流道板的热补偿方法优化方案

对热流道喷嘴和流道板的热膨胀应预测膨胀量，在常温下加工和装配时进行补偿，以避免热应力损伤零件，防止流道板过量变形产生泄漏熔体，防止喷嘴头的浇口痕迹过大。喷嘴热补偿将在本书第5章和第6章中详细讨论。

1.热流道的热补偿

塑料注射模的热流道结构零件在室温下装配，而流道板、喷嘴和承压圈等被固装在定模的框架里，注射加工时有热膨胀。在进行热流道系统的定位、紧固和绝热设计时，必须进行以下热补偿计算。

1）喷嘴的热膨胀。如图4-27所示的尺寸L_t段的热膨胀为从定模板的安装基准面C算起的喷嘴长度的热膨胀。

2）流道板的横向伸长。热流道板被销钉固定，加热后先向四周径向热伸长，如图4-27所示的尺寸L_i段。

3）流道板上喷嘴轴线方向的热膨胀。如图4-27所示的尺寸L_o段热膨胀。

图4-27 室温下热流道系统的热膨胀趋势

1—喷嘴的热膨胀L_t 2—流道板横向热膨胀L_i 3—喷嘴轴线方向热膨胀L_oA—间隙面 B—熔料泄漏面 C—喷嘴安装台肩

2.流道板的横向热补偿

如图4-28所示，在室温下流道板上流道出口位置的尺寸为L_p，工作温度下流道板上流道出口位置的尺寸为L_q，有

L_q=L_p[1+α_Fe（T_f-T_r）] （4-22）

L_q=L_i[1+α_Fe（T_m-T_r）] （4-23）

式中 L_q——工作温度下流道板上流道出口位置的尺寸（mm）；

L_p——室温下流道板上流道出口位置的尺寸（mm）；

L_i——室温下喷嘴注射点的位置尺寸（mm）；

α_Fe——所用钢材的热膨胀系数（℃^-1）；

T_f——流道板的工作温度（℃）；

T_r——室温（℃）；

T_m——定模板的工作温度（℃）。

[例] 对某注射40%玻璃纤维增强PPS的热流道模具（见图4-28）进行热补偿计算。已知设计图样上L_i=270mm；流道板用40Cr13制造，在20～400℃时α_Fe=11.5×10^-6℃^-1；定模板用P20（DIN1.2316），在20～400℃时α_Fe=12.6×10^-6℃^-1；温度T_f=350℃，T_m=160℃，T_r=20℃。求室温下流道板上流道出口的位置尺寸L_p。

图4-28 流道板的横向热伸长

a）室温或装置温度 b）工作温度 1—喷嘴 2—流道板

[解] 在高温工作状态下，流道板上喷嘴轴线应与定模板的喷嘴轴线重合，将式（4-22）代入式（4-23），整理后将数据代入，得室温下流道板上流道出口轴线距模具中央距离L_p为

在室温下加工定模板时，喷嘴轴线距模具中央距离应为L_i=270.00mm。而室温下加工流道板，流道板上注射出口轴线距模具中央距离L_p=269.45mm。在高温下注射成型时这两条轴线重合，即L_q=270.48mm。

经计算可知，大型模具的流道板上喷嘴的横向位置会有较大的补偿量。如果是针阀式喷嘴，关系到阀针和浇口在工作温度下直线对准。

3.流道板的喷嘴轴线方向的热补偿

在图4-29和图4-30上，Δ为室温下承压圈与定模固定板之间的间隙。基准面C与定模固定板的距离为L₀，受热伸长ΔL₀，它由喷嘴的安装台肩高度L₁、流道板厚度L₂和承压圈厚度L₃的热膨胀之和组成。L₀的热伸长会顶压定模固定板，在此方向上不能产生过大的压应力，以防流道板受压变形及把固定板压坏，在流道板与喷嘴配合面上产生塑料熔料的泄漏。

喷嘴台肩高度为L₁±0.01mm，流道板厚度为L₂±0.01mm，承压圈作为调节补偿量的修正零件，保证承压圈与定模固定板之间的间隙Δ。(www.xing528.com)

图4-29 流道板的热补偿结构

1—绝热板 2—定模固定板 3—嵌件 4—承压圈 5—垫块 6—流道板 7—止转销 8—定位销 9—分喷嘴 10—支承垫 Δ—室温下承压圈与定模固定板之间的应留间隙 C—分喷嘴定位基准面

流道板系统在喷嘴轴线方向上的零部件有喷嘴、流道板和承压圈，如图4-29所示。其中承压圈受热膨胀产生压力，又起绝热作用，常用不锈钢制造，硬度约为52HRC，热导率为16～26W/（m·℃）。也有用钛合金或陶瓷材料的，钛合金的压缩强度为1000MPa，热导率为7W/（m·℃）；陶瓷烧结材料的压缩强度为2100MPa，热导率为2W/（m·℃）以下。为达到较好的绝热效果，需减小承压圈与定模固定板的接触面积。如果喷嘴轴线方向热伸长过大，热应力会压坏定模固定板。定模固定板应有较好的强度或用高硬度的嵌件来抵抗压应力。

若承压圈过厚（见图4-30a），与固定板之间间隙过小或在装配时已有过盈压缩量，则在注射时的热膨胀状态下，喷嘴与流道板的轴线上会产发生弯曲变形，两者的接触面上熔料易泄漏。若承压圈太薄（见图4-30b），与定模固定板之间间隙过大，则喷嘴的入口端面与流道板在注射压力下有过大间隙，高压熔体也会从此处泄漏。

为保证流道板系统安装正确，要对喷嘴轴线方向进行热补偿计算，使承压圈与固定板在装配温度下有合理的间隙。装配时要保证所有喷嘴轴向的定位支承端面C是同一平面。各个喷嘴轴线上的间隙不同或过盈不均匀，流道板会产生倾斜，喷嘴产生侧向偏移，也会造成熔体泄漏。

为计算预留间隙，在工作时流道板系统在轴线方向L₀的热膨胀量为

ΔL₀=αL₀ΔT （4-24）

ΔT=T_f-T_m

式中 ΔL₀——流道板系统喷嘴轴线方向的热伸长量（mm）；

L₀——室温下流道板系统零部件在轴线方向的总长度（mm）。

T_f——流道板的工作温度（℃）；

T_m——定模板的工作温度（℃）。

流道板系统零部件热膨胀产生的热应力为

σ=ΔL₀E/L₀ （4-25）

将式（4-24）代入式（4-25），有

σ=αEΔT （4-26）

其中，E是系统零件的弹性模量，对于钢材取2.1×10⁵MPa。计算所得的热应力σ应小于定模固定板接触面上的许用压应力[σ]_p。由于系统的喷嘴、流道板和承压圈等零部件有不同的形状和截面积，各种材料的弹性模量和线膨胀系数不同，需要将这些零部件串联起来计算，故用有限元的数值分析方法，支承圈与固定板之间预留间隙的精确计算是比较困难的。

图4-30 热流道系统喷嘴轴线方向的热伸长

a）Δ=0 b）Δ>0 1—喷嘴 2—流道板 3—承压圈

[例] 对注射PC物料的热流道模具喷嘴轴线方向的热补偿进行计算。流道板和喷嘴的工作温度T_f=300℃，定模板温度T_m=90℃。见图4-29和图4-30，喷嘴座高L₁=35mm，流道板厚L₂=55mm，承压圈厚L₃=10mm。

[解] 1）流道板系统零部件轴向热膨胀后，热应力作用在模具固定板上。线膨胀系数取流道板和喷嘴材料的中间值α=12×10^-6℃^-1。由式（4-26），有

σ=αE（T_f-T_m）=12×10^-6×2.1×10⁵×（300-90）MPa=529MPa

2）固定板材料的屈服应力σ_y=800MPa，取安全系数n=2，得许用压应力为

[σ]_p=σ_y/n=800MPa/2=400MPa<σ=529MPa

3）喷嘴轴线方向总长L₀及热膨胀伸长量的计算ΔL₀：

L₀=L₁+L₂+L₃=35mm+55mm+10mm=100mm

ΔL₀=αL₀ΔT=12×10^-6×100×（300-90）mm=0.25mm

热流道系统在安装时，注射点的轴线方向应留有间隙量Δ。当间隙Δ=0，ΔZ=ΔL₀=0.25mm时，[σ]_p小于热应力σ，会损伤定模固定板的接触表面。大型流道板和高温熔融塑料注射时，热膨胀伸长量ΔL₀应被仔细计算。间隙Δ应小于ΔZ，要保证有一定的弹性压力。热流道注射模装配的经验是，间隙Δ大致是膨胀伸长量ΔL₀的1/2，而且，对于多喷嘴热流道系统，保证各注射点的间隙量一致很重要。