多腔注射模熱流道系統設計

江振華

（上海占瑞模具設備有限公司，上海201500）

1 引言

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

2 多腔流道設計

2.1 多腔熱流道的優勢分析

圖1 所示為1模8腔注射模流道方案。

方案A：普通分型面模具結構，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%，成型的冷卻時間大部分主要是在冷卻主流道與流道結合的位置，這個位置通常是塑件最厚的部位2.5倍以上。

方案C：模具應用了熱流道板結合兩個開放式噴嘴與方案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：模具的每個型腔都采用熱流道進膠，去除了冷流道。其優點是允許降低注射溫度，可以進一步縮短周期，塑件在中間頂端進膠，不再需要回收廢料，可以節約很多費用，將這部分費用貼補到模具上去，但是模具成本相對較高，通常這種多型腔的模具是應為塑件需求量大而設計多腔模具，采用多腔熱流

道短期內創造的價值就能彌補模具上的成本增加，所以多腔模具熱流道存在的價值體現較為明顯。

2.2 塑件性能分析

多型腔熱流道系統來說塑料熔體必須在相等的壓力下以相同的溫度傳輸到每個型腔，達到平衡填充的原則。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間完成注射成型，為了保證生產質量，需要通過熱流道系統來完成熔體傳輸。

2.3 流動平衡

熱流道系統中的流動平衡，可以使注射加工時執行較寬的工藝窗口，可以改善成品質量，在熱流道系統設計時，可以通過以下兩個途徑來實現填充平衡。

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

圖2 自然平衡

（2）以各注射點有相同的壓力降來設計流道系統。對不同的流徑長度給予流道截面的補償，提供經流變學原理計算的平衡，稱之為流變學平衡，如圖3所示。這種設計從主射嘴到各個噴嘴的澆口流動距離不同，不同的流長比會導致各個注射澆口熔體填充壓力的差異，但是經過流變學計算，調節各分流道的半徑，也可以達到各個澆口平衡填充。

圖3 流變學平衡

2.4 多腔自然平衡的流體傳輸

在一模多腔的熱流道系統的流道板上，流道的布局和流道尺寸的設計必須滿足注射的塑料熔體對各個模腔的平衡填充，以保證塑件的品質穩定和精度一致。但是對待流道自然平衡也會存在缺陷：其一這種平衡會導致自然平衡的排布流道流長太長，熱流道系統中壓力損失，注射溫度下的塑料在熱流道中的停留時間加長，導致材料存在分解的風險；其二就比如冷流道模具的平衡流道一樣，導致各個澆口雖然流長比一樣也未必能達到平衡效果。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進膠或同時充滿（塑料流動的記憶效應）。為了避免這樣現象發生，在設計需要考慮很多因素，需要注意噴嘴與注塑機射嘴間的距離，噴嘴與射嘴間的間距，在型腔數多的模具中，多層次流道重疊組裝，達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現自然平衡，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注射點流長路徑的布局，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量，但是可以通過各級流道和澆口尺寸來做對應的調整，實現澆注系統各級輸出點的壓力相同。圖6所示為自然平衡流道設計，流道板采用雙層設計，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計，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 關于一模多腔流道設計的建議

本實例16點單層直排流道流變平衡設計如圖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整，來實現AB，AC流程的壓力損失相等。

（3）流變平衡計算的AC流程在分流板上的長度較短，為了實現與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計

關于一模多型腔非平衡流道系統的流變平衡設計的幾點建議：

（1）一模多型腔的流道系統的細微部位非平衡設計，可以通過簡單計算實現流變平衡，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的完全非平衡設計，可以采用流量平衡方程式進行初步計算和設計，再采用流變平衡方法進行修正，滿足各個澆口的壓力基本相等。

（3）一模多型腔的流道系統平衡設計同樣需要根據流變平衡原理設計流道尺寸，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，從而實現整個流道板溫度分布均勻，沒有局部高溫產生而影響塑料熔體的流動。

（4）一模多型腔的流道系統的非平衡設計達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，傳輸塑料熔體會導致不穩定，為了防止這樣的狀態，需要提前計算限制各段流道的流體剪切速率。

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

2.8 雙層流道板設計的注意事項

一模多型腔的流道系統平衡設計，雙層流道板設計無法避免，來分析一下雙層流道板設計的優缺點。

（1）雙層流道板設計的缺點，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計，這樣不會額外增加模具的厚度，只是流道稍微長了一點，如果1模16腔的分流板設計通常都會采用多層分流板設計。

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

（2）多層分流板設計，流道板疊加在當中，兩塊分流板的溫度布局相對復雜，無法避免溫度相互干擾，可能存在局部高溫現象，熱敏感塑料建議不要使用這樣的設計，避免塑料降解的風險。

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

圖9 雙層流道板

2.9 流道板設計加工

多層流道板設計和加工都需要仔細計算，流道的轉角和分叉加工，中間交叉部位對接等工藝相對較為復雜。

（1）鑲嵌式分流板，由于有多個方向的交叉流道，中間為了避免有薄鐵尖角產生，通常會采用鑲嵌設計，不但方便了流道加工，而且省去了流道兩個端面的堵頭，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點或多個點，通常用于直排兩個點以上，流道機加工以后兩端采用成型堵頭及旋塞式悶蓋封堵，塑料熔體轉彎阻力小，不會產生滯留，如圖11所示。

圖11 封堵式分流板

3 結論

熱流道技術目前已經進入成熟期，采用熱流道的注射模已經占據60%以上，一模多型腔的熱流道設計必須注意流體在各分流道中的停留時間，各個分流道到型腔的壓力和溫度的一致性，還應考慮到機械加工和裝配誤差，總之需要從節能、節料、節約空間等多個維度去思考，要善于總結和借鑒。

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