圆锥头阀针和环隙流道的设计及应用

阀针的强度关系到圆锥头的锥角和轴向锁紧力，决定了针阀式喷嘴的圆锥头针阀闭合功能。阀针与流道构成了塑料熔体圆环截面的输送通道。熔料在注射压力下的流量和流程压力损失估算是阀针与流道直径设计的依据。

1.圆锥头阀针

设计针阀式喷嘴的阀针直径需在了解圆锥头阀针的锥角和轴向定位装置的基础上。

（1）圆锥头的锥角 利用图6-33a对圆锥头进行静力分析，可分析锥角2α大小。锁紧力F作用在阀针的圆锥头上，有

如果活塞直径D=50mm，由表6-2可知，气压力p=1.0MPa，可得轴向锁紧力F=1964N。如果活塞直径D=50mm，由表6-2可知，油压力p′=8.0MPa，可得轴向锁紧力F′=15700N。由此推导得圆锥头的压力S与α、F有如下关系：

可得

图6-33 圆锥头的锥角

a）圆锥头的静力分析 b）圆锥头的锥面压力S与轴向锁紧力F的关系

由前述气缸锁紧力F=1964N，若锥角2α=40°，得浇口孔承受压力S=2871N。由液压缸锁紧力F=15700N，若锥角2α=40°，得浇口孔承受压力S=23000N。锥孔的斜面使压力S≈1.5F。因此斜角应为α=20°～30°，即锥角2α=40°～60°。从图6-33b可以看出，压力S与锁紧力F之比为1～1.5较为合适。

（2）圆锥头阀针的闭合 圆锥头阀针因其闭合密封有效，比圆柱头阀针应用广泛，但其阀针闭合轴向位置需要精细的调节。

表6-2 驱动热流道喷嘴阀针的气压和液压

①如图6-34a所示，活塞在气压或油压下锁紧力F完全作用在圆锥浇口上，圆锥头紧密贴合无间隙，即Δ=0。此时，活塞与液压缸盖存在间隙，即s>0。

锁紧力F在圆锥浇口孔壁上作用很大的压力p_g。如果活塞直径D=50mm，液压缸锁紧力F=15700N，锥角2α=40°，得浇口孔承受压力S=23000N。见图6-35，作用在高H的圆锥台侧面积A为

压力S在作用侧孔壁面A上，压紧力p_g=S/A，有

浇口承受压紧力p_g很大。塑料注射周期一般为1～2min，阀针启闭频繁，浇口承受高频的周期性冲击。浇口通常加工在注射模的定模板上。常用的调质钢P20（美）的浇口，在冲击下会疲劳开裂，在压紧力p_g的作用下，摩擦磨损严重。另外，细长的阀针在锁紧力F的作用下有可能不稳定，甚至弯曲折断。

图6-34 圆锥头阀针的锁闭浇口的状态

a）支撑面间隙s>0，浇口间隙，Δ=0 b）支撑面上s=0，Δ>0 c）双重配合s=0，Δ=0

②如图6-34b所示，锁紧力F完全作用在液压缸盖上或限位件A上，活塞与缸盖间间隙s=0。圆锥头与浇口锥孔有单向心力间隙Δ>0。浇口没有闭合，熔料有泄漏，在注射卸压的时候熔料会有倒流。制件上浇口痕迹凸起粗糙。圆锥浇口部位脱模困难。

③如图6-34c所示，锁紧力F作用在液压缸盖上或限位件A上，活塞与缸盖间间隙s=0。圆锥头与浇口锥孔间间隙Δ=0。圆锥洞口处于静不定状态，双重配合作用面不可能有精确的相等压力。在限位件、阀针和浇口存在局部的弹性变形。圆锥头针阀式喷嘴调试经验证明，浇口区的载荷越小越好，浇口材料要有足够的韧性和强度。双重配合能实现稳定的浇口启闭，留下的痕迹是下凹浅平的。

要实现双重配合，阀针的轴向位置需可调节并锁紧。图6-36所示的阀针吊挂圆柱头上有外螺纹及内六角扳手孔，阀针沿轴线方向可以调节，能够在注射成型的条件下使浇口受到的载荷最小。完成闭合后需再用内六角螺母锁定。有的热流道公司开发了新型的圆锥头针阀式喷嘴，在注射模外可以用机械传动机构调节阀针的轴向位置。

在图6-37所示气缸的活塞里，用螺母给盘簧堆施加一定的预紧力，盘簧压在阀针的轴线上。在活塞带动阀针推挤高压熔体时，盘簧和阀针是刚度一体的。当阀针的圆锥头冲压到浇口孔上时，盘簧堆被压缩，浇口圆锥孔的压紧力p_g减小。这时，活塞压着液压缸盖或限位件，实现双重配合。要想有效减小阀针对圆锥孔的冲击，盘簧堆有恰当的预紧力和刚度是关键。盘簧的疲劳强度决定了针阀式喷嘴的寿命。

图6-35 圆锥头与浇口的受压侧面

图6-36 阀针轴向位置螺纹调节（Incoe设计）

图6-37 盘簧阀针的弹性变形调节双重配合（Mold Master设计）

（3）阀针直径设计计算 在轴向锁紧力F的作用下阀针的细长压杆受力状态如图6-38所示。锁紧力F依照压杆稳定的欧拉（Euler）公式

式中 E——阀针材料的弹性模量（MPa），高速工具钢在室温下E=2.2×10⁵MPa，在300℃的热喷嘴里E=2.0×10⁵MPa；

J——轴惯性矩（mm），圆轴的；

μ——支承系数，一端固定一端自由的细长杆的μ=0.707；

l——阀针长度（mm）。

注意阀针材料的弹性模量E应该用300℃下的实测值。欧拉公式的压杆直径的计算式为

当气压p=1.0MPa时，针阀式分喷嘴气缸活塞直径D=30mm、40mm、50mm和65mm；当气压p=1.0MPa时，针阀式单喷嘴气缸活塞直径D=75mm、85mm和95mm。当油压p=8.0MPa时，针阀式分喷嘴液压缸活塞直径D=35mm和45mm。由式（6-3a）得轴向锁紧力F（见表6-3），再由式（6-4）求出阀针的长度为100mm、150mm和200mm时的最小直径d。阀针长度l是从导套到浇口的距离，不是阀针总长。

图6-38 阀针的细长压杆受力状态

表6-3 针阀式喷嘴的高速工具钢阀针的最小直径d （单位：mm）

现在的高速工具钢阀针和导套由专门企业制造，工艺精良。阀针的设计由热流道公司来完成。以下三点需考量：(www.xing528.com)

①阀针标准系列的直径不宜间隔过大，以2.5mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm为宜。过粗的阀针势必增大喷嘴的外径。如果减小流通圆环间隙，会增大流程的压力损失。

②直径的确定与阀针的长度关系密切，要精打细算。

③采用6～8mm的大直径的阀针时，高速工具钢的圆锥头有较大的热容量。圆锥头冷却慢，容易黏附熔体，使浇口痕迹大而粗糙。

2.针阀式喷嘴的流道设计计算

由式（3-30），圆环隙中的轴向压力流动时非牛顿流体的体积流率计算式为

式中 q——针阀式喷嘴流道输出体积流率（mm³/s）；

Δp——喷嘴环隙流道的压力损失（Pa）；

R_o——圆环隙流道孔的半径（mm）；

A——环隙的轴孔半径比A=R_i/R_o，其中R_i为圆环隙流道轴芯的半径（mm）；

L——圆环隙流道孔的长度（mm）；

K——塑料熔体的黏度（Pa·s）；

n——塑料熔体的流动指数。

F（n，A）——仅与n和A有关的流率函数，从表6-4中可查到针阀式喷嘴圆环隙流道q-Δp计算中的流率函数F（n，A）。

表6-4 函数F（n，A）与n和A关系

与式（6-5a）相对应，可以得到环隙通道的压力损失计算式：

现将两种PC和ABS塑料熔体在两个规格针阀式喷嘴的压力损失计算结果列于表6-5和表6-6。这两种物料的流变性能如下：

①PC塑料品种Apec1805：Bayer Material Science。343.3℃的PC熔体有熔体流动速率MFR：10g/10min，在剪切速率时，K=K′=1947Pa·s，n=0.737≈0.74。

②ABS塑料品种ABSMP220N：LGChemical。221.7℃的PC熔体有熔体流动速率MFR：20g/10min，在剪切速率时，K=K′=19714Pa·s，n=0.288≈0.29。

表6-5 PC塑料熔体q=80cm³/s在长度L=10cm、阀针半径R_i=0.2cm时针阀式喷嘴的压力损失Δp

表6-5和表6-6的计算结果对于针阀式喷嘴设计原则有以下三方面启示：

①针阀式喷嘴环隙流道的压力损失Δp与圆环隙流道的长度L成正比。表值为L=0.1m时的压力损失。如果L=0.2m，则压力损失Δp是表值的2倍。热流道浇注系统的总流程压力降限制在Δp≤350×10⁵Pa。因此，针阀式分喷嘴的压力损失Δp应以控制在100～150×10⁵Pa之下为宜。

表6-6 ABS塑料熔体q=80cm³/s在长度L=10cm、阀针半径R_i=0.2cm时针阀式喷嘴的压力损失Δp

②针阀式喷嘴的压力损失Δp对塑料熔体的流变性能、稠度K和流动指数n的依赖性很强。对比表6-5与表6-6，相同的针阀式喷嘴和体积流率，高黏度PC和中等黏度ABS的压力损失相差很大。

③喷嘴环隙的轴孔半径比范围A=0.44～0.31。对于低黏度的塑料熔体，单向环隙厚度以δ=2.5～3.5mm为宜；对于中等黏度的塑料熔体，单向环隙厚度以δ=3.0～4.0mm为宜；对于高黏度的塑料熔体，单向环隙厚度以δ=3.5～4.5mm为好。低黏度的热塑性塑料熔体流动速率MFR>36g/10min，中等黏度的塑料熔体流动速率为36g/10min≥MFR≥12g/10min，高黏度的塑料熔体流动速率MFR<12g/10min。

3.针阀式喷嘴压力损失计算实例

图6-39所示为用热流道两针阀式喷嘴的浇注系统注射抗冲聚苯乙烯HIPS四件薄板，每个针阀式喷嘴注射两件，每件104g。又如图6-40所示，两喷嘴的阀针直径5mm，流道直径12mm。但是一个喷嘴长310mm，另一喷嘴长187mm，两者相差超过100mm，以致型腔注射有1s的时间差，制件的密度有差异；收缩率不同，尺寸误差偏大；电子时间程序控制的喷嘴少，延时时间短，使用价值不大。客户要求不用时间程序器，实现两喷嘴平衡浇注，也就是两喷嘴注射点有相等的注射压力。以下演绎修改喷嘴的设计计算过程。

图6-39 一模四件用长短两针阀式喷嘴注射

1）流变参量确定。查表3-2，MFR=15g/10min的HIPS熔体，在240℃、剪切速率时，K=K′=6322Pa·s，n=0.39。

一次注射的制件总重416g，以熔体密度0.98g/cm³计，注射熔料430cm³。查表5-3，注射充填时间t=2.36s，得总注塑速率Q=182cm³/s，每个针阀式喷嘴的体积流量q_V=91cm³/s。

2）计算长短两针阀式喷嘴的流程的压力降。环隙的轴孔半径比A=R_i/R_o=0.25/0.6=0.417。

图6-40 长短两针阀式喷嘴的压力平衡

由A=0.417，n=0.39，查表6-4，插值计算得流率函数F（n，A）=0.74。

由式（6-5b），长L=31cm喷嘴的压力降为

即有235×10⁵Pa的压力损失。将上式喷嘴长置换为L=21cm，可得到短喷嘴有159×10⁵Pa的压力损失。两者有63×10⁵Pa的压力降。

3）减小短喷嘴流道直径，直到短喷嘴压力损失与长喷嘴大致相等。最终计算参数如下：流道半径R_o=0.53cm，环隙的轴孔半径比A=R_i/R_o=0.25/0.53=0.472，即单向环隙厚度δ=2.8mm。由A=0.472，n=0.39，查表6-5，插值计算得流率函数F（n，A）=0.76。

由式（6-5b），长L=21cm喷嘴的压力降为

即有246×10⁵Pa的压力损失，与长喷嘴压力降相差14×10⁵Pa。流道半径R_o=0.53cm被认可。

倘若长喷嘴压力损失Δp>250×10⁵Pa，应该放大长喷嘴流道直径，使其压力损失接近短喷嘴的Δp。