手机外壳注塑模具设计之浇注系统的形式和浇口的设计

优胜设计史勇老师

浇注系统是指凝料熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道。浇注系统分为普通流道的浇注系统和热流道的浇注系统两大类。浇注系统的设计是注射模具设计的一个很重要的环节，它对获得优良性能和理想外观的塑料制件以及最佳的成型效率有直接的影响。

该模具采用普通流道浇注系统，普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。

一、浇注系统的尺寸是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响效大，而且还在与塑件所用塑料的利用率、成型效率等相关。

对浇注系统进行整体设计时，一般应遵循如下基本原则：

① 了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动性。

② 采用尺量短的流程，以减少热量与压力损失。

③ 浇注系统的设计应有利于良好的排气。

④ 防止型芯变形和嵌件位移。

⑤ 便于修整浇口以保证塑件外观质量。

⑥ 浇注系统应结合型腔布局同时考虑。

⑦ 流动距离比和流动面积比的校核。

二、主流道的设计

主流道的形状和尺寸最先影响着塑料熔体的流动速度及填充时间，必须使熔体的温度降低和压力降最小，且不损害其把塑料熔体输送到最“远”位置的能力。

在卧式注射机上使用的模具中，主流道垂直于分型面，为使凝料能从其中顺利拔出，需设计成圆锥形，锥角为2°——6°。

1、主流道的尺寸

（1） 主流道小端直径

主流道小端直径 d = 注射机喷嘴直径 + 2 ～ 3

= 3 + 2 ～ 3 取 d = 5（mm）。

（2） 主流道的球半径

主流道的球半径 SR = 10 + 1 ～ 2 取 SR = 12（mm）。

（3） 球面配合高度

球面配合高度为 3 ～ 5 取 3（mm）。

（4） 主流道长度

主流道长度L，应尽量小于60mm，，上标准模架及该模具结构，取

L = 32（mm）

（5） 主流道锥度

主流道锥角一般应在2°——6°，取α = 4°，所以流道锥度为α/2=2°。

（6） 主流道大端直径

主流道大端直径 D = d+2Ltg（α/２）（α=4°）

≈ 6.3（mm）

（7） 主流道大端倒圆角

倒角 D/8 ≈ 0.6（mm）

根据以上数据和注射机的有关参数，设计出主流道如下图：

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2、主流道衬套的形式

主流道部分在成型过程中，其小端入口处与注射机喷嘴及一定温度、压力的塑料熔要冷热交换地反复接触，属易损件，对材料要求较高，因而模具的主流道部分常设计成可拆卸更换的衬套式（俗称浇口套），以便有效地选用优质钢材单独进行加工和热处理。一般采用碳素工具钢如T8A、T10A等，热处理要求淬火53 ～ 57 HRC。主流道衬套应设置在模具对称中心位置上，并尽可能保证与相联接的注射机喷嘴同一轴心线。

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主流道衬套的形式有两种：一是主流道衬套与定位圈设计成整体式，一般用于小型模具；二是主流道衬套与定位圈设计成两个零件，然后配合在固定在模板上。

该模具尺寸较小，主流道衬套可以选用整体式。

设计出主流道衬套的尺寸如下图：


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主流道衬套的固定形式如下图：

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三、冷料井的设计

在完成一次注射循环的间隔，考虑到注射机喷嘴和主流道入口这一段熔体因辐射散热而低于所要求的塑料熔体的温度，从喷嘴端部到注射机料筒以内约10～25mm的深度有个温度逐渐升高的区域，这时才达到正常的塑料熔体温度。位于这一区域内的塑料的流动性能及成型性能不佳，如果这里相对较低的冷料进入型腔，便会产生次品。为克服这一现象的影响，用一个井穴将主流道延长以接收冷料，防止冷料进入浇注系统的流道和型腔，把这一用来容纳注射间隔所产生的冷料的井穴称为冷料井（冷料穴）。

1、 主流道冷料井的设计

主流道冷料井设计成带有摧杆的冷料井，底部由一根摧杆组成，摧杆装于摧杆固定板上，与摧杆脱模机构连用。冷料井的孔设计成倒锥形，便于将主流道凝料拉出。当其被摧出时，塑件和流料凝道能自动坠落，易于实现自动化操作。

主流道冷料井的设计如下图所示：

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2、分流道冷料井的设计

当分流道较长时，可将分流道的端部沿料流前进方向延长作为分流道冷料井，以储存前锋冷料，其长度为分流道直径的1.5～2倍。

四、分流道的设计

该模具为一模两腔的结构，应设置分流道。分流道的设计应能满足良好的压力传递和保持理想的填充状态，使塑料熔体尽快地流经分流道充满型腔，并且流动过程中压力损失及热量损失尽可能小，能将塑料熔体均衡地分配到各个型腔。

1、 分流道的截面面形状

常用分流道的截面面形状有圆形、梯形、U字形和六角形等。要减少流道内的压力损失，则希望流道的截面积大，流道的表面积小，以减少传热损失，因此可用流道的截面积与周长的比值来表示流道的效率。圆形截面效率最高（即比表面最小），由于正方形流道凝料脱模困难，实际使用侧面具有斜度为 5°～ 10°的梯形流道。浅矩形及半圆形截面流道，由于其效率低（比表面大），通常不采用，当分型面为平面时，可采用梯形或U字型截面的分流道。

从上述分析，为了减少流道的热量损失考虑到流道的效率，该模具分流道截面采用圆型截面。

2、 分流道的截面尺寸

分流道的截面尺寸应根据塑件的成形体积、塑件壁厚、塑件形状、所用塑料的工艺性能、注射速率以及分流道的长度等因素来确定。

（1）对于壁厚小于3mm,质量在200g以下的塑件，可用下述公式确定分流道的直径：

D = 0.2654W

L

其中 D——流道直径（mm）；

W——塑件的质量（g）；

L——分流道的长度（mm）。

此式计算的分流道直径限于3.2 ～ 9.5 mm。

根据前面的计算数据，有

D = 0.265 × 4.139

× 55

≈ 1.5 （mm）

故不在适应范围。

（2）根据分流道截面形状与流动理论长度的关系和《塑料成形工艺与模具设计》表5-3，再考虑到ABS的成型工艺性能，可确定分流道直径为6mm.

因此，分流道截面形状如下图所示：

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3、分流道的长度

分流道的长度应尽量短，且少弯折。

分流道长度为

L = (50 + 15) × 2 = 110 （mm）

4、分流道的表面粗糙度

由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有中心部位的塑料熔体的流动状态较为理想，因此分流道的内表面粗糙度Ra并不要求很低，一般取0.63～1.6μm，这样表面稍不光滑，有助于增大塑料熔体的外层流动阻力。避免熔流表面滑移，使中心层具有较高的剪切速率。

5、分流道的布置形式

分流道的布置取决于型腔的布局，两者相互影响，该模具为一模两腔，采用平衡式布置。

平衡式布置要求从主流道至各个型腔的分流道，其长度、形状、断面尺寸等都必须对应相等，达到各个型腔的热平衡和塑料平衡。因此各个型腔的浇口尺寸也可以相同，达到各个型腔均衡地进料。

该模具分流道为圆形截面，在定模座板和定模板上都开有分流道。其形式如下图：

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6、分流道向浇口过渡部分的结构见下图：

圆形分流道与矩形浇口的连接形式

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五、浇口的设计

浇口是连接分流道与型腔之间的一段细流道，它是浇注系统的关键部分。浇口的形状、数量、尺寸和位置对塑件质量影响很大。

浇口的主要作用是：

① 型腔充满后，熔体在浇口处首先凝结，防止其倒流；

② 易于切除浇口凝料；

③ 对于多型腔的模具，用以平衡进料；

浇口的面积通常为分流道面积的 0.03 ～ 0.09。浇口的截面有矩形和圆形两种。浇口长度约为 0.5 ～ 2 mm左右。浇口的尺寸一般根据经验公式确定，取其下限值，然后在试模时逐步修正。

1、 浇口的形式及特点

综合点浇口呼侧浇口两种浇口形式的优缺点，采用剪切浇口。因为塑件侧壁距离横浇道较远，因直接在侧壁进料是很难实现的，因此又增设了工艺输助浇口，从而使浇注系统进一步完善。这种浇口形式主要有以下优点：一是塑件表面无浇口痕迹，并且外表面无明显的熔接痕，所以外观质量较好。二是浇口的位置和数量可视塑件的质量而增加、减少或改变浇口的位置、模具修改也比较方便。三是在塑件顶出的同时，浇口剪断并脱落，可节省去毛刺工序，并有得于机床自动化。从塑料流程尽量一致的原则出发，采用了两个剪切浇口处都设有顶杆，用以切断剪切浇口，其工艺辅助浇口可手工去除。

2、 浇口尺寸的确定

浇口结构尺寸可由经验公式，并由《塑料模具技术手册》之《轻工模具手册之一》中图3-31 查得，浇口深度 h = 0.5 ～ 2.0

h = n t = 0.8 取 h = 1 （mm）

式中 h——浇口深度（mm）;

n——塑料系数，由塑料性质决定；

t——塑件壁厚（mm）.

浇口宽度 b = 1.5 ～ 5.0

取 b = 1.8 （mm）

式中 A——塑件型腔表面积。

浇口长度 l = 0.5 ～ 1.75

为了去除浇口方便，浇口长度 l 也可取 0.7～2.5。所以可取 l = 1.0 （mm）

注：其尺寸实际应用效果如何，应在试模中检验与改进。

3、 浇口位置的选择

浇口位置的选择对塑件质量的影响极大。选择浇口位置时应遵循如下原则：

① 避免塑件上产生缺陷；

② 浇口应开设在塑件截面最厚处；

③ 有利于塑料熔体的流动；

④ 的利于型腔的排气；

⑤ 考虑塑件受力情况；

⑥ 增加熔接痕牢度；

⑦ 流动定向方位对塑件性能的影响；

⑧ 浇口位置和数目对塑件变形的影响；

⑨ 校核流动比；

⑩ 防止型芯或嵌件挤压位移或变形。

此外，在选择浇口位置和形式时，还应考虑到浇口容易切除，痕迹不明显，不影响塑件外观质量，流动凝料少等因素。

六、浇注系统的平衡

对于中小型塑件的注射模具己广泛使用一模多腔的形式，设计应尽量保证所有的型腔同时得到均一的充填和成型。一般在塑件形状及模具结构允许的情况下，应将从主流道到各个型腔的分流道设计成长度相等、形状及截面尺寸相同（型腔布局为平衡式）的形式，否则就需要通过调节浇口尺寸使各浇口的流量及成型工艺条件达到一致，这就是浇注系统的平衡。

1、 分流道的平衡

在多腔模具中，熔体在主流道与各分流道，或各分流道之间的体积流量是不会相同的，但可以认为他们的流速是相等的，以此达到各型腔同时充满的目的。为此各流道之间应以不同的长度或截面尺寸来达到流量不等，经分析可推导，可用下式进行平衡计算：

式中 Q1，Q2——熔融树脂分别在流道1和流道2中的流量，cm3/s；

d1,d2——分流道1和分流道2的直径， cm;

L1，L2——分流道1和分流道2的长度，cm。

上式没有考虑分流道转弯局部阻力的影响，以及模具温度不均的影响。实际上尚须对这些因素作校正，才能达到充模时间相等的目的。

当分流道作平衡布置，且各型腔所需之填充量又相等时，则各流道的长度变化、长度尺寸等均应相同。

2、 浇口的平衡

在多型腔非平衡分流道布置时，由于主流道到各型腔的分流道长度或各型腔所需填充流量不同，也可采用调整各浇口截面尺寸的方法，使熔融体同时充满各型腔。

浇口平衡简称为BGV（balanced gate value）,只要做到各型腔BGV值相同，基本上能达到平衡填充。

对于多型腔相同制品的模具，其浇口平衡计算公式如下：

BGV=

式中 Sg——浇口的截面积，mm2;

Lg——浇口的长度，mm;

Lr——分流道的长度，mm。

浇注系统设计时一般浇口的截面积与分流道的截面积之比SG/SZ取0.07~0.09。

该模具，从主流道到各个型腔的分流道的长度相等，形状及截面尺寸都相同，显然是平衡式的。

七、浇注系统断面尺寸计算

对工业上使用较合理的30多副注射模具，根据所用注射机的技术规格，作了几种塑料熔体的充模计算，结果认为主流道和分流道的剪切速率γ=5

10²～5

10³s-1，浇口剪切速率γ=104~105 s-1，平衡系统的充模过程近似于等温流动。

γ=f（Q，Rn）的关系式可用如下的经验公式表达：

式中 γ——熔体在流道中的剪切速率（s-1）

Q——熔体在流道中的体积流率（cm3/s）

Rn——浇注系统断面当量半径（cm）

1.确定适当的剪切速率γ

浇注系统各段的γ值如下：

（1）主流道： γs=5

10³s-1

（2）分流道：γr=5

10²s-1

（3）点浇口： γQ=105 s-1

（4）其它浇口：γQ=5

10³～5

104 s-1

2、确定体积流率Q

浇注系统中各段的Q值是不同的。

（1） 主流道的Qs

根据模具成型塑件的体积和所用注射机的技术规格，由下式计算：

(cm3/s)

式中 Qs——主流道的体积流率 (cm3/s)；

——注射时间 （s）；

QP——模具成型塑件的体积，通常取 QP = （0.5～0.8）Qn；

Qn——注射机的分称注射量。

由《塑料模具技术手册》之《轻工模具手册之一》中表3-10 ，可根据注射机的公称注射量查得注射时间

=1.0s。

所以

=24.3064/1≈24.3 (s)

（2） 分流道的QR和浇口处的QG

对于多点进料的单腔模，或各型腔相同的多腔模，若分流道采用平衡式布置，则各分流道及浇口中的体积流率为：

QR = QG = Qs /m (cm3/s)

式中 QR，QG——分流道或浇口中的体积流率 (cm3/s)；

m——分流道的数目。

所以

QR = QG =24.3/2=12.15 (cm3/s)

由上述经验公式可算出

（1） 主流道

（mm）

（2） 分流道

（mm）

（3） 浇口

（mm）

以上浇注系统断面的确定也可以根据γ—Q—Rn关系曲线图直接查得。