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热流道技术的应用
【内容摘要】：
热流道技术应用越来越广泛，技术含量高，具有提高产品质量与精度、节省原料、提高生产率等优势。
本文介绍了热流道技术的发展现状与趋势，对热流道知识进行总结，分析了应用热流道结构设计时注意事项，介绍了热流道温度场模拟与分析的意义
【关键词】：
热流道热流道板浇口温度场
第一章绪论
1．1热流道技术的发展现状与趋势
热流道技术在注塑模中的应用越来越广，热流道模具已被成功地用于加工各种塑料材料，可以用冷流道模具加工的塑料材料几乎都可以用热流道模具加工。
其零件最小的在0.1克以下，最大的在30公斤以上。
热流道模具在电子、汽车、医疗、日用品、玩具、包装、建筑、办公设备等领域都有着到广泛的应用。
注塑生产已经相当的依赖于热流道技术。
可以这样说，基本上出口的模具目前都是使用热流道技术，这也造成了很多模具厂家对于热流道技术的意识上的转变。
所以说热流道技术在注塑模的应用将迅速普及，发展也越来越迅速，其技术含量也越来越高，但也面临着新的挑战，热流道的使用与维护需要更加方便，其发展可归结为以下几个方面：
（1）降低成本，要求完全实现自动化的同时增加其可靠性与实用性。
（2）满足塑料加工新方法与新材料的要求，如装饰模塑与多组分模塑，新塑料品种的加工等。
（3）喷嘴的微型化。
成型极小零件是精密注射成型的趋势，对于小型腔，要求喷嘴之间的距离不断缩短。
（4）热流道新材料的使用。
要求开发出具有好的热传导及高温下机械强度高的材料，以及能满足有磨损性、腐蚀性塑料成型要求的材料。
另外，使用钛合金和反射铝箔实现绝热，使耗电量和热损失最小化。
（5）热流道元件的标准化。
标准化元件的互换性与热流道的普及大大增强，这对缩短模具设计与制造周期，降低产品开发成本将起积极的推动作用。
第二章、热流道基础知识概述
2.1热流道原理及其组成
热流道技术是一种无浇注系统凝料的注塑成型技术。
其原理是对模具的浇注系统进行加热，在流道中保持熔融状态的塑料熔体，避免成型周期中产生浇注系统凝料。
热流道浇注系统可理解为注射成型机械的延伸。
热流道系统的功能是绝热地将热塑性熔体送到成型模具附近或直接送入模具。
热流道能够独立地加热，而在注塑模具中热绝缘，这样能够单独补偿因为与“冷”模具接触而造成的热量损耗。
一个成功的热流道模具应用项目需要多个环节予以保障。
其中最重要的有两个技术因素：
一是塑料温度的控制；二是塑料流动的控制。
一个典型的热流道系统由如下几部分组成：
1.热流道板:
图1：
热流道板Manifold来源：
Ewikon
热流道板是整个热流道的系统的核心元件，其主要任务是恒温地将熔体从主流道送入各个单独喷嘴，在熔体传送过程中，熔体的压力降尽可能减小，并不允许材料降解。
常用热流道板的形式有：
一字型，H型，Y型，X字型；结构上有外加热热流道板和内加热热流道板两大类。
热流道系统一般按照热流导板的加热方式分为两大类。
（1）、隔热式
隔热流道模有由模板组成的过大的流道。
对流道不加热，但流道的尺寸要足够大，采用在工作条件下由凝结在流道壁的塑料提供的隔热效果，与每一射出的热力相结合，来维持熔体在流道内的畅通。
这种系统在两类之中早一些、简单一些，优点是设计不那么复杂，制造成本低。
缺点是有时在浇口会形成凝结；为了维持熔融状态，需要很快的工作周期；为了达到稳定的熔融温度，需要很长的准备时间。
另一个主要问题是很难取得注塑的一致性，或者说无法保证。
还有是因为系统内无加热，因此需要较高的注塑压力，这样经常会造成腔板的变形或弯曲。
（2）、加热式
图2：
热流道板结构图（EwikonHPSⅢT热流道板）来源：
Ewikon
加热流道系统也有两种设计：
内加热流道和外加热流道：
·内加热流道：
内加热流道的特点是采用内部加热的环形流道。
加热由流道内的探针和加热梭（也叫作分配器管）提供。
这一系统利用熔融塑料的隔热效果来减少热的传递和在模内其他地方的损失。
尽管有分配器管内的环形加热器，在加热梭与流道壁之间还是会有材料的凝结出现。
材料必须在隔热壁与加热梭之间不停的流动，这与年流量效果加在一起，会造成系统内的压力下降，因此平衡的重要性非常关键。
考虑到这一问题，内加热系统最适宜加工范围大的材料和到各浇口等距的平衡流道。
这一系统不适宜于热敏感塑料的使用。
内加热相对于隔热系统提供改进的热分配，但系统的成本更高、设计更复杂。
这种系统需要很仔细的平衡和复杂的热控制。
·外加热系统：
热流道的另一种设计是外加热系统。
这种设计由具有内部流道的环形加热集流管组成。
集流管的设计具有与模具其他部位隔离的多种隔热构造。
这一系统的优点是更好的温度控制，但成本也比较高、设备复杂。
最新的技术开发使减小了集流管的尺寸，使安装更容易。
外加热系也可以按直径进行平衡，而不是按长度进行平衡。
2喷嘴；
热喷嘴一般分三种：
·开放式热喷嘴
·外加热式
·针阀式热喷嘴：
针阀式喷嘴技术上较先进，主要优点有：
（1）在制品上不留下进浇口残痕，进浇口处痕迹平滑；
（2）能使用较大直径的浇口，可使型腔填充加快，并进一步降低注射压力，减小产品变形。
（3）可防止开模时出现牵丝现象及流涎现象；
（4）当注塑机螺杆后退时，可有效地防止从模腔中反吸物料；
（5）能配合顺序控制以减少制品熔接痕。
由于热喷嘴形式直接决定热流道系统选用和模具的设计制造，因而常相应的将热流道系统分为开放式热流道系统和针阀式热流道系统。
3温度控制器；
热流道温控器就是对热流道系统的各个位置进行温度控制的仪器，由底端向高端分别有通断位式，积分微分比例控制式和新型智能化温控器等种类，根据需要用户可以同其它模内组件配合使用。
4辅助零件。
常见加热元件有：
·加热棒：
常用于内热式喷嘴及热流道板，寿命长，机械强度高，可及时更换
·板状加热器（加热圈）：
常用在内热式喷嘴尾部加热；热流道板进料主流道加热；直径较大的外热式喷嘴加热。
螺旋式加热器主要用于外热式喷嘴加热。
·新型集中供热式热管：
加热装置在模具外侧，根据热管原理，降热量传递到流道各个部位，等温性能好，传热效率高，可实现一点控温。
·厚膜加热器：
根据夹心原则设计，包含了一层类似玻璃的绝缘层，一个可调节的平板电阻加热器。
提高了温度均匀性，加强了热交换，减少空间和加长使用寿命。
2.2热流道系统的种类与应用
在应用热流道技术时，浇口型式的正确选择至关重要。
浇口型式直接决定热流道系统元件的选用及模具的制造与使用。
因而根据浇口型式的不同可将热流道系统分成热尖式热流道系统、浇套式热流道系统、阀式热流道系统等三大类型，每种类型的热流道系统都有其重要的应用特点与适用范围。
在选用浇口与热流道系统种类时需要考虑很多因素，其中最重要的是塑料基体种类与添加剂、零件的重量与尺寸壁厚、零件的质量要求、工具寿命及零件产量要求等。
1.热尖式热流道系统（HOTTIP）
其工作原理就是通过位于喷嘴前端的镶件HOTTIP与冷却系统相结合，以对浇口处的塑料成型加工温度进行精确的调整和控制。
因而喷嘴镶件HOTTIP的制造材料与形状设计非常重要。
热尖式（HOTTIP）热流道系统可以用于加工绝大多数结晶型和非结晶型塑料如PP、PE、PS、LCP、PA、PET、PBT、PEEK、POM、PEI、PMMA、ABSPVC、PC、PSU、TPU等。
一般来说，热尖式浇口多用于中小尺寸零件的加工，尤其适用于微小零件的加工。
浇口截面直径大多在0.5mm-2.0mm之间。
浇口截面直径的确定主要由零件重量与壁厚决定，当然也要考虑材料与零件质量要求。
若使用截面直径较小的浇口，注射充模阶段结束后浇口封闭快、零件上浇口痕迹小、零件表面美观质量好。
如果浇口直径过小，将导致塑料流经浇口时剪切速率过高，会严重损坏塑料熔体分子链结构或塑料中的添加材料，致使制品质量不合格无法满足使用要求。
在对浇口尺寸的选择上一惯做法是根据零件浇口处壁厚来初步确定浇口大小：
浇口直径=（0.75-1.0）零件浇口处壁厚。
加工易流塑料取较小值，加工难流动的塑料或对剪切敏感的塑料则取较大值。
通常热尖式浇口直接开在零件上，亦可将其开在冷浇道上再将冷浇口开在零件上。
这就是热流道与冷流道相结合的一种模具系统。
在应用热尖式浇口制作塑料零件时，总会或多或少在零件上留下浇口痕迹。
很多时侯浇口痕迹会高出零件表面，影响到零件的美观或影响到与其它零件的装配。
所以在选择浇口位置时，应尽量将浇口放在零件上的凹进隐蔽处。
2.浇套式热流道系统（SPRUEGATING）
在浇套式热流道系统里，塑料经过畅通的流道（OPENPIPE）进入模腔。
浇口处塑料流动压力损失小。
浇套式热流道系统比较适合于中等尺寸重量以上零件的注塑加工成型。
使用浇套式热流道系统的优点是塑料在流经浇口充模时所经历的剪切速率低，零件成型后残余应力小，变形程度少，零件机械强度比较好。
与热尖式浇口相比，浇套式浇口尺寸要大一些，所以浇口痕迹也可能会比较大。
因此，一般情况下对于浇口美观程度要求较严格的模具常采用塑料注塑成型法；而对浇口美观程度要求不高的内部结构件则可由浇套式热流道系统制造。
人们也常常将浇套式浇口与冷浇道结合使用，即把浇套式喷嘴作为主浇道，将浇套式浇口开在冷浇道上。
在这种应用中，浇套式浇口可开的大一些以利于塑料流动，因为无人在意冷浇道上的浇口痕迹大小。
与应用热尖式热流道系统类似，浇口处塑料温度与模具温度的控制极为重要。
需要围绕浇口设置独立的冷却回路。
因为浇套式浇口尺寸比较大，如果浇口处温度控制的不好，就更容易出现浇口在开模后密封不住塑料流淌的问题。
浇套式热流道系统的喷嘴镶件也有多种尺寸形状及制造材料的变化，要结合欲加工的塑料种类（如结晶型塑料还是非结晶型塑料）与浇口冷却情况等来综合考虑。
3.阀式热流道系统（VALVEGATING）
阀式（VALVEGATING）热流道系统是通过采用阀针（VALVEPIN）在阀针控制装置的作用下，在预定的时刻以机械运动的方式来打开或关闭浇口。
这种类型的热流道系统拥有很多热尖式和浇套式流道系统所不具备的优点。
如可人为控制浇口开关时间、浇口光滑平整、可扩大热流道技术应用技术领域等。
阀式热流道应用较多，近年来国际上各主要汽车公司均采用阀式热流道，结合模具内多色共注工艺来生产整体车灯灯罩。
因为灯罩是透明产品，浇口必需光滑平整以满足美观要求。
这只有使用阀式浇口热流道才能实现。
另外一些汽车零件在成型后需要喷涂着色。
如果在这些零件上有注塑成型溶合线，那么着色后零件的色泽就会不一样且无法满足质量要求。
为避免此类问题的产生，许多汽车零件供应商采用一种基于阀式热流道的顺序开关浇口的生产工艺，来彻底消除零件上溶合线问题。
在医疗领域里，人们对医疗用塑料零件浇口质量要求极为严格，不可以有尖利凸起等。
在这种情况下，也只有依靠阀式浇口流道系统来提高产品浇口质量。
因阀式浇口是通过阀针机械动作关闭的，不受浇口处塑料冷却时间的限制，所以阀式浇口流道系统有时可以大大缩短塑件生产成型周期。
浇口尺寸亦可以开得大一些，这对加工和剪切敏感的塑料很有好处。
阀式浇口方法可以加工几克重的小零件，亦可加工几公斤重的大零件。
各种工程塑料都可以用阀式浇口加工生产零件。
若在一套模具里有大小不同的多个型腔，采用阀式流道系统则可通过对各浇口开关时间的控制，从而实现对各型腔的流动进行分别调整与控制。
这对形状尺寸相差悬殊的一模多腔模具具有极其重要的意义。
对于高生产率的，具有多层分模面的（STACKMOLD）模具，也只有通过采用阀式热流道系统来实现。
阀针的机械动作装置可以采用液压油或压缩气体控制。
使用液压油方法阀针开关动作有力准确，但有可能在生产过程中弄脏塑料制件。
因此在生产医疗用塑料制品时，必须采用压缩气体控制方法生产，以保证制品清洁。
阀针控制装置的使用会增加模具定模与整体模具的高度。
在进行模具设计和注塑机选择时应加以考虑。
在安装阀针控制装置的模板上亦需设置冷却水道。
与热尖式和浇套式热流道系统应用要求一样，如果对阀式浇口处温度控制的不好，也会造成严重的生产困难。
如果浇口处温度过高，塑料在开模时有粘在阀针上的危险。
相反地如果浇口处温度过低，浇口塑料过冷，造成阀针关闭困难等。
阀式浇口热流道模具在价格上比热尖式和浇套式热流道模具贵一些。
如果阀式热流道系统及阀针控制装置本身设计制作不好，就会出现在阀针后形成流动死角，或在阀针与其它零件之间的滑动配合面上发生溢料现象等问题。
另外如果阀针制作不好,关闭操作控制不当，亦有损坏浇口的严重后果。
所以阀式热流道系统虽然有许多其它两种类型的热流道系统不具备的优点，但也增加了模具的复杂性。
2.3热流道系统的优势
热流道技术作为一门先进的热塑性塑料注塑成型技术，与普通流道成型技术相比，拥有其突出的优势。
热流道技术的日渐推广应用，热流道模具在塑料模具中的比重将逐步提高，那么其技术发展的状况势必是被关注的焦点。
注塑模的核心组成之一是浇注系统，流道的布置与浇口的选择影响着成型的效率与产品的质量。
好的浇注系统可以提高制品质量、缩短成型周期并降低成本。
热流道系统的应用在很大程度上使这些要求得以满足，其突出的优点体现在以下五点：
（1）在成型周期中，避免了浇注系统凝料的产生，使材料的利用率提高，由于无需浇注系统凝料的脱出，易于实现生产的自动化。
（2）粗大的浇注系统无需冷却脱出，使模塑周期中的冷却与开模时间缩短，进而缩短整个成型周期，提高生产效率。
与普通冷流道成型技术相比，有的模塑成型周期可缩短30％以上。
（3）增加了塑件型腔的有效注射体积，减少了注塑成型所需的锁模力，可选用较小的注塑机和减少注塑机的费用。
（4）提高了塑件的质量与精度。
由于避免了使用回头料，塑件的质量得到了提高；同时，塑料熔体在流道中一直保持熔融状态，保压时间更长更有效，可减小制品的收缩，避免由于补料不足而产生的凹陷、缩孔等缺陷，提高了制品的质量和精度。
（5）浇口与流道的设计具有更大的柔性。
由于热流道系统中熔体的压力损失小，意味可使用的流道较长，且流道布置具有更大的灵活性，使得浇口位置的选择更加自由，易于实现充模平衡。
第三章热流道结构设计
在设计通用模具热流道时应考虑如下参数：
制品塑件、多种原材料的技术参数、制品塑件的重量、制品壁厚、型腔数量、预设浇口数目，位置、注塑机的类型（机械、液压，或厂商）、预设锁模力（单位：
吨）、预设注射压力（kg/cm3）、预设注射速度（cm3/sec）、预设注射周期（或调整）、温度（塑料熔体温度、注射喷嘴温度、模具型腔温度）、压力（塑化压力、注射压力、模腔压力）、对应的作用时间（注射时间、保压时间、冷却时间）等。
3.1选择热流道加热方式
对于内加热系统来说，加热器设置在流道的中心。
塑料熔体在适当尺寸的环形间隙流过，并且只有紧靠环形间隙的内环区域可作为流体的横断面，因为在环形间隙的外环区域，熔体因温度梯度（加工温度/模具温度）会发生凝固。
对外加热系统来说，流道由外部的加热器加热并保持其加工温度。
流道畅通无阻，对熔体的流动没有任何阻碍。
并且采用外加热系统，由于塑料在流道中剪切状态较好，制品中注塑应力程度也较低，因此制品可以保持较严格公差。
对于一些热敏感材料如聚碳酸酯，外加热系统可以消除热敏感引起的材料降解问题和流道中的熔流滞留点问题。
两种加热系统各有所长，由于外加热系统的优点日益明显，在设计热流道软件中多倾向于外加热式。
3.2选择热流道平衡方式
实际上热流道的目的就是向各个浇口输送相应的塑料熔体。
从流变学观点来看，热流道的平衡应该是尽可能自然平衡，即从注射喷嘴到成型制品间的流道应有同样的直径，并且长度也应相等。
通常对多模模腔采用机械式平衡分流板设计热流道，也就是从注塑机喷嘴到模腔前的每一个浇口都有相同长度的流道长度和流道直径。
无论多腔模具中的腔位布局是什么样，熔体的连续一致才是保证质量的关键所在。
设计平衡性很好的热流道有一定的困难，但多层次分流器与热流道的规格分析，有助于为多材料型模具确定出合理的熔体流道布局。
在部分热流道的设计过程中也有特殊制品需要非平衡流道设计，甚至还有制品需要设计按先后顺序逐一浇注的工艺步骤。
3.3热流道喷嘴注入方法选用
要求：
制件要求有很干净的、几乎看不见的浇注点、尽可能避免后续加工。
喷嘴一般用螺栓连接，以方便更换。
针阀式喷嘴仅会在产品表面留下与顶出杆相似的痕迹，是一种针对带有表面装饰性产品的有效方法。
另外它还可以降低产品的内应力、缩短加工周期并可适应多种原料的加工（包括含有磨损性较大的材料和热敏感材料）。
带有鱼雷芯的喷嘴有下述好处：
（1）温度易于控制，并且能使聚合物在喷嘴处自动撕断开。
（2）鱼雷芯头对于易产生拉丝的材料（如PA、PC）可以形成较好的撕断作用。
鱼雷芯头的缺点是它们造成材料的剪切作用。
对剪切敏感的材料，在鱼雷芯和流道的环形间隙，以及鱼雷芯的倒角处会因强烈的剪切作用而损坏。
如果零件由难加工的材料制成，鱼雷芯的倒角可导致产生印迹。
着色的聚合物，因已发生色料聚集，是特别难加工的。
不管材料是非结晶体、结晶体还是热塑性弹性体，所有的注入方式对某些材料都有一定的限制。
3.4热流道板的结构设计
热流道板的设计与被加工材料和加工工艺（特别是加工温度）密切相关。
热流道板在加工温度下的热膨胀是热流道系统设计的要点之一；而其内部熔流通道的加工（一般是采用珩磨方式），特别是通道转弯处的光滑程度对熔体层流状态的影响以及腐蚀性原料对分流器材料的要求等均应在考虑之列。
为了获得有助于流体流动的流道，熔体的回转处应尽可能缓和。
（1）热流道尺寸的选择
为了承受注塑压力、开设流道、安装加热系统，热流道板应该有足够的尺寸，而为了减小功率和热量损耗，热流道板的体积也不应过大。
热流道板的结构可根据制品结构形状设计，由其浇口个数决定；流道板形状多异，根据实际需求选用。
尽量减轻热流道板的质量，热流道板质量越小，加热系统功率越小。
还要保证流道内表面粗糙度在一定范围内。
每种材料的流动特征和性能不径相同。
对于热敏感材料采用较小的流道尺寸可以减小热流道内材料的容量，但是剪切敏感的材料要采用较大的流道尺寸来减小剪切作用。
而那些要求更换颜色的情况可采用较小的流道尺寸可以快速将旧的颜色冲刷。
不过流道尺寸太小会显著地增加整个系统的压降，从而可能会影响到模腔的填充。
热流道的设计可以使用模具熔流分析来确定最佳的流道尺寸，这个分析考虑材料的类型和加工参数。
这样对特定的应用就能够产生出一个优化的流道尺寸。
（2）热流道前后板选择
热流道系统还有一个功能就是传递其在注塑机模板和注塑模具之间所必须的锁模力。
因此热流道系统的前、后板必须具有足够的刚度，以支撑模具不形。
每一套系统的设计细节包括以下内容：
均衡的型腔填充性、平衡的物料流动、均衡的加热能力可快速换色且适用于工程塑料易更换的管式加热器多层及平衡流道的组合设计。
第四章热流道温度控制
4.1.喷嘴温度控制
热流道喷嘴的温度决定浇口的质量并直接影响制品的加工工艺。
每个喷嘴在稳定状态下的温度波动和喷嘴之间的温度差，是衡量热流道系统质量的标准之一。
利用热量控制浇口开闭状态的针点式喷嘴，其要求是喷嘴温度波动及偏差越小越好。
喷嘴和注塑件之间的接口——“温度场”的控制非常关键。
如果喷嘴温度过高会流涎；过低塑料会冷固结。
喷嘴尖处与浇口接触处需要有足够的热量来平衡因模具冷却带走的热量；而在喷嘴闭合时则要求模具浇口的温度低到可以使塑料固结。
在这冷热两种状态之间需要有隔热措施（绝热介质），同时喷嘴与浇口之间还需要机械定位（要有一定的接触面积）、针对熔体的密封（需要一定的作用力）和容许喷嘴组件整体的热膨胀能力。
还需要考虑浇口残痕、浇口位置、制品中的流线和熔合线的形成和加工材料的类型等因素。
4.2.流道板温度控制
热流道温度控制系统对注塑成功与否起着至关重要的作用。
温度控制也是判定热流道系统的优秀与否的重要条件，特别是要选择好安装温度传感器的地方。
根据已有的经验，它应当安装在预期温度最高处，决不可安置于出现热量损耗的地方，诸如加压环、密封环附近及热流道体的外侧区域。
在出现热量损耗的地方要对带状加热器作必要的调整，而这又可能导致聚合物的过热。
通常将温度传感器安装在正确的、“最热”的位置并可置换。
4.3.热流道内部温度场的数值模拟显示
在稳定和不稳定导热过程中，温度与时间和空间的关系可以分别以数学方式近似描述。
对不稳定导热过程来说，温度、时间和空间的关系可建立傅立叶导热微分方程。
根据热流道特点，并综合各种热流道单值性条件去进行数值求解。
这样将温度随空间和时间连续分布的问题转化为有限离散点域数值问题，并且利用这些离散点域分布来逼近或模拟真实温度分布场。
第五章结束语
由于采用热流道技术的模具可提高制品的生产率和质量，并能大幅度节省制品的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。
据统计，在注塑过程中使用热流道系统，可节约原料10%-20%，成本可降低约30%，而投资仅增加10%-30%。
在国外热流道技术的发展很快，有一半的塑料模具厂生产的模具已采用了热流道技术，有的生产商甚至已达80%以上，效果十分明显。
国内近几年来已开始推广应用，但总体还达不到10%，积极发展热流道技术是未来注塑模具发展的关键。
【参考文献】
1.热流道注射模冲模力计算，尹清珍等，《模具工业》2000，No7
2.针阀式喷嘴及其在热流道注射模中的应用，张卫忠，刘廷华，《模具工业》2002，No7
3.饮料瓶注射模具的热流道设计，苏娟华等，《塑料工业》，2000，11月
4.塑料橡胶挤出模头设计，【德】W.迈切里，李吉等译，中国轻工业出版社，2000年5月
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