预测热膨胀补偿的方法

塑料注射模的热流道结构零件在室温下装配。而流道板、喷嘴和承压圈等被装固在定模的框架里，在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12-71所示的尺寸L_t段的热膨胀（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12-71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12-71所示的尺寸L₀段的热膨胀。

图12-71 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L₀ A—间隙面 B—熔料泄漏面 C—喷嘴安装台肩

图12-72 整体式鱼雷顶针分喷嘴结构

1—喷嘴套壳 2—加热线圈 3—浇口套 4—鱼雷顶针 5—浇口 C—分喷嘴的定位基准 D—冷却水管

1.喷嘴的热补偿

热流道喷嘴的结构种类繁多，这里分析三种顶针式喷嘴的热补偿。整体式喷嘴带有浇口套时，一种是顶针与喷嘴壳体有相同材料；一种是它们有不同材料；另一种是部分式喷嘴，浇口设在定模板上。

（1）整体式喷嘴热膨胀的补偿 图12_-72所示为整体式喷嘴结构，其中d为浇口套直径，C为定位基准。整体式喷嘴本身设有开放式浇口，浇口区温度高于定模板的温度。浇口套热膨胀伸长后，如果浇口套缩在定模的成型面内，注塑件表面上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。

室温下喷嘴的长度为

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——喷嘴材料的热膨胀系数，钢材（11～13）×10^-6/℃，见表12-17；

T_m——模具的温度（℃）；

T_z——喷嘴的温度（℃）。

定模板在注射生产时也产生热膨胀，常用定模板温度T_m代入式（12-32）计算。由于定模板低温的冷却作用，喷嘴套壳温度T_z常略低于塑料熔体温度T_f。

表12-17 热流道系统中常见材料的线性热膨胀系数α （单位：×10^-6/℃）

[例2]对某注射聚丙烯PP的热流道模具喷嘴进行热补偿计算。取喷嘴温度T_z=240℃，定模板温度T_m=40℃。定位基准C以下喷嘴套壳和浇口套长L_g=200mm。中碳合金钢的热膨胀系数α=12×10^-6/℃。室温下的喷嘴长度为

图12-73 喷嘴与鱼雷顶针的热伸长

a）在室温或装配温度下 b）在工作温度下 1—鱼雷顶针 2—喷嘴套壳 C—定位基准

（2）顶针与喷嘴套壳不同材料时的热补偿量 图12-73上的整体喷嘴带有浇口套，且用导热性较好的铍铜合金顶针鱼雷棒。钢制的喷嘴套壳和顶针用不同材料制造，喷嘴套壳和顶针的材质不同，受热热膨胀量有差异。室温下装配时，顶针制造长度比浇口套长度要短，即L_tCu<L_gCu，如图12-73a所示。需要计算喷嘴套壳和顶针两者各自的热补偿量。室温下喷嘴设计的工作长度L_g，为喷嘴部分长L_gFe与顶针鱼雷棒长度L_gCu之和，即

钢喷嘴套壳与铜鱼雷棒两者工作时热膨胀位置应相同，有

式中 T_r——室温，20℃；

T_f——塑料熔体的注射温度，即顶针鱼雷的工作温度（℃）；

α_Cu——鱼雷棒材料的热膨胀系数（1/℃），见表12-17；

α_Fe——喷嘴套壳材料的热膨胀系数（1/℃），见表12-17；

L_tCu——鱼雷顶针考虑热补偿后室温下的长度（mm）；

L_gCu——喷嘴套壳考虑热补偿后室温下的长度（mm）。

[例3]已知条件同本节的例2，聚丙烯熔体温度T_f=280℃。参考图12-73b，喷嘴壳体工作时总长分成两部分，L_Cu=40mm和L_Fe=160mm。顶针所在的喷嘴套壳，在室温下的长度为

顶针鱼雷棒用铍铜制造，查表12-17，α_Cu=17×10^-6/℃。由式（12-34）求得补偿后的顶针制造长度

铍青铜鱼雷棒的补偿量较明显。如不补偿，鱼雷棒的尖端可能会与浇口孔产生干涉。没有顶针鱼雷棒的喷嘴套壳部分在室温下的长度为

按式（12-33），喷嘴壳体在室温下总长度应为

L_g=L_gFe+L_gCu=159.616+39.904=199.52mm

在室温下装配时，喷嘴套壳的总长度L_g=199.52mm，比工作温度下的设计长度200mm短0.48mm。若不考虑热补偿，就会在注塑件表面留下浇口套的压痕。此时铍铜顶针尖应从浇口套缩进L_gCu-L_tCu=0.074mm。在保证的加工温度下，浇口环隙畅通。

（3）顶针式喷嘴设在定模板上时顶针的热补偿 如图12-74所示的喷嘴有顶针，但浇口设在定模板上。顶针的温度达到熔体注射温度。如果顶针的热补偿不合适，会出现顶针尖与模板上浇口端面不一致。影响浇口流通环隙的大小，改变顶针式浇口处的压力损失。也影响到顶针式浇口的热闭合状态。

图12-74 浇口设在定模板上的分喷嘴结构

1—喷嘴套壳 2—加热线圈 3—顶针鱼雷棒 4—顶针螺套 5—定模板 6—冷却水孔 ΔL_Cu—顶针的热补偿量 ΔL_Fe—喷嘴套壳的热补偿量 C—喷嘴的定位基准面

分别求出喷嘴套壳和顶针的材料不同时的伸长量，有

ΔL=ΔL_Cu+ΔL_Fe （12-35）

顶针长度L_Cu通常比喷嘴套壳长度L_Fe短，以减小流动阻力。计算顶针热膨胀量时，温度用熔体温度T_f代入。喷嘴套壳用钢制造，顶针用铍铜制造，分别求出ΔL_Fe和ΔL_Cu的热补偿量

[例4]已知条件同本节例2和例3。参考图12-73b和图12-74，在注射工作时，顶针鱼雷棒长L_Cu=40mm，喷嘴无顶针部分长L_Fe=160mm。(www.xing528.com)

顶针热补偿量

喷嘴套壳热补偿量

总热补偿量

在图12-74所示喷嘴的浇口处，在室温下装配时，顶针尖应从浇口表面上缩进ΔL距离。否则，在加热温度下，会影响浇口流通环隙，严重时顶针尖将堵死浇口。

在图12-74所示的顶针螺套4与定模板5之间应留有间隙ΔL_Fe。从C面距该间隙长L=190mm，经计算

间隙ΔL_Fe≥0.456mm。若间隙ΔL_F过小，喷嘴套壳1热伸长时，会产生很大应力。热应力会使喷嘴套壳弯曲变形，浇口腔中塑料熔料反喷泄漏，甚至会导致加热器受挤压损坏。另外，图12-74上的顶针螺套4，与定模板5上的圆柱配合面是防止熔体泄漏的密封面，轴向长度应有3～5mm。

2.热流道板的横向热补偿

（1）流道板受热后横向伸长的热补偿计算 如图12-75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_g，有

式中 L_p——室温下流道板上流道出口位置的尺寸（mm）；

L_i——室温下喷嘴注射点位置的尺寸（mm）；

L_g——工作温度下流道板上流道出口位置的尺寸（mm）。

图12-75 流道板的横向热伸长

a）在室温或装置温度下 b）在工作温度下 1—喷嘴 2—流道板

[例5]对某注射40%玻璃纤维增强PPS的热流道模具进行热补偿计算，见图12-75。设计图样上L_i=271.82mm。流道板用4Cr13，其α_Fe=11.5×10^-6/℃。定模板用P20（美），其α_Fe=12.8×10^-6/℃。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。

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，由式（12-38）和式（12-39）。得到

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=271.82mm。而在室温下加工流道板，流道板上注射出口轴线距模具中央距离L_p=271.28mm。在高温下注射成型时这两条轴线重合，L_q=272.31mm。

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。如果是开关式喷嘴，关系到阀芯柱销和浇口在工作温度下的直线对准。

（2）流道板喷嘴轴线方向的热补偿计算 在图12-76和图12-77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，造成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L₁±0.01mm，流道板厚度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。

图12-76 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—注射点轴线方向应留间隙 C—分喷嘴定位基准面

流道板系统在喷嘴轴线方向的零部件有喷嘴、流道板和承压圈，见图12-76。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，钛合金的压缩强度为1000MPa，热导率为7W/（m·℃）；陶瓷烧结材料的压强为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。

图12-77 热流道系统喷嘴轴线方向的热伸长

a）Δ=0时 b）Δ>0时 1—喷嘴 2—流道板 3—承压圈

若承压圈过厚（图12-77a），与固定板之间间隙过小，或在装配时已有过盈压缩量，在注射时的热膨胀状态下，在喷嘴与流道板的轴线上，会产生弯曲变形。两者的接触面上，熔料易泄漏。若承压圈太薄。（图12-77b），与定模固定板之间间隙过大，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

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）。

ΔT=T_g-T_m

流道板系统零部件热膨胀产生的热应力为

σ=ΔL₀E/L₀ （12-41）

将式（12-40）代入式（12-41），有

σ=αEΔT （12-42）

E是系统零件的弹性模量，对于钢材取2.1×10⁵ MPa。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。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热膨胀系数不同，需要将这些零部件串联起来，用有限元的数值分析方法计算。支承圈与固定板之间预留间隙的精确计算是比较困难的。

[例6]注射PC物料的热流道模具，对喷嘴轴线方向热补偿进行计算。T_z=300℃，T_m=90℃；喷嘴座高L₁=35mm，流道板厚L₂=55mm，承压圈厚L₃=10mm，L₁、L₂、L₃如图12-76和图12-77所示。

[解]

1）流道板系统零部件轴向热膨胀后，作用在模具固定板上的热应力，由式（12-42）有

σ=αE（T_z-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

3）喷嘴轴线方向总长L₀及热膨胀伸长量ΔL₀

L₀=L₁+L₂+L₃=35mm+55mm+10mm=100mm

ΔL₀=αL₀ ΔT=12×10^-6×100×（300-90）mm=0.25mm

为使[σ]_p小于热应力σ，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，会损伤定模固定板的接触表面。所以Δ应小于ΔZ，要保证一定的弹性压力。对于多喷嘴热流道系统，应保证各注射点的间隙量一致。