為主要計算。模具共設8個澆口(G1～G8),其中G1和G4澆口距離最遠為300 mm，以模具溫度為60 ℃，熱流道板溫度為250 ℃計算, 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，可計算其他澆口間距長度方向熱膨脹量。

熱流道板實際加工的各澆口位置應參照熱膨脹量的計算值，將每個熱噴嘴與中心主噴嘴的距離進行修正。

在裝配熱流道系統時，預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個隔熱支承塊在同一個平面磨平預留此間隙。

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

3.5.2 熱噴嘴熱膨脹量計算

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

在裝配熱噴嘴時，在澆口位置處應預留0.342 mm的膨脹間隙。表1所示為PP材料加工過程中，熱噴嘴在不同工作溫度時的熱膨脹量，供生產調試時參考。

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

4 延伸式熱流道系統設計中的注意事項

因產品進澆位置特殊和模具狹小型腔的結構，采用的延伸式熱流道系統需要解決好熱流道零部件的選用與安放、物料流動平衡和熱量傳導等問題。

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

(2)為保證物料熔融及受熱均勻，加熱器的功率需滿足升溫要求，并沿著流道外側合理繞制。尤其對于需熱量傳導控溫的延伸式熱嘴尖，不僅要合理設計及選材，并適當調整熱嘴主體上加熱器的纏繞分布。

(3)防止熔體泄露。在熔體流經每兩個零件聯結處都有熔體泄露的可能性，不僅需增設密封圈，各關鍵零部件要求較高的加工精度及裝配精度。

(4)該多腔熱流道系統共設10個加熱溫控區域，需合理排布出線，并在熱流道支撐板上開設引導線槽和接線盒。

(5)為避免熱散失和保證加熱器額定功率，熱流道系統與其他模具零件之間應能較好的隔熱。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 結論

(1)本項醫藥瓶蓋延伸式熱流道系統的設計，解決了因塑件從內側進膠導致型腔空間不夠安放熱噴嘴的問題；

(2)創新設計延伸的開放式直通弧形熱嘴，能保證熔體流動順暢，冷卻時產品在型腔內得到足夠的保壓補縮，成品的表面質量和光潔度更好；

(3)經模具投產使用運行良好，能滿足高效量產的全自動化需求，有利于客戶縮短設計、加工和生產周期，提高經濟效益。