壓塑工藝及模具設(shè)計(jì)
——下篇 塑料壓制成型第九講 壓注成型模具（四）

洪慎章

(上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

（接上期）

（3）澆口尺寸的確定

a.澆口斷面形狀 澆口斷面形狀也同分流道斷面形狀一樣可分圓形、半圓形及梯形三種形式。

①圓形澆口 它的加工比較困難，傳熱性能不良，澆口去除時(shí)也很不方便。因此，它只適用于流動(dòng)性能較差的纖維塑料(由于它能使纖維填料很好通過(guò)，故澆口直徑一般不小于Φ3 mm)，或用于澆口相當(dāng)于成形孔的連接部分，并與成形孔相連接的場(chǎng)合。

②半圓形澆口 它的傳熱性能比圓形好，流動(dòng)阻力大，澆口較厚但加工方便。

③梯形澆口 它的傳熱性能及增熱性能都強(qiáng)，加工也方便，是最常用的一種澆口形式。梯形澆口應(yīng)位于壓注模的上?；蛳履Ｉ?，最好位于要留塑件的那一半壓注模上。

b.澆口斷面的驗(yàn)算方法 澆口斷面可用經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算，但驗(yàn)算結(jié)果僅作參考，應(yīng)由試模后修正確定。

①流量驗(yàn)算法 壓注時(shí)澆口斷面應(yīng)保證所需注人型腔的塑料容量在10～30 s內(nèi)填滿型腔。因此，澆口尺寸與塑件大小、型腔溫度、單位壓力等有關(guān)，可通過(guò)在一定的成型條件下進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)作最后確定。澆口斷面可用下式驗(yàn)算：

式中：

A——澆口斷面積，cm2；

Q——系數(shù)，一般取0.003 56；

G——塑件質(zhì)量，g；

K——系數(shù)，對(duì)木粉填料取1，對(duì)纖維填料取1.5～2.5。

②體積驗(yàn)算法 塑件體積可按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：

A——澆口斷面積，cm2；

V——塑件體積（不計(jì)嵌件體積），cm3；

K——系數(shù)，對(duì)木粉、礦物填料取0.6，對(duì)纖維填料取1；

E——系數(shù)，當(dāng)嵌件多、塑件形狀復(fù)雜時(shí)，取1.2～1.5，一般情況取1；

K1——系數(shù)，對(duì)木粉填料取1，對(duì)纖維填料取1.5～2.5；

n——為供塑料的澆口數(shù)量。

③常見梯形斷面澆口的寬、厚比例可參見表67進(jìn)行驗(yàn)算。

表67 梯形截面澆口寬、厚比例

c.澆口尺寸 澆口的尺寸大小對(duì)塑料流速及流態(tài)均有直接影響。澆口尺寸過(guò)薄、過(guò)小將導(dǎo)致壓力損失增大，縮合硬化過(guò)早，填充成型性不良，但流速增高對(duì)填充薄壁塑件有利。如果澆口尺寸過(guò)厚、過(guò)大則使流速降低，易產(chǎn)生熔接不良，表面質(zhì)量不佳，去除澆口困難。若適當(dāng)增加澆口厚度尺寸則有利于保壓補(bǔ)料，排除氣體，降低塑件表面粗糙度及熔接質(zhì)量?？傊?，澆口尺寸應(yīng)按塑料性能、塑件形狀、尺寸、壁厚和澆口形式以及流程等因素，以及憑經(jīng)驗(yàn)確定。梯形澆口一般取0.5～0.7 mm深，寬度不大于8 mm，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一般稍取小值，經(jīng)試模后修正到適當(dāng)尺寸。

常用澆口尺寸有以下六種形式：

①直接澆口 圖277所示為常用直接澆口的形式簡(jiǎn)圖。圖277(a)、(b)、(d)所示為正錐形式，一般用于垂直分型面，H值不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)使壓力損失劇增。圖277(d)所示澆口適用于成型增強(qiáng)塑料；圖277(c)所示為倒錐形直接澆口，在多型腔壓注模中使用時(shí)，其直徑應(yīng)小一些，A處應(yīng)尖銳，以便于去除余料。澆口與塑件表面間應(yīng)有過(guò)渡部分，防止去除澆口時(shí)破壞塑件表面。

圖277 直接澆口尺寸

②側(cè)澆口 圖278所示為常用的側(cè)澆口形式簡(jiǎn)圖。這種澆口最好布置在沿塑件圓周的切線方向進(jìn)料。若澆口L過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使熔料流動(dòng)阻力增大，從而壓力損失大。因此，常取L=1～2 mm，并應(yīng)有倒角反圓弧連接，以防止擠料時(shí)產(chǎn)生反壓力，消耗功能，不利于熔料流動(dòng)及填充。同時(shí)還應(yīng)防止去除澆口時(shí)損壞塑件。澆口形式一般常用梯形截面。

圖278 側(cè)澆口尺寸

尺寸a一般為塑件壁厚的1/3～2/3，小型塑件常取0.3～0.8 mm，大型塑件取0.8～1.5 mm，對(duì)增強(qiáng)塑料小型塑件取0.6～2 mm，大型塑件取2 mm以上。對(duì)流動(dòng)性差、外形較大的厚壁塑件常取大數(shù)，數(shù)值大則澆口封閉時(shí)間晚，保壓補(bǔ)縮作用大，成型性好，對(duì)厚壁、形狀復(fù)雜及流動(dòng)性差的塑件有利，但內(nèi)應(yīng)力增大。

尺寸b與塑料填充量快、慢有影響，一般為(5～15)α，對(duì)木粉填料常取3～6 mm，對(duì)纖維填料取4～10 mm。澆口太寬則去除及修正不便。

角度α大小應(yīng)根據(jù)塑件長(zhǎng)度而定，塑件長(zhǎng)取大值，短則取小值，但一般不宜小于30°～45°。

③分流錐澆口 圖279所示為常用的分流錐澆口簡(jiǎn)圖。圖279(a)(b)所示為倒錐形直接澆口，圖279(c)所示為正錐形直接澆口，常用于大端孔徑較大時(shí)，以便于去除澆口。圖279(a)中A處應(yīng)保持銳角，以便于去除余料。

圖279 分流錐澆口尺寸

④環(huán)形澆口 圖280所示為常用的環(huán)形澆口簡(jiǎn)圖，適用于成型帶孔的制件或環(huán)狀管狀制件。塑料先進(jìn)入環(huán)形空間，再沿圓周同步地進(jìn)入型腔，使型芯或嵌件受力均勻，因而避免了由側(cè)向進(jìn)料時(shí)所造成的單向壓力而引起的型芯或嵌件彎曲；同時(shí)還基本上消除了嵌件對(duì)面的熔接痕。對(duì)于管狀制件來(lái)說(shuō)，還能取得均勻的平行流動(dòng)，避免翹曲和降低內(nèi)應(yīng)力。澆口截面形狀有采用梯形或圓形、半圓形的，澆口不宜過(guò)深，對(duì)一般木粉填料塑料的厚度可取0.5～1.0 mm[見圖280(d)]。圖280(b)、(c)為環(huán)形澆口的另兩種形式。環(huán)形澆口使用時(shí)，其去除澆口凝料都是比較困難的，往往不得不采用機(jī)械加工切除。

圖280 環(huán)形澆口

⑤扇形澆口 圖281所示為常用的扇形澆口簡(jiǎn)圖，適用于扁平且寬度較大的制件。例如，重量為1.35 kg的大型制件用扇形澆口，與制件緊接處為寬度54～90 mm、深6.4 mm，該制件材料是玻纖增強(qiáng)的鄰苯二甲酸二烯丙酯塑料。扇形澆口是一種典型的寬澆口，可減少制件翹曲變形。

圖281 扇形澆口

⑥輪輻式澆口 圖282所示為常用的輪輻式澆口筒圖，適用于圓筒形或帶孔的塑件。它與環(huán)形澆口相比，澆注系統(tǒng)的廢料可以用手工去除，比較方便。缺點(diǎn)是在制件上增加了熔接痛，使性能降低，同時(shí)流動(dòng)阻力也較大。

圖282 輪輻式澆口

9.5 溢料槽及排氣槽

9.5.1 溢料槽

塑件成型時(shí)，為了防止產(chǎn)生熔接縫或使多余塑料溢出，以避免嵌件及壓注模配合孔中滲入更多的塑料，則有時(shí)需在產(chǎn)生接縫處其他適當(dāng)位置開設(shè)溢料槽，使小部分塑料流出。溢料槽尺寸應(yīng)適當(dāng)，過(guò)大則溢料過(guò)多，使塑件組織疏松或缺料；過(guò)小則溢料不足，最適宜的應(yīng)為塑料經(jīng)保壓一段時(shí)間后才開始將料溢出，一般溢料槽寬可取3～4 mm，深為0.1～0.2 mm，制作時(shí)宜先取薄，經(jīng)試模后再修正。

9.5.2 排氣槽

熱固性塑料壓注成型時(shí)由于縮聚作用，會(huì)產(chǎn)生大量的低分子物如水蒸氣等，同時(shí)型腔內(nèi)原有氣體也需要排除模外，因此，壓注模的排氣比熱塑性塑料注塑模要求高，排氣量也大得多。

排氣孔或排氣間隙的大小與位置，應(yīng)根據(jù)塑件的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且還與型芯和嵌件的位置有關(guān)。各種塑件的排氣問題應(yīng)根據(jù)其成型過(guò)程進(jìn)行具體分析，要達(dá)到排氣暢通無(wú)阻，為此設(shè)計(jì)出一些極小間隙或孔，這些氣孔通道有少量的材料流出。

當(dāng)制件很小排氣量不大時(shí)，可利用分型面或模具的其他配合面排氣。如果排氣不良，則在型腔最后充滿處將出現(xiàn)缺料、燒焦等弊病，因此排氣槽最好開設(shè)在該處。當(dāng)排氣槽尺寸較大時(shí)，還可溢出一部分過(guò)量的塑料，這部分塑料處于料流前鋒，流動(dòng)性較差，將其排除有利于提高制件質(zhì)量。如溢料發(fā)生在熔接縫處，則有利于提高熔接強(qiáng)度。

對(duì)于中小型塑件，分型面上排氣槽尺寸深為0.04～ 0.15 mm，寬為3.2～6.4 mm。排氣槽的位置及深度必須根據(jù)試模才能確定，一般作法是從小尺寸開始，根據(jù)需要擴(kuò)大。排氣槽的斷面形狀一般取矩形或梯形，其斷面積也可按以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

A——排氣槽斷面積，mm2，其推薦尺寸見表68；

表68 矩形、梯形排氣槽斷面的推薦尺寸

V——塑件體積，cm；

N——模腔內(nèi)排氣槽數(shù)量。

排氣槽位置的選擇可遵循以下原則：

（1）排氣槽應(yīng)盡量開設(shè)在分型面上，這樣可避免因排氣槽的溢料影響制件脫模。

（2）排氣槽應(yīng)設(shè)置在氣體的最終聚集處，如熔體流動(dòng)的末端、較遠(yuǎn)轉(zhuǎn)角處。

（3）排氣槽應(yīng)設(shè)置在嵌件附近或塑件壁厚最薄處，因?yàn)樵撎幰仔纬扇劢涌p，可利用排氣槽溢出前鋒冷料，以提高熔接縫強(qiáng)度。

（4）可利用模具上的活動(dòng)型芯或推桿與模板之間隙排氣。

最后必須指出，壓注模采用排氣槽排氣時(shí)，每次成型后需清除排氣槽中的廢料，以保持排氣暢通。

9.6 加熱與冷卻裝置

對(duì)于一般熱固性塑料的壓注模，均需要設(shè)置有壓注模加熱裝置。而對(duì)于熱塑性塑料的壓注模，則除少部分流動(dòng)性較差的塑料，如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等，也需要設(shè)置有壓注模加熱裝置外，其余大部分熱塑性塑料壓注模，只要模具溫度不高于80 ℃時(shí)，可利用熔融塑料傳給模具的余熱即足夠了，不需要再設(shè)置加熱裝置。對(duì)一些體積較大的熱塑性壓注模，需要加裝冷卻裝置，使溫度太高的壓注模具可以降低一些溫度。也有一些壓注模要同時(shí)加裝加熱裝置和冷卻裝置，以便交替使用，使壓注模溫度控制在一定的范圍內(nèi)。對(duì)于加熱能量的來(lái)源，則在有蒸汽管道的地方，可以盡量利用成本較低的蒸汽加熱。對(duì)一般工廠來(lái)說(shuō)，有的因條件限制，可使用電熱器和冷水循環(huán)冷卻。由于前在壓注模中采用這種加熱和冷卻方法的工廠比較普遍，所以下面就分別介紹這兩類裝置。

9.6.1 加熱裝置

（1）電熱元件 壓注模常用的電熱元件如圖283所示。圖283(a)所示為電熱棒，通常配置于公用電熱板內(nèi)，多用于熱固性塑料壓注模的加熱。圖283(b)所示為盒形電熱元件，可配置于公用電熱板內(nèi)，也可配置在大型的熱固性壓注模上。圖283(c)所示為片形電加熱元件，一般用于功率較小的大型熱固性壓注模的輔助加熱裝置。為了縮短壓注模的加熱時(shí)間，有時(shí)亦可用于熱塑性塑料壓注模。

圖283 電熱元件

（2）電熱板 公用電熱板吉構(gòu)如圖284所示。圖284(a)所示為用于熱固性塑料壓注模的上?；蛳履５碾姛岚?，中間圓孔備作推桿通過(guò)之用和用來(lái)安裝電熱棒。圖284(b)所示為采用盒形電加熱元件的公用電熱板結(jié)構(gòu)。

圖284 電熱板

（3）電熱環(huán) 圖285所示為電熱環(huán)結(jié)構(gòu)。圖285 (a)、(b)所示為圓形電熱環(huán)，是安裝在壓注模周圍的加熱元件，多用于圓形熱塑料壓注模。圖285(c)所示為電熱環(huán)安裝在圓形熱塑性塑料壓注模外形周圍的示意圖。圖285(d)所示為矩形電熱環(huán)，是安裝在壓注模周圍的加熱元件，多用于矩形熱塑性壓注模。圖285(e)所示為組合式瓷塊電熱元件，可按不同壓注模外形組合成所需形狀的電熱器。

圖285 電熱環(huán)

9.6.2 冷卻裝置

（1）型芯冷卻裝置 壓注模型芯冷卻裝置結(jié)構(gòu)如圖286所示。圖286(a)所示為小型芯冷卻方法，導(dǎo)流隔片1鑲于型芯2孔中，其作用是改變冷卻水流動(dòng)方向，使型芯內(nèi)表面得到均勻冷卻。圖286(b)所示為較小型芯的冷卻方法，導(dǎo)流柱塞6的中心孔中焊有隔離片，使冷卻水按照指定路線流過(guò)型芯內(nèi)表面，使型芯得到均勻冷卻。圖286(c)所示為較大型芯的冷卻方法，導(dǎo)流柱塞6的內(nèi)外設(shè)有冷卻水道，并和進(jìn)、出水管相接通，可及時(shí)帶走熱量，能控制型芯的溫度。圖286(d)所示為大型芯的冷卻方法，在導(dǎo)流柱塞6的頂面及周圍開設(shè)有環(huán)形冷卻水道，在相鄰兩環(huán)之間交叉開設(shè)缺口通道，以使型芯得到均勻冷卻。

（2）型腔冷卻裝置 壓注模型腔冷卻裝置結(jié)構(gòu)如圖287所示。圖287(a)所示為圓形型腔周圍開設(shè)有縱橫冷卻水孔的型腔冷卻方法。圖287(b)所示為矩形型腔的冷卻方法，型腔2的周圍開設(shè)有環(huán)形冷卻水槽。圖287(c)所示為設(shè)有環(huán)形冷卻水槽型腔的冷卻方法。圖286(a)中l(wèi)、m、n、k處的冷卻管道出口處用堵塞將水孔堵死，使冷卻水沿著設(shè)定的路線進(jìn)出，以保證型腔各部分得到均勻冷卻。

圖286 型芯冷卻裝置

圖287 型腔冷卻裝置

9.6.3 電加熱裝置的應(yīng)用

電熱元件在壓注模的加熱中得到廣泛使用，其主要原因是它與目前還使用的在鉆孔通道中通人蒸汽的老式加熱方法相比，具有保養(yǎng)方便和清潔等優(yōu)點(diǎn)。這種圓棒形的電熱元件，只要插入壓注模上鉆出的孔中，就能使壓注模成型表面維持均勻的溫度。這種電熱元件也稱為盒式加熱器。

用電熱元件加熱的壓注模溫度，可以用手工操作的三段加熱開關(guān)進(jìn)行調(diào)整，也可以用自動(dòng)調(diào)溫?zé)犭娕歼M(jìn)行控制。圖288(a)所示為盒式加熱器插入被加熱金屬塊中的方法。這種方法可以根據(jù)加熱器的條件和大小而相應(yīng)地變化。圖288(b)所示為帶自動(dòng)控溫的盒式加熱器的應(yīng)用情況。圖288(c)所示為二相盒式加熱器與三相熱繼電器的連接方法。在使用自動(dòng)控制溫度時(shí)，壓注模的上模和下模的加熱部位都各自鉆出安裝盒式加熱器相應(yīng)的安裝孔，孔直接與加熱器按間隙配合制造，以便將盒式加熱器插入孔中適當(dāng)?shù)奈恢?。同時(shí)要盡可能將安裝加熱器的孔作成通孔，以便在需要時(shí)將加熱器推出。在安裝加熱器的孔底端，應(yīng)預(yù)先放入圓板，以便從孔中推出盒式加熱器時(shí)作用力分布均勻。

插入孔中的高靈敏度熱敏元件與恒溫控制器連接在一起。傳感器(熱敏元件)就是插人直徑為Φ6.4 mm鉆孔中的細(xì)長(zhǎng)管，該孔與盒式加熱器的軸線成直角。雖然傳感器插入它專用的孔中，但仍要用其他特殊的管塞堵住孔口，把傳感器固定住，并使熱量不散失掉。當(dāng)達(dá)到要求的壓注模最高溫度時(shí)，自動(dòng)地切斷電路，當(dāng)下降到最低溫度時(shí)，靠繼電器又自動(dòng)地接通電路。若采用手動(dòng)控溫時(shí)，則使用三相繼電器，如圖288(c)所示。

圖288 盒式加熱器

壓注模的上模和下模溫度，由于散熱條件不同，所以必須分別控制。如果上下模一起控制，那么上下模的溫度就會(huì)不一致。假如壓注模的型芯溫度比型腔溫度高，則塑料在型芯表面更加容易流動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生塑料沿著型芯向型腔外溢出的傾向。

柔性電熱器是壓注模中另一種常用的電熱器。這種電熱器可根據(jù)工件形狀的需要進(jìn)行彎曲。為了防止塑料壓注機(jī)的?？滋幑袒捎眠@種電熱器圍繞在壓注模周圍。如圖289所示，這種電熱器可以裝入或者用金屬鑄入槽中。圖289(a)、(b)所示是將直的柔性電熱器裝人機(jī)械加工出的槽中，用以加熱金屬平板。圖289(c)所示是將柔性電熱器放入未經(jīng)機(jī)械加工的鑄造槽中，即采用將電熱器用金屬鑄入的方式。為確保均一的溫度，這種電熱器也可和自動(dòng)控溫裝置連接起來(lái)使用。

圖289 柔性電熱器