热流道模具技术
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申开智,等:热流道模具技术41热流道模具技术
中开智郭建明。
(四川大学高分子科学与工程学院、高分子材料工程国家重点实验室,成都61∞65)
热流道不能箅是一项新的技术,30多年前就已经出现,但在过去很长一段时间里其应用一直受到很大阻力,甚至许多企业在采用了热流道技术后又完全返回到普通冷流道系统。
十多年前在美国热流道模具在注射模具总量中还只占百分之几,而今天已达到30%以上,许多热流道模具厂商的产量成倍增长,并且还不断扩大。
我国过去曾大力宣传推广热流道模具,但并不奏效。
一直到近年来随着热流道技术的进步,效率提高,合理的成本及实际工作效率逐渐被用户认可,许多大批量的、大型的、要求高的塑料件在设计模具时都首选热流道模具。
近年来除国内自己建立了热流道生产厂外,国际许多知名厂家也相继在国内设厂,为用户提供热流道系统。
因此,我们今天要重新认识、评价和推广应用热流道技术。
热流道模具的优点有:
①节省了普通浇注系统流道凝料回收加工的费用。
②缩短成型周期。
省去脱浇注系统的时闻及为了冷却粗大的浇注系统所多耗费的时间。
③能更有效地完全利用注塑机的注塑能力生产出较大的产品,节省每次注塑时耗于浇注系统的料。
与三板式模相比,由于无需脱浇注系统,所需开模行程大大减小,能生产高度更大的制品。
④浇注系统粗大且保持最佳的熔融状态,因此充模流动阻力减小,有效补料时间延长,有利于提高制品质量。
同时由于不需在新料中大量掺人回收的浇口料,也有益于提高制品质量。
其缺点是:
①开机时要较长时间才能达到稳定操作,因此开机时废品较多。
②需要操作技能较高的专业人员。
③模具结构复杂,成本高,需要增添外接温控仪等辅助设备。
④易出现熔体泄漏、加热元件故障等较敏感问题,需精心维护,否则可能产生热降解等不良现象。
就经济性而言应作具体分析,热流道模具制造费用高,需要增加附加装置,但由于省去了浇注系统回头料的粉碎回收,~人可操作更多的机台,能更有效地利用小型机器的能力。
当生产批量较大时使用热流道模具较合理,反之宜采用三板式模具。
据前西德19世纪80年代后期统计,年产量达107件/a时,使用热流道模具比三板式模具节省费用40%以上。
1热流道模具的前身——绝热分流道模舆技术在普通注塑成型时,主流道中的塑料熔体往往是最后冷却固化的,只有流道全部固化才能取出产品,在焦急等待中产生了一种想法“何不只取产品而不取尚未固化的浇注系统”,于是便产生了绝热流道技术。
这时将模具的主流道、分流道设计得特别粗大,约020一030mm,以致流道中心部位的塑料熔体在周期较短的快速循环中,来不及凝固,而始终保持熔融状态,从而在后续的各次注射时塑料熔体能通过它顺利进入型腔,如图1所示。
1一定模底板;2一流道板;3一浇口衬套;
4~定模型腔板;5--型蕊;6一绝热层
图】多型腔绝热流道模具
这类的模具有三个问题需在设计时解决:
(1)制品要求在浇口处冻结即降温到熔点以下,以便脱模。
流道要求在浇口处熔融,保持通畅。
解决办法是加长浇口长度,以缓和冷热矛盾,或在浇口靠流道一侧置加热探针,使浇口处熔融通畅。
(2)要求流道向外散热慢,不易冻结。
型腔板则要求向外传热快,制品能迅速固化,缩短成型周期。
解决的办法是提高流道所在模板的温度,降低型腔所在模板的温度。
422002年中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集
(3)停车时流道内的物料会冻结,无法重新熔融流动,解决的办法是设计一流道分型面,开车前可以打开,取出流道凝料。
图2为一实用例子,在给料喷嘴中插入带加热棒的探针,探针有三个三角翼,用来保持其对中性,使浇口不易冻结,成型周期可长达2—3rain。
对流道板(图中A段)辅助加热,温度保持70—80气,而型腔板温度较低(图中B段)。
绝热流道中心开有分型面,以备在停车后取出流道凝料。
l一动模垫板;2一型芯;3一冷却水管;
4一型芯固定板;5一脱模板;6一动模镶件;
7一密封环;8一冷却水管;9一定模板;
10一定模镶件;ll一浇口套;12一流道板控温管;
13一浇遭板;14一加热探针;15一加热器;
16~定模底板;17一绝热层;18一蠊形弹簧;
19一定位环:20一主流道套;A一探针;
如一浇日直径;畦—探针端部直径;
£~浇口台阶长;卜撵针尖角;卜流道锥角;仁浇口角
图2№wⅢtDie公司的绝热流道模具
绝热流道模具还存在一个弊端,那就是流道横断面上各处物料温度不同,在高速注射时流道边缘的低温料会带入型腔,造成进料温度不均,会大大降低塑料件质量,因此高质量的制件应采用热流道。
2热流道模具技术
热流道模具是采用加热的办法使主流道、分流道均处于高温下,流道中的塑料保持熔融状态,将流道加工在一独立的模板内成为热流道板。
为了避免热流道板上的热量大量传向模具的其它部分,热流道板与模具的其它模板间必须绝热,常用的绝热方式是空气间隙绝热,喷嘴头部可用空气间隙绝热,也可用塑料本身绝热。
热流道模具停车后再开车时不需打开流道取凝料,只需加热流道板,达到塑料熔融温度即可重新流动。
热流道系统流道内温度均匀,易调节控制,压力传递良好,可用较低的成型温度和较低的注塑压力,这样既可减少塑料的热降解,又能降低制品内应力。
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办法却有很大区别,这决定了热流道系统的质量和价格的差异。
‘2.1直通式点浇口热流道模具
直接向型腔进料的热流道点浇口能完全消除流道凝料,这时浇口的温度必须控制十分严格,热流道点浇口是最常用的浇口形式,其结构形式很多,可分为以下几类:即带塑料绝热层的导热喷嘴、空气绝热的加热喷嘴、带导热探针的喷嘴、带加热探针的喷嘴、弹簧针阀式喷嘴、外力启闭阀式喷嘴等。
现分述如下:
(1)带塑料绝热层的导热喷嘴这是一种比较古老的形式。
典型结构如图3所示。
流道板部分用电热棒或电热管加热。
喷嘴用导热性能优良、强度高的铍铜合金(也可用性能类似的其它铜合金)制造,以利热量传递。
喷嘴前端有塑料隔热层,铍铜喷嘴不与型腔板直接接触,两者通过导热性较差的滑动压环9隔离,且浇口衬套8与定模板间有空气绝热间隙。
图3(b)为喷嘴局部放大图,浇口直径为0.7mm,用于生产小型制品。
图4所示的喷嘴,浇口直径为1.5mm,用于生产质量为1.3kg的大型制品。
滑动压环与浇口衬套的接触平面应加工良好,并维持适当的接触压力。
l一定位环;2一主流道衬套;3一绝热垫圈;4一支柱;
5~热流道板;6一热电偶孔;7~喷嘴;8一浇口衬套;
9一滑动压环;lo一动模板;11一定模板;12一加热器:
13一压紧螺钉;14一堵头;15一定模底板;16--支撑螺钉a—带塑料绝热层的导热喷嘴.b一喷嘴局部放大图
图3多型腔针点浇口热流道模具
申开智,等:热流道模具技术43
1一动模板;2一型腔;3--浇121衬套;4一定模板;
5一滑动压环;6--流道喷嘴;7--热流道板
图4生产大型制品的针点浇口喷嘴
多型腔热流道模具其热流道板和型腔部分在工作时因温度不同而产生不同的横向热膨胀,但由于喷嘴和型腔之间有绝热间隙,两者即使有少量的相对位移亦不致于发生干涉,设计时应事先预留好温度变动引起的偏心距,如图5所示。
热流道板上各喷嘴间的中心距愈大,热膨胀值愈大,当定模和动模间温差较大时(定模边受高温热流道板影响),也会引起热膨胀的不一致。
励,黝
1一运转时聩嘴中心线;2---运转时喷瞩位置;
3一浇口中心;4一常温时喷嘴中心线;
5一常温时喷嘴位置
圈5热膨胀产生的偏心距
(2)空气绝热的加热式喷嘴当喷嘴较长时就需对喷嘴加热,加热功率约20一30w。
这种喷嘴能分别将各自的温度控制在最佳值,适宜于生产精密的工程塑料件,如图6所示。
其缺点是模具型腔与喷嘴接触区域的温度升高,但加工热变形温度较高的工程塑料制件是可行的。
一带式加热器;2一喷嘴;3一热流道板
图6空气绝热的加热喷璜2.2带热探针的喷嘴
这种喷嘴在离制品0.2~0.5mm处的浇I:1中心有一高温的热探针,用以保持浇El畅通。
(1)带导热探针的喷嘴如图7所示,导热探针可将热流道板的热量通过中心探针导向浇口,可防止物料在浇口处凝固,并使流道中心的塑料熔体保持高温。
带导热探针的喷嘴由于探针为塑料熔体所包围,处于平衡状态,受弯曲力不大,当生产工程塑料或其它纯塑料制品时可用导热性极强的纯电解铜来制造,但当生产玻纤增强的魍料制品时,为避免浇口处剧烈磨损,可局部镶上耐磨的钢件或其它金属件。
一热流道板;2一两孔;3一淬火钢头;4一密封钢件
图8带导热探针的多孔喷嘴
442002年中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集
(3)带加热探针的喷嘴这类喷嘴商品化的结构非常多,较有名的有日本的TGK喷嘴和美国的Incoe热喷嘴。
由于在探针的芯棒(分流梭)内安装有小型棒状加热器,可保证该流道和浇口处的树脂不冻结。
图9为TGK喷嘴,分流梭的窄端呈针形,延伸到浇口中心,距型腔约0.5him处,可实现稳定的连续操作。
圆锥形喷嘴头部与型腔板之间留有0.5//lm的绝热层,为塑料所充满。
图9b所示为浇口处局部放大图,中心棒式加热器的体积较小(够6.25一卿.42mill),而功率较大(150—600W)。
1--定楼板;2一喷嘴;3--鱼雷头;4一鱼雷体;
5一加热器;6一引线接头;7--冷却水孔
a一喷嘴内加热的热巍道;b一浇口加热探针局部放大匿
图9TGK系统带加热探针的喷膏
该喷嘴有大小不同的尺寸系列,浇口直径0.8—2.4mill,根据注塑量大小不同选用。
可采用淬火镀铜制造的分流梭,它使温度控制更均匀。
图10为TGK喷嘴在一模多浇口时与流道板组合的形式。
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图10Tt;K顷瞩与藏道板配合
美国INCOE系统的热喷嘴是一种广泛采用的热喷嘴,与TGK不同的是,其头部设有塑料绝热层.如图11所示。
在分流梭中置有加热棒,同时还有进行温度控制的热电偶,使用比例调节方式严密地控制塑料熔体的温度,浇口容易拉断而又不产生流涎。
安装时喷嘴前端面进入型腔构成型腔~部分,并有一个短的配合段,其余部分留出空气间隙与型腔板绝热。
在该喷嘴中靠近喷嘴外圈的靼料温度较低,可能形成冻结层,但靠近分流梭表面的塑料处于良好的流动状态,塑料在压力下沿加热探针尖端一直进入型腔。
】一喷嘴A口;2一燕尾部;3一螺纹;4一树脂通道;
5一主体;6--浇口;7一加热棒;8—分流梭
图11带头热喷嘴
INCOE热流道板以特殊合金钢制作,在流道两侧插入加热棒,流道内经磨光处理,它与热喷嘴和注塑机喷嘴配合使用的情况如图12所示。
另外还有一种INCOE热喷嘴,其分流梭前端无外壳,使型腔上浇口开设的位置比较灵活,甚至可在制品的棱角、加强筋及形状不规则的表面开设浇口,如图13所示,这种浇口周围的模壁较厚,耐压比前者高。
檀醑耐
l一定位环;2一底板;3—热喷嘴衬套;4一承压盘;
5—热流道板;6一支柱;7一加热棒;8一不锈锕O型环;
9一冷却水孔;10--承压板;1l一中心支柱
圈12INCOE热喷嚏与流道板配合
2.3矛式喷嘴(枪式喷嘴)
矛式系统是日本产特殊热喷嘴,亦称枪式喷嘴,我国有引进,其流道部分采用热流道方式,但在浇口
申开智,等:热藏道横具技术45
田13龙头热喷嘴
部分有一伸入浇口颈中的矛头,它是一温度随操作周期变化的加热探针,是由特殊合金制成的发热体。
矛头尖端离型腔表面约0.2mill,在注塑前瞬间(约3s)矛头通电,浇口部位树脂受热熔融,洼塑完毕,矛头断电,树脂冷却,浇口处冻结。
矛式系统在模具中配置情况如图14所示,按其使用状况有多种尺寸系列,其典型结构如图15所示。
探针和矛体分别由不同加热系统加热,矛式加热系统的矛头除了非通即断这种形式外还有一种在浇口封闭时通以小电流,将树脂预热,注射时再通以大电流使浇口熔化畅通的形式,矛式浇口几乎适于所有的塑料品种。
如PVC,尼龙类等。
其成型周期短,制件误差小,能成型精密制品。
1一撵针垫座;2一不锈钢O型舅;3一流道板;
4一分漉道套;5--探针;6—探针加鼎器;7一型腔板;
8一冷水孔;9一调节螺钉;lO一定位销;11一加热器孔
12--热电偶孔;13--定位孔;14一中心定位销
图14矛式赜嘴在模内配置
加热器用导线;2一外套;3一矛式探针
4一加热器;5—探针用导线
图15矛式喷噍2.4阀式浇口热流道喷嘴
对熔体粘度很低的塑料来说,为避免流涎现象,热流道模具可采用特殊的阀式浇口,在注射和保压阶段将阀芯开启,保压结束后即将阀芯关闭,在脱出制品后不再发生流涎和拉丝现象。
此外阀式浇口开口尺寸大,可达012.5mm,流动阻力小,磨损小。
(1)弹簧针闽式喷嘴这种喷嘴分别用弹簧力和塑料熔体压力启闭阀芯,图16为国内自行设计的一种阀式浇口,可用于多型腔,也可用于单型腔,其加热原件装在喷嘴周围和主流道周围,用环氧玻璃钢压制成的罩壳进行绝热。
l一定模底板;2一热流道板;3—锁紧盖;4一压力弹簧;
5一阀杆;6一定位环;7一主流道衬套;8一加热圈;
9一针阀;10一隔热外壳;11--加热圈;12一喷嘴体i
13一喷嘴头;14一型腔板;i5一动模板;16一凸模
图16多型腔弹簧阀式浇口热流道模具
图17所示的阀式浇口的启闭由模具所附加的液压机构来完成,液压缸通过杠杆带动针形阀的阀芯作往复运动,完成浇口启闭动作。
阀式浇口的优点是当树脂的熔融粘度很低时可避免流涎,温度偏高时可减少拉丝现象。
由于针阀往复运动又能减少浇口处的冻结,如将针阀的前端作成一小平面伸人浇口与型腔齐平,这时在制品上几乎不会留有浇口痕迹。
l~动模板;2一定模板;3一浇口套;4一喷嘴头;
5一定模底板;6一喷嘴体;7一压板;8一针阀;9一杠杆
10一支撑板;1l一锁紧螺母;12~喷嘴盖;13一油压缸
14~活塞杆i15一加热孔道;16一压紧螺钉
图17液压杠杆阀式浇口热流道模具
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(2)液压驱动阀式浇口该浇口的一大优点是
可以准确地控制补料时间,特别是靠专门的机械或
液压机构驱动的阀式浇口可以在高温高压下提早快
速封闭浇口,这样可降低塑料件的内应力,减小应力
开裂和翘曲变形,增加尺寸稳定性。
机械或液压驱动的阀式浇口在阀芯开启前可以
在注塑机料筒内施以预压,使塑料产生预压缩,当浇
口开启的一瞬间,塑料预先压缩的体积迅速膨胀,能
大大缩短充满型腔的时间,还能增加塑料最大流程
比,例如HDPE在温度204.40C、压力105MPa下j
体积压缩比为8.5%。
假设料筒内塑料容积为模具
型腔容积的5倍,则在针阀开启的同时由于膨胀使
充模时间能够缩短8.5%×5=42.5%。
实验表明,对于LDPE流程比(L/t)能从常规的240提高到310。
由于快速进料和快速封闭使成型总周期大为缩短,特别是薄壁制品有时可使成型周期缩短1/3或更多,在操作时要掌握针阀封闭的时间,如浇口处已冻结再关闭针阀,则不但使针阀失去了意义,还会使浇口内的树脂被挤向塑料件而在浇口周围产生皱折,或使没有挤平的树脂成为突起状,如图18。
阀式浇口针形阀的滑动面容易产生树脂泄漏,应设计适当的流道将泄漏的树脂导出模外,而不致进入弹簧或导线等要害部位。
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Ⅲ■R口■Ⅱ
图18操作不当的浇口痕迹
在热流道模具里,机械或液压驱动的阀式浇口的阀芯内还可钻孔插入内加热器,使阀芯起内加热分流梭的作用。
阀式浇口的缺点是模具结构复杂,精度要求高,增加了模具制造成本。
(3)气压驱动阀式浇口除弹簧驱动和液压驱动阀式浇口外,当前还大量采用和发展着气压驱动(通过气缸)的阀式浇口,气压驱动更安全,不会因泄漏而发生污染等问题,如图19。
2.5带冷流道浇口的热分流道模具
它是指热流道后面带有一段冷流道,由冷流道与制品相连,最常见的是带一段冷主流道型浇口如图20,图21为冷凝潜伏式浇口,前者喷嘴短,不需加热,后者喷嘴很长,浇口部分设外加热器。
热流道模具的一个重要问题是流道板加热之后要发生明显
1一物料人口;2一加热圈;3--上下移动横梁;
4一气缸体;5--活塞;6--密封环;7--阀芯;8--喷嘴;
9一电源;10一热电偶引线;11--气道
图19侧浇口热流道喷嘴
的热膨胀,在模具设计时必须考虑,留出膨胀间隙,否则膨胀产生的力会使模具变形,发生破坏或其它问题。
在图20所示结构中,流道板的热膨胀通过端面接触的喷嘴和滑动支承环的滑动来补偿,为了不发生堵塞,喷嘴口直径小于主流道小端直径,喷嘴靠流道板传热来保持温度,也可在喷嘴上设加热圈辅助加热。
间接进料方式的冷流道部分可采用潜伏式浇口,如图2l,此结构通过喷嘴细颈(A)将高低温分开,喷嘴热膨胀由间隙c弥补,流道板热膨胀可在喷嘴上方滑移,此结构可实现自动操作。
1一主流遭村套;2—热流适板;3一足模膳板;4一垫块;
5一滑动压环;6一喷嘴;7一支撑螺钉;8一堵头;9一销钉;
10一压紧螺钉;1I一支块;12一主流道浇口套
图20多型腔主流道型冷浇口热分流道模具
3热流道板
热流道板的作用是将塑料熔体恒温地经分流道送人各个热流道喷嘴,熔体在热流道板内流动时压力损失要小,没有停料死角,在分流道布置上应尽可
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lZI
卜一热流道板;2—热电偶;3一加热圈;
4一冷潜伏式浇口
图2l多型腔潜伏式冷浇ra热分流遭模具
能地采用平衡式布置,均匀地分配物料,热流道板的结构有外加热热流道板和内加热热流道板两大类。
3.1外加热热流道板
外加热热流道板常采用热作工具钢制作,钻出约05—012mm的圆形流道,用棒式加热器、管式加热器或加热圈加热,流道板和模具定模板及型腔板之间用空气间隙或其它绝热材料绝热。
图22为采用棒式加热器的四型腔热流道板,热电偶测温部位最好安装于与流道等效地受加热器加热的位置。
流道板与各个喷嘴应分别进行温度控制,流道内壁需铰削或抛光,以免滞料分解,转角处要平滑过渡。
主流道衬套一般直接用螺纹连接在流道板上,且不与定模底板接触,留出绝热间隙。
还有在主流道衬套中加入过滤器的设计,它能滤去料中杂质,防止喷嘴孔(浇口)处堵塞。
流道板的加热功率应能在0.5~1h将流道板的温度从常温升高到200~300℃。
3.2内加热式热流道板
这种流道板适用于给料喷嘴部位带有内加热探针的热流道模具,分流道本身也采用内加热管加热,如图23(a),这时流道板表面温度tL#f-JJtl热流道板表面温度低得多,仅40℃左右,而外加热流道板温度在200~600℃范围内,因此其热损失比后者小75%,能节省大量的能源,其流道外壁附近的树脂处于冻结状态.因此大大降低了漏料的可能性,流道内仅中心处于流动状态,类似于绝热流道。
塑料沿管的外围空间流动,当流道垂直相通时,为了使其中心的加热器互不干扰,垂直流道间采取交错穿通的办法,如图23(b)所示。
采用这种热流道板装置的模具如图24。
这种热流道板的缺点是流道断面内物料温度高低不均,在高速注射时易将冷料带入型腔,降低制品质量,热敏性树脂还会分艇,且沿环隙流动
图22四型腔热流道板
1、5、9一暂式加热器;2一分流道加热臂;3一流遭板;
4一喷嘴加热管;6一定模底板;7一定位环;8一主流道衬套;
lo一主流道加热管;11一浇口板;12一喷嘴;13一型芯;14一型腔板
图24内加热热流道模具
阻力比外加热管和流道阻力大得多。
3.3热管加热热流道
热流道模具的核心问题之一是控制主流道、分流道直到给料喷嘴头部的温度均匀稳定。
由于与给
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料喷嘴相邻的型腔温度较低,虽然采用了各种隔热措施,但仍有不少热量从喷嘴头部散失,使得流道两端温差增大。
在普通热流道中,为了缩小给料喷嘴头部和流道之闽的温度差,采用铍铜等导热性优良的材料来制造给料喷嘴,但仍不能达到理想的程度。
国外采用热管作为流道到给料喷嘴之间的导热元件,其导热能力可达到铜的1000倍以上,其原理如图25所示,A为蒸发段,B为冷却段。
液体工作介质在加热区域受电加热器加热而蒸发,并把热量以蒸气的形式扩散到冷端,在此处蒸气冷凝而放出热景。
冷凝液通过毛细管再返回加热区,由于蒸气输送热量,可保持热管各部位之间温差极小。
1一臂咒;2--毛绷吸被芯;3--蒸气腔
圈25热管导热机理
图26为热管用于模具主流道套的情况。
热管制作成夹套形式围绕在主流道周围,塑料沿中心流道流动,主流道套上部电加热圈放出热量通过热管将热量传到给料喷嘴头部,从主流道始端到给料喷嘴头部的流道各个部位,其温差均可控制在1.5—26C,保持极其理想的加工温度,在给料喷嘴头部到型腔浇口之间有一塑料绝热层,用来减小热传递。
国外这种用于主流道衬套的热管已规格化、商品化,它具有塑料熔体流动阻力小、不会产生局部过热分解、更换塑料品种时易清洗、使用寿命长等优点。
热管浇口套只在定位环处和衬套尖端部与模具型腔板直接接触,其它部位有空气隔热间隙。
显然热管也可用于流道板的加热恒温。
1一加热套筒;2一定位田;3一空气绝热层
4一流道;5一热管工作液;6一树脂绝热层
图26热管主流道套
热流道模具技术
作者:申开智, 高分子材料工程国家重点实验室(成都), 郭建明, 高分子材料工程国家重点实验室(成都)作者单位:四川大学高分子科学与工程学院
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