ساختمان عمومی قالبهای تزریق 1

قالب تزریق شامل مجموعه ای از قطعاتی است که " محفظه" را تشکیل می دهند، مواد پلاستیک به داخل این محفظه تزریق شده و سرد می شوند. در محفظه قطعه تزریقی شکل می گیرد. بنابراین محفظه به بخشی از فضای قالب گفته می شود که به شکل قطعه تزریقی است و قطعه در آن شکل می گیرد . محفظه با دو عضو قالب شکل می گیرد:
الف- حفره: قسمت مادگی قالب است و شکل بیرونی قطعه را به وجود آورد.
ب- ماهیچه: قسمت نر قالب است و شکل داخلی قطعه را به وجود می آورد.

صفحات حفره ای و ماهیچه ای

در شکل(2-1) برای یک ظرف شش گوش ساده نشان داده شده است.در این مورد قالب شامل دو صفحه است .در داخل یک صفحه حفره ایجاد شده که شکل آن مانند شکل بیرونی قطعه است .بنابراین ،این صفحه را صفحه حفره می نامند .به صورت مشابه ماهیچه دارای شکل بر آمده از صفحه ماهیچه است و شکل آن مانند شکل داخلی قطعه تزریقی است .زمانی که قالب بسته شود ،بین حفره و ماهیچه فضایی به شکل قطعه تزریقی به وجود می آید که آن را محفظه می نامند.

بوش تزریق

تزریق مواد پلاستیک به صورت خمیر از نازل ماشین خارج شده و از طریق یک مسیر به محفظه قالب وارد می شود.ساده ترین نوع این مسیر یک سوراخ مخروطی شکل در داخل یک بوش است که در شکل(2-2) نشان داده شده است .مواد موجوددر این مسیر را اسپرو و بوش را بوش تزریق گویند.

سیستم راهگاه و ورودی

پلاستیک مستقیما از طریق بوش تزریق (شکل2-2) وارد محفظه شده و در قالب هایی که دارای چند محفظه هستند (قالب های چند محفظه ای)قبل از ورود مواد به محفظه،می باید این مواد از راهگاه و ورودی نیز عبور کنند

حلقه تنظیم

برای اینکه مواد پلاستیک بدون هیچ مانعی وارد قالب شوند،نازل ماشین و بوش تزریق می باید هم راستا باشند.برای اطمینان از این موضوع باید قالب در مرکز صفحه ماشین نصب شود.این هم مرکزی با استفاده از حلقه تنظیم امکان پذیر است.

میله ها و بوش های راهنما

قالب گیری قطعه ای که ضخامت دیواره ها در آن مهم است و برای اطمینان از منطبق بودن حفره و ماهیچه که امری الزامی است با بکاربردن میله ها و بوشهای راهنما در دو لنگه قالب ،هنگام بستن قالب عمل انطباق  به صورت رضایتبخشی انجام می شود.
شکل(2-4) یک نمونه را که در آن میله های راهنما در سمت ماهیچه و بوش های راهنما در سمت حفره نصب شده ،نشان می دهد.ابعاد میله راهنما  باید به اندازه ای باشد که انطباق دو نیمه با توجه به نیروهای اعما ل شده به قالب امکان پذیر باشند 
در شکل زیر همه قطعات پایه تشکیل دهنده یک قالب در یک برش مقطع از نقشه مونتاژ نشان داده شده است

نیمه ثابت و نیمه متحرک

در شکل (2-4) مشاهده می شود که قطعات مختلف قالب در یکی از دو نیمه قالب جا می گیرند.نیمه ای که به صفحه ثابت ماشین بسته می شود (به صورت خط و نقطه نشان داده شده است)نیمه ثابت قالب نامیده می شود.نیمه دیگر قالب که به صفحه متحرک ماشین بسته می شود به صورت مختصر نیمه متحرک قالب نامیده می شود.اکنون بایستی تصمیم گرفت که حفره و ماهیچه را در کدام نیمه قالب نصب کرد.عموما به دلیلی که در زیر بیان می شود ماهیچه روی نیمه متحرک قالب نصب می شود:
در زمان سرد شدن قالب قطعه تزریقی منقبض شده و در هنگام باز شدن قالب روی ماهیچه می چسبد.خواه ماهیچه روی نیمه ثابت و خواه روی نیمه متحرک قالب نصب شده باشد،این انقباض اتفاق می افتد.به دلیل انقباض در قطعه تزریقی عموما بایستی از یک سیستم پران استفاده کرد.اگر ماهیچه در سمت متحرک قالب نصب شود امکان تحریک سیستم پران ساده تر است.در قالب تک محفظه ای شکل(2-4)حفره در نیمه ثابت و ماهیچه در نیمه متحرک قالب نصب شده است.

روش اساسی طراحی قالب

تعیین اندازه قالب

اندازه قالب در اصل به اندازه ماشین بستگی دارد.اغلب اندازه ماشین مشخص یا موجود محدودیت مهمی برای مهندس طراح ایجاد می کند.
این محدودیتها عبارتند از:
- مقدار تزریق در هر کورس:مقدار مذابی که در یک کورس حلزون یا پیستون به داخل قالب منتقل می شود.
- سرعت نرم سازی ،مقدار مواد نرم شده که ماشین در واحد زمان آماده می سازد.
- نیروی گیرنده که باید نیروی عکس العملی حاصل از حداکثر فشار داخلی حفره قالب را جبران کند. 
- حداکثر سطح میز ماشین که با فاصله بین میلهای  راهنمای ماشین معلوم می شود 
- حداکثر فشار تزریق

حداکثر تعداد حفره قالب

 ابتدا حداکثر تعداد حفره قالب تئوری محاسبه می شود{4}

حداکثر حجم مواد در یک کورس Sv به Cm3

=N1

حجم قطعه در راهگاه Mv به Cm3

این محاسبه با فرض استفاده کامل از حداکثر مقدار تزریق در یک کورس ماشین که از قطر حلزونی و جابجایی آن به دست می اید انجام می شود.البته به دلایل کیفی(مذاب یکنواخت،توانایی کافی برای حفظ فشار)انتخاب حداکثر کمی عاقلانه نیست.
تعداد حفره قالبها برای قطعات با دیواره نازک بیشتر با سرعت نرم سازی ماشین تعین می شود.

در ماشینهای قالب گیری تزریقی مدرن با حلزون رفت و برگشتی سرعت نرم سازی به قدری بالاست که باید تعداد حفره قالبها  N2   فقط برای قطعات جدار ناک با سرعت ضرب زیاد چک شود. طبق یک قانون تجربی:

0.4 N1<=N2 <=0.8N1

نیروی گیرنده

حداکثر نیروی گیرنده از نیروی عکس العملی حفره قالب که نتیجه سطح تصویر شده همه حفره قالب ها و راهگاهها و حداکثر فار حفره قالب است به دست می آید:

F=A×P

در اینجا  F نیروی عکس العمل ،A سطح تصویر شده حفره قالبها  و سیستم راهگاه و P فشار حفره قالب است. در فرآیند صحیح ،با توجه به جنس و قطعه ،فشار حفره قالب MPa =100-20 است. در عملیات اشتباه ممکن است این فشار تا فشار تزریق کامل بالا برود.بنابراین ذتوصیه می شود که محاسبه با فشار تزریق حداکثرماشین و سطح تصویر شده کلی که ممکن است با مذاب پوشیده شود انجام شود.

F max =A max ×P inj < F clam

حداکثر سطح گیرنده

این سطح با فاصله بین میلهای راهنمای ماشین تعیین می شود(شکل 62) عموما از مشکل کشیده شدن میلهای راهنمای ماشین جلوگیری می شود .بنابراین بیشترین ابعاد قالب تقریبا باید mm 10  کوچکتر از فاصله بین میلهای راهنمای مربوط باشد.قسمتهای گیرنده برای تحمل حداکثر فشار حفره قالب که انتظار می رود به وجود آید ساخته می شوند.ماشینهایی که برای فرآوری فوم(foam ) با فشار کم به کار می روند قسمتهای گیرنده سبک یا میزهای گیرنده بزرگترو فاصله بیشتری بین میلهای راهنما دارند.باید مراقب بود که صفحات تحت بارها بیش از از چند میکرون خم نشوند در غیر این صورت، فاصله درز مجاز خط جدایش حتی با وجود صلبیت کافی خود قالبها حفظ نمی شوند . تز این لحاظ ماشینهای امروزی اغلب کوچکتر از اندازه هستند.

کورس باز شدن لازم

ورس بازشدن برای بیرون انداختن بدون مشکل قطعه از قالبها با ماهیچه های بسیار بلند بایدبه اندازه کافی بلند باشد(مثال :قالب سطل) .حداقل کورس لازم بیش از دو برابر طول ماهیچه است.
از سوی دیگر کورس بلندتر از حد نیاز ،مدت زمان سیکل را افزایش می دهد و  به دلیل هزینه ای باید کورس هر چه کوتاهتر باشد.
کورس بازشدن را می توان دقیقا تعیین کرد ولی کورس بیش از حد نرمال مخارجی زیادی دارد .بنابراین طرحی رائه شده{12} که در آن قالب در حین کورس باز شدنبا یک وسیله کمکی کج می شود و سپس قطعه از قالب خارج می شود(شکل 53

طول جریان/ نسبت ضخامت دیواره

معیار دیگری که به ماشین مربوط می شود نسبت طول جریان و ضخامت دیواره است.طبق قانون هاگن-  پویسیل نسبت بین طول جریان L و مربع ضخامت دیواره قالب H2  با فشار تزریق P inj   ،کمیت مربوط به ماشین و ویسکوزیته مذاب در صورتی که سرعت مذاب داده شده باشد تعیین می شود.
برای ترموپلاستیکها  مقادیر سرعت بهینه مشخصی{13} برای مولکولها وجود دارد که با آرایش مولکولی تعیین می شود .این سرعتها حدود  Vinj ~30 cm/s   هستند.
البته اغلب از اطلاعات تجربی که به وسیله تولید کنندگان مواد خام برای محصولاتشان ارائه می شود وبه صورت نمودار ضخامت دیواره / طول جریان(شکل 54) است استفاده می شود. اطلاعات این نمودار برای همه مواد با آزمایش به دست آمده است.

شکل 53 رابطه ضخامت دیواره و طول جریان برای تعدادی از رزینهای قالب گیری PMMA ( شرکت Degussa ){14}
این مواد طبق DIN7745 هستند.
دو سری از انواع آنها وجود دارد :انواع استاندارد 6،7،8 و انواع E که وزن مولکولی بیشتری دارند.
در حال حاضر داده های معمولی برای تولید قطعات قالبگیری با حداکثر طول جریان مذاب در حفره قالب و ضخامت مقطع مربوطه (نازکترین) مشخص می شوند و این داده ها کاملا تجربی هستند.
نسبت ضخامت دیواره /طول جریان که از قانون هاگن-پویسیل به دست می آید با اصل تشابه مطابقت دارد

محاسبه تعداد حفره قالب

اولین مرحله طراحی تعیین  تعداد حفره قالبها است .معیارهای فنی (به شکل تجهیزات موجود در ماشین و کیفیت مورد نیاز و هزینه ها) همچنین معیارهای اقتصادی(تاریخ تحول) در نظر گرفته می شوند. برای راحت کردن این تصمیم گیری چند سطحی یک فلو چارت(شکل 55) ارائه می شود که روش مناسب را توضییح می دهد.
با فرض اینکه قیمت تک محصول به روش تولید آن بستگی دارد می توان به صورت عکس نتیجه گرفت که محاسبات هزینه باید از مرحله طراحی ،مخصوصا طراحی قالب ، شروع شود تا راه حل بهینه به دست آید.تقسیم کل روش به اعمال جزئی شناخته شده یا اعمال ابتدایی(17) که می توان با توجه به علت و معلول آنها را جایگزین عملیات کلی نمود کاری عملی است. سپس این اعمال  جزئی به کمک آنالیز مقادیر ارزیابی می شود .نکته مهم منبع هزینه هاست. شکل 56 هزینه ها را که باید در نظر گرفته شوند نمایش می دهد و در گروههای هزینه آنها را جا داده است.
با جمع کل هزینه های منفرد یا گروههای هزینه به صورتیکه در شکل 56 نمایش داده می شود هزینه ها به دست می آید.منحنی این هزینه ها به صورت شماتیک در شکل 57 {9،18،21) نمایش داده شده است.
از آنجا که از پیش معلوم نیست که کدام ترکیب از تعداد حفره قالبها ،سیستم قالب و ماشین قالبگیری تزریقی به کمترین هزینه منجر می شود ،این سه کمیت باید در محدوده مشخصی ،که تعیین می شوند تغییر کنند.
ابتداد تعداد حفره قالبها باید محدود شود.این کار با 5 گام اول الگوریتم شکل 55 انجام می شود که جزئیات آن به علت اهمیت آنها بعدا مورد بحث قرار می گیرد.اگر اطلاعاتی راجع به خواسته های کیفی (گام دو  یا زمان تحویل (گام 3)در دست نباشد ،می توان در گام 1 با تعداد حفره قالب درستی از نظر عملی کار را شروع کرد (20) ،که این تعداد فقط به مقدار سفارش بستگی دارد (شکل 58) .

مشاهده می شود که منحنی از کمتر از n=1000 قطعه شروع نمی شود.تعدادکمتر سفارش با سود نیست چرا که هزینه های قالب مخارج استهلاکی زیادی به وجود می آورد.این هزینه با کاهش تعداد تولید افزایش می آیدو منجر به غیر اقتصادی شدن کار می شود.
طبق این تجربه (20) اقتصادی ترین راه برای تولید قطعات تا تیراژ 10000 قطعه به شرط اینکه زمان تحویل مورد نیاز محدودیتی ایجاد نکند استفاده از قالب با یک حفره قالب است.اگر بهترین کیفیت و دستیابی راحت در نظر باشد ،آنگاه عموما فقط از این قانون استفاده می شود.با مشکلتر شدن فرآوری مواد ،این نمودار (20) ارزش بیشتری پیدا می کند.اگر شرایط دیگری وجود داشته باشد ،آزمایش دیگری انجام می شود

الگوریتم تعیین تعداد حفره قالب بهینه از نظر فنی و اقتصادی

از آنجا که تعیین واقع گرایانه تعداد حفره قالب بهینه فقط به توجه به مشخصات ماشین قالبگیری و قالب مناسب برای قطعه مورد نظر امکانپذیر است ،بنابراین اگر تعداد حفره قالب بهینه از نظر فنی و اقتصادی تعیین شود مناسب ترین ترکیب قالب و ماشین به صورت همزمان به دست می آید{16}
برای شروع یک درخواست تولید قطعات قالبگیری تزریقی را در نظر بگیرید که در اصل شامل:
- شکل قطعه
- جنس قالبگیری
- شرایط قطعه
- تعداد تولید و
- تاریخ تحویل است.
در برآورد قالبساز و قالبگیر ، حداقل پارامترهای زیر را باید مقرر شوند:
- تعداد حفره قالب n ،
-نوع قالب W
- ابعاد اصلی قالب،
- تعداد m و انواعM ماشینهای قالبگیری،
- هزینه قالب و
- هزینه های قطعات(n,W.M,m ) S .

پارامترهایی که در بالا ذکر شد فقط با هم می توان آنها را تعیین کرد چرا که به صورت متقابل به یکدیگر وابسته هستند .مثلا ارتباطی بین تعداد حفره قالب n و تعداد m همچنین نوع ماشین قالبگیری M وجود دارد.این وابستگی نتیجه تعداد تولید و زمان تحویل و از سوی دیگر ملزومات فنی فرآیند (سرعت نرم سازی،تعداد کورس،...)و از سوی دیگر اطلاعات راجع به ماشین است.
نوع تزریق و موقعیت آن و همچنین تعداد حفره قالب ،مثلا از قالب یک حفره ای به قالب دو حفره ای ،بستگی دارد.ابعاد اصلی قالب به تعداد حفره قالب ،طرح قالب و نوع ماشین بستگی دارد .برعکس ممکن است که طرح قالب به ابعاد اصلی قالب وابسته باشد .اگر مثلا به علت زیاد بودن نیروهای عرضی بازشدن، استفاده از یک میل راهنمای  ضخیم برای قالب کشویی لازم شود نمی توان آنرا پس از تعیین شدن اندازه ها ایجاد کرد.بنابراین استفاده از قالب با حفره قالب دو تکه حساسیت بیشتری دارد .هزینه های قالب وقطعه به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به پارامترهای باقیمانده که در برآورد مقرر شده اند بستگی دارد. 
برای به دست آوردن مناسبترین تعداد حفره قالب (ترکیب قالب –ماشین) با کار قابل قبول،روش زیر ارائه شده است.شکل 59خلاصه فلوچارت یک الگوریتم برای تعیین بهترین ترکیب قالب و ماشین از نظر فنی و اقتصادی برای قطعه تولیدی نمایش می دهد. در گام 1 قطعه آنالیز شده و تمام مقاصد عملی قالب به دست می آید.علاوه بر اینها انتخاب اولیه ماشینها ،یعنی ماشینهای قالبگیری که انتخاب نهایی از میان آنها خواهد بود ،انجام می شود .سپس در گام 2 اولین محدودیت دامنه تعداد حفره قالب که بر مبنای معیارهایی که به اطلاعات راجع به قطعه بستگی دارد تعیین می شود.پس از این گام در گام 3 دامنه تعداد حفره قالب با بازبینی معیارهای فنی مهم محدودتر می شود .در گام 4 پس از محاسبه ابعاد اصلی قالب می توان هزینه قطعه را محاسبه کرد .در این مرحله تعداد حفره قالب برای یک ماشین و قالب مشخص تصحیح و تعیین شده است و پس از این گام ماشین و قالب انتخاب شده اند .با این انتخاب در گام 5  ماتریس نتایج برای هزینه های قطعه به دست می آید .این ماتریس باید اقتصادیترین ترکیب،البته لزوما بهترین ترکیب ماشین و نوع قالب و تعداد حفره قالب نیست،را مشخص سازد.

در گام 3 تعداد حفره قالب عملی با توجه به تجربیاتی که با قطعات مشابه وجود دارد مقرر می شوند.
برای افزایش مقاصد این روش ،بررسی با در نظر گرفتن وابستگی تعداد حفره قالب به مقدار تولید برای یک خانواده مشخص از قطعات قالبگیری که با اندازه های مشابه قطعه گروهبندی شده اند انجام می شود. این اطلاعات را می توان وارد نمودارها کرده و بنابراین به صورت ریاضی بیان نمود. به این وسیله برآورد اولیه تعداد حفره قالب ممکن می شود .گام 5 به تعداد حفره مناسب از نظر کیفی ربط دارد .اگر بیش از یک حفره قالب در قالب باشد شرایط فرآیند مناسب نخواهد بود  .تعداد حفره قالب صحیح باعث  قالبگیری قطعه با کیفیت کامل می شود. بنابراین ارتباطی بین کیفیت مورد نیاز قطعه و حد اکثر تعداد حفره قالب ممکن وجود دارد ،حتی برای مقدار تولید بیشتر ،انتخاب تعداد کمتری حفره قالب نسبت به تعداد مجاز از نظر فنی ،باید انجام شود تا قطعات با کیفیت بالا به دست آید در{22} یک ارزیابی کیفی (صحت شکل و ابعاد)در 4 گروه ارائه شده است .علاوه بر این ،تقسیم بندی خانواده های قطعات باید انجام شود.نمی توان یک عبارت کمی قابل قبول عمومی درباره وابستگی درجه کیفیت به تعداد حفره قالب بیان کرد البته این وابستگیها را به راحتی می توان با اندازه گیری وزن و ابعاد قطعات قالبگیری حاصل از قالبهای چند حفره ای که عملا در کارگاه استفاده می شود مشاهده کرد.