熱流道技術在塑膠注塑模具中的應用

王 旭　朱傳林　侯景杰　張海珍

摘 要：模具工業素有“工業之母”之稱，不斷快速推廣各項世界級的新技術。其中，熱流道技術的應用與普及尤為突出，成為該領域的一種關鍵技術。本文闡述了熱流道技術的原理和應用知識，分析了熱流道模具的設計重點（涵蓋導熱與冷卻、熱量排布、強度控制、進膠平衡等），并介紹了熱流道選型方法，以便將熱流道技術更好地應用于模具設計中。

關鍵詞：導熱與冷卻;熱量排布;強度控制;進膠平衡

中圖分類號：TQ320.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0065-03

Application of Hot Runner Technology in Plastic Injection Mold

WANG Xu ZHU Chuanlin HOU Jingjie ZHANG Haizhen

（Henan Key Laboratory of Medical Polymer Materials Technology and Application， Henan Tuoren Research Institute of Medical Devices Co.， Ltd.， Changyuan Henan 453400）

Abstract： The mold industry is known as the "mother of industry"， and it continues to rapidly promote various world-class new technologies. Among them， the application and popularization of hot runner technology is particularly prominent and has become a key technology in this field. This paper explained the principle and application knowledge of hot runner technology， analyzed the design focus of hot runner molds （covering heat conduction and cooling， heat distribution， strength control， glue feeding balance， etc.）， and introduced hot runner selection methods in order to better apply hot runner technology to mold design.

Keywords： heat conduction and cooling;heat distribution;strength control;glue feeding balance

熱流道的基本原理是在塑膠注塑模具中，為實現塑膠熔融體在型腔中持續流動，對主流道、分流道、澆口進行恰當的溫度控制，使得塑膠能夠一直保持在熔融狀態[1]，從而實現連續注塑的效果。熱流道系統通常由熱流道板、溫度控制器、噴嘴和輔助零件等幾部分構成[2]。熱流道系統自身相當于注塑機的一個延伸膠道，使得進膠無水口料產生。

1 導熱與冷卻

1.1 導熱

熱流道系統的功能是銜接注塑機到產品型腔之間的延伸膠道。熱流道系統的設計理念是在需要導熱的部位進行導熱處理，如塑膠熔體的流道，在需要隔熱的部位進行隔熱處理。例如，在需要使用氣缸來實現模具開模動作時，為避免氣缸受熱繼而熱膨脹導致卡死情況，人們需要在模架上對氣缸進行隔熱處理。熱流道供應商依據塑膠物性表，在熱流道溫度設定上尋找一個臨界平衡點。那么，如何實現直接有效的溫度控制呢？導熱系數越大，越有利于傳熱，相反，導熱系數越小，越不利于傳熱。不同的金屬材質存在顯著的導熱系數差異，例如，銅的導熱系數為401W/（m·K），鐵的導熱系數為80W/（m·K），45號鋼材的導熱系數為50W/（m·K），鈦合金的導熱系數為7～8W/（m·k）。因此，使用導熱系數大的材質導熱，使用導熱系數小的材質作為隔熱介質進行隔熱，能夠實現有效的溫度控制。另外，在對流道和澆口這些關鍵部位進行溫度控制時，可以借助熱管技術實現溫度控制精度的進一步提高[3]。控制好導熱，還可以減少能量消耗。

1.2 冷卻

熱流道所在模胚需要設計運水，以便實現隔熱的同時更好地控制模具溫度。熱咀尖端部分的運水冷卻更是重中之重，如果這部分冷卻不佳甚至壓根沒有，則會引起熱量集中，注塑殘留壓力將壓著澆口部分冷卻不到位的熔融料流出，造成流延、滴料等嚴重后果。因此，為避免出現上述現象，應提前在模具設計階段做好該區域的冷卻設計。

在具體的模具設計中，考慮到產品所需要的模溫和冷卻熱咀所需要的溫度不一致，模具設計時要單獨控制熱咀溫度，否則一旦出現問題，很難再進行修改。比較理想的運水方式是在熱咀周圈單獨設計獨立的熱流道冷卻水路，推薦運水方式有兩種。一是做冷卻水套，水路做一圈，呈一進一出環形，如圖1所示;二是運用金屬3D打印技術制造熱咀的熱流道運水套，如圖2所示。

圖1 冷卻水套

圖2 熱流道運水套

2 熱量排布與強度控制

模具采用熱流道實現進膠時，既要注意熱量的排布，保證其熱量不易散失，又要保證模架能夠承載住熱流道的巨大膨脹力和注塑張力，因為一旦承載不了，熱流道借助熱嘴與熱流板接觸部分封閉實現封膠這一平衡就會被打破。控制熱量方面，可以通過分流板自身的隔熱介質與模板的避空位（減少接觸面積）來實現，封閉狀態下的空氣，其導熱系數為0.023W/（m·K），可作為不良導熱體，借助避空位之間的空氣能達到既保留住熱流道系統熱量，同時保證模架不至于因過度受熱而膨脹的優越效果;模具強度方面，可以在模板內部設置加工支撐位，最佳設計方案是保證熱量排布的同時在分流板周圍設置適當數量的支撐位與螺絲來固定。

3 進膠平衡，流動順暢

塑膠流體在熱流道系統中要確保每個型腔達到完全平衡[4]，能夠控制產品的各個型腔同步填充，否則就會出現沖壓不同，無法保證產品的一致性。

進膠平衡方面，通常采用自然平衡式分流道[5]，即保證各個分流道長度、尺寸和斷面形狀完全一致。發展到近期，其逐漸演變為流道分層方式。這樣可以避免角度不同而造成進膠不平衡，特別是針對多型腔產品進膠平衡能提供完美的方案。

流道順暢方面，要保證流道轉角處得到光滑處理，這樣可以減小壓力損失，避免出現熔融料因滯留流道內而熱分解的情況[2]。當前，拐角處理方式日趨多樣化，例如，MOLD-MASTER（加拿大）熱流道采用已獲得專利認證的雙片焊接式分流板技術（見圖3），流道經過專業研磨和拋光，圓滑順暢無死角，可充分滿足快速和精確換色的需求，能夠實現進膠最佳平衡效果。根據塑料熔融料流動特點，EWIKON（德國）熱流道采用經特殊工藝處理的流線型定向鑲件（見圖4），消除尖角和死角，保證任何狀態都是過盈不松動狀態，膠料流道順暢無死角，同時也有利于實現注塑過程中快速換色，這種方式需要在流道拐角處下足功夫進行處理。

圖3 雙片焊接式分流板

圖4 流線型定向鑲件

4 熱流道的應用注意事項

4.1 塑料對熱流道系統設計的影響

能夠采用熱流道系統進行注塑成型的塑料材質種類是多樣的，如PP、PMMA、SAN、ABS、PCTA、PE、PS、PA、TPI等。熱流道在生產使用過程中的折舊消耗與塑料材質自身的剪切性與磨損性直接相關，如果PP材質基本上沒有磨損，POM與尼龍材質剪切有風險，在出熱流道方案時需要注明塑料種類及型號，以便在熱流道設計時依據塑料物性表來分類對待、處理和選擇（如決定采用閥針式系統還是非針閥系統）。

當模具的熱流道系統加工完畢并完成在模具上的安裝時，生產階段不能隨意更換注塑材料，原因有二。一是熱流道溫度不一樣會導致熱流道熱膨脹尺寸不一樣，會導致模板凹陷、壓力碟碎裂、分流板漏膠的后果;二是因不同塑料的流動性不一樣，熱流道的設計參數也不一樣，熱流道是針對特定塑膠材質的物性表而設計的。

當模具的熱流道系統加工完畢并完成在模具上的安裝時，也不能隨意更換塑料顏色，除非出熱流道方案已明確提出換色需求。為了實現快速精準的換色效果，熱流道廠家需要提前在結構上做特殊處理，如不提前說明，后續可能會影響模具的正常使用。

此外，熱流道設計之前，需要確認模具設計參數，如產品厚度、產品重量、型腔數、注塑機類型、澆口開在產品還是流道上等事項，一經確定不再變更。

4.2 針對不同模具特征要求的熱流道選型

一是普通開放式。如果產品結構受限，模具開模動作較多，進膠口不能夠直接點到產品上，就可以選擇開放式熱流道，從而減少水口料和降低注塑壓力。在采用開放式熱流道時，通常選用單個熱咀，用于微型半熱流道。二是針閥式。在模具結構不受限制且產品外觀要求高時，可以采用針閥式熱流道直接進膠點到產品上，但是針閥式熱流成本相對較高。三是點澆口。當產品外觀面要求不高且可以直接進膠到產品時，可以采用點澆口熱流道。點澆口熱流道成本相對較低。四是側澆口。在產品上、下表面都找不到合適的進澆口位置時，可以通過側澆口方式在產品側面實現進膠。

4.3 熱流道在注塑模具生產中使用的注意事項

塑膠原料要保證干凈無雜質，防止鐵屑等異物進入系統而堵塞澆口;要保持冷卻水路運作正常，確保模板無漏水現象;要隨時觀測溫控器功率變化，正常功率波動不超過2%;生產中如果需要臨時停機，要將熱流道溫度調整到保溫狀態;如果在生產中需要關閉某一點，不能直接關閉，需要將溫度降低到120℃左右，以防止溫度過低、膨脹不足，造成漏料。

5 結語

熱流道技術現如今在中國乃至全球已經應用極為廣泛，隨著開發進度的快速提升，該技術逐步輻射到其他方向（如雙色/多色共注塑）[6-9]，因此有必要深入研究熱流道技術。本文論述了熱流道系統的工作原理和導熱與冷卻、熱量排布、強度控制、進膠平衡等方面的應用知識。當前，塑膠注塑模具設計者可以采用熱流道選型方法，對導熱、冷卻、熱量排布與強度控制、進膠平衡等進行合理安排和設計，最終達到完美的產品設計效果。

參考文獻：

[1]田夢婕，郭妍，郭永環.熱流道技術在注塑模具中的應用與發展[J].塑料科技，2017（1）：94-98.

[2]張朝閣，宓大云，張亞.熱流道塑料模具技術的研究與發展前景[J].塑料工業，2013（7）：5-9.

[3]崔玲.熱流道塑料模具技術的研究與發展前景[J].橡膠技術與裝備，2016（14）：10-11.

[4]塑料模具技術手冊編委會.塑料模具技術手冊[M].北京：機械工業出版社，1999.

[5]劉保臣，楊曉東，申長雨.熱流板設計與制造[J].模具工業，2007，（10）：52-55.

[6]陳劍玲，李昌雪.透明殼蓋側抽模熱流道系統的設計[J].中國塑料，2014（5）：115-118.

[7]鄭子軍，肖國華，尤建國，等.帶深溝拉手位冰箱抽屜轉動式側抽芯機構熱流道模具設計[J].工程塑料應用，2015（3）：80-84.

[8]劉保臣，陳靜波，申長雨.雙脫模模具結構設計[J].工程塑料應用，2007（4）：65-67.

[9]肖國華.手機結構殼潛伏澆口轉側澆口澆注及模具結構設計[J].模具技術，2014（1）：10-13.