第7章：浇口设计
7.1 浇口设计概述
浇口是聚合物熔体进入型腔的小开口。特定应用的浇口设计包括类型、尺寸和位置选择，受零件和模具设计、零件规格，例如外观、公差和同心度、成型材料及填料、模具板类型和经济因素，例如制模成本、循环时间和允许废料量影响。浇口设计对零件质量和生产率极为重要。
通常单浇口最好，但可为降低充填压力或获得所需充填模式增加浇口。浇口截面通常小于流道和塑件截面，使塑件可轻易去浇口且不留下明显痕迹。浇口厚度名义上约为塑件厚度的三分之二，但最终尺寸应根据浇口剪切速率和零件用途确定。浇口材料低于冻结温度时保压结束，因此浇口厚度控制保压时间。较大浇口减少黏性摩擦热，允许较低流速和更长时间的较高保压。追求外观、低残余应力和更好尺寸稳定性时应选较大浇口。浇口位置需要综合设计原则和工装、零件使用限制，Moldflow 可比较多个位置以确定限制条件内的最佳方案。
图 7.1：浇口尺寸术语
7.2 浇口类型
浇口按去浇口方式分为手工修剪和自动修剪两类。
7.2.1 手工修剪浇口
手工修剪浇口需要操作员在后续工序中将塑件与流道分开。适用原因包括浇口太大，开模时不能从塑件剪断，PVC 等剪切敏感材料不应承受自动修剪浇口固有的高剪切速率，以及为了获得特定纤维或分子取向而要求在宽前沿上同时分配流动。直浇口、搭接浇口、侧浇口、叠式浇口、扇形浇口、盘形或隔膜浇口、环形浇口、辐条浇口和薄膜浇口均需手工修剪。
7.2.1.1 直浇口
直浇口常用于单型腔模具，主流道以最小压降快速直接向型腔供料。缺点是修剪流道后塑件表面留下浇口痕。冻结由塑件厚度而非浇口厚度控制，浇口附近塑件收缩通常小，主流道浇口本身收缩大，导致浇口附近较高拉应力。起始主流道直径由机嘴控制，主流道孔径必须比机嘴出口大约 1.0 mm。标准浇口套锥度为 1° 至 3° 包角，主流道长度决定与塑件相接处的直径。较小锥角，最小 1°，可能使主流道顶出时不脱离浇口套。较大锥度浪费材料并延长冷却时间，非标准锥度成本更高而收益很小。
图 7.2：直浇口
7.2.1.2 搭接浇口
搭接浇口常用于平薄零件，降低型腔剪切应力。浇口附近的高剪切应力限制在辅助搭片内，成型后将其修除。它广泛用于 PC、丙烯酸、SAN 和 ABS。最小搭片宽度为 6.4 mm，最小厚度为型腔深度的 75%。
图 7.3：搭接浇口
7.2.1.3 侧浇口
侧浇口位于模具分型面，通常从塑件侧面、上方或下方充填。典型厚度为塑件厚度的 6% 至 75%，或 0.4 至 6.4 mm，宽度为 1.6 至 12.7 mm。浇口陆地长度不应大于 1.0 mm，最佳为 0.5 mm。
图 7.4：侧浇口
7.2.1.4 叠式浇口
叠式浇口类似侧浇口，但浇口叠加在壁或表面上，通常用于消除喷射。典型厚度为 0.4 至 6.4 mm，宽度为 1.6 至 12.7 mm。
图 7.5：叠式浇口
7.2.1.5 扇形浇口
扇形浇口是宽度很大、厚度变化的侧浇口。它能通过大入口面积快速充填大零件或脆弱模具区域，并在宽件中建立均匀前沿，适合翘曲和尺寸稳定性是主要关注点的场合。浇口宽度和厚度都应渐变，使浇口末端前沿均匀，从而使末端熔体速度恒定、整个宽度均参与流动且全宽压力相同。陆地是进入塑件前的窄而通常等截面部分，主体是实现平衡的部分。因浇口很宽，陆地可远薄于塑件且剪切速率仍低。约 1.0 mm 厚的陆地常见，扇形浇口通常宽 25 mm 以上，超大件可超过 750 mm，常与塑件一样宽。
图 7.6：扇形浇口
7.2.1.6 盘形或隔膜浇口
隔膜浇口常用于内径开口的圆柱或圆形零件，适用于同心度重要且不能接受熔接线的场合。它本质上是环绕零件内缘的薄膜浇口。隔膜由同心主流道或短流道供料，易保持浇口各处均匀流动。典型浇口厚度为 0.25 至 1.27 mm。
图 7.7：盘形浇口
7.2.1.7 环形浇口
环形浇口也用于圆柱或圆形件，但并非总是推荐。材料先绕型芯自由流动，再如均匀管状挤出物向下流动以充满模具。典型厚度为 0.25 至 1.6 mm。
图 7.8：环形浇口
7.2.1.8 辐条浇口
辐条浇口又称四点浇口或十字浇口，用于管状零件，去浇口容易且节省材料。缺点是会形成熔接线且难以得到完美圆度。典型厚度为 0.8 至 4.8 mm，宽度为 1.6 至 6.4 mm。
图 7.9：辐条浇口
7.2.1.9 薄膜浇口
薄膜浇口类似环形浇口，但用于直边。它由直流道和跨型腔全长、全宽或部分区域的浇口陆地组成，适用于丙烯酸件及必须尽量减小翘曲的大面积平面件。它是扇形浇口的较差形式，通常没有平直前沿，浇口处流动不均。浇口约厚 0.25 至 0.63 mm，陆地长度也应小，约为 0.63 mm。
图 7.10：薄膜浇口
7.2.2 自动修剪浇口
自动修剪浇口在模具中设置特征，开模顶出塑件时折断或剪断浇口。它可避免二次去浇口，维持每模一致的循环时间并减小浇口痕。针点浇口、潜伏浇口、热流道或热探针浇口及阀浇口可从型腔自动去除。
7.2.2.1 针点浇口
针点浇口依赖三板模。流道系统位于一个分型面，型腔在主分型面。反锥度流道沿开模方向穿过中间第三板。打开型腔分型面时，小直径针点浇口从塑件撕断，随后流道分型面打开以顶出流道。也可先打开流道分型面，由上半部辅助顶出系统将流道从反锥度落料中抽出并从塑件撕断。典型直径为 0.25 至 1.6 mm，这类浇口剪切速率总会高于材料建议值。它适合为实现对称充填而每件设置多浇口，或缩短长流动路径以保证各区保压。
图 7.11：针点浇口
7.2.2.2 潜伏浇口
潜伏浇口用于两板模。从流道末端加工一条倾斜渐缩隧道通向分型面下方的型腔，顶出塑件和流道时浇口在塑件处剪断。若在塑件非功能区增加大直径柱，潜伏浇口可构建在柱中，避免需要垂直浇口表面，隐藏表面的柱也无需去除。圆柱件内壁的多个潜伏浇口可替代隔膜浇口并实现自动去浇口，圆度不如隔膜浇口但常可接受。典型直径为 0.25 至 2.0 mm，并向流道球形一侧渐缩。
图 7.12：潜伏浇口
7.2.2.3 热流道浇口
热流道浇口通过加热流道和电加热主流道直接将热料送入型腔，也称无流道成型。实际浇口几何形状随制造商和样式大幅变化。保压周期由浇口附近塑件冻结控制，型腔打开时浇口处极热材料从塑件撕断。
图 7.13：热流道
7.2.2.4 阀浇口
阀浇口在热流道浇口上增加阀针。可在浇口附近材料冻结前关闭浇口，因此可用更大直径并抹平浇口痕。保压周期由阀针控制，因而保压控制更好，质量更一致。
图 7.14：阀浇口
7.3 设计规则
浇口设计规则主要基于第 4 章的单向受控流动、流动平衡、熔接线和汇合线定位、避免犹豫、避免欠流，以及用流动引导条和偏转条平衡流动等概念。以下规则进一步讨论浇口数量、流动模式和浇口位置。
7.3.1 确定浇口数量
浇口数量主要由压力需求决定。只考虑塑件、不含流道时，最大充填压力不应高于机器能力约一半。还可能需要增加浇口以实现平衡充填。将零件分为由每个浇口充填的子成型区时，应尽量使每个子成型区压降相等、体积相等，将熔接线和汇合线置于最不敏感区，并避免犹豫和欠流。很少能同时满足所有原则，通常必须折中。
图 7.15：该浇口位置不能产生平衡充填模式
图 7.16：浇口位置可产生平衡充填模式
7.3.2 流动模式
充填模式应尽量光滑和均匀，聚合物应以平直前沿充模，在整个充填阶段不改变方向。多浇口件常需平衡流道，使每个浇口在成型压力下获得正确料量。端部扇形浇口可形成高度平衡、单向的流动，翘曲通常很小。底边多侧浇口开始时有径向成分，但会很快成为单向前沿，平衡良好而翘曲略高。沿中心轴的多个热浇口会导致大量径向流动、欠流和中心过保压，造成更差设计及显著、更不可接受的翘曲。
图 7.17：不同浇口位置下的流动模式
一般而言，流动前沿越单向，翘曲越小。
7.3.3 浇口位置
浇口数量、流动模式和位置不可分割。确定位置时应：
- 优先使充填平衡。
- 置于较厚区以利保压。
- 远离薄特征以防犹豫。
- 靠壁布置以防喷射。
- 避免熔接线位于强度差或可见区。
- 必要时加浇口防止过保压。
- 考虑两板或三板模、冷热流道或组合、所需浇口类型，以及零件和工装功能造成的位置限制。
平衡浇口位置。 平衡充填是塑件各末端同时且在相同压力下充满。端部浇口产生单向流动，料在充满后持续流过塑件各区，沿零件轴线形成取向，常降低无定形和纤维填充材料的翘曲。缺点是流长大，充填压力较高且保压可能困难。恒定保压时体积收缩变化大，但可用递减保压曲线改善。中心浇口也较平衡，但不如端部浇口，前沿先径向后线性，因至长边中部的流长远短于至端部，存在一定欠流并可能翘曲，通常更适合圆形或方形件。
图 7.18：端部浇口，充填平衡
图 7.19：中心浇口，基本平衡
需要两个浇口时，应使从浇口到零件端部的流长与到熔接线的流长相等。可将总长分为浇口数两倍的子成型区，在每隔一个子区边界放置浇口。每个浇口应充填近似相同流长和体积，虽对非对称件很难甚至不可能，但应为初始目标。此布置中的熔接线在充填末端形成，可能在较低温度和较高压降下形成，质量较差。将两浇口更靠近中心时，浇口间会过保压并可能翘曲，但熔接线更靠近浇口，在更高温度和压力下形成，质量可能较高。
图 7.20：两个浇口，流动长度均匀，基本平衡
图 7.21：两个浇口更靠近中心，不平衡
浇口置于厚区。 厚区进浇通常会得到更低、更均匀的体积收缩。即使塑件平衡略差，若材料为半结晶且必须避免缩痕和空洞，也可能值得这样布置。
图 7.22：在厚区和薄区进浇，比较体积收缩
浇口远离薄特征。 壁厚变化大时，浇口应尽量远离薄区。料流遇到薄筋会分流，因厚公称壁进入压力较低，大部分材料进入厚壁，进入筋的料犹豫、剪切热少、变冷并可能冻结而短射。浇口在远端时，料到薄筋时剩余待充填区域很少，筋虽犹豫却未必来得及冻结，最终仍可充满。半结晶材料冻结较快，更容易发生此问题。
图 7.23：靠近和远离薄特征的浇口
必要时增加浇口降压。 不含供料系统的塑件最大充填压力一般应为机器极限约一半，典型机器不超过 70 MPa，10,000 psi。若单浇口压力超过限值，先改变位置以缩短最大流长，达到最短可行流长后压力仍高时再加第二浇口。附加浇口应有近似相同待充填体积和流长，实现平衡充填。
图 7.24：增加第二个浇口可通过缩短流动长度降低压力
加浇口防止过保压。 追加浇口有时可改善保压均匀性。单浇口件即使充填近似平衡，若近浇口中央筋过早充满，可能体积收缩很低而过保压，造成翘曲或顶出困难。双浇口使中央筋接近充填末端才充满，可改善其体积收缩。
图 7.25：单浇口，筋过保压
7.3.4 避免常见问题
浇口位置应让型腔空气在注射时排出，否则会短射、烧焦，或浇口附近充填和保压压力过高。浇口位置和尺寸必须防止喷射，可放大浇口或使流动撞向型腔壁。应使熔接线和汇合线形成于不影响零件功能和外观的位置。
7.3.5 浇口长度
侧浇口类浇口陆地应尽量短，以降低过大压降。适宜长度为 0.5 至 1.5 mm，0.02 至 0.06 in。
7.3.6 浇口厚度
传统上浇口厚度按经验确定。对大多数应用和材料，通常为进浇壁段厚度的 50% 至 80%。手工修剪浇口有时可与进浇壁同厚。自动修剪浇口通常小于进浇壁厚的 80%，避免断浇口时使塑件变形。潜伏浇口在浇口与塑件界面的典型直径为 0.5 至 2.5 mm。Moldflow 可按剪切速率更精确确定尺寸。材料数据库中每种材料有剪切速率限值，浇口不得超过它。PVC 约为 20,000 s⁻¹，PP 可达 100,000 s⁻¹，多数材料在 40,000 至 60,000 s⁻¹。高填充材料的添加剂比聚合物更剪切敏感，应尽可能低，通常 20,000 s⁻¹ 已足够低。
7.3.7 冻结时间
浇口冻结时间是有效型腔保压的最长时间。浇口太大时，可能由塑件而非浇口冻结。若释放保压后浇口才冻结，流动可能从塑件反向进入流道。设计良好的浇口冻结时间也会防止注入材料回流。
7.4 使用 Moldflow 进行浇口设计
Moldflow 可有效比较浇口位置、该位置的成型窗口大小、充填模式和按剪切速率确定的浇口尺寸。以 ABS 车门板为例，考察端部单浇口、底部单浇口和底部五浇口，且必须在零件周边采用侧浇口。端部单浇口最符合 Moldflow 设计原则，流动单向且熔接线最少。它的流长约 1050 mm，充填压力可能太高。底部单浇口将流长降至约 900 mm，流动多数单向但径向分量较大。五个底部浇口进一步将流长降至约 800 mm，前沿早期汇合为平直前沿，流动更单向，但增加的浇口会产生更多可能不合格的熔接线。
图 7.26：所研究的车门板浇口位置
对三种方案进行成型窗口分析，模温固定为 55 ℃，熔体温度为 245 至 265 ℃，注射时间为 2 至 15 s。窗口分为不可行，要求超过机器能力 80%，本例为 112 MPa 或 16,240 psi，可行，要求超过机器能力 50%，即 70 MPa 或 10,150 psi，但其他参数均合格，和优选，要求低于机器能力 50%，且剪切应力、剪切速率、流动前沿温度和锁模力等均合格。因其他方案流长过长、注射压力高，只有底部五浇口有优选窗口。
图 7.27：三个浇口位置方案的成型窗口
在三种原始位置中，只有一种从加工角度可行，因此只对该方案研究充填模式。五个底部注射点使前沿在充填早期相遇，在零件上形成平直单向前沿，右上角耳部最后充满。确认塑件充填模式可接受后，设计供料系统，使其得到与无流道充填分析相同的模式。原浇口厚 2 mm，塑件公称壁厚 3 mm，宽 4 mm。分析显示浇口最大剪切速率约为 60,000 s⁻¹，而材料限值为 50,000 s⁻¹，虽不极端仍应低于限值。将浇口加宽至 8 mm 后，剪切速率显著降低并低于材料限值。
图 7.28：车门板采用底边五个浇口时的充填模式
图 7.29：车门板采用五个浇口时的流道系统
图 7.30：通过浇口的剪切速率
图 7.31：浇口加宽后的浇口剪切速率