注塑模的热流道系统及其应用

编者按：热流道技术使得注塑产品更美观，生产效率和经济效率得以提高。其应用和推广是推动热塑性塑料注射成型向节能、低耗、高效方向发展的动力。注塑模的热流道系统及其应用

Hot Runner System and its Application in Injection Mould

文/ 王金水 葛正浩 苏鹏刚 李竞洋

摘 要：介绍了注塑模热流道技术的概念和优缺点，概述了热流道系统的结构特点，总结了应用热流道系统的关键技术，使用一个典型的热流道模具实例介绍了热流道系统的应用及设计中应该注意的问题，最后阐述了热流道技术的发展动态。

关键词：注塑模具 热流道 关键技术 应用 发展

Abstract: The concept, the advantages and disadvantages of hot runner technology in injection molding is introduced. The structure of the hot runner injection molding technology is summarized. The key technologies of using the hot runner system also mentioned. Used a typical hot runner mould to introduce in the hot runner system's application and some design questions. At last, elaborated the development tendency of hot runner technology.

Keywords: Injection mould Hot runner Key technology Application Development

引 言有如下特点[2]：（1）降低生产成本，提高生产效率。普通浇注系统中要产生大量的浇注系统凝料，在生产小制品时，浇注系统凝料的重量可能超过制品重量。由于塑料在热流道模具内一直是处于熔融状态，制品不需修剪浇口，基本上是无废料加工，可节约大量原材料，降低生产成本。同时在制品成型后无需修剪，减少了二次加工，同时也省去了凝料挑选、粉碎和重新染色回收等工序，省工、省时、节能降耗。（2）适用树脂范围广。由于热流道温控系统技术的不断完善及发展，现在热流道不仅可以用于熔融温度较宽的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，同时也能用于加工温度范围窄的热敏性塑料，如聚氯乙烯(PVC)、聚甲醛(POM)等，对易产生流涎的聚酰胺(PA)，通过选用阀式热喷嘴也能实现热流道成型。（3）提高产品质量。流道内压力损耗小，熔体流动性好，密度容易均匀，避免注塑件变形、飞边以及尺寸不稳定和色差等缺陷，改善制品表面质量。精确控制塑料熔体温度，消除了材料的降解，合理的控制保压时间，较小的保压压力损失，使产品的质量得到全面提高。（4）降低废品率。热流道系统有利于压力传递，降低注射压力，减小塑件内应力，增加产品强度和刚度，可以在一定程度上克服了制件因补料不足而产生的凹陷、缩孔等缺陷，达到降低废品率的目的。（5）缩短注射成型周期。因为省去了取出浇注系统凝料的工作，所以在操作上与普通流道相比，缩短了开合模行程，不仅制件的脱模和成型周期缩短，而且有利于实现自动化生产。消除了废料带来的附加热量，模具的冷却周期仅为产品的冷却时间，缩短了加工周期，提高机器效率。据统计，与普通流道相比改用热流道后模具的成型周期一般可以缩短30%，从而提高生产效率、生产利润和企业竞争能力。（6）可成型较长尺寸的制品。由于制品脱模时不再带有主流道和分流道，可以缩短模具的开模距离和合模行程，因而在同一设备上可以成型尺寸更长的制品。同时由 于浇注系统塑料保持熔融，流动时压力损失小，易实现多浇口、多型腔模具以及大型制品的低压注射。（7）优化大型薄壁制品的成型。在 2009年9月刊 PLASTICS MANUFACTURE 塑料制造 注射模热流道是通过加热的办法来保证流道和浇口内的塑料保持熔融状态。由于在流道附近或中心设有加热圈和加热棒，从注射机喷嘴出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料始终保持熔融，每次开模取件的时不必将流道废料取出，而滞留在热流道系统中的熔料可以在下一次注塑时被注入型腔。热流道技术省去了冷流道，从而减少原料浪费，避免冷冻时间和后续加工过程，使得产品更加美观，生产效率以及经济效益都有所提高，是塑料注塑成型工艺发展的热点方向。它的应用和推广是推动热塑性塑料注射成型向节能、低耗、高效方向发展的强劲动力，随着塑料工业的发展，热流道技术正不断完善和加快其推广使用。[1]热流道系统的优缺点热流道系统的优点热流道系统与普通流道系统相比较具www.cn-plastics.net67

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大型或薄壁制品的模具中，能更自由地优化选择注射点的位置，有利于获得更加均匀的充模流动，确保熔体能充分到达远离浇口的部分，减小产品变形程度，提高产品表面质量及产品的表面美观度一致性。（8）有利于实现自动化生产。由于采用热流道系统技术，省去了去除料把、二次加工等后续工序，因而可以实现自动化生产。同时使用针阀式浇口控制浇口封冻，可以改善浇口的外观，提高制品的美观性。（9）扩大注塑成型工艺应用范围。随着热流道技术的完善和发展，在流道技术基础上发展起来许多先进的塑料成型工艺，如多色共注、多种材料共注工艺、叠层模具等。热流道系统按照有无加热方式分为绝热流道系统和加热流道系统。绝热流道系统的模具在生产停机后流道内有凝料产生，所以目前注塑厂家基本上不采用这种热流道系统。加热流道系统根据加热的方法分为内加热系统和外加热系统，其中外加热系统为常用类型，典型的加热流道系统如图1所示[3]。热流道系统一般由热喷嘴、分流道板、模具温度控制器和附件等几部分组成。（5）对原材料的要求比较高。原材料的机械杂质会使系统脆弱，造成浇口堵塞。同时开机后需要一段时间工艺才会稳定，造成开机废品较多。单点进料但料位偏置时采用。其主要任务是恒温地将熔体从主流道送入各个单独喷嘴，在熔体传送过程中，熔体的压力降尽可能减小，并不允许材料降解。分流道板的材料通常采用P20或H13。分流道板一般分为标准和非标准两大类，其结构形式主要由型腔在模具上的分布情况、喷嘴排列方式及浇口位置决定。 热流道系统的结构模具温度控制器模具温度控制器包括主机、电缆、连接器和接线公母座等。它对热流道系统的各个位置进行温度控制，由底端向高端分别有通断位式、积分微分比例控制式和新型智能化温控器等种类，根据需要用户可以同其它模内组件配合使用。热流道系统的缺点尽管与冷流道模具相比，热流道模具具有许多无可比拟的优点，但我们也不能忽视热流道模具的缺点。概括起来，一般的热流道模具在使用过程中存在以下缺点：（1）模具结构复杂，成本高。由于电加热器容易产生局部过热，易将树脂烧焦而造成产品报废，因而必须对热流道进行分区多点加热及控温，这就导致模具结构的复杂化。由于采用分区加热，多点控温，使得控温装置费用提高从而增加模具生产成本。 （2）检修复杂。由于温度控制不良等因素加热装置极易被烧损，增加了检修项目。而且，每次检修往往都要将模具从注射机上卸下来，拆模后进行检修，从而增加了生产上的辅助工时，使生产率降低。（3）不能从根本上解决热流道系统中局部过热的问题。由于热流道系统多采用分区加热，多点控温，必然需要多个加热及温控装置，而且这些控温装置自身都存在精度误差的问题，使得热流道系统中各个区域的实际温度并不均匀。（4）由于浇口和热流道喷嘴离模腔较近，采取绝热措施后仍不能避免热量散失，使热流道喷嘴两端温差较大，难以维持温度的均衡，从而给注射成型带来不利影响。68

塑料制造 PLASTICS MANUFACTURE 2009年9月刊 附件热喷嘴热流道模具按喷嘴结构形式不同有多种形式，类型均大同小异，但各个厂家加工工艺和实施方法有很大区别，这决定了热流道系统的质量和价格的差异。热喷嘴一般有开放式、针阀式和其它几种特殊形式。由于热喷嘴形式直接决定热流道系统选用和模具的制造，因而常相应的将热流道系统分为开放式热流道系统和针阀式热流道系统。热流道附件通常包括加热器和热电偶、流道密封圈、接插件及接线盒等。其中流道加热元件是热流道系统的重要组成部分，其加热精度和使用寿命对于注塑工艺的控制和热流道系统的工作稳定影响重大。应用热流道系统的关键技术成功应用热流道技术的模具需要多个环节予以保障[4]。其中最重要的有三个技术因素：一是塑料温度的控制；二是热流道系统和模具型腔之间的隔热；三是塑料流动的控制。分流道板分流道板在一模多腔或者多点进料、内加热系统外加热系统

图1 加热流道系统1-鱼雷棒；2-加热管；3，4-流道；5-分流道板；6，8-加热器；

7-热喷嘴；9-绝热空间；10-承压圈；11-冷却管道

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塑料温度的控制在热流道模具应用中塑料温度的控制极为重要。许多厂家在生产过程中出现的加工及产品质量问题，其主要原因是由于热流道系统温度控制的不好。热流道系统必须是个热平衡状态，热损失必须由加热补偿。对热流道系统的温度控制是极其重要的，特别是热流道模具的浇口和喷嘴部位对温度的变化极其敏感，甚至几度的温度变化都可能导致塑料制品不合格。因此，对于一个功能好且能够自动操作的热流道系统来说，精确的温度控制是非常重要的。热电偶的布置是温度控制的另外一个关键点。在热流道有两个非常关键的地方。一个是浇口，该处的温度情况对于熔体的流动性和持续的压力都非常重要；另外一个是热输出量最大的点，此处的塑料存在热分解的危险。因此，热电偶应当安装在预期温度最高处，决不要置于出现热量损耗的地方，诸如加压环、密封环附近，或热流道体的外侧区域。目前通过计算机模拟也能进行热平衡的分析，可以基本确定喷嘴、分流板上温度较高的点。热，如图2所示。用热流道模具，有利于获得更加均匀的充模流动，确保熔体能充分到达远离浇口的部分，减小产品变形程度，提高产品表面质量及产品的表面美观度一致性[5-7]。图4示出所设计的安装板热流道模具结构图。采用一模两腔平衡式热流道，热流道板采用电热管外加热方式，管状电热管能弯曲成各种形状镶嵌在流道板的沟槽内，使用方便，易于温度平衡；流道板和型腔板、模具底板之间采用空气间隙进行绝热。为了方便加工，且保证一定的精度，保证型腔沿分型面分开的两半在合模时的对中性，高精度性，把凸凹模设计成整体嵌入的方式。固定板上的四个装配小孔，采用镶入型芯的设计；两侧凹槽及其上的孔使用上下两个镶块对拼成型；中心的大孔可直接成型。开模时模具从分型面Ⅰ-Ⅰ处分开，制品从定模仁11中脱出，包紧在动模仁15上。当注塑机顶杆碰到推板20时，带动推杆16将制品顶出，实现制品的自动脱模。此实例使用Pro/E Wildfire 4.0中EMX 5.0进行设计，完成的模具3D图如图5所示。图3所示为一安装板，材料为丙烯晴丁二烯苯乙烯（ABS），尺寸大致为90×90×20mm，壁厚为1.5mm。由于该安装板产量较大，如果采用普通流道多型腔模具注射成型，势必产生大量的浇道废料；同时该制品壁较薄，采图2 喷嘴的隔热1-热流道板；2-热喷嘴；3-加热器；4-塑料绝热层

塑料流动的控制塑料在热流道系统中要，浇口要同时打开使塑料同步填充各型腔，对于零件重量相差悬殊的型腔要进行流道尺寸设计平衡。否则，就会出现有的零件充模保压不够，有的零件却充模保压过度、飞边过大、质量差等问题。热流道流道尺寸设计要合理，尺寸太小充模压力损失过大；尺寸太大则热流道体积过大，塑料在热流道系统中停留时间过长，损坏材料性能而导致零件成型后不能满足使用要求。塑料的流动平衡有自然的平衡体系和流变学平衡体系，用户可以根据自己需求选择合适的体系。要判断一个热流道系统是否平衡，可以在不保压状态下，按一定百分比例注射，然后检查制品的质量是否在合理的误差范围内。世界上已经有专门帮助用户进行最佳流道设计的CAE软件如MOLDCAE。热流道系统的隔热为保持热流道系统中的塑料在加工过程中一直处于熔融状态，如前所述，必须采用各种加热方式对热流道系统进行加热，因此热流道系统的温度相对较高。但为得到合格的塑料制品，模具的温度必须低于塑料的玻璃化温度，模具的温度相对较低。所以在设计热流道模具时，必须充分考虑注射机模板和模具底板之间、流道板和模具底板之间、流道板和型腔板之间、喷嘴和型腔板之间的绝热。注射机模板和模具底板之间，一般采用6~10mm的石棉板绝热。流道板和型腔板、模具底板之间常采用3~8mm的空气间隙进行绝热。所有与热流道板接触的承压部件必须控制在最小的数量内，而且最好使用导热性低的材料制造。喷嘴和型腔板之间常采用塑料熔体或空气间隙进行绝www.cn-plastics.net热流道系统的应用实例图3 安装板三维图 2009年9月刊 PLASTICS MANUFACTURE 塑料制造 69

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热流道技术的发展动态目前，热流道系统存在一些缺陷，如模具结构复杂、制造费用高、维修保养较复杂、需要较精密的温度控制装置、加工原料质量要求高、树脂更换及换色较困难等，不过这些缺陷正在逐渐被克服。当前，国内外热流道模具的主要发展趋势可归纳为以下几个方面[8]：（1）元件的小型化。以实现小型制品的一模多腔和大型制品多浇口充模。通过缩小喷嘴空间，可在模具上配置更多型腔，提高制品的产量和注塑机的利用率。（2）使热流道系统元件标准化，简化和降低热流道系统的维修费用。当前用户要求模具设计和制造周期越来越短，将热流道元件标准化不仅有利于减少设计工作的重复和降低模具的造价，并且十分便于对易损零部件的更换和维修。（3）引进新型加热技术，如热管技术，使热流道系统内的温度更加均匀。（4）提高温控技术，使控温更为精确。在热流道模具中，开发更精密的温控装置，控制热流道板和浇口中的熔融树脂的温度是防止树脂过热降解和产品性能降低的有效措施。（5）延长核心元件的使用寿命，提高热流道模具设计的整体可靠性。比如改善热流道元件材料，可以提高喷嘴和热流道的耐磨性和用于敏感材料成型。如今国内外各大模具公司对热流道板的设计和热喷嘴连接部分的压力分布、温度分布、密封等问题的研究开发极为重视。（6）运用CAE模流分析软件，确认模具的设计方案，控制产品的质量。运用CAE模流分析，可以有效地给客户提出书面的资料和分析，更科学化地提供数据，可以有效地缩短产品开发时间及避免不必要的错误造成更多资源的浪费，更体现出热流道的技术优势。（7）基于热流道技术的先进塑料成型工艺。比如叠层热流道注射模，多色共注、多种材料共注工艺等等。叠层式热流道模具70

塑料制造 PLASTICS MANUFACTURE 2009年9月刊 在国外一些发达国家已用于工业化生产。叠层模具可有效增加型腔数量，而对注射机合模力的要求只需增加10%～15%，成倍地增加可使用的模具面，还允许整个模具表面用各自的材料成型。技术以更快的速度在国内得到更大的推广应用，为我国塑料模具行业整体水平的提高和发展发挥它应有的作用。参考文献[1] 杨安民,李银亭.注射模热流道系统[J].模具制造,2003.6.[2] 王建华,徐佩弦.注塑模的热流道技术[M ].北京:机械工业出版社, 2006. [3] [瑞典]弗伦克勒,[波兰]扎为斯托夫斯基著;[英国]沃克顿英译;徐佩弦译.注射模具的热流道[M],北京:化学工业出版社,2004.11.[4] 陈剑玲,孙建丽.注塑模热流道技术的发展与应用[J].现代塑料加工应用,2008. 20(2):57-60.[5] 申开智.塑料成型模具[M]. 北京:中国轻工业出版社,2005. [6] 塑料模设计手册编写组.塑料模设计手册[M].图5 安装板热流道注塑模具3D图北京:机械工业出版社,2002.[7] 刘宝臣,李雪娜,申长宇.热流道注射模具设计[J].结束语热流道技术广泛应用是塑料模具的一大变革。在注塑成型方面，其拥有相当多的无可比拟的优势，随着其技术的进一步发展成熟和制造成本的降低，热流道技术将越来越显现其巨大的优势。热流道模塑技术的推广和应用，对促进模具工业本身的改革和发展具有积极的作用，其显著的优越性和性能不断地完善无疑将会使这项工程塑料应用,2005,35(2):85-88.[8] 周雄辉,胡 炜.热流道系统的应用[J].模具技术,2004.2.王金水：在读硕士，专业为材料加工工程，研究方向是逆向工程，侧重于复杂曲面的三维扫描与重构相关技术的研究。

葛正浩：工学博士，教授，主要研究机构学、CAD模具设计与制造。

陕西科技大学邮编：710021

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