多腔注射模熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江振華

（上海占瑞模具設(shè)備有限公司，上海201500）

1 引言

目前，醫(yī)療包裝行業(yè)的注射模應(yīng)用越來越廣泛，從成本角度上考慮，采用熱流道系統(tǒng)的模具比例也越來越多，加上醫(yī)療包裝行業(yè)的塑件產(chǎn)量都是比較大，塑件的間距都小，針對熱流道系統(tǒng)的應(yīng)用要求也偏高，市場上對于穩(wěn)定的多腔熱流道系統(tǒng)的需求越來越大。

2 多腔流道設(shè)計(jì)

2.1 多腔熱流道的優(yōu)勢分析

圖1 所示為1模8腔注射模流道方案。

方案A：普通分型面模具結(jié)構(gòu)，采用冷流道方案，帶有冷流道。

方案B：模具采用了開放式的單噴嘴，消除了主流道的料柄廢料，也可以縮短主流道的長度，此方案可以使主流道和流道廢料減少約40%，注射成型周期縮短約10%，成型的冷卻時(shí)間大部分主要是在冷卻主流道與流道結(jié)合的位置，這個(gè)位置通常是塑件最厚的部位2.5倍以上。

方案C：模具應(yīng)用了熱流道板結(jié)合兩個(gè)開放式噴嘴與方案A比較其主流道廢料減少了約60%～70%。

圖1 1模8腔注射模流道方案

方案D：模具的每個(gè)型腔都采用熱流道進(jìn)膠，去除了冷流道。其優(yōu)點(diǎn)是允許降低注射溫度，可以進(jìn)一步縮短周期，塑件在中間頂端進(jìn)膠，不再需要回收廢料，可以節(jié)約很多費(fèi)用，將這部分費(fèi)用貼補(bǔ)到模具上去，但是模具成本相對較高，通常這種多型腔的模具是應(yīng)為塑件需求量大而設(shè)計(jì)多腔模具，采用多腔熱流

道短期內(nèi)創(chuàng)造的價(jià)值就能彌補(bǔ)模具上的成本增加，所以多腔模具熱流道存在的價(jià)值體現(xiàn)較為明顯。

2.2 塑件性能分析

多型腔熱流道系統(tǒng)來說塑料熔體必須在相等的壓力下以相同的溫度傳輸?shù)矫總€(gè)型腔，達(dá)到平衡填充的原則。多腔模具其中一種制品形狀和大小是完全一致和形狀大小不一致的兩種類型，但是都是需要在同一時(shí)間完成注射成型，為了保證生產(chǎn)質(zhì)量，需要通過熱流道系統(tǒng)來完成熔體傳輸。

2.3 流動(dòng)平衡

熱流道系統(tǒng)中的流動(dòng)平衡，可以使注射加工時(shí)執(zhí)行較寬的工藝窗口，可以改善成品質(zhì)量，在熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過以下兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)填充平衡。

（1）以相等的流長來設(shè)計(jì)流道系統(tǒng)，考慮幾何參量的平衡，稱為自然平衡，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)從主射嘴和主流道到各噴嘴的流動(dòng)距離相等，只要對稱的布置的對應(yīng)分流道圓截面的半徑相同，就可以實(shí)現(xiàn)各澆口的平衡澆注。

圖2 自然平衡

（2）以各注射點(diǎn)有相同的壓力降來設(shè)計(jì)流道系統(tǒng)。對不同的流徑長度給予流道截面的補(bǔ)償，提供經(jīng)流變學(xué)原理計(jì)算的平衡，稱之為流變學(xué)平衡，如圖3所示。這種設(shè)計(jì)從主射嘴到各個(gè)噴嘴的澆口流動(dòng)距離不同，不同的流長比會導(dǎo)致各個(gè)注射澆口熔體填充壓力的差異，但是經(jīng)過流變學(xué)計(jì)算，調(diào)節(jié)各分流道的半徑，也可以達(dá)到各個(gè)澆口平衡填充。

圖3 流變學(xué)平衡

2.4 多腔自然平衡的流體傳輸

在一模多腔的熱流道系統(tǒng)的流道板上，流道的布局和流道尺寸的設(shè)計(jì)必須滿足注射的塑料熔體對各個(gè)模腔的平衡填充，以保證塑件的品質(zhì)穩(wěn)定和精度一致。但是對待流道自然平衡也會存在缺陷：其一這種平衡會導(dǎo)致自然平衡的排布流道流長太長，熱流道系統(tǒng)中壓力損失，注射溫度下的塑料在熱流道中的停留時(shí)間加長，導(dǎo)致材料存在分解的風(fēng)險(xiǎn)；其二就比如冷流道模具的平衡流道一樣，導(dǎo)致各個(gè)澆口雖然流長比一樣也未必能達(dá)到平衡效果。如圖4所示，由于流道截面剪切速率的分布不同，也不一定各型腔同時(shí)進(jìn)膠或同時(shí)充滿（塑料流動(dòng)的記憶效應(yīng)）。為了避免這樣現(xiàn)象發(fā)生，在設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，需要注意噴嘴與注塑機(jī)射嘴間的距離，噴嘴與射嘴間的間距，在型腔數(shù)多的模具中，多層次流道重疊組裝，達(dá)到自然平衡且較短的流程。

圖4 流道截面剪切速率分布

2.5 自然平衡流道的分布示意

為了能使多型腔模具實(shí)現(xiàn)自然平衡，模具采用如圖5所示的排布方式，采用對稱式的等路徑分布型腔，還有是以3的倍數(shù)來等路徑排布型腔。

圖5 自然平衡流道排布

幾何平衡是基于對各個(gè)注射點(diǎn)流長路徑的布局，對所有的型腔流道長度是相等且各級流道直徑相同澆口一致。多型腔熱流道系統(tǒng)常見的自然平衡布局，按流道長度一致排布對稱。流道分支通常按照一分二，一分三，一分四將流道合理的縮小。

2.6 非平衡流道分布示意

非平衡布局流道總體長度要比平衡流道長度要短，但是由于澆口射出的熔體壓力不一樣可能會影響成型塑件的質(zhì)量，但是可以通過各級流道和澆口尺寸來做對應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)各級輸出點(diǎn)的壓力相同。圖6所示為自然平衡流道設(shè)計(jì)，流道板采用雙層設(shè)計(jì)，目的是為了主射嘴到各級噴嘴的流長是一致的。圖7所示非自然平衡流道排布，直排的流變平衡的流道板是單層設(shè)計(jì)，與幾何平衡的流道板相比流道的長度縮短了，流道板高度也壓縮了一半左右。

圖6 自然平衡流道排布

圖7 非自然平衡流道排布

2.7 關(guān)于一模多腔流道設(shè)計(jì)的建議

本實(shí)例16點(diǎn)單層直排流道流變平衡設(shè)計(jì)如圖8所示。

（1）本案例2×2×4的最后一級是非平衡的流道布局，前面2×2級是平衡布置。

（2）流變平衡是通過流道直徑調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)AB，AC流程的壓力損失相等。

（3）流變平衡計(jì)算的AC流程在分流板上的長度較短，為了實(shí)現(xiàn)與AB流程的壓力平衡將下層流道的直徑也加入，與流道板直徑一起調(diào)整。

（4）1模16腔直排非幾何平衡的流道板僅為單塊一層，與幾何平衡的流道板相比，流道板長度縮短了，流道板的高度壓縮了一半，節(jié)省了流道板所用的鋼材，安裝也方便，還減少了散熱面積。

圖8 單層直排流道流變平衡設(shè)計(jì)

關(guān)于一模多型腔非平衡流道系統(tǒng)的流變平衡設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議：

（1）一模多型腔的流道系統(tǒng)的細(xì)微部位非平衡設(shè)計(jì)，可以通過簡單計(jì)算實(shí)現(xiàn)流變平衡，能縮短流道的長度，可以減少流道的分層，壓縮流道板的厚度，從而使模具熱流道部分的總體厚度得到改善。

（2）一模多型腔的流道系統(tǒng)的完全非平衡設(shè)計(jì)，可以采用流量平衡方程式進(jìn)行初步計(jì)算和設(shè)計(jì)，再采用流變平衡方法進(jìn)行修正，滿足各個(gè)澆口的壓力基本相等。

（3）一模多型腔的流道系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)同樣需要根據(jù)流變平衡原理設(shè)計(jì)流道尺寸，使得各級分流道管路中塑料熔體剪切速率和剪切力基本不變，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)流道板溫度分布均勻，沒有局部高溫產(chǎn)生而影響塑料熔體的流動(dòng)。

（4）一模多型腔的流道系統(tǒng)的非平衡設(shè)計(jì)達(dá)到流變平衡后各級分流道中熔體剪切速率和剪切力有變化，傳輸塑料熔體會導(dǎo)致不穩(wěn)定，為了防止這樣的狀態(tài)，需要提前計(jì)算限制各段流道的流體剪切速率。

（5）各級流道流變平衡設(shè)計(jì)，計(jì)算最佳剪切速率和允許的壓力損失，可以采用DIMH熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序來優(yōu)化流道的設(shè)計(jì)（Design of Injection Mold for Hot Runner System）。

2.8 雙層流道板設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

一模多型腔的流道系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)，雙層流道板設(shè)計(jì)無法避免，來分析一下雙層流道板設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）雙層流道板設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，1模8腔或者8腔以下，一般都是采用單塊分流板雙層流道設(shè)計(jì)，這樣不會額外增加模具的厚度，只是流道稍微長了一點(diǎn)，如果1模16腔的分流板設(shè)計(jì)通常都會采用多層分流板設(shè)計(jì)。

1模16腔分流板設(shè)計(jì)，流道板通常都是兩層，這樣模具的定模會相應(yīng)的增加厚度，如圖9所示。

（2）多層分流板設(shè)計(jì)，流道板疊加在當(dāng)中，兩塊分流板的溫度布局相對復(fù)雜，無法避免溫度相互干擾，可能存在局部高溫現(xiàn)象，熱敏感塑料建議不要使用這樣的設(shè)計(jì)，避免塑料降解的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）多層流道設(shè)計(jì)分流板在加工過程中無法避免堵頭的問題，由于平衡設(shè)計(jì)，流道的數(shù)量和形狀相對復(fù)雜，堵頭的封堵需要空間，這樣分流板設(shè)計(jì)就必須留空間，導(dǎo)致分流板厚度和寬度都會相應(yīng)增加，封堵位置還需要留有側(cè)向的平臺，方便定位，造成模具空間的浪費(fèi)。

圖9 雙層流道板

2.9 流道板設(shè)計(jì)加工

多層流道板設(shè)計(jì)和加工都需要仔細(xì)計(jì)算，流道的轉(zhuǎn)角和分叉加工，中間交叉部位對接等工藝相對較為復(fù)雜。

（1）鑲嵌式分流板，由于有多個(gè)方向的交叉流道，中間為了避免有薄鐵尖角產(chǎn)生，通常會采用鑲嵌設(shè)計(jì)，不但方便了流道加工，而且省去了流道兩個(gè)端面的堵頭，還能保證彎道和岔道的曲面精度，如圖10所示。

圖10 鑲嵌式分流板

（2）封堵式分流板，主要適用于一排有兩個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)，通常用于直排兩個(gè)點(diǎn)以上，流道機(jī)加工以后兩端采用成型堵頭及旋塞式悶蓋封堵，塑料熔體轉(zhuǎn)彎阻力小，不會產(chǎn)生滯留，如圖11所示。

圖11 封堵式分流板

3 結(jié)論

熱流道技術(shù)目前已經(jīng)進(jìn)入成熟期，采用熱流道的注射模已經(jīng)占據(jù)60%以上，一模多型腔的熱流道設(shè)計(jì)必須注意流體在各分流道中的停留時(shí)間，各個(gè)分流道到型腔的壓力和溫度的一致性，還應(yīng)考慮到機(jī)械加工和裝配誤差，總之需要從節(jié)能、節(jié)料、節(jié)約空間等多個(gè)維度去思考，要善于總結(jié)和借鑒。

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