盒盖塑料模具设计.docx
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盒盖塑料模具设计
盒盖塑料模具设计
绪论
模具是现代工业生产的基础工艺装备,在国民经济中占重要地位。
在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中,60%~80%的零件都要依靠模具成型。
用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗.是其它加工方法所不能比拟的。
模具又是“效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。
模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。
模具工业是国民经济的基础产业,模具工业的发展标志着一个国家上业水平及产品的开发能力,汽车工业中新车型的开发与批量生产,家电工业及日用品工业的产品开发等都与模具行业的发展息息相关,模具技术的应用为我国模具工业的发展起到了重要的推动作用。
模具技术已成为技术发展中最具活力、创造效益最高的应用领域。
同时,模具工业也普及、应用最成熟的行业之一。
模具不是批量生产的产品。
它具有单件生产和对特定用户的依赖特性。
就模具行业来说,引进国外先进技术,不能采用通常的引进产品许可证和技术转让等方式,而主要是引进已经商品化了的CAD/ CAM /CAE软件和精密加工设备等。
新兴的模具CAD技术很大程度上实现了企业的愿望。
近年来,CAD技术的应用越来越普遍和深入,大大缩短了模具设计周期,提高了制模质量和复杂模具的制造能力。
塑料注射成型工艺的最大特点是复制,能够复制出所需要的直接或者间接使用的制品,是一种适宜大批量生产的工艺。
模具是塑料成型加工的一种重要的工艺装备,模具生产的最终产品的价值往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。
特别是在塑料产品的生产过程中,塑料模具的应用及其广泛,在各类模具中的地位也越来越突出,成为各类模具设计、制造与研究中最具有代表意义的模具之一。
而注塑模具已经成为制造塑料制造品的主要手段之一,且发展成为最有前景的模具之一。
注射成型是当今市场上最常用、最具前景的塑料成型方法之一,因此注塑模具作为塑料模的一种,就具有很大的发展前景。
注塑成型作为一种重要的加工方法,在加电行业,汽车工业机械工业等都有广泛应用,而且生产的制件具有精度高、复杂度高、生产率高和消耗低的特点。
在注塑成型工艺中,涉及设备和原材料状况、制品设计、工艺条件等多种因素,模具是与这些因素紧密相连的关键环节,模具结构的合理性和质量的好坏直接影响到制品的质量以及整个工艺过程的效率和效益。
本书主要讲述的是盒塑料的模具设计的总过程,以及型芯和型腔加工的工艺等等。
1塑件的工艺性分析
1.1塑件使用材料的分析
1.1.1塑件的工艺特征
在注射成型中,塑件的工艺性是对成型加工的适应性,其应当满足使用性能和成型工艺的要求。
塑料制件主要是根据使用要求进行设计,要想获得优质的塑件,塑件本身必须具有良好的结构工艺性,这样不仅可使成型工艺得以顺利进行,而且能得到最佳的经济效益。
塑件的设计视塑料的成型方法和塑料品种性能不同而有所差异。
ABS属于热塑性材料,下面我们就看看ABS的注射工艺参数。
1.ABS的注射工艺参数
表1-1ABS的注射工艺参数
收缩率
0.3~0.8%
密度g/cm³
1.02~1.05
模具温度
40~80℃
注射压力/MPa
70~120MPa
料筒恒温
220℃
保压压力
30~90MPa
容重g/cm³
1.03~1.07
背压
5~15MPa
残料量mm
2~8
计量行程mm
(0.5~4)D
熔料温度
220~250℃
射机类型
螺杆式
螺杆转速
30~60
喷嘴形式
直通式
喷嘴温度℃
190~200
料筒温度℃前段
中段
后段
210~200
210~230
180~200
注射时间/S
3~5
保压时间/S
15~30
冷却时间/S
15~30
成型周期/S
40~70
1.1.2塑件使用材料的分析
该塑件材料选用ABS(丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物)。
英文名称:
AcrylonitrileButadieneStyreneABS有良好的耐化学腐蚀及表面硬度,有良好的加工性和染色性能。
ABS无毒、无味、呈微黄色,成型的塑件有较好的光泽。
通用级ABS不透水、燃烧缓慢,燃烧时软化,火焰呈黄色、有黑烟,最后烧焦、有特殊气味,但无熔融滴落,可用注射、挤塑和真空等成型方法进行加工。
其密度为1.02~1.05g/cm³,成型收缩率:
0.3-0.8%,根据实际经验取值0.5%,成型温度:
200-240℃,干燥条件:
80-90℃2小时。
1.塑件使用材料的优缺点
ABS的优点是ABS有良好的机械强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。
水、无机盐、碱和酸类对ABS几乎无影响。
有较高的冲击韧性和力学强度,耐疲劳和耐应力开裂、冲击韧性高。
力学性能和热性能良好,有一定的硬度和尺寸稳定性,易与成型加工,经过调色可配成任何颜色。
ABS不溶于大部分醇类及烃类溶剂,但与烃长期接触会软化溶胀。
ABS与372有机玻璃的熔接性良好,制成双色成型塑件,且可表面镀铬,喷漆处理.表面易镀金属,成为塑料涂金属的一种常用材料。
其流动性比HIPS差一点,比PMMA、PC等好,柔韧性好。
ABS的缺点是耐热性不高,连续工作温度为70ºC左右,热变形温度为93ºC左右,且耐气候性差,在紫外线作用下易发脆。
ABS在升温时粘度增高,所以成型压力高,故塑件上的脱模斜度宜稍大;ABS易吸水,成型加工前应进行干燥处理;ABS易产生熔接痕,模具设计时应注意尽量少浇注系统对料流的阻力;在正常的成型条件下,壁厚、熔料温度对收缩率影响极小。
2.材料ABS的成型特性:
(1)无定形料,流动性中等,吸湿大,必须充分干燥,表面要求光泽的塑件须长时间预热干燥80-90度,3小时。
(2)宜取高料温,高模温,但料温过高易分解(分解温度为270度).对精度较高的塑件,模温宜取50-60度,对高光泽.耐热塑件,模温宜取60-80度。
(3)如需解决夹水纹,需提高材料的流动性,采取高料温、高模温,或者改变入水位等方法。
(4)如成形耐热级或阻燃级材料,生产3-7天后模具表面会残存塑料分解物,导致模具表面发亮,需对模具及时进行清理,同时模具表面需增加排气位置。
3.级别与用途
ABS按用途不同可分为通用级(包括各种抗冲级)、阻燃级、耐热级、电镀级、透明级、结构发泡级和改性ABS等。
通用级用于制造齿轮、轴承、把手、机器外壳和部件、各种仪表、计算机、收录机、电视机、电话等外壳和玩具等;阻燃级用于制造电子部件,如计算机终端、机器外壳和各种家用电器产品;结构发泡级用于制造电子装置的罩壳等;耐热级用于制造动力装置中自动化仪表和电动机外壳等;电镀级用于制造汽车部件、各种旋钮、铭牌、装饰品和日用品;透明级用于制造度盘、冰箱内食品盘等。
1.2塑料制品的分析
1.2.1零件图样
图1-1零件图样
1.2.2塑件的综合性能
1.塑件尺寸精度分析
塑件厚度为1.2mm,且各处壁厚均匀,以利于零件的成型,防止变形。
其表面粗糙为Ra=1.6μm,无飞边毛刺缩孔流痕等工艺缺陷。
2.塑件的表面粗糙度分析
塑件的表面粗糙度,除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等疵点外,主要取决于模具成型零件的表面粗糙度。
一般模具的表面粗糙度要比塑件的低1~2级,塑料制件的表面粗糙度Ra值一般为3.2~0.2μm,在模具使用中,由于型腔磨损而使表面粗糙度不断加大,应随时给以抛光复原。
透明制件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同;而不透明制件则根据使用情况而定,非配合表面和隐藏面可取较大的表面粗糙度值,除塑件外表面有特殊要求外,一般型腔的表面粗糙度要低于型芯的表面粗糙度。
3.塑件精度等级分析
塑件公差等级的选用与塑料的品种有关:
模具塑件尺寸公差的代号为MT,公差等级分为7级,每一级又可分为A、B两部分,其中A为不受模具活动部分影响尺寸的公差,B为受模具活动部分影响尺寸的公差。
塑件尺寸精度的确定应合理选择,尽可能选用低精度等级。
故选一般精度等级:
五级。
表1-2精度等级
类别
塑料品种
建议采用的精度等级
高精度
一般精度
低精度
未注公差
1
ABS
3
4
5
6
4.塑件壁厚分析
塑件壁厚的设计与塑料原料的性能、塑件结构、成型条件、塑件的质量及其使用要求都有密切的联系。
壁厚过小,会造成充填阻力增大,特别对于大型、复杂制件将难于成型.塑件壁厚的最小尺寸应满足以下要求:
具有足够的刚度和强度,脱模时能经受脱模机构的冲击,装配时能承受紧固力。
壁厚过大,不仅浪费原料,还会延长冷却时间,降低生产效率,另外也容易产生表面凹陷、内部缩孔等缺陷。
塑件的壁厚均匀一致,不会因冷却和固化速度不均产生附加应力、引起翘曲变形,不会在壁厚处产生缩孔。
从塑件的壁厚来看,壁厚较为均匀,有利于零件的成型。
5.塑料模具钢的性能要求
(1)要求材料有较高的硬度、好的耐磨性,其型面硬度应为30~60HRC,淬硬性>55HRC,有足够的硬化深度,材料中心部位有足够强韧性,以免脆断、塑性变形等。
(2)要求材料具有一定的抗热性,能在150~250°C的温度下长期工作,且不氧化、不变形,尺寸稳定性良好。
(3)要求材料具有一定的耐腐蚀性。
(4)要求材料的焊接性能、锻造工艺性能良好。
6.塑件的结构工艺性分析
(1)该塑件尺寸适中,表面质量要求表面较光泽,其余的尺寸都无特殊要求,因此所有的尺寸都按照自由尺寸查取.塑件的尺寸精度一般,型腔脱模斜度取30′,型芯脱模斜度取25′。
为了降低费用和提高生产率,采用一模两腔的加工方式,并不对制件进行后加工。
(2)在根据材料的成型性能和材料的流动性,以及满足塑件的使用性能下采用侧浇口。
(3)由于塑件边上有孔型结构,所以我们采用侧抽芯结构。
(4)为了方便加工和热处理,型腔和型芯部分采用镶拼结构。
(5)为了使塑件能够顺利脱模,我们采用顶出机构。
7.塑件生产时需要注意的问题
(1)塑件的生产率,使用寿命:
该塑件为大批量生产,初步确定模具的型腔数为两个,即一模两腔生产,塑件有较好的机械性能,可满足需要,在一般使用条件下,预计使用寿命为5年。
(2)制品塑料分型面的选择:
塑件的分型面取在最大截面处,十分有利于分模。
(3)模具材料选择的合理性、经济性、适用性:
从注塑材料和生产率及塑件结构综合分析来看,初步选用45钢来作为模具材料。
该钢种具有切削加工性好,调质后有较高的强度和韧性,用于模具结构零件及要求不高的成型零件。
所以选用45钢有明显的合理性、经济性、适用性并且切合实际。
根据以上的分析,我们对塑件和其使用材料性能都有了一定的了解,从而有利于我们更好的设计模具。
2成型设备的选择
2.1注射机的参数
塑料注射成型所用的设备主要是注射机,注射模安装在注射机上工作,按其所安装的注射机的配置形式,可分为立式注射机,卧式注射机和角式注射机三种。
根据我们所需以及经验,我们一般选择卧式注射机。
根据该设塑件的一些要求我们选择成型设备如下:
图2-1注塑机结构示意图
1.温度
在注射成型过程中需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度等。
其中料筒温度、喷嘴温度主要影响塑料的塑化和流动,模具温度主要影响塑料的流动和冷却定型。
在此设计中,因所用的是ABS塑料,所以它的温度控制如下所示。
(1)料筒温度:
前段140~160℃,中段210~230℃,后段180~200℃,
(2)喷嘴温度:
190~200℃
(3)模具温度:
50~80℃
2.压力
注射成型过程中的压力直接影响塑料的塑化和塑件的质量,它们主要包括塑化压力、注射压力和保压压力。
ABS塑料的三种压力如下:
(1)塑化压力:
6~20MPa
(2)注射压力:
70~122Mpa。
(3)保压压力:
可达100Mpa
3.时间
完成一次注射成型过程所需的时间称为成型周期。
它包括合模时间、注射时间、保压时间、模具内冷却时间和其它时间等。
这直接影响到生产率和注射机使用率,生产中在保证质量的前提下应尽量缩短成型周期中各个阶段的有关时间,其中以注射时间和冷却时间最重要,它们对塑件的质量均有决定性的影响。
此塑件的时间控制如下:
(1)合模时间:
为2S
(2)注射时间:
0~5S
(3)保压时间:
15~30S
(4)模内冷却时间:
15~60S
(5)其它时间:
10~20S
(6)成型周期:
40~70S
常用热塑性材料成型条件,如表2-1所示:
表2-1常用热塑性材料成型条件
注射机类型
螺杆机
模具温度/℃
50~80
螺杆转速/(r/min)
30~60r/min
注射压力/mpa
70~120
喷嘴
形式
直通式
保压压力/mpa
50~70
温度/℃
190~200
注射时间/s
0~5
料筒温度/℃
前段
210~200
保压时间/s
15~30
中段
210~230
冷却时间/s
15~30
后段
180~200
成形周期/s
40~70
2.2塑件的质量和体积的计算
2.2.1塑件的体积计算
利用PRO/E软件进行三维实体建模,并可直接通过软件进行分析,查询到塑件的体积为:
V件=9.7cm3
我们可以按照前面的分析为一模两腔,根据经验初略定为浇注系统的质量为总质量的20%,所以塑件和浇注系统的总体积为:
V件=2×1.2×9.7=23.28cm3(2-1)
2.2.2塑件的质量计算
查得:
ρ=1.02~1.05g/cm3,取1.05g/cm3根据塑件形状及尺寸,采用一模两腔的模具结构。
利用PRO/E软件进行三维实体建模,并可直接通过软件进行分析,查询到单个塑件的质量为:
M=1.05×9.7=10.2g
塑件和浇注系统的总质量为:
W总=2×1.2M(2-2)
=1.2×2×10.2
=24.48g
2.3注塑机的初选择
根据前述的ABS的成型性能及制件的形状特点,结合生产的实际需要,采用一模两腔的模具结构。
考虑到外形尺寸、对塑件原材料的分析以及注射时所需的压力情况,参考文献[17],采用卧式注射机,初选柱塞式注射机:
XS-Z-60。
根据上面的分析我们可以初选柱塞式注射机:
XS-Z-60,柱塞式注射机:
XS-Z-60的有关技术参数如下所示:
查参考文献[17]上表6-24常用国产注射机。
表2-2注射机的参数
型号
XS-Z-60
额定注射量
60
柱塞直径/mm
38
注射压力/Mpa
122
注射行程/mm
170
注射方式
柱塞式
锁模力/KN
500
最大成型面积/cm3
130
模板最大行程/mm
180
模具最大厚度/mm
200
模具最小厚度/mm
70
喷嘴圆弧半径/mm
12
喷嘴孔直径/mm
4
顶出形式
中心设有顶杆,机械顶出
动定模固定板尺寸mm×mm
330×440
拉杆空间/mm
350×300
合模方式
液压-机械
液压泵流量L/lim
70,12
液压泵压力Mpa
6.5
电动机功率/KW
11
加热功率/KW
2.7
机器外形尺寸
3160×850×1550
2.3.1有关参数的校核
1.最大注射量的校核
最大注射量应满足以下关系:
NM+Mj≤KMn(2-3)
其中N--------型腔数量;
M--------单个塑件的体积或质量,cm3或g
Mj-------浇注系统的凝量,cm3或g;
Mn-------注射机最大注射量,cm3或g;
K---------注射机最大注射量利用系数,一般取0.8;
M=9.7cm3,Mj=3.8g,KMn=0.8×60=48g
将已知数据带入可得:
NM+Mj=24.48g≤KMn=48g
根据计算结果得知:
柱塞式注射机:
XS-Z-60的最大注射量满足要求。
2.锁模力的校核
模具所需的最大锁模力应小于或等于注射机的额定锁模力其关系按下式校核:
P腔F≤P锁(2-4)
式中P腔表示模具型腔压力,一般取(400~500)X105Pa
F表示塑件与浇注系统在分型面上的投影面积总和(厘米2)
P锁表示注射机额定锁模力(10N),见注射机技术规格
计算:
F=76×60+[0.25×л×4-0.25×л×1+(60-2)×1+0.5×2×2+(3-1)×(10-2)+4×3+0.5×1×1×2]×2
=4560+(0.75×3.14+58+18-13)×2
=4690.71mm2
所以PF=40×4690.71×2=375.3KN
查文献[17]国产柱塞式注射机:
XS-Z-60的注射参数可知:
P锁模力=500KN
P腔F≤P锁即PF=375.3KN小于P锁模力=500KN
故锁模力可以满足要求。
3.注射压力的校核
查文献[14]ABS注射成型工艺参数可知:
P成型=70~120Mpa
查文献[17]国产柱塞式注射机:
XS-Z-60的注射参数可知:
P注=122Mpa
注射机的注射压力为122Mpa,即注射压力>型腔成型压力,所以注射压力满足要求。
根据上面的分析我们初选国产柱塞式注射机:
XS-Z-60符合我们的要求。
3盒塑料模具的结构设计
注射模是成型塑件的一种重要的工艺装备,它主要用于成型热塑性塑料制件,近年来也用于成型热固性塑料。
注射模均可分为定模和动模两部分。
定模安装在注射机的定模固定板上,动模安装在注射机的动模固定板上。
注射时,动模和定模闭合构成型腔和浇注系统;动模与定模沿分型面分开,并由脱模机构推出制件。
开模时,动模和定模分离分离以便取出塑料制品。
注射模具的设计一般包括成型部件的设计、浇注系统的设计、导向部件的设计、推出机构的设计、调温系统的设计、排气槽的设计、侧抽芯的设计以及模架的选择等等。
3.1模具结构的确定
3.1.1拟定模具结构方式
由于热塑性塑料ABS适合于注射成型,本设计采用单分型面注射模。
由于塑件外观质量要求不高,尺寸精度要求一般,装配精度要求不高。
型腔的数量是由厂方给定,为一模两腔,他们已考虑了本产品的生产批量(大批量生产)和选定的注射机型号。
因此我们设计的模具为两型腔的模具。
考虑到模具成型零件和抽芯结构以及出模方式的设计,模具的型腔排列方式为对称排列。
3.1.2型腔数目的确定
制件为大批量生产,制件较小,故采用一模两腔注射模,采用塑件留在动模中的分布。
优点:
(1)保证产品的精度要求;
(2)冷却系统便于设置冷却系统;
(3)工艺参数易于控制;
3.1.3脱模斜度的设计
设定一定的脱模斜度有利于减少抽芯力的大小,防止在抽芯过程中对制件的拉裂。
因此设置一定的脱模斜度很有必要。
本设计中取脱模斜度0.5度。
3.2分型面选择和确定
分型面的选择是注射模设计中的一个关键。
它是决定模具结构形式的一个重要因素。
如何确定分型面,需要考虑的因素比较复杂。
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响,因此在选择分型面时应综合分析比较,从几种方案中优选出较为合理的方案。
选择分型面时一般应遵循以下几项原则:
(1)分型面的确定应以模具结构简单,容易制造,易于分型。
(2)选择在塑件的最大外形轮廓处。
(3)保证塑件的留模方式尽量留在动模一侧,便于塑件顺利脱模。
(4)满足塑件的外观要求,尽量不产生毛刺飞边,而且易清除。
(5)保证塑件的精度要求,如塑件有孔应注意同轴度要求。
(6)减少成形面积,即在合模分型面上的投影面积小,保证塑模可靠。
(7)增强排气效果,即设计时使得熔体料流末端在分型面上,有利于增强排气效果。
在考虑不影响素件的外观质量要求以及成型后能顺利取出塑件,有两种选择方法(见图3-1和图3-2)。
图3-1分型面
图3-2分型面
图3-1:
选择塑件的上端平面A-A面作为分型面,如图3-1所示。
图3-2:
把分型面设置在下端平面B-B面作为分型面,如图3-2所示。
方案一:
选择的是3-1图,A-A面做分型面。
优点:
抽芯距离减小,开模距离减小。
缺点:
模具结构复杂,表面容易留下熔接痕影响塑件的表面质量。
方案二:
选择的是3-2图,B-B面做分型面。
优点:
模具结构简单,便于分型,符合分型面选择在最大轮廓处。
缺点:
抽芯距离增大,开模距离增大。
通过分析比较,第二方案是盒塑料模具分型面的最佳选择,模内结构简单,模具紧凑。
在盒塑料的模具设计中,注射模具只有一个分型面,分型面的形状采用平直分型面,将分型面选在塑件外形最大轮廓处,并使塑件在开模后留在动模一侧,有利于塑件的顺利脱模,分型面的选择保证了塑件的尺寸精度和表面质量,有利于模具的加工,有利于排气,符合设计原则。
3.3热流道系统的设计
常见的热浇道系统,主要由分流板、热咀和温度控制器三大部份组成。
热浇道系统是透过精密的温控手段,将熔融塑料通过精密设计的分流板和热嘴,直接输送至模腔里,其好处包括:
有效减低浇道的压力;熔体的流动性得到提高;材料密度均匀;产品的内应力减少,使产品获得较小的变形、较好的产品表面质量和力学性能。
热浇道系统的另一特点,是热嘴直接将熔融塑料注入模腔内,在脱模的过程中,浇口自然断开,消除了传统注塑工艺带来的浇道废料,除免去处理浇道废料的后加工工序外,更消除了废料所带来的附加热量,缩短冷却时间,获得更快的生产周期。
分流板在一模多腔或者多点进料、单点进料但料口偏置时采用。
材质通常采用P20或H13。
分流板一般分为标准和非标准两大类,其结构形式主要由型腔在模具上的分布情况、喷嘴排列及浇口位置来决定。
温控箱包括主机、电缆、连接器和线插座。
热流道附件通常包括:
加热器和热电偶、流道密封圈、接插件及接线盒。
3.3.1流道系统的分类
热喷嘴一般分两种:
开放式热喷嘴和针阀式热喷嘴。
由于热喷嘴形式直接决定热流道系统选用和模具的设计制造,因而常相应的将热流道系统分为开放式热流道系统和针阀式热流道系统 。
一般说来,热流道系统分为单头热流道系统、多头热流道系统以及阀浇口热流道系统。
单头热流道系统主要由单个喷嘴、喷嘴头、喷嘴连接板、温控系统等组成。
单头热流道系统塑料模具结构较简单,将熔融状态的塑料由注射机注入喷嘴连接板,经喷嘴到达喷嘴头后,注入型腔。
多头热流道系统塑料模具结构较复杂,熔融状塑料由注射机注入喷嘴连接板,经热流道板流向喷嘴后到达喷嘴头,然后注入型腔。
热流道系统的喷嘴与定模板有径向尺寸配合要求和轴向尺寸限位要求。
阀浇口热流道系统塑料模具结构最复杂。
它与普通多头热流道系统塑料模具有相同的结构,另外还多了一套阀针传动装置控制阀针的开、闭运动。
该传动装置相当于一只液压油缸,利用注射机的液压装置与模具连接,形成液压回路,实现针阀的开闭运动,控制熔融状态塑料注入型腔。
综上分析:
盒塑料模具设计采用的是单头热流道。
3.3.2热流道的注意事项
为了令浇口达到最佳效果,必须注意以下各项:
浇口强度:
这问题和使用的塑料、热嘴的材料和系统的结构都有关系。
如果热嘴的安装不稳固,用不了多久便产生磨损,引致注塑质量下降,同时也增加维修费用。
浇口冷却:
能否保持浇口的质量,也和热嘴的嘴尖部位的冷却情况有关。
一定要做到和保持热平衡,才能保证浇口的质量。
温度控制:
在每一次注塑循环中,塑料流