塑料周转箱注塑工艺设计.docx

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塑料周转箱注塑工艺设计

20万只/年HDPE周转箱注塑工艺设计

摘要

随着塑料工业的发展，塑料周转箱逐步显示出其优越性。

周转箱帮助完成物流容器的通用化、一体化管理，是生产及流通企业进行现代化物流管理的必备品。

结合现今塑料周转箱的发展趋势及对周转箱各项性能的要求，本设计选用高密度聚乙烯为主要原料，设计了20万只/年的高密度聚乙烯周转箱注塑工艺。

设计包括对产品的介绍，原料高密度聚乙烯的简介，以及根据实际需求对产品原料进行改良，制定了产品的配方设计，产品注塑工艺过程，物料衡算与热量衡算，设备的选型及相关计算，工程经济概算及厂区运营管理制度等方面内容。

关键词：

塑料工业，物流管理，周转箱，高密度聚乙烯，注塑工艺，配方设计

200,000/yearHDPETurnoverBoxMoldingProcessDesign

ABSTRACT

Alongwiththedevelopmentoftheplasticsindustry,plasticturnoverboxmoreandmoreshowsitssuperiorperformance.Turnoverboxhelpcompletelogisticsvesselgeneralization,integrationmanagement,istheproductionandcirculationofmodernlogisticsmanagemententerpriseinreserve.

Combinedwiththedevelopmentofplasticturnoverboxtodaytoturnoverboxtrendsandeachperformancerequirements,thisdesignchooseshighdensitypolyethyleneasmainrawmaterials,designfor200,000/yearhigh-densitypolyethyleneturnoverboxinjectionmoldingprocess.Designtoincludetheintroductionofproducts,rawmaterials,andtheintroductionofhigh-densitypolyethyleneaccordingtoactualdemandforproducts,rawmaterialforimprovedtheformulaforproductdesign,productinjectionprocess,materialcalculationandheatcalculation,equipmentselectionandrelatedcalculation,engineeringeconomicestimateandfactoryoperationmanagementsystemofcontent.

KEYWORDS:

plasticindustry,logisticsmanagement,turnoverbox,highdensitypolyethylene,injectionmoldingprocess,recipedesign

目　录

前　言

HDPE是性能优异的通用合成树脂，在工农业、国防、建筑业和日用品等方面都有广泛的用途。

随着石油化工的发展，产量增长很快，目前我国HDPE的主要消费领域是注塑、吹塑，产量仅次于低密度聚乙烯（LDPE）、聚氯乙烯（PVC），成为第三大合成树脂。

近年来，为满足不同行业的不断增长需求，HDPE专用料的发展也越来越受到重视，我国HDPE专用料市场具有巨大的潜力，国产HDPE专用料的发展空间较大。

随着塑料工业的发展，塑料周转箱越来越显示出其优越性能，逐渐被市场接受，并且迅速发展。

周转箱可与多种物流容器和工位器具配合，用于各类仓库、生产现场等多种场合，在物流管理越来越被广大企业重视的今天，周转箱帮助完成物流容器的通用化、一体化管理，是生产及流通企业进行现代化物流管理的必备品。

塑料周转箱近年来每年保持量在2亿~2.5亿只水平（消耗树脂4万~5万t），并由啤酒箱、饮料箱、食品箱向蔬菜箱、禽蛋箱等发展，规格型号走向系列化，对韧性、抗冲击强度、耐环境应力开裂及耐低温、防老化等性能有一定要求。

以目前我国周转箱保有量水平与日本、德国早在上世纪70年代就已达3亿多只的水平相比，估计近几年每年至少还有3万~5万tHDPE用于生产周转箱，周转箱产业前景一片光明，具有很大发展空间。

第1章HDPE周转箱

1.1产品的介绍

1.1.1周转箱的简介

周转箱也称为物流箱，是以聚烯烃料为主要原料注塑成型。

广泛用于机械、汽车、家电、轻工、电子等行业，能耐酸耐碱、耐油污，无毒无味，可用于盛放食品等，清洁方便，零件周转便捷、堆放整齐，便于管理。

其合理的设计，优良的品质，适用于工厂物流中的运输、配送、储存、流通加工等环节。

周转箱可与多种物流容器和工位器具配合，用于各类仓库、生产现场等多种场合，在物流管理越来越被广大企业重视的今天，周转箱帮助完成物流容器的通用化、一体化管理，是生产及流通企业进行现代化物流管理的必备品。

1.1.2周转箱的特点及分类

周转箱具有无毒、无味、防潮、耐腐蚀、重量轻、耐用、可堆叠、外观华丽、颜色丰富、纯正等特点，具备抗折，抗老化，承载强度大，拉伸、压缩、撕裂、温度高、色彩丰富、做成包装箱式周转箱既可用于周转又可用于成品出货包装。

可根据用户需求订做各种规格、尺寸，铝合金包边，可加盖，防尘，外形美观大方。

可应用于五金、电子、机械零配件、冷藏、储存、运输等行业。

一般中空板周转箱根据客户提供的尺寸设计制作，做到最合理装载，并可多箱重叠，有效利用厂房空间，增大零部件储存量，节约生产成本。

根据用途塑料周转箱可分为防静电周转箱，导电周转箱，阻燃周转箱，零部件周转箱，仪器周转箱，饮料周转箱，农药周转箱，精密仪器的内包装，药品包装箱、邮政包装箱、电子元器件包装的垫板、隔板等；根据性能可分为可堆式周转箱、可插式周转箱、折叠式周转箱,万通板周转箱等主要几种；周转箱根据物理性能可以分为：

防静电，表面阻值10Ω-10Ω；导电，表面阻值10Ω-10Ω；绝缘，表面阻值在10Ω以上。

1.1.3周转箱的实物图

本次设计的HDPE周转箱其规格为外围尺寸530mm×370mm×205mm，内侧尺寸480mm×330mm×200mm，自重1440g。

实物图见图1-1。

图1-1周转箱实物图

1.2产品原料的介绍

国内市场上周转箱注塑制品主要使用高密度聚乙烯（HDPE）或共聚聚丙烯（PP）。

对这两种材料的性能要求是：

熔体流动速率（MFR）为3.6~5.4g/10min、拉伸强度大于25Mpa、断裂拉伸率大于或等于60%、压缩强度大于40Mpa。

北方地区由于气温较低，一般使用HDPE为基材，因为HDPE的冲击韧性及耐低温性能较佳，耐受温度为-20℃~+100℃；而南方地区由于气温较高，一般使用PP为基材，因为PP的刚性及耐高温性能较好，耐受温度为0℃~135℃。

结合多方因素，本次设计选用HDPE为原料。

1.2.1HDPE的主要特性

HDPE是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。

原态HDPE的外表呈乳白色不透明白色腊状固体，在微薄截面呈一定程度的半透明状，比重比水清，柔软而且有韧性，但比LDPE略硬，也略能伸长，无毒无味。

PE具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性。

某些种类的化学品会产生化学腐蚀，例如腐蚀性氧化剂（浓硝酸），芳香烃（二甲苯）和卤化烃（四氯化碳）。

该聚合物不吸湿并具有好的防水蒸汽性，可用于包装用途。

HDPE具有很好的电性能，特别是绝缘介电强度高，使其很适用于电线电缆。

中到高分子量等级具有极好的抗冲击性，在常温甚至在-40F低温度下均如此。

各种等级HDPE的独有特性是四种基本变量的适当结合：

密度、分子量、分子量分布和添加剂。

不同的催化剂被用于生产定制特殊性能聚合物。

这些变量相结合生产出不同用途的HDPE品级；在性能上达到最佳的平衡。

1.2.2HDPE的产品性能

高密度聚乙烯为无毒、无味、无臭的白色颗粒，熔点约为130℃，分解温度为300℃，相对密度为0.941~0.960。

它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。

介电性能，耐环境应力开裂性亦较好。

贮存时应远离火源，隔热，仓库内应保持干燥、整洁，严禁混入任何杂质，严禁日晒、雨淋。

运输应贮放在清洁、干燥有顶棚的车厢或船舱内，不得有铁钉等尖锐物。

严禁与易燃的芳香烃、卤代烃等有机溶剂混运。

1.2.3HDPE的回收利用

高密度乙烯属环保材质，加热达到熔点，即可回收再利用。

须知塑胶原料可大分为两大类：

“热塑性塑胶”及“热固性塑胶”，“热固性塑胶”是加热到一定温度后变成固化状态，即使继续加热也无法改变其状态，因此，有环保问题的产品是“热固性塑胶”的产品（如轮胎），并非是“热塑性塑胶”的产品，所以并非所有“塑胶”皆不环保。

HDPE是塑料回收市场增长最快的一部分。

这主要因为其易再加工，有最小限度的降解特性和其在包装用途的大量应用。

主要的回收利用是将25%的回收材料，例如后消费回收物（PCR），与纯HDPE经再加工后用于制造不与食物接触的瓶子。

1.2.4HDPE的注塑工艺参数

查找资料得出HDPE的注塑工艺参数如下：

注塑机类型螺杆式

螺杆转速30~60r/min

喷嘴形式直通式

喷嘴温度150~180℃

料筒前段温度180~190℃

料筒中段温度180~200℃

料筒后段温度140~160℃

模具温度30~60℃

注射压力70~100MPa

保压压力40~50MPa

注射时间0~5s

保压时间15~60s

冷却时间15~60s

成型时间40~140s

1.3配方设计

1.3.1塑料配方设计原则

塑料配方设计应充分运用添加组分（添加剂或助剂），在配方设计是应该坚持以下原则：

1.满足最终使用和耐久性原则。

2.塑料制品制备过程中的选材、配方设计、产品设计、成型加工及制品的后处理等工序中，最终的目的就是制备出质量优良，满足应用要求的产品。

3.配方设计是主要任务是弄清楚使用环境条件、使用性能要求，才能选择合适的树脂。

4.充分发挥添加剂组分功能的原则。

这是配方设计的中心任务，对添加剂组分选择力求要准，用量适当。

要做到这一点，除具有丰富的实践经验外，还要吸取前人的经验教训，弄懂各添加组分功能，结合应用性能要求与树脂本身特性，制定几套用量确定方案，再进行试验加以确定。

能用一个添加剂解决问题的绝不用两个。

5.降低成本的原则。

配方设计时，除考虑性能外，还必须认真考虑到原材料的来源成本。

在形同的条件下，要选择原材料来源广、产量多、价格低廉的产品。

6.依据添加剂组分性能的设计原则。

首先，要充分考虑到组分与树脂的相容性。

只有添加剂组分与树脂具有好的相容性才会均匀地分散于树脂体系中，才能形成一定的整体结构，从热发挥其应有的功能与作用。

其次，要考虑添加剂组分的耐加工性。

确保小分子液态添加剂组分物质在加工中不蒸发，固体不分解（发泡剂除外），液体不溢出。

最后，添加剂一般都具有毒性，应在不影响制品性能的情况下尽量选择低毒性物质。

1.3.2配方结果

以高密度聚乙烯为主要原料注塑成型的周转箱，为降低成本，提高其加工性能，可适量加入一些辅助料。

根据以上配方原则并参照相关资料，制出配方结果如下（按质量份记）：

高密度聚乙烯（HDPE）100

轻质碳酸钙（偶联剂处理）20

硬脂酸锌0.3

硬脂酸钡0.3

硬脂酸0.4

钛白粉0.06

耐晒黄0.02

立索尔红0.5

除HDPE和轻质碳酸钙外，其他料应先用混合机配混，然后用挤出机混炼造粒制成母粒。

第2章注塑成型

2.1概述

注塑制品广泛应用在国防工业、交通运输业、机电产品、建筑材料、农业、科教卫生和日常生活中。

已成为人们日常生活和国民经济发展中不可缺少的一种重要物品。

目前，用注塑机成型的塑料制品数量接近于整个塑料制品总数量的1/3。

制品生产用注塑机台数约占塑料制品成型设备总台数的1/4。

塑料注塑生产特点是：

能在较短的时间内一次在注塑模具中成型，生产工艺有效率也比较高，可以一次成型外形比较复杂的零件，而且尺寸还比较精确，注塑时还可同时与金属嵌件结合成一体。

一个塑料制品的生产必须经过一定的工艺过程才能从原料转化为具有使用价值的制品。

所谓工艺流程就是指从原料转换为制品的基本工艺过程。

任何一种材料都有其特有的加工性。

根据塑料这一典型的高分子材料的加工特点，在基本流程的设计上必须包括：

加热、剪切、塑化、成型、冷却定型等过程。

完成成型加工的必要条件有：

加工设备、工艺流程和工艺条件，三者缺一不可又互相制约，但要强调的是：

工艺流程是主体，必须通过它将其它过程联系在一起。

2.2注射成型的工艺过程

完整的注塑成型工艺过程包括成型前的准备，注射成型和成型后的加工处理三个阶段，归纳见图2-1：

成行前准备注射成型成型后的加工处理

图2-1注塑成型工艺过程

针对原料和制品的特点，并非每一种制品的生产都要完整地经过途中所列的全部工序，提出某些工序后，仍须按图中所列顺序进行，不可颠倒或越次。

在注塑制品生产全过程中，每个工序对最终制品的质量都骑着不同程度的保证作用。

在多数情况下，注射成型工序对制品质量具有决定性作用。

但若其他工序操作控制不当，也会使次品和废品增加，甚至不能顺利地注射成型。

因此，有必要了解各工序的主要控制因素及相互关系。

2.2.1成型前的准备

1.塑料性能检测

检测项目应包括物理机械性能、成型工艺性能和外观质量。

物理机械性能由制品使用要求决定。

主要的成型工艺性能有熔融指数、充模流动长度、水分含量和模塑收缩率等。

对含水量较高的塑料必须进行干燥。

需要着色的塑料最好在造粒过程中着色，或者采用色母粒（浓缩着色剂的树脂颗粒）着色。

塑料颗粒过大或过小时，夹带的空气较多或很难从加料口排出空气，制品上容易出现气泡或银丝。

力度不均匀的塑料，不仅使柱塞式注射机料筒内的压力顺势显著增大，而且会使从喷嘴射出的融了有较大的温差。

用于注塑的高密度聚乙稀树脂原态外表呈乳白色不透明白色腊状颗粒，高密度聚乙稀的流动性在成型加工之前可通过熔体指数测定法予以了解。

注射成型中熔体指数常选用中高值（MI=1~~10）。

以其较好的流动性，减少制品的内应力，限制制品翘曲倾向的产生。

由于高密度聚乙稀是一类吸水性极微的树脂，平均吸水性小于0.02%，而成型时的水分允许含量为0.05%。

因此在成型加工之间对颗粒可不作干燥处理。

如果颗粒中水分含量过高则可在80~100℃的温度下处理1-1.5小时就可以了。

2.清洗料筒

在生产过程中，需要更换塑料制品品种、调换颜色或排除料筒内分解焦化残渣及其它杂质时，都应对料筒进行清洗或拆换。

清洗料筒要力求干净，因为少量的残存塑料会使大量制品出现条纹、僵块，甚至因分层而报废。

夹杂异物的制品，其力学强度和电性能也较低。

柱塞式注射机料筒内缺乏有效的搅拌和混合，残存料量又较大，很难用欲换的塑料置换清洗干净，通常是拆卸清洗。

螺杆式注射机可直接换料清洗。

当需要用同一台注射机生产多种塑料制品时，应先加工成型温度低、热稳定性较高、相容性较好、颜色较浅的塑料。

采用这样的加工顺序，料筒容易清洗干净。

3.选用脱模剂

由于模具成型面被划伤、光洁度较低或成型工艺条件波动所造成的制品脱模困难，通常可以擦拭适当的脱模剂而使制品顺利脱模。

常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石蜡（白油）和硅油等，擦拭脱模剂要适量而均匀。

硬脂酸锌不易用作尼龙制品的脱模剂。

4.金属嵌件的预热

由于金属与塑料的热膨胀系数相差很大，常使带有金属嵌件的塑料制品在嵌件周围产生裂纹，制品强度下降。

对尺寸较大的金属嵌件进行预热可以缩小嵌件与熔料的温差，是收缩率差值减小，从而降低收缩应力，减少开裂现象。

预热温度一般在130℃上下。

5.注射工艺参数的确定

（1）计量加料与预塑化

加料量应等于制品的质量与浇道内料柱质量之和。

加料时由料斗口下端的计量装置控制。

当注射保压动作完成后，螺杆后退时，粒料均匀的落入机筒内被预塑化。

预塑化是当加入机筒内的粒料在一定温度范围内被转动的螺杆推向机筒前端，在温度作用下再加上螺杆转动中的挤压，剪切和摩擦力等综合条件影响，原料塑化成熔融状态，原料塑化质量取决于螺杆的结构，转速和加热温度。

机筒的加热温度由加料部位开始至机筒前端逐渐提高，喷嘴部位的温度略低于机筒的最高温度；对于原料塑化温度的选择，应依据不同塑料的性能决定。

控制在原料即能均匀塑化并适合注射流动又不分解的条件内。

而喷嘴的略低温度是为防止注射时温度升高原料分解和减少流延。

螺杆的转速和工艺温度控制同等重要，对原料塑化有较大影响。

在相等时间内为提高塑化量，可提高螺杆的转速，这时的工艺温度要降低些。

如果塑化条件需高温时，则螺杆的速度应适当降低，在调整变化螺杆转速时；同时要注意某些原料对螺杆剪切速率变化的影响。

对于不同塑料塑化时螺杆转速选择，应在开始生产时，观察原料质量情况，逐渐提高变化。

（2）螺杆预塑时的背压力

螺杆预塑时的背压力是指螺杆转动塑化物料被推入计量腔中熔融料的压力强度。

这个压力强度的大小与注射油缸活塞退回阻力（即回油阻力）及机筒与螺杆间原料的摩擦阻力之和有关。

后者的阻力越大，熔融料的压强越大，则螺杆的背压力也相应增大。

螺杆的背压力大，原料塑化质量好。

但功率消耗大，传动零件磨损加快。

对于螺杆背压力的选择应是在保证制件质量的前提下越小越好。

螺杆的背压力，一般在2Mpa以下。

（3）注射充模

注射充模程序中分两个步骤：

一个是注射过程，另一个是保压过程。

注射过程是螺杆在油缸活塞推动下，迅速前移，推动计量腔内熔融料经喷嘴进入模具空腔的过程。

为保证充模质量，注射时应有一定的注射压力，这个注射压力也是螺杆前移时对物料的推力。

注射的压力与原料的性能，模具结构及制品形状有关。

一般控制在70~~160Mpa之间。

注射压力过大时，制品脱模困难。

有时会出现制品飞边，制品成型内应力较大；而较小的注射压力，又容易使制品外形质量差。

制件不密实，收缩变形大，不同塑料制品的注射压力在注射工艺中应给出一定压力范围。

保压阶段是指模腔被熔融料充满时至流道浇口固化开始，这段时间为保压过程。

所谓保压，即把注射压力（或稍低于此注射压力）恒定一段时间，目的是防止注入模腔内熔融料外溢；另一方面是为补充模腔内制品成型收缩量。

保压时间和注射压力的决定因素相同。

一般在20~~90s内。

2.2.2注射成型

1.注射成型过程的描述

注射成型在注射机上的成型操作过程包括加料、加热塑化、加压注射、冷却定型和脱模等步骤。

（1）加料

为了保证塑化质量稳定，减小向模具型腔传递压力的波动，应使每次加进料筒的塑料量相等。

由于料筒内粒料区段的长度对注射压力的损失有明显的影响。

所以对柱塞式注射机的加料量尤其要严格控制。

螺杆式注射机一般没有专门的计量加料装置，螺杆在转动着后退的同时，即能输送加料。

加料量由螺杆后退的行程来控制。

（2）加热塑化

塑化阶段是指塑料在料筒内经加热熔化为流动状态，并具有良好的可模塑性的过程。

对该过程的要求是塑化质量良好和塑化能力较高。

塑化质量主要取决于塑料在料筒内的受热情况和所受到的剪切作用。

料筒对塑料加热是使塑料熔融塑化的必要条件，而剪切作用则以机械力的方式强化混合和塑化过程。

在螺杆式注射机中塑化塑料时，由于螺杆旋转所产生的剪切摩擦热而改变了塑料在柱塞式料筒内完全靠外部加热塑化的情况，因而促进了塑料内部的塑化过程，螺杆转速和塑化压力（背压）都可调节塑化过程。

旋转着的螺杆对塑料有较强的搅拌混合和清除停滞料的作用，因此螺杆式注射机的塑化质量和塑化能力都高于柱塞式注射机。

由螺杆式注射机塑化出的熔体温度，一般都高于料筒温度10—20℃。

塑化时，注射机料筒内塑料温度上升情况如图2—2所示。

图2-2注射机料筒内的塑料升温曲线

螺杆式：

1-剪切作用强烈2-剪切作用平缓

柱塞式：

3-靠近料筒处4-料筒中心处

（3）注射成型

塑化良好的塑料熔体，在螺杆的推压作用下，由料筒经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满型腔的过程，是注射成型全过程中最重要的阶段。

因为塑料制品的形状和尺寸等外观质量，结晶、定向，内应力和熔接痕（指模具型腔内两股熔料的接合痕迹，也叫合料线）等内在质量在很大程度上都与这一阶段的操作控制是否得当有关。

根据模具型腔内物料压力随时间变化的特点，可将注射成型阶段再划分成以下几个时期，见图2-3。

图2-3模腔压力随时间变化曲线

t0-t1引料进模期t1-t2充模期

t2-t3挤压增密期t3-t4保压期

t4以后倒流凝封和继续冷却期

a.引料入模期在时间t0~t1内，塑料在料筒中受热塑化。

注射入型腔前，螺杆开始向前移动，熔体受挤压，并从料筒中经喷嘴进入模具流道。

在这一很短的时间内，向型腔输送熔体并传递压力。

b.充模期到时间t1时，熔料开始进入型腔，型腔内压力从常压开始上升，直到t2时，型腔被充满。

t1~t2为充模时间。

型腔充满时，腔内压力还不足以平衡螺杆对熔体施加的压力。

为了使进入型腔的熔体能精确地被模塑出具有型腔试样和尺寸的制品，以及为了使制品更密实坚强，有必要，也有可能在型腔充满后再挤入一些熔体。

t2~t3为挤压增密时间。

在生产中控制的柱塞或螺杆快速前进的注射时间，实际上包括引料入模、充模和挤压三部分时间。

因为引料入模和挤压时间与充杖时便相比都很短，所以常把充模时间视为注射时间。

c.保压期在注射成型壁较厚的制品和采用较大浇口的模具时，注射时间结束后，螺杆仍需要在前进位置再维持施压一段时间，即t3~t4这一段保压时间。

安排一定的保压时间可望浇口被凝固塑料堵塞后再撤压，以防止型腔内的熔体流回流道中。

在保压期内，熔体缓慢进入型腔，以补充腔内塑料因冷却收缩造成的缺料，使制品更密实，形状更精确。

d.倒流凝封期螺杆从时间t4开始一边旋转一边后移，即进行预塑加料。

这时，若型腔内的塑料还具有一定的流动性，而浇口处的熔体又未凝固，就会因为型腔内的压力高于流道中的压力而出现倒流现象，使摸内压力很快下降。

倒流将一直持续到浇口凝封为止。

e.继续冷却期高温熔体一进入模具就开始冷却，但对大多数制品来说，都需要在浇口凝封后，在无外压的情况下继续冷却一段时间。

当模内塑料温度降到其玻璃化温度或热变形温度以下时，开启模具，脱出制品。

由此可知，注射成型是一种循环操作的工艺过程。

现将操作程序归纳见图2-4：

图2-4注塑成型操作程序

（4）注塑成型过程可见图2-5：

（a）塑化阶段

（b）注塑阶段

（c）塑件脱模

1—料斗2—螺杆传动装置3—注射液压缸4—螺杆5—加热器6—喷嘴7—模具

图2-5螺杆式注射机注射成型原理

2.2.3制品的后处理

主要的后加工和后处理是切除流道赘物和毛边，以及进行机械加工，修饰，热处理和装配等。

对制品进行热处理的主要目的有四个。

1.使强迫冻结的树脂分子链得到松弛，由不稳定的强迫状态过渡到稳定的自由状态，从而降低或基本上消除制品中的内应力。

2．加快塑料的体积松弛过程，使制品内部结构尽快达到稳定的平衡状态，稳定制品的尺寸。

3．促进树脂分子链的结晶过程，使结晶更完善，结晶度更高，结晶