熱流道技術(shù)在塑膠注塑模具中的應(yīng)用

王 旭　朱傳林　侯景杰　張海珍

摘 要：模具工業(yè)素有“工業(yè)之母”之稱，不斷快速推廣各項(xiàng)世界級(jí)的新技術(shù)。其中，熱流道技術(shù)的應(yīng)用與普及尤為突出，成為該領(lǐng)域的一種關(guān)鍵技術(shù)。本文闡述了熱流道技術(shù)的原理和應(yīng)用知識(shí)，分析了熱流道模具的設(shè)計(jì)重點(diǎn)（涵蓋導(dǎo)熱與冷卻、熱量排布、強(qiáng)度控制、進(jìn)膠平衡等），并介紹了熱流道選型方法，以便將熱流道技術(shù)更好地應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)中。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱與冷卻;熱量排布;強(qiáng)度控制;進(jìn)膠平衡

中圖分類號(hào)：TQ320.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)現(xiàn)塑膠熔融體在型腔中持續(xù)流動(dòng)，對(duì)主流道、分流道、澆口進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?，使得塑膠能夠一直保持在熔融狀態(tài)[1]，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)注塑的效果。熱流道系統(tǒng)通常由熱流道板、溫度控制器、噴嘴和輔助零件等幾部分構(gòu)成[2]。熱流道系統(tǒng)自身相當(dāng)于注塑機(jī)的一個(gè)延伸膠道，使得進(jìn)膠無(wú)水口料產(chǎn)生。

1 導(dǎo)熱與冷卻

1.1 導(dǎo)熱

熱流道系統(tǒng)的功能是銜接注塑機(jī)到產(chǎn)品型腔之間的延伸膠道。熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是在需要導(dǎo)熱的部位進(jìn)行導(dǎo)熱處理，如塑膠熔體的流道，在需要隔熱的部位進(jìn)行隔熱處理。例如，在需要使用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)模具開(kāi)模動(dòng)作時(shí)，為避免氣缸受熱繼而熱膨脹導(dǎo)致卡死情況，人們需要在模架上對(duì)氣缸進(jìn)行隔熱處理。熱流道供應(yīng)商依據(jù)塑膠物性表，在熱流道溫度設(shè)定上尋找一個(gè)臨界平衡點(diǎn)。那么，如何實(shí)現(xiàn)直接有效的溫度控制呢？導(dǎo)熱系數(shù)越大，越有利于傳熱，相反，導(dǎo)熱系數(shù)越小，越不利于傳熱。不同的金屬材質(zhì)存在顯著的導(dǎo)熱系數(shù)差異，例如，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W/（m·K），鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為80W/（m·K），45號(hào)鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為50W/（m·K），鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)為7～8W/（m·k）。因此，使用導(dǎo)熱系數(shù)大的材質(zhì)導(dǎo)熱，使用導(dǎo)熱系數(shù)小的材質(zhì)作為隔熱介質(zhì)進(jìn)行隔熱，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的溫度控制。另外，在對(duì)流道和澆口這些關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度控制時(shí)，可以借助熱管技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度控制精度的進(jìn)一步提高[3]。控制好導(dǎo)熱，還可以減少能量消耗。

1.2 冷卻

熱流道所在模胚需要設(shè)計(jì)運(yùn)水，以便實(shí)現(xiàn)隔熱的同時(shí)更好地控制模具溫度。熱咀尖端部分的運(yùn)水冷卻更是重中之重，如果這部分冷卻不佳甚至壓根沒(méi)有，則會(huì)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(yán)重后果。因此，為避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，應(yīng)提前在模具設(shè)計(jì)階段做好該區(qū)域的冷卻設(shè)計(jì)。

在具體的模具設(shè)計(jì)中，考慮到產(chǎn)品所需要的模溫和冷卻熱咀所需要的溫度不一致，模具設(shè)計(jì)時(shí)要單獨(dú)控制熱咀溫度，否則一旦出現(xiàn)問(wèn)題，很難再進(jìn)行修改。比較理想的運(yùn)水方式是在熱咀周圈單獨(dú)設(shè)計(jì)獨(dú)立的熱流道冷卻水路，推薦運(yùn)水方式有兩種。一是做冷卻水套，水路做一圈，呈一進(jìn)一出環(huán)形，如圖1所示;二是運(yùn)用金屬3D打印技術(shù)制造熱咀的熱流道運(yùn)水套，如圖2所示。

圖1 冷卻水套

圖2 熱流道運(yùn)水套

2 熱量排布與強(qiáng)度控制

模具采用熱流道實(shí)現(xiàn)進(jìn)膠時(shí)，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?yàn)橐坏┏休d不了，熱流道借助熱嘴與熱流板接觸部分封閉實(shí)現(xiàn)封膠這一平衡就會(huì)被打破?？刂茻崃糠矫?，可以通過(guò)分流板自身的隔熱介質(zhì)與模板的避空位（減少接觸面積）來(lái)實(shí)現(xiàn)，封閉狀態(tài)下的空氣，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/（m·K），可作為不良導(dǎo)熱體，借助避空位之間的空氣能達(dá)到既保留住熱流道系統(tǒng)熱量，同時(shí)保證模架不至于因過(guò)度受熱而膨脹的優(yōu)越效果;模具強(qiáng)度方面，可以在模板內(nèi)部設(shè)置加工支撐位，最佳設(shè)計(jì)方案是保證熱量排布的同時(shí)在分流板周圍設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的支撐位與螺絲來(lái)固定。

3 進(jìn)膠平衡，流動(dòng)順暢

塑膠流體在熱流道系統(tǒng)中要確保每個(gè)型腔達(dá)到完全平衡[4]，能夠控制產(chǎn)品的各個(gè)型腔同步填充，否則就會(huì)出現(xiàn)沖壓不同，無(wú)法保證產(chǎn)品的一致性。

進(jìn)膠平衡方面，通常采用自然平衡式分流道[5]，即保證各個(gè)分流道長(zhǎng)度、尺寸和斷面形狀完全一致。發(fā)展到近期，其逐漸演變?yōu)榱鞯婪謱臃绞健＿@樣可以避免角度不同而造成進(jìn)膠不平衡，特別是針對(duì)多型腔產(chǎn)品進(jìn)膠平衡能提供完美的方案。

流道順暢方面，要保證流道轉(zhuǎn)角處得到光滑處理，這樣可以減小壓力損失，避免出現(xiàn)熔融料因滯留流道內(nèi)而熱分解的情況[2]。當(dāng)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(rèn)證的雙片焊接式分流板技術(shù)（見(jiàn)圖3），流道經(jīng)過(guò)專業(yè)研磨和拋光，圓滑順暢無(wú)死角，可充分滿足快速和精確換色的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)膠最佳平衡效果。根據(jù)塑料熔融料流動(dòng)特點(diǎn)，EWIKON（德國(guó)）熱流道采用經(jīng)特殊工藝處理的流線型定向鑲件（見(jiàn)圖4），消除尖角和死角，保證任何狀態(tài)都是過(guò)盈不松動(dòng)狀態(tài)，膠料流道順暢無(wú)死角，同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程中快速換色，這種方式需要在流道拐角處下足功夫進(jìn)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(yīng)用注意事項(xiàng)

4.1 塑料對(duì)熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

能夠采用熱流道系統(tǒng)進(jìn)行注塑成型的塑料材質(zhì)種類是多樣的，如PP、PMMA、SAN、ABS、PCTA、PE、PS、PA、TPI等。熱流道在生產(chǎn)使用過(guò)程中的折舊消耗與塑料材質(zhì)自身的剪切性與磨損性直接相關(guān)，如果PP材質(zhì)基本上沒(méi)有磨損，POM與尼龍材質(zhì)剪切有風(fēng)險(xiǎn)，在出熱流道方案時(shí)需要注明塑料種類及型號(hào)，以便在熱流道設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)塑料物性表來(lái)分類對(duì)待、處理和選擇（如決定采用閥針式系統(tǒng)還是非針閥系統(tǒng)）。

當(dāng)模具的熱流道系統(tǒng)加工完畢并完成在模具上的安裝時(shí)，生產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致熱流道熱膨脹尺寸不一樣，會(huì)導(dǎo)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(dòng)性不一樣，熱流道的設(shè)計(jì)參數(shù)也不一樣，熱流道是針對(duì)特定塑膠材質(zhì)的物性表而設(shè)計(jì)的。

當(dāng)模具的熱流道系統(tǒng)加工完畢并完成在模具上的安裝時(shí)，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(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的換色效果，熱流道廠家需要提前在結(jié)構(gòu)上做特殊處理，如不提前說(shuō)明，后續(xù)可能會(huì)影響模具的正常使用。

此外，熱流道設(shè)計(jì)之前，需要確認(rèn)模具設(shè)計(jì)參數(shù)，如產(chǎn)品厚度、產(chǎn)品重量、型腔數(shù)、注塑機(jī)類型、澆口開(kāi)在產(chǎn)品還是流道上等事項(xiàng)，一經(jīng)確定不再變更。

4.2 針對(duì)不同模具特征要求的熱流道選型

一是普通開(kāi)放式。如果產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受限，模具開(kāi)模動(dòng)作較多，進(jìn)膠口不能夠直接點(diǎn)到產(chǎn)品上，就可以選擇開(kāi)放式熱流道，從而減少水口料和降低注塑壓力。在采用開(kāi)放式熱流道時(shí)，通常選用單個(gè)熱咀，用于微型半熱流道。二是針閥式。在模具結(jié)構(gòu)不受限制且產(chǎn)品外觀要求高時(shí)，可以采用針閥式熱流道直接進(jìn)膠點(diǎn)到產(chǎn)品上，但是針閥式熱流成本相對(duì)較高。三是點(diǎn)澆口。當(dāng)產(chǎn)品外觀面要求不高且可以直接進(jìn)膠到產(chǎn)品時(shí)，可以采用點(diǎn)澆口熱流道。點(diǎn)澆口熱流道成本相對(duì)較低。四是側(cè)澆口。在產(chǎn)品上、下表面都找不到合適的進(jìn)澆口位置時(shí)，可以通過(guò)側(cè)澆口方式在產(chǎn)品側(cè)面實(shí)現(xiàn)進(jìn)膠。

4.3 熱流道在注塑模具生產(chǎn)中使用的注意事項(xiàng)

塑膠原料要保證干凈無(wú)雜質(zhì)，防止鐵屑等異物進(jìn)入系統(tǒng)而堵塞澆口;要保持冷卻水路運(yùn)作正常，確保模板無(wú)漏水現(xiàn)象;要隨時(shí)觀測(cè)溫控器功率變化，正常功率波動(dòng)不超過(guò)2%;生產(chǎn)中如果需要臨時(shí)停機(jī)，要將熱流道溫度調(diào)整到保溫狀態(tài);如果在生產(chǎn)中需要關(guān)閉某一點(diǎn)，不能直接關(guān)閉，需要將溫度降低到120℃左右，以防止溫度過(guò)低、膨脹不足，造成漏料。

5 結(jié)語(yǔ)

熱流道技術(shù)現(xiàn)如今在中國(guó)乃至全球已經(jīng)應(yīng)用極為廣泛，隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)度的快速提升，該技術(shù)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(shù)。本文論述了熱流道系統(tǒng)的工作原理和導(dǎo)熱與冷卻、熱量排布、強(qiáng)度控制、進(jìn)膠平衡等方面的應(yīng)用知識(shí)。當(dāng)前，塑膠注塑模具設(shè)計(jì)者可以采用熱流道選型方法，對(duì)導(dǎo)熱、冷卻、熱量排布與強(qiáng)度控制、進(jìn)膠平衡等進(jìn)行合理安排和設(shè)計(jì)，最終達(dá)到完美的產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果。

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