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    一、无流道凝料注射模具的概念

    所谓无流道凝料模具即是在注射成型中,流道里的熔料始终保持热的流动状态。开模时只需取出固化的制品,而不产生流道凝料。与传统的注射模具相比,这是一种先进的注射模具技术,是塑料注塑成形工艺发展的一个热点方向。其最大特点是可提高材料的利用率,降低生产成本,保证制件成形质量。

    热塑性塑料的无流道凝料注塑模具,是指模具中通过采用绝热或加热的方法,使从注塑机喷嘴到模具型腔浇口这一段流动通道中的塑料熔体始终保持熔融状态,并可连续注入模具型腔。

    热固性塑料则是采用温流道注射模具,即通过控温使流道中的熔料保持在设定的温度内。

    二、无流道凝料模具技术的发展

    无流道凝料模具也称热流道模具,热流道并非新技术,在热塑性塑料注射模具中的应用已经有30多年的历史。早在1940年,E.R.Knowles在美国就申请了热流道技术的专利。

    据估计,目前在欧洲有1/4以上的注射模具应用了热流道技术,在美国也有1/6以上。在国外,热流道系统元件已系列化、商品化。有预测表明,热流道技术的应用比例将逐年增长。近几年,热流道技术还在不断的发展和完善。

    在中国,热流道技术约在80年代以后才逐步有所应用,目前尚处于开发应用阶段。在注射模具中,其应用比例仅也为2%~3%左右。但发展前景很好,市场的潜在需求非常大。

    热流道模具技术的发展有以下趋势:

    1)开发研究各种新型喷嘴、热流道板及相关技术,以适应不同塑料和制品的要求。如防泄漏、耐磨、耐高温和热平衡等。

    2)微型热喷嘴及加热元件与控温技术。

    3)热流道系统的三维CAD及其模拟技术。

    三、无流道凝料模具的类型

    (1)按塑料性能和流道热源方式分:

    (2)热流道系统的基本结构:

    (3)冷、热流道的分析比较:

    一模八腔应用实例

    (a)传统的冷流道

    (b)热流道喷嘴取代主流道,省去主流道凝料。减少流道废料约40%,缩短成型周期约10%。

    (c)热流道板加两个热喷嘴,缩小主流道体积。与图(a)比,减少流道凝料60%~70%。

    (d)每腔均用热喷嘴,去除了冷流道。周期短,可成型薄壁件。模具成本高

    四、无流道凝料注射模具的特点

    1. 使用无流道凝料注射模具的益处

    1)不用三板式模具,同样可以采用点浇口进料;简化了模具结构,降低了对注射机开模行程的要求。

    2)节省原材料;避免了流道凝料回收、破碎再利用的工序和费用。

    3)流道中熔体始终处于熔融状态,流动阻力小,有利于充模和保压力的传递,改善制品表面质量和力学性能。可实现多点浇口、多腔模具及大型、薄壁、长流程制的成型。

    4)没有冷却和取出流道凝料的时间,缩短成形周期;易于自动化生产。

    5)流道中压力损失小,降低了所需的充模压力,使注射机的锁模力减小。没有浇注系统凝料,减少了注射量,可充分发挥注射机的能力。

    6)可用针阀式浇口,控制浇口封闭时间,保证制品成型质量。

    2. 使用无流道凝料注射模具的限制

    1)模具结构复杂,制造费用高,维护保养较困难;热流道系统易出故障,运行成本高。不适宜小批量生产。

    2)初始生产准备时间长,模具调试要求高。振业注塑咨询专注注塑工厂改善提升和咨询培训辅导。

    3)不适宜热敏性和流动性差的塑料及成型周期长的塑件成形。

    4)流道板易产生热膨胀,对熔体泄漏及加热元件的故障较敏感。

    5)温度控制要求严格,需精密的温度控制元件及系统。

    3. 无流道凝料注射模具适用的塑料材料

    1)熔融温度范围宽,粘度变化小,热稳定性好。(高温不易分解,低温流动性好)

    2)熔体粘度对压力敏感。不施压不流动,较低压力就可流动。

    3)塑料的比热容低,易于熔融和固化。

    4)塑料的热变形温度高,制品能迅速从模具中脱模。

    理论上几乎所有的热塑性塑料都可以采用无流道注射成型。目前应用最多的是:PE、PP、PS和ABS等材料。

    五、热塑性塑料无流道凝料注射模具

    1. 绝热流道

    流道中没有辅助加热装置,而是利用塑料导热性差的特性,将流道截面尺寸设计的很大(常超过30㎜),使紧贴流道表壁的塑料熔体因较低的模温而迅速冷凝,形成冻结层,而流道中心部位的熔体保持熔融流动。这种系统为保持流道畅通,流过流道的塑料熔体速度应尽量快,使得流道中熔料被连续替换,没有足够的时间完全冻结。

    绝热流道的主要特点是费用低;生产中更换物料方便;流道直径大,压力损失小;流道凝料冻结时,打开分型面很容易清除。但因其体积大,延长了塑料加热时间。对温度的控制不理想,不适宜加工热敏性塑料。应用较少。

    通常应用于加工精度低和要求成型周期短的制品,PE、PP、PS类通用塑料小制品的成型。

    (1)井坑式喷嘴

    又称绝热主流道,是一种结构最简单的单型腔绝热流道。仅适用于成型周期小于20 s 的制品。

    所谓井坑式喷嘴是在注射机喷嘴和型腔浇口之间,设置了一个主流道杯。杯内容积约为制件体积的1/3~1/4。杯壁四周形成冻结层绝热,流道杯与模板间的气隙,也起绝热作用。

    井坑式喷嘴的结构

    图(a)1-注射机喷嘴;2-储料井;3-点浇口;4-主流道杯;图(b)浇口尺寸;图(c)1-弹簧;2-定位环;3-储料井;4-喷嘴

    (2)多型腔绝热流道

    1)主流道式浇口

    多型腔绝热流道为圆形截面,直径常取Φ16~32㎜。成型周期越长,直径应越大。

    分流道板与动模板之间的气隙,为减小接触面积。图(a) 浇口的始端突入分流道中,使部分直浇口处于分流道绝热皮层的保温之中。图(b)在直接浇口衬套四周增设了加热圈,浇口衬套与动模板之间有气隙绝热,与流道板之间有加热圈。若成型周期长,可在浇口中央插入加热棒加热。

    主流道式浇口多型腔绝热流道注射模

    1-主流道衬套;2-定模固定板;3-分流道;4-固化绝热层;5-分流道板;6-直接浇口衬套;7-动模板;8-型芯;9-加热圈;10-冷却水管。

    2)点浇口

    点浇口成形的制件没有浇口凝料,但浇口容易冻结,仅适于成型周期短的制品。在浇口始端引导部分设置加热探针,可对浇口加热,能成形周期较长的制品。探针体常用导热良好的铍铜合金制造。

    点浇口多型腔绝热流道注射模

    1-流道闭合锁板;2-定模固定板;3-绝热层;4-分流道;5-主流道衬套;6-分型面闭合锁板;7-流道板;8-型芯固定板;9-脱模板;10-型芯;11-动模垫板;12-导套;13-导柱

    2. 热流道注射模具

    热流道是在流道内部或流道周围设置加热器,使流道内的塑料熔体始终处于熔融状态。

    绝热流道每次使用前需清除流道中的固化物,而热流道只需加热流道中固化的塑料至熔融温度,然后射空。即可从新生产。其适用范围比绝热流道广泛,也适用于多个点浇口的较大制品成形。

    热流道系统由分流道板(manifold)和喷嘴(drop)两个基本单元组成。分流道板装在定模部分,把来自注射机喷嘴的熔料传递到型腔板,再由热喷嘴把熔料直接传递到型腔,或间接地通过一个冷流道向多个型腔供料。喷嘴通常穿过型腔板,并与分流道板成90°角。

    热流道模具同时具有加热、测温、绝热和冷却等装置,热流道板既被加热又被隔热,喷嘴也同样。分流道板和每个喷嘴都有独立的加热元件和温度控制系统。热流道模具对温度控制精度要求高,防止热平衡失调是个难题。

    (1)热流道浇口的封闭

    热流道模具中,浇口分别连接着保持熔融状态的流道及需要固化的制品,且两者温度相差100℃以上。要求注射时熔体顺利通过,开模时浇口快速封闭,以免熔体泄漏。目前常用的浇口封闭方法有:

    1)靠热平衡封闭的开式浇口

    浇口开闭的热平衡,是通过调节浇口套外加热圈或内加热探针的温度而实现的。结构及温度调节方法简单,成本低。缺点是浇口处容易堵塞或拉丝,对温度设置要求高。

    2)靠热平衡封闭的侧浇口

    通过模具的开启切断浇口,浇口结构和温度调节方法简单,没有拉丝。缺点是浇口容易堵塞,适用范围受制品形状限制

    3)靠循环加热、断热封闭的浇口

    需要设置与成型周期相适应的浇口加热、断热装置,结构和温度调节较简单,浇口封闭可靠,但需要较高精度的温控系统。

    4)弹簧作用阀杆封闭的浇口

    利用树脂压力开启阀杆,靠弹簧作用封闭浇口,结构较简单,浇口封闭可靠,要求弹簧的耐热性好,阀杆滑动灵活。

    5)机械阀式浇口

    利用气动、液压系统强制阀杆动作,从而实现浇口封闭、开启。结构动作可靠,成形条件宽,周期短,浇口阻力小。但结构复杂,制造成本高。

    (2)热流道的结构形式

    1)延伸式喷嘴

    是将普通注射机的喷嘴加长使之能与模具浇口部分直接接触的一种特殊喷嘴,采用电热圈加热,有温度测控系统。要求喷嘴温度高于料筒15~20℃。喷嘴口实际上为型腔的浇口,常用直径为0.8~1.2㎜的点浇口。

    因高温喷嘴直接(或间接)成型塑件,须对模具进行绝热,以免喷嘴的高温影响塑件固化。常用气隙和塑料皮层绝热。注射保压后应使喷嘴脱离模具,尽量减小喷嘴与模具的接触面积。

    延伸式喷嘴结构简单,常用于单型腔模具。常用的有球形、锥形等形式。

    (a)球形喷嘴 (b)锥形喷嘴

    (c)成型喷嘴 (d)绝热喷嘴

    延伸喷嘴的结构

    图(a)喷嘴伸入浇口套,喷嘴靠凸肩定位并承力,喷嘴与浇口套间设有增加

    气隙的衬套。

    图(b)喷嘴端面是型腔一部分,带有中间衬套,开设气隙槽,并引入冷却水。

    图(c)喷嘴须对注射座定位,以承受压力。喷嘴前端与孔配合,须考虑热膨

    胀和飞边。

    图(d)为绝热喷嘴,碗形塑料绝热皮层,中心厚度0.4~0.5㎜,外侧1.2~1.5㎜。承压凸肩上嵌以PTFE密封垫。保证浇口杯底部强刚度。

    2)多型腔热流道注射模具

    结构形式多,应用广泛。其特征是具有一块由加热器供热的流道板。上接主流道,设有分流道和多个喷嘴。

    主流道型浇口多腔热流道模具结构

    1-主流道衬套;2-热流道板;3-定模固定板;4-垫块;5-滑动压环;6-喷嘴套;7-螺钉;8-堵头;9-止转销;10-加热器;11-侧板;12-主流道型浇口杯;13-定模型腔板;14-动模型腔板。

    3)热流道板的结构设计

    要求有良好的加热和绝热设施,保证加热器安装和温度控制有效。据浇口数量和位置,可有多种形式。

    热流道板设计:

    ?圆形分流道直径一般5~15㎜。

    ?分流道端孔细牙堵头密封。

    ?隔热用气隙或石棉板。常用空气间隙3~8㎜。

    ?热流道板足够的强度与刚度。

    ?用中碳钢或种碳合金钢制造。

    热流道板的结构

    1-加热器孔;2-分流道;3-进料喷嘴安装孔

    4)热流道板的加热方式

    ?内加热

    内加热是加热大直径的流道,在流道轴线上装有棒加热器。流道外壁是冷的,外围塑料冻结起绝热作用,使加热器与模具很好的隔离。可降低电力消耗约50%,不存在流道板的热膨胀问题。能较好的消除泄漏,并能用加热探针控制浇口末端。

    内加热可能使物料滞留,引起分解。因此不适于热敏性塑料。另外,流道中的充模压力大。

    内加热流道与喷嘴

    1-冷却水孔;2-加热喷嘴;3-熔体通道;4-内加热器

    ?外加热

    外加热的流道板悬装在模具里,常以加热棒或弯曲的加热管配置在流道的外侧。流道板的绝热用气隙,也有用绝热片。热损失是必须考虑的问题。流道板的热膨胀需进行补偿,防止泄漏。热喷嘴装在流道板上。外加热可使模具的压力损失最小,流道一般为圆形大直径。外加热流道板和喷嘴适用于热敏性和高粘度塑料,流道没有冷皮层,流道流量较大。外加热流道比内加热的成本高。

    (3)热流道喷嘴

    喷嘴是热流道模具的关键元件。要保持喷嘴内塑料的熔融状态,须尽可能完善的绝热,有些喷嘴还需进行内部或外部加热。而型腔则需冷却。二者温差通常有100~200℃,因此喷嘴设计首先应满足热平衡要求。既要避免喷嘴内冷料过多而固化堵塞,又要避免出现塑料过热而流延或拉丝,甚至热分解。其次应考虑温差引起的热膨胀。再次是注意熔体的泄漏,产生飞边而影响正常工作。

    常用的热流道喷嘴结构形式:

    • 外加热式
    • 内加热式
    • 弹簧针阀式

    1)各种热流道喷嘴的结构形式

    ①平喷嘴

    直浇口形式

    分浇口平喷嘴形式

    ?点浇口形式


    几种单浇口平喷嘴形式

    ②点浇口喷嘴


    单浇口点喷嘴形式与分浇口点喷嘴形式

    ③阀式喷嘴

    气缸、油缸式

    ④特殊喷嘴

    一芯多头式与多芯多头式

    2)喷嘴的加热方式

    ①外加热式喷嘴

    热源来自喷嘴四周的加热圈。喷嘴中熔体流动阻力小,长度不受限制。因结构约束,喷嘴前端浇口处的温度较低。由于存在温差,热平衡不易控制。外加热式喷嘴的热量利用率较低,加热圈周围要有3~5㎜的绝热气隙。



    接触式喷嘴多型腔热流道注射模具

    1-定模地板;2-垫块;3-止转柱销;4-堵头;5-加热器;6-热流道板;7-侧支板;8-直接接触式喷嘴;9-加热圈;10-定模型腔板;11-动模板

    ②内加热式喷嘴

    热量来自分流梭中央的加热棒。加热棒功率可由电压调节。分流梭四周的熔体通道间隙一般为3~5㎜为好。间隙小,流动阻力大,散热快;间隙大,熔体径向温差大。若喷嘴较长时,需用电热圈辅助外加热。

    内加热式喷嘴由于高温锥形尖端伸入浇口,故温度可得到有效控制。



    内热式热流道喷嘴

    1-定模板;2-喷嘴;3-锥形尖;4-分流棱;5-加热棒;6-绝热层;7-冷却水孔。

    3)针阀式喷嘴

    用一根可启闭的针形阀芯置于喷嘴中,使浇口成为阀门。注射保压阶段开启;冷却阶段关闭。浇口直径可增大,避免了异物的堵塞,还可防止浇口熔体的流延和拉丝。适合各种粘度,尤其是低粘度的塑料。

    阀芯的启闭可由熔体压力或液压力驱动。



    弹簧针阀式热流道喷嘴

    1-定模底板;2-热流道板;3-压环;4-压缩弹簧;5-活塞杆;6-定位圈;7-主流道衬套;8-加热圈;9-针阀芯;10-隔热层;11-加热圈;12-喷嘴体;13-喷嘴头;14-定模型腔板;15-脱模板;16-型芯

    阀式喷嘴的成型特点:

    ?制品表面不留浇口痕迹,浇口处表面平滑。

    ?能使用较大直径的浇口,加快型腔填充速度。降低注射压力,减小制品变形。

    ?防止开模时浇口出现拉丝或流延现象。

    ?注射机螺杆后退时,可防止模腔中熔料倒流。

    ?能配合顺序控制以减小制品熔接痕。

    (4)热流道系统的热平衡与温度控制

    1)热流道系统热平衡的要求

    热流道系统必须满足热平衡要求,其热量损失应有加热补偿,理想状态下的热流道系统应是等温状态。对热流道系统控制的要求是,保持所需温度的偏差最小。为此,应满足以下条件:

    ?加热元件功率的准确设计;

    ?加热元件在系统结构中安装正确;

    ?合理确定加热位置和测温点;

    ?充分的绝热措施和效果。

    从使用者的角度,应满足的条件为:

    ?耐用性好;

    ?更换容易;

    ?抗损伤性、耐腐蚀好,不易泄漏;

    ?线路连接安全可靠。

    2)加热器的类型

    热流道模具常用的加热器有:

    ?喷嘴加热常用线圈和带式线圈加热器;

    ?流道板加热常用棒式和管式加热器。

    3) 热流道系统的温度控制

    ?准确的温度控制是实现热流道系统自动工作的关键因素。常用的方法是用温控表控制接触器。

    ?其控制原理是通过判断模具温度的高低来控制加热元件的开合。当模具温度低于设定值时,接触器闭合,全部电压加在加热元件上,其温度快速上升;当温度达到设定值时,接触器断开。

    ?热电偶安装在流道附近。热电偶测温的滞后性使其温控精度较低。而脉冲调宽式热流道温控系统的输出控制器件选用大功率双向可控硅输出,工作稳定,性能可靠,加热元件使用寿命长。

    (5)无流道凝料模具的应用实例



    六、热固性塑料无流道凝料注射模具

    热固性塑料的无流道凝料注射成型用温流道注射模具。

    1. 成型原理

    温流道注射成型时要使流道内的塑料象在注射机料筒内一样始终保持熔融状态。为此,须在模具的流道处独立设置一个低温区,温度大致在105~110℃范围。温流道板采用热水或热油循环保温,经测温和调温系统带走或补充热量。模具型腔是高温区,温度在145~180℃左右。物料注入型腔后在受热与承压条件下交联固化,生成网状结构的不熔不溶物质。低温区与高温区之间的绝热是温度控制的关键,它们之间通常用石棉水泥板或环氧玻纤板绝热。

    同时还需对定模固定板和动模固定板绝热。气隙绝热也是常用的隔热手段。温流道板和喷嘴四周均有气隙。喷嘴处于高、低温的界面,应该用导热性差的合金钢制造,也可用PI等高强度塑料镶于喷嘴口,喷嘴的上端需通过调温介质维持低温。

    温流道注射成型要求物料在流道中保持良好的流动性,且对压力敏感,进入高温型腔后又能快速固化。

    温流道注射成型可节省15%~35%的原料,且能一模多件生产,是很有前途的成型工艺。但它对温度控制要求严格,技术难度大,模具成本高。

    2. 温流道注射模具的结构

    1)多型腔温流道注射模具的结构



    1-动模固定板;2-推板;3-推杆固定板;4-推杆;5-绝热板;6-加热棒;7-动模垫板;8-动模板;9-凹模镶块;10-型芯;11-定模板;12-水孔;13-温流道板;14-定位环;15-隔热板;16-定模固定板;17-侧板;18-锁模板;19-绝热板;20-喷嘴。

    2)单型腔温主流道注射模具

    对于一模一腔的热固性塑料注射模,可专门设计和制造由调温介质控制温度的喷嘴替代原注射机喷嘴,延伸到模具中。

    延伸式喷嘴直接同浇口相接,成型后塑件上留下疤痕。喷嘴四周有气隙绝热,注射保压后喷嘴离开模具。喷嘴温控严格,过冷过热均会使物料固化。隔套式喷嘴当注射发生故障时能很方便地去除固化物。



    (a)延伸式喷嘴 (b)套式喷嘴

    3. 模具设计要点

    1)温流道板与模板之间必须有良好的绝热措施,防止流道板温度升高,产生故障。

    2)模温须准确控制,允许在5℃范围内波动。流道板与各喷嘴应分别控温。

    3)温流道应采用圆形截面,以利于熔体保温和填充流动,一般直径为6~8㎜。有纤维填料时应取较大值。流道不应有死角和凹槽等滞料区。流道表面粗糙度应与型腔一致,最好镀铬以保证耐磨性。

    4)喷嘴孔径一般不小于4㎜,并带有0.5°~1°的倒锥,便于浇口脱模。

    5)温流道板上应分设分型面,并配有挂钩式的开合锁板,以备从流道内取出固化物的需要。

    6)流道容积应比一次注射塑料的总体积小,防止塑料熔体在流道内停留时间过长而固化。


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