聚碳酸酯塑件注射模澆口選擇的要求

陶永亮·，邱 峰，黃登懿，任登安，趙 勇

（1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；2.重慶科技學院，重慶 401331；3.四川長虹模塑科技有限公司，四川綿陽 621000；4.重慶工信職業學院，重慶 400043；5.重慶市輕工業學校，重慶 400709）

1 引言

注射模澆注系統的功能是為注塑機料筒中已經塑化的熔料輸送到模腔提供一個通道，對于材料不同澆注系統選擇也有所不同。聚碳酸酯（簡稱PC）材料具有特殊要求的一種工程塑料，用途廣泛。在制品成型的整個過程中，制品的顏色、色澤、質感和光澤等特征的外觀質量、批量效益都與澆注系統的選擇息息相關，對PC澆注系統的要求應該從流變觀點考慮和從加工著觀點考慮，選擇澆注系統、澆口類型和澆口位置都有著重要的作用。本文以PC特例，講述PC材料性能、澆注系統選擇、澆口類型等，結合汽車燈具案例做些分享。

2 PC材料性能及應用

聚碳酸酯（PC）是分子鏈中含有碳酸酯基（-OROCO-）的一類高分子聚合物總稱，隨著R基種類的不同，可分為脂肪族PC、芳香族PC、脂肪族PC，目前僅雙酚A（BPA）型芳香族PC獲得工業化生產，故稱PC即雙酚A型芳香族PC（Polycarbonate）[1～2]。

PC具有較好的機械性能、電學性能和成型加工性能，PC材料熔融指數（體積）2.2～17.5g/10min，較低的指數適應普通設備擠塑，較高的指數適應普通設備注塑[3～5]，在汽車及燈具制造領域、食品包裝、電子電器、眼鏡及光學透鏡、醫療器具、航天航空等領域得到了廣泛應用。

PC屬于極性高分子，其表面自由能較高，表面濕張力在40dyn/cm（1dyn/cm=1mN/m）以上，與鍍鋁層結合力較好，宜作無底鍍，即在塑料表面直接鍍鋁（不需要噴底漆）再鍍保護膜，使鍍層具有亮麗的金屬光澤等[6]。當然PC也有一些不足之處，塑件內應力較大，表面硬度較差，耐候性較差等，這些都可以通過后續措施得以改進。

3 PC澆注系統設計及注意事項

3.1 澆注系統影響因素

流變學包括聚合物溶體流變學和塑料加工流變學。從流變學角度考慮，注塑過程是塑料溶體充填的過程被認為是粘性非等溫不可壓縮流動與傳熱過程[7]。模具澆注系統能保證溶體要以平穩地輸送到模腔、低剪切、料溫升高小、低的壓力損耗等，減少注塑件成型缺陷，獲得更為合理的流動性能，讓澆注系統可使溶體在澆道中運動接近等溫流動狀態，避免經驗設計的不足[8～9]。從加工這觀點考慮，少的流道廢料、縮短成型周期、盡可能自動脫澆口、寬的加工窗口、不可見的澆口痕跡、無故障生產等，兩種不同角度考慮，前者以技術質量為主，后者以經濟效益為主，兩者兼顧好才是最好的。

澆注系統中澆口也叫進料口，其設計合理與否，對聚合物熔體填充模具型腔時的流動行為以及最終塑料成型質量，起著至關重要的作用，而分流道的截面積尺寸的大小則影響著熔體在流動過程中溫度與壓力損失及澆注系統凝料的多少[10]。研究模具澆口尺寸和流道截面積尺寸，對注塑填充性能的影響，根據塑料溶體流變行研究為對澆口設計有重要的意義。

3.2 PC澆注系統的選擇

注射模澆口類型選擇應適應塑件成型的需要。而澆口的位置則影響著熔體在型腔內的流動方向、型腔氣體的排放、熔接痕的形成以及塑料件變形的大小等。通過控制澆口尺寸的大小，可以控制熔體的流動速度和澆口處熔體冷凝的速度[11]。對于一模多腔，需要各澆口的平衡進料；對于單型腔多澆口模具，可以控制熔接痕的位置。澆口尺寸小，流道凝料與塑件容易分離，減小澆口尺寸，可以增加熔體的剪切速率，使熔體與壁面之間摩擦熱增多，降低熔體粘度，提高熔體的流動性[12～13]，壓力再次得以減少。由此并非加大澆口的截面尺寸就一定能改善充模情況[14]。一般來說，較小的澆口截面尺寸可提高熔體的剪切速率，降低熔體的表面黏度，從而減小熔體的壓力降，這也是小澆口應用較多的原因[15]。

由于PC的特征，筆者經過多年的了解和總結，最終選擇的側澆口適合PC材料澆口形式（同樣適合一個塑件兩點進料），如圖1所示。側澆口形狀結構比較簡單，包括整個澆注系統，容易加工；去除澆口比較容易，用剪刀、夾鉗或者小刀都容易下刀，不會損傷到塑件表面；進膠澆口厚度0.4～0.8mm，過厚冷卻長，延長成型周期；澆口寬度在5～15mm以內，可以選擇寬度，少選厚度。進料澆道長度在20～100mm，甚至還可以長些；進膠直澆道（主澆道）的長度≤160mm，有這樣長的直澆道和進料澆道只有PC可以，擁有很好的熔融指數（配有模溫機），澆橋距離3～8mm。流道也是熱塑性注射模設計最重要的環節之一，最主要的條件是以盡可能小變化的溫度和壓力通過流道輸送熔融塑料并同時充滿所有型腔，采用何種流道形式是設計關鍵所在[16]。

圖1 PC側澆口示意圖

不同流道截面積類型對塑件的熱變形并無顯著影響，圓截面流道的溶體流道阻力最小，熱量不容易散失。從加工方面來考慮，圓截面積流動需要在動模和定模兩邊同時加工并精確對齊組合而成，最好在澆道設置冷料井和頂桿，具體部位如圖2所示。澆口的位置可以盡量避免塑件結構薄弱之處熔接痕產生，減少殘余應力，提高塑件強度和外觀質量。

圖2 PC側澆口結構示意圖

3.3 PC塑件澆口分享

圖3所示為4件PC車燈塑件及澆口情況。圖3a為汽車前燈配光鏡（透明燈罩），外觀要求很高，單件投影面積約70,000mm2，單件塑件重400g樣子在1,000t注塑機上完成，用3臺模溫機分別接動定模鑲塊和模框等。澆口選擇側澆口，進料澆道長度≤100mm（從直澆口到塑件邊緣），澆道圓截面積φ12mm，澆口寬度12～15mm，進膠澆口厚度0.8～1.0mm可成型出塑件能達到表面要求。圖3b為灰色前燈飾圈，需要鍍鋁處理，表面無瑕疵，塑件重60g樣子在160t注塑機上完成，澆口選擇側澆口，進料澆道長度35mm（從直澆口到塑件邊緣，圓弧型），澆道圓截面積φ6mm，澆口寬度與進膠厚度分別6mm和0.6mm。圖3c為明藍色倒車燈內配鏡，塑件重30g樣子在120t注塑機上完成，由于是一模一件還是澆口選擇側澆口，澆道圓截面積φ6mm，澆口寬度與進膠厚度分別10mm和0.4mm。圖3d為內配鏡塑件，單件塑件重40g，異型面分型，直澆口長度有160mm多，考慮到塑件上有些孔洞，澆口從孔洞端頭進料，主澆道長160mm，進料澆道長度有100～110mm（從直澆口到塑件邊緣），澆道圓截面積φ6mm，成型出塑件很漂亮，熔接痕很小不明顯。一般情況會選擇在主澆道附近直接在塑件中間進料，這樣端頭上熔接痕了很明顯，并且無法消除。

圖3 側澆口案例示意圖

3.4 PC塑件澆口注意事項

PC塑件用側澆口，其它進料澆口在選擇中一定要考慮好，并不是其它澆口不好使用，而是慎重選擇。筆者列舉一些注意事項。

（1）PC塑件盡量不用針閥熱流道。

針閥式熱流道根據注射原理分為氣缸式和彈簧式，其中彈簧式依靠彈簧和注射壓力的平衡控制針閥開關[17]。一般使用彈簧式澆口多，調試和維修費用較高。容易出現問題是澆口處溫度高有光圈，溫度低有冷斑。表面有明顯的澆口痕跡，閥針應突出0.2mm，與閥針調整控制有關，如圖4所示。有飛邊，與錐度配合有關。澆口溫度低，澆口周圍時有銀絲，澆口處表面度粗糙度值很大，針閥頂端沒有做拋光處理等，如圖5所示。一般開始加工的半天塑件表面問題較多。

圖4 針閥式熱流道進料部分示意圖

圖5 針閥式熱流道塑件缺陷示意圖

（2）PC零件盡量不用扇形澆口。

圖6所示的是手機外殼，屬于薄壁件，一模出兩件，注射壓縮成型，扇形澆口進膠。塑件成型中存在成型周期長，彩虹紋，兩邊厚度不一致的問題。成型厚度在0.7mm還可以，想做到0.63～0.65mm存在上述問題。后來按照常規側澆口進行改進，較好地消除彩虹紋，兩邊厚度得到控制。

圖6 薄壁件示意圖

（3）PC零件盡量不用潛伏式澆口。

如圖7所示是牌照燈配光鏡，是一個薄片件，單件重量4g，采用潛伏式澆口進料，為了進膠專門從8.5mm尺寸臺階上做延長，讓進膠點在延長段上，塑件出模后再用工具去掉延長段，有時員工沒有把進膠延長段去掉送出廠的，如圖8所示。關鍵是頂出桿每次頂斷澆口時所切削下來的料霄不一定被頂出模具外，而往往吸附在模具表面上，員工關門下一模注射時料霄被注射在塑件表面上，導致整個塑件報廢，浪費較大。

圖7 牌照燈配光鏡示意圖

圖8 配光鏡潛伏式澆口示意圖

（4）PC零件盡量不用點澆口。

有一儀表殼，有外觀質量要求。塑件重量50g，采用點澆口進料，位置選在大圓與小圓之間，做出的塑件點澆口處有冷料斑和拉裂，塑件不合格，如圖9所示。后來經筆者提議進料位置放在旁邊的小圓柱頂上，進料直徑φ1.8mm，結果做出的塑件情況好多了，冷料斑和拉裂沒有了，小圓柱成不透明狀態，經商量用讓步接受的方式，同意生產，如圖10所示。

圖9 儀表殼澆口改進前示意圖

圖10 儀表殼澆口改進后示意圖

4 結束語

澆注系統、澆口形式和位置的設定是注射模設計中關鍵技術之一，決定了聚合物流動方向和平衡性，也是可以提高塑件質量的重要環節。本文就PC的側澆口特例做了較多的描述，即帶有一定的經驗性，也少有一些理論性。目前注射模澆注系統設計主要通過CAE技術等，對澆口位置進行模擬分析，可預測注射成型中缺陷，確定最佳澆口位置和數量[18]。現在利用人工智能技術建立澆口類型選擇專家系統，有助于提高澆注系統設計的智能化[19]。確定澆注系統尺寸的原則是保壓壓力對模腔中的溶體必須具有足夠長的作用時間，確定澆口尺寸的原則必須保證所需的保壓壓力能補償塑件在冷卻階段出現的體積縮小（收縮率）。澆口尺寸的原則依據于塑件重量、澆口長度和壁厚（流長）等。都會是影響充模時的熱應力和剪切應力，還依賴原料流動性和不同牌號對剪切的敏感性。總之，澆口尺寸等參數確定是一項綜合性考量，只有考量周全的澆注系統，才能保證塑件質量，未來的澆注系統、澆口設計將是仿真加人工智能設計為主。