超薄塑料包装盒注塑模具设计与注塑过程控制

包装与食品机械2011年第29卷第4期

设计计算

超薄塑料包装盒注塑模具设计与注塑过程控制

122

郭幼丹，吴春笃，程晓农

（1．集美大学机械工程学院，福建厦门361021；2．江苏大学，江苏镇江212013）

摘要：冷热交替循环系统是高精密度超薄塑料包装盒热流道注塑技术的关键技术，是把加热、高温

保温、低温冷却三种换热流程置于同一注塑工艺系统内的流体系统，实现快速准确而又均匀传热。研究表明，模具设计的关键是系统各管道应具有相同的传热效率。在模具结构、冷热交替循环系统和传热介质确定的情况下，最佳水流速度只与塑料种类有关，注塑过程温度的控制可以转化为冷热交替循环流体系统水流速度的控制。

关键词：塑料包装盒；冷热交替循环；模具设计；最佳水流速度；控制

中图分类号：TB482；TQ320．66文献标识码：Adoi：10．3969/j．issn．1005－1295．2011．04．008

文章编号：1005－1295（2011）04－0028－05

TheInjectionMoldingMouldDesignandProcessControlofSuper-thinPlasticPackingBox

GUOYou-dan1，WUChun-du2，CHENGXiao-nong2

（1．CollegeofMechanicalEngineering，JimeiUniversity，Xiamen361021，China；

2．JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）

Abstract：Thecool-hotalternationcyclesystemisakeytechniqueofhotflowinjectionmoldingofhighaccuracysuper-thinplasticpackingbox，itisheat，heatpreservation，lowtemperaturecooling3kindstochangehottheprocessplaceinsamemoldinginsidesystemofhydro-system，realizationfastaccurateande-qualitytransmitheat．Researchenunciation，eachpipingofsystemshouldhavehomologyoftransmitheatanefficiencyinmoulddesign．Thebestcurrentraterelatetoplasticscategory，afterthemouldstructureandcool－hotalternationcyclesystemandtransmitheatmediumestablish，themoldingtemperaturecontrolcantranslateintocontrolcurrentrateofcool-hotalternationcyclesystem．

Keywords：plasticpackingbox；cool－hotalternationcycle；moulddesign；bestcurrentrate；control

等于1mm或者指长径比在100（或者150）以上

［1－2］

。热流道注塑技术具有注塑效的塑料包装盒

成型塑件质量好和节约原料等优点，在塑料率高、

包装盒生产中其应用范围也越来越广泛，但由于冷凝层的影响，采用常规的热流道注塑技术生产超薄塑料包装盒，容易导致短射、熔接痕、凹痕等缺陷产生，无法生产高精密超薄塑料包装盒。为

0引言

塑料包装盒是常用的包装容器，广泛应用于

食品等众多领域，特别是超薄塑料包装盒因具有生产成本低、生产率高、质轻、使用效果好等优点而成为塑料成型行业中新的研究热点。超薄塑料

2

包装盒一般指投影面积在50cm以上、壁厚小于

收稿日期：2011－06－16；修稿日期：2011－06－21

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50372027）；国家863重点项目（2008AA100905）；福建省教育厅科技项目（JB08178）作者简介：郭幼丹（1960－），男，硕士，副教授，主要从事材料成形技术与表面工程技术研究，通信地址：361021福建厦门市集美区集岑路

1号集美大学机械工程学院，E－mail：chjmu@163．com。

28

此，国内外研究人员对热流道注塑技术的研究主对成型要集中在热流道注塑工艺和模具结构上，

［3－9］

。实际上由于热流道模具的理论的研究较少

特点，普通流道模具的一些理论已不适合热流道

本课题从塑料包装盒热流道注塑传热过程模具，

分析入手研究热流道系统，建立传热数值模；设计冷热交替循环注塑系统解决冷凝层带来的注塑缺陷；提出冷却过程中的最佳冷却速度和最佳水流速度等概念，为高精密度超薄塑料包装盒的生产提供理论指导，促进高精密度超薄塑料包装盒注塑生产由经验走向科学。11．1

冷热交替循环注塑系统设计工艺系统设计

图2

冷热交替循环热流道注塑工艺流程

1．2模具结构设计

由于冷热交替循环带来模具温度急剧变化，

因此，模具材料的选择应考虑注塑过程中模具的热胀冷缩、模具表面温度频繁变动、模具型腔表面高温软化加剧磨损带来的模具塑性变形失效、疲劳失效和冷热疲劳失效等因素。本项目选用S136模具钢，模具结构如图3所示

。

由于模具温度较低，塑料普通热流道注塑时，

在型腔表面熔体在冲型过程中不断被冷凝固化，

形成一层温度渐变的冷凝层，如图1（a）所示，使

得塑料熔体的流动阻力增大，大大影响塑料熔体容易导致塑件冲型不完全、熔接痕、的充模过程，翘曲、表面粗糙、光泽度差和凹陷等注塑问题的出现，特别是薄壁和壁厚不均的产品，缺陷几率更是大大增加，很难生产高精密度、高品质塑料包装盒。为了克服普通热流道注塑中出现的问题，设计采用冷热交替循环系统热流道注塑技术，实现模具快速加热、高温保温和快速冷却。实践证明，该系统能有效地消除冷凝层，解决塑料熔体在冲型过程中冷凝固化问题，如图1（b）所示，降低塑料熔体的流动阻力，提高冲型质量，减少注塑缺陷

。

图3模具内部冷热交替循环系统示意图

型芯、型腔厚度不同，热容量也不同，冷热交

替循环系统对模具的加热和冷却效果也不同，如图4所示。型芯、型腔厚度越薄，热容量越小，加热和冷却速率越快。因此，型芯、型腔厚度在满足冷热交替循环系统管路布置要求和强度刚度要求

尽量选择厚度较薄的型芯、型腔

。的基础上，

（a）

普通注塑

（a）

加热过程

（b）变模温注塑图1

两种注塑工艺对比

（b）冷却过程

图4

不同厚度型腔的传热效果

超薄塑料包装盒冷热交替循环系统热流道注

塑工艺过程如图2所示

。

29

1．3冷热交替循环系统设计

冷热交替循环系统是根据工艺流程的要求，

利用温控系统将高温水和冷却水循环交替引入模

以实现模具的快速加热与冷却，保具的内部管路，

实现快速准确证各管道都具有相同的传热效率，

而又均匀传热是冷热交替循环系统设计的基本要

求。由于冷热交替循环系统是把加热、高温保温、低温冷却三种换热流程置于同一工艺系统内，在冷热交替循环系统设计时，必须把高温介质加热、介质转换（吹气）、低温介质冷却3个不同的过程用流体系统连接，完成换热过程，冷热交替循环系统组成如图5所示。图中实线表示连接管路，虚线表示温控系统控制信号连接线

。

图5冷热交替循环系统组成图

1-冷凝塔2-空压机3-蒸汽锅炉4-蒸汽阀

5-空气阀6-过滤器7-热电偶8-模具9-注塑机

10-触摸屏11-控制单元12-

进水阀

图6加热冷却装置系统图

1．4加热冷却装置设计

传热介质的加热方式可分为模内加热和模外加热两种。模内加热是把电热管、电阻丝等加热元件直接安装在模具内对模具和介质进行加热，采用这种加热方式系统需要进行仔细的平衡和复

系统设计更为复杂，成本更高；模外杂的热控制，

加热则是在介质进入模具冷热交替循环系统前先

进行加热，然后再由介质对模具和塑料熔体进行加热，采用这种加热方式系统温度易于控制，但模外加热需增加辅助加热设备，若以水为传热介质，则设备较为成熟，成本较低，故本项目采用模外加

［10］

热与冷却方式，如图6所示。1．5温控系统设计

温度控制的方式很多，如嵌入式数字温控系

PLC温控系统等等［11－12］。统、单片机温控系统、30

对于冷热交替循环注塑系统而言，主要是控制注

故其温控系统并不复塑过程温度变化的准确性，

杂，本课题采用DS18B20单片机温控系统，如图7

所示

。

图7控制系统框图

温控系统硬件组成以单片机为核心，由温度检测电路、显示电路、控制电路等辅助模块构成。采用模糊控制与PID控制相结合的方法来实现温度调整。其中DS18B20数字温度传感器具备多点测温能力，只需一个接口引脚即可通信，就能直

接与单片机完成数据采集和处理，将测得的现场

“一线总线”的数字方式传输，而且温度直接以

与单片机的连接也十分简单，仅需占用一个双向

I/O端口，无需任何外部器件即可方便地构成温度检测系统。22．1

注塑过程控制温度的控制

高精密度塑料包装盒变模温注塑技术在快速高温保温和快速冷却阶段对温度的要求是加热、

不同的，传热过程是一个动态的过程，其温度变化

温控系统根据注塑过程温度变曲线如图8所示，

实施冷热交替循环系统水流速度化情况和要求，

的控制管理

。

图8模具表面温度变化曲线

2．2最佳水流速度

当冷热交替循环系统水流速度满足模具升温

这个水流速度为升温最佳水流速度US；要求时，

而系统水流速度满足塑件降温要求时，这个水流

速度为降温最佳水流速度UJ，最佳水流速度分析模型如图9所示

。

设冷热交替循环系统分别向与之接触的水流

q2，区域和支撑柱传热的平均传热密度为q1、其传热情况如图8所示。加热时，当q1=q2时，冷热交替循环系统向模具和支撑柱传热的热流密度相

同，此时的水流速度即为升温最佳水流速度US，如图9（a）所示。同理，冷却时，冷热交替循环系

q1=统传热介质的热量主要来自于塑件与模具，q2时的水流速度即为冷却最佳水流速度UJ，如图

9（b）所示。2．3

最佳水流速度设计

在模具的结构和注塑冷热交替循环系统确立后，注塑过程温度的控制可以转化为冷

（a）

加热过程

热交替循环系统水流速度的控制，实现对注塑过程温度的精确控制。试验表明，水流速度与传热介质的初始温度有关，而初始温度又与塑料种类（如玻璃化转变温度等）有关。加热时，传热介质的初始温度一般比塑料的玻璃化转变温度高2～3℃。以PE生产食品包装盒冷却过程为例，当加热水流速度大于0．lm/s时，水流速度越高，加热效果越好；当

（b）冷却过程

图9

二维最佳水流速度分析模型

加热水流速度达到一定值时，水流速度的提高对加热效果并不明显，如图10（a）所示，试验测得加热过程的水流速度约为0．80m/s

31

时，达到最佳加热效果。同理，冷却过程水流

达到最佳冷却效果，如速度约为0．85m/s时，图10（b）所示

。

以转化为冷热交替循环流体系统水流速度的控

制。

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（a）

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（b）冷却过程

图10

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3结论

（1）采用冷热交替循环系统热流道注塑工艺

系统生产高精密度超薄塑料包装盒，能够较好地解决塑料熔体在冲型过程中冷凝固化问题，降低塑料熔体的流动阻力，提高冲型质量，减少注塑缺陷。

（2）冷热交替循环热流道注塑工艺是把加热、高温保温、低温冷却三种换热流程置于同一工艺系统内，实现快速准确而又均匀传热。在冷热交替循环系统设计时，根据高温介质加热、介质转换（吹气）、低温介质冷却三个不同的过程要求，分别对模具结构、冷热交替循环系统、温控系统、加热冷却装置等进行设计，满足冷热交替循环注塑工艺要求。

（3）最佳水流速度对实现对注塑过程温度控制至关重要。在模具结构、冷热交替循环系统和传热介质确定的情况下，最佳水流速度与传热介质的初始温度有关，而初始温度又与塑料种类有关，注塑过程温度的控制可32

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