直接浇口喷嘴的应用与结构优化

本节介绍直接浇口多喷嘴上流道直径的设计计算（它的计算方法和结果适用于所有开放式浇口的分喷嘴），并分析计算整体式直接浇口的热补偿。另外，分析了两个直接浇口的浇注系统的案例。

1.多喷嘴流道的直径

分喷嘴的流道直径已经被各热流道公司标准系列化。它是喷嘴型号的第一参量。选用喷嘴型号是从流道直径开始的。有的热流道公司的系列直径（mm）为：5、8、12、16、18，也有4、5、7、10、12、16、20。还有的热流道公司把流道直径隐藏在各种喷嘴代号里。系列直径越多，越容易选用较合理的喷嘴型号，但会有制造、安装和管理的麻烦。

常用的多喷嘴流道的直径是4.0～20mm。其大小主要由塑料熔体的体积流量和熔体的流变参量确定。可用式（3-21）换算推导成按剪切速率确定喷嘴直径的计算式，即多喷嘴和流道板的流道直径d_o（cm）为

式中——塑料熔体流经直浇口的实际剪切速率（s^-1）；

q_i——塑料熔体流经直浇口的体积流量（cm³/s）；

n——塑料熔体的流动指数。

根据大量注射模流动分析的案例和国内外资料，冷流道系统的分流道中，熔体输送的剪切速率在10²～10³s^-1范围内。按式（3-21），直径d_i与体积流量q_i的函数关系用剪切速率推算最为恰当。多喷嘴的流道直径D是最后一级分流道直径d_i的延续，用式（5-5）推算：

参阅表3-1，各种塑料熔体在剪切速率范围内的流动指数n与和的n值是不同的，说明塑料熔体的非牛顿流动性能在各剪切速率范围内有差异。为简化计算过程，在塑料熔体在剪切速率范围内，对于n≤0.25，近似取n=0.20，设定。对于0.25<n≤0.50，对ABS、ABS+20%GF、PP、PP+30%GF、PS和PS/PMMA等塑料熔体，n=0.35，近似取。对于0.5<n<1.0，对ABS/PC、PC、PC+30%、PA6、PA6+30%GF、POM、POM+30%GF和PBT+30%GF等塑料熔体，n=0.70，取。由此，在三个流动指数n区间内，D（d_i）（cm）的计算式为

将式（5-5）和式（5-5a）等计算出的数值构成表5-8，可以为选用多喷嘴的通道直径D提供方便。表5-8还可以用于分流道直径d_i的设计计算。在用式（5-5）计

表5-8 分流道和多喷嘴的通道直径

注：1.n—剪切速率范围内塑料熔体的流动指数。

2.带方框的数值较少采用。

算和查询表5-8时需注意：

1）喷嘴通道直径一般不超过20mm。该直径超过18mm时，要获知塑料熔体的表现稠度K′和流动指数n，以喷嘴长度预测压力损失。整个热流道浇注系统的压力消耗不超过350×10⁵Pa。

2）式（5-5）和表5-8中塑料熔体的体积流量q_i（cm³/s）应该是喷嘴的输出流量，即输出塑料熔体体积V_i（cm³）除以注射充模时间t（s）。可以根据表5-3，以注射机喷嘴输出熔体体积V查找到注射机螺杆推进的充模时间t。

3）式（5-5）和表5-8中塑料熔体的流动指数n及熔体输送的剪切速率γ·在10²～10³s^-1范围内的n值可查阅表3-1和表3-2，或根据该品种塑料的流变曲线推算。

过细的流道和过高的剪切速率，势必使流动熔体的剪切应力增大。喷嘴和分流道都有一定的长度，有时达到几百毫米。浇注系统的压力损失过大，会让塑件型腔内的充填压力不足，导致成型的制件质量不合格。反之，热流道系统的喷嘴和分流道过粗，势必增加流道容纳熔体的体积，增加熔融态塑料的持续时间，会使热不稳定塑料和不稳定的添加剂发生分解。在一定的注射流量下，过大的喷嘴流道，对于开放式的小浇口，不能提供强大的注射压力。

2.直接浇口喷嘴的热补偿

图5-28a所示为直接浇口整体式喷嘴的安装图。其中D_O是浇口套的直径，C是喷嘴安装在定模的基准面。在喷嘴温度与模具温度之差为ΔT时，喷嘴壳体与浇口套在轴线方向热膨胀伸长。如果浇口套在定模的成型面内，注塑件表面将会留下凸起的浇口套的痕迹。相反，浇口套伸出成型面，注塑件上会留有浇口套的凹痕。如图5-28所示，室温下喷嘴的长度为

L_t=L_g-ΔL=L_g[1-α（T_z-T_m）] （5-6）

式中 L_t——考虑热补偿后室温下喷嘴的长度（mm）；

L_g——注射时喷嘴的长度（mm）；

α——喷嘴材料的线膨胀系数（10^-6℃^-1），钢材的热膨胀系数为（11～13）×10^-6℃^-1；

T_z——喷嘴的温度（℃）；

T_m——模具的温度（℃）。

其中，ΔT（℃）为喷嘴的温度与模具的温度之差，即ΔT=T_z-T_m。

图5-28b所示为直接浇口部分式喷嘴的安装图。圆锥直接浇口在定模板上。浇口

套在注射温度下会伸长至定模配合面。在室温下应预留热补偿ΔL。预留间隙ΔL不(www.xing528.com)

足，喷嘴热伸长会对定模产生很大的挤压热应力。反之，预留ΔL间隙过大，注射时

会生成塑料膜，甚至泄漏熔体。因此，有的采用隔热帽的双套结构（见图5-21），而

且估测ΔL更重要，也更困难。

图5-28 直接浇口喷嘴的轴线方向热补偿

a）整体式喷嘴 b）部分式喷嘴

一些品牌热流道公司为预测ΔL数据，做了大量实验研究工作。表5-9列出了这些公司对热流道喷嘴壳体热补偿预测的依据。喷嘴壳体大都用H13（美）调质预硬钢（或德DIN1.2344钢）制造，它的热膨胀系数α随温度高低有差异。

表5-9 热流道喷嘴壳体热补偿预测的依据

注：POM—聚甲醛，注射温度为165～175℃；TPU—热塑性聚氨酯弹性体，注射温度为190～240℃；PA—聚酰胺，注射温度为220～265℃；PET—聚对苯二甲酸乙二醇酯，注射温度为270～290℃；PEI—聚醚酰亚胺，注射温度为310～420℃。

将表5-9中数据代入式（5-6），便可计算出喷嘴热膨胀量ΔL。只有在流道直径D=4mm，喷嘴长度L=100～200mm，计算出的热膨胀量ΔL才符合实际。大多数计算值比实际需要补偿量要小。影响补偿量的因素还有：

1）喷嘴是薄壁筒体。钢厂测试线膨胀系数α时，试样是实心的。理论上，线膨胀系数是体积膨胀系数的1/3。

2）喷嘴轴线方向线膨胀系数α与安装约束条件有关，与喷嘴结构和型号有关，与喷嘴的长度有关。

3）喷嘴轴线方向线膨胀系数α与加热线器功率和安装有关，与模具温度和它的稳定性有关。喷嘴筒体温度的波动和分布不均匀影响热膨胀。

总之，喷嘴热膨胀量ΔL的确定需要大量的实验和经验数据。

3.直接浇口多喷嘴实例

以下通过两个热流道浇注系统实例，详述直接浇口多喷嘴的设计过程。

1）四塑料件的直接浇口喷嘴的热流道设计。ABS旋转拨盘（见图5-29）外径为68mm，高为22mm，壁厚为2mm，每件重21.9g，结构复杂。注塑件用冷流道的三个针点式浇口保证外观和制件质量，但有发达的浇注系统。用热流道板分流给两个喷嘴，能减少冷流道凝料，有利于压力传递。直接浇口分喷嘴传输塑料熔体到冷流道。直浇口料头和冷流道凝料一起脱模，并自动坠落。

图5-29 四注塑件的两喷嘴热流道系统

设计计算的第一步是计算各流道的输送体积流量Q和熔体体积流量q_i。每个注塑件按照固体密度1.04g/cm³换算成体积21.06cm³。无定形ABS塑料在220℃，按照0.95折算成22.2cm³熔体体积。注射每个塑件有冷流道体积3.45cm³。每个分喷嘴注射两个制件，输送熔体体积51.3cm³。输给四个制件和冷流道的总体积是102.6cm³。

查表5-3，根据注射体积量V与注射时间t的关系，注射102.6cm³体积塑料熔体，注射机螺杆推进时间为1.4s。主流道输送体积流量Q=72.9cm³/s，直接浇口分喷嘴的熔体体积流量q_i=36.4cm³/s。查表3-2，ABS熔料在流动剪切速率范围内n=0.35。查表5-8，得多喷嘴的通道直径D_f=11mm。查图5-23，中等黏度ABS熔体体积流量q_i=36.4cm³/s时直接浇口直径d_o=2.3mm。

图5-30所示是图5-29所示热流道系统的结构图。各旋转拨盘中心线间距为85mm。热流道板长×宽为270mm×60mm，厚为45mm。上下空气间隔分别为10和15mm，四侧壁的空气间隔为10mm。对此小型的流道板，主流道并不加热。企业设计为标准系列所约束，喷嘴的通道直径D_f=12mm，直接浇口直径d_o=2.5mm。

2）单型腔的直接浇口喷嘴的热流道设计。聚碳酸酯PC与矩形细框架（见图5-31）重53.16g，壁厚为0.75mm。矩形框长900mm，宽512mm，高5mm。高黏度PC熔体充模流程比为110，对于周边长2824mm细条，16个注射点是必须有的。用剪切切断的潜伏浇口，冷流道凝料的脱模比针点式浇口简便些。流道板的分流道的设计（见图5-31）必须进行流变平衡，保证八个喷嘴有相同的注射压力。

设计的第一步是计算各流道的体积流量Q和q_i。注塑件按照固体密度1.2g/cm³换算成体积44.3cm³。无定形PC塑料在280℃，按照0.95折算成46.6cm³熔体体积。注射塑件有冷流道体积113cm³。输送给制件和冷流道的总体积是159.6cm³。

查表5-3，根据注射体积量V与注射时间t的关系，注射159.6cm³体积塑料熔体，注射机螺杆推进时间为1.7s。主流道输送体积流量Q=93.9cm³/s，八个直浇口分喷嘴注射量均衡，其流量q_i=11.7cm³。查表3-2，PC熔料在流动剪切速率范围内n=0.83。查表5-8，得多喷嘴的通道直径D_f=6mm。查图5-23，高黏度PC熔体体积流量q_i=11.7cm³时直接浇口直径d_o=1.8mm。又查图5-26，得浇口直径d_o=1.4mm。但是，图5-32所示喷嘴的浇口是直浇口和导流棱浇口复合，理应比开放式浇口大些，取直径d_o=1.8mm为好。

图5-30 直接浇口两喷嘴热流道

图5-31 单型腔的直接浇口喷嘴的热流道浇注系统

图5-32 单型腔的直接浇口多喷嘴的热流道