第8章：流道系统设计
8.1 定义
8.1.1 供料系统
供料系统是描述注塑模具中从模具入口到塑件的聚合物流道的通用术语，常代替流道系统使用。该术语不暗示热流道或冷流道，因为许多模具同时具有两者。
8.1.2 流道系统
流道系统也描述从模具入口到塑件的聚合物流道。许多情况下它只指冷流道而非热流道。本章中该术语是通用的，指冷流道、热流道或热冷流道组合。
8.1.3 冷流道
冷流道是在每个成型循环中随模具顶出的聚合物流道系统，其模温与塑件温度大致相同。
图 8.1：冷流道系统
8.1.4 热流道
热流道有时称无流道系统，是不会随每个循环顶出的聚合物流道。热流道使聚合物在每次射料间维持接近进入时的熔体温度，模具温度可从接近塑件模温至接近熔体温度。
图 8.2：热流道系统
8.1.5 热歧管、热嘴和主流道
热歧管是热流道系统中通过热嘴将聚合物从主流道分配至型腔或冷流道的部分。热嘴有时称落料嘴或 dropper，将聚合物从热歧管送至型腔或冷流道。主流道是冷热流道系统的一部分，是聚合物进入模具的入口。冷流道系统中的主流道有锥度，最小端为入口。
8.2 流道系统设计原则
8.2.1 良好流道设计的益处
设计正确的模具和流道系统应具有最佳型腔数，实现多型腔及多浇口型腔的平衡充填，废料最少，易于顶出，且不控制循环时间。
8.2.2 流道设计理念
传统上流道只被视为把塑料送入型腔的通道，只要足以充填型腔，尺寸并不被重视。按 Moldflow 理念，流道设计至关重要，因为浇口位置与流道尺寸的组合控制型腔内充填模式。流道是流动控制装置。
8.2.3 流动平衡
流道系统必须使每个型腔，或型腔的每个部分，在相同时间和压力下充满。用流道平衡时，流道压降与型腔压降之和必须相等，不能只平衡流道而不考虑型腔，因为改变流道会改变流量和摩擦热，继而改变型腔压降。型腔之间和型腔内部，多浇口件的平衡越均匀，零件质量越高，成型越容易。
8.2.4 流动控制
流量控制或平衡应由流道而不是浇口完成。浇口是很差的流动控制装置，原因如下：
- 浇口压降可由传热主导，成型条件稍变便会大幅改变充填模式。
- 浇口极易产生犹豫效应。
- 不稳定的入口和出口损失占总压降比例很高。
- 加工误差和磨损对压降影响很大。
例如，三个塑件的初始浇口均为
图 8.3：浇口是较差的流动控制装置
流道则是很好的流动控制装置，因为它远大于浇口，对犹豫和热效应不敏感，流动模式充分发展且稳定，也更易精确加工。
8.2.5 流道中的摩擦热
流道可除控制流动外，还可提供受控摩擦热。提高熔体温度会按比例降低残余应力，但单纯提高料筒温度会造成严重降解，因为塑料在料筒内的高温停留时间以分钟计。料筒采用较低温度，依靠流道摩擦热也可降低应力，却不会使材料降解，因为塑料从进入流道到开始冷却只在较高温度下停留数秒。较小流道产生剪切热，使塑件应力更低、质量更高，料筒熔体温度可更低，塑件内材料仍较热。
摩擦热通常与冷流道有关，但热流道中也可能存在一定摩擦热。
8.2.6 热封闭
流道应设计为能正确充填和保压而不控制循环时间。补偿阶段中，材料冻结和收缩时分子仍被压入型腔，同时流动和冻结会锁定较高取向和残余应力。过大的流道保持开放过久，使塑件中持续发生流动和冻结。冷流道还应足够小，不能限制压机循环。顶出时流道不必完全冻结，但必须能承受顶出力。流道系统冻结时间最多应为塑件的 2 至 3 倍。
8.2.7 系统和流道压力
通常流道压降越高，流动控制越好。额外摩擦热降低型腔残余应力，能得到更好零件。注塑机可用压力限定最大总充填压力，留出安全系数后，流道设计应使总压降，型腔加流道，为最大可用注射压力的 70% 至 75%。但必须始终考虑缩痕。高流道压力和高熔体温度可降低影响翘曲的应力，但流道太小会在充分补偿流动前冻结。因此应按冷却时间设计流道，使其在撤除保压后不久冻结。
8.2.8 恒定压力梯度
流道应按恒定压力梯度原则设计，这能在给定压降下产生最小流道体积。按恒定压力梯度定尺寸时，流道每次分支都会变小。
图 8.4：用于确定流道尺寸和实现流道平衡的恒定压力梯度
8.2.9 冷料井和易顶出性
冷料井是流道系统末端分支之后的延长部分，用来捕获两次射料之间可能在机嘴中形成的冷料团。冷料团通常被困在主流道底部，为保险起见，流道在分支后应延长 1.0 至 1.5 个直径。流道应以合适截面和脱模角确保容易顶出并从塑件取下。大多数材料需抛光流道表面以利流动和顶出，延伸流道系统应有多个主流道拉料杆和顶出位置。
图 8.5：冷料井
8.3 流道类型
8.3.1 冷流道
冷流道广泛用于注塑模，尤其小型模具，加工便宜且设计灵活。过去流道设计不受重视，现在借助流动分析，必须仔细设计使其以最低可能循环时间生产高质量零件。自动流道平衡产生的尺寸往往不是标准尺寸，许多情况下可改为最近标准尺寸，但每次改动后必须进行流动分析确认充填仍平衡。
8.3.2 热流道系统
热流道将熔料直接送至塑件，取消冷流道并节省射料量。除节省材料外，循环通常也快于冷流道，因为循环取决于塑件而不是大直径冷流道。8.2 节主要基于冷流道，但同样适用热流道。设计热流道时应咨询供应商，确保设计与其组件相容。多数情况可用标准尺寸，有时为达到所需平衡必须采用非标准热流道组件。热流道有绝热式和加热式两类。
8.3.2.1 绝热流道
绝热流道模具在模具板内形成超大通道。通道足够大时，流道壁上冻结塑料的绝热作用与每次射料带入的热量结合，能保持一条开放的熔融流路。该系统今天并不常见，因为难以维持一致的循环时间。
8.3.2.2 加热流道
加热流道分内加热和外加热。内加热系统为环隙流道，热量由通道内探针和鱼雷体提供，利用塑料熔体绝热作用减少向模具其余部分传热。外加热系统使用筒式加热歧管和圆形内部流道，歧管通过多种绝热特征与模具其余部分隔开，减少热损失。
图 8.6：热流道系统类型：（a）绝热式热流道，（b）内加热式热流道系统，以及（c）外加热式热流道系统
| 热流道类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 绝热式 | 设计较简单，制造成本低 | 浇口处不希望的冻结，熔体温度稳定启动时间长，模具均匀充填有问题 |
| 内加热式 | 热量分布改善 | 成本中等且设计复杂，需要仔细平衡和复杂热控制，必须考虑各模具组件热膨胀 |
| 外加热式 | 热量分布改善，温控更好 | 成本更高且设计复杂，必须考虑各模具组件热膨胀 |
8.4 流道布局
8.4.1 确定型腔数
型腔数取决于可用生产时间、所需产品数量、机器射胶量、塑化能力和锁模吨位、制品形状和尺寸以及模具成本。应取下列公式得到的最小值。
若零件尺寸公差不很关键且需要大量制品，多型腔模具较合适。可用供货批次可用时间
射胶量以机器能力的 80% 作为射胶重量
机器塑化能力
锁模吨位取决于压力
准确计算锁模力的压力应取充填或保压阶段最高的压力分布。Moldflow 流动分析可自动计算单件锁模力。粗略估计可把单型腔预测值乘以所需型腔数并与机器锁模力极限比较。最佳方法是对所有型腔和流道系统建模进行流动分析。分析时要谨慎，速度压力切换时刻及注射和保压曲线会使最大锁模力大幅变化。
8.4.2 流道系统布局规划
多型腔系统常见三种基本布局：标准流道系统，又称非几何平衡、人字形、鱼骨形、梯形、树形或人工平衡，几何平衡流道系统，又称自然平衡或 H 形，以及径向流道系统，又称星形。标准流道要达到人工平衡，必须进行流道平衡分析并改变次级流道尺寸，使所有型腔同时充满。
图 8.7：基本流道系统布局
几何平衡和径向系统被视为平衡布局。它们从主流道到每个型腔的流动长度和流道尺寸相等，因此各型腔在几乎相同条件下充填，对工艺条件变化最不敏感，成型窗口大。标准流道虽不平衡，却能以最小流道体积和较低制模成本容纳更多型腔。可通过改变流道直径实现人工平衡。未人工平衡时，成型窗口很小，特别是充填时间的微小变化会极大影响型腔平衡。人工平衡后窗口变大，模具更易量产，但仍小于自然平衡布局。Moldflow 可自动完成流道平衡。
人工平衡流道在流道体积相对型腔体积小、流道尺寸差异不大时效果好。它通过调节长而大直径流道与短而小直径流道的压降来维持平衡。小直径流道压降更受热损失影响，工艺条件变化会以不同方式影响大小流道。例如降低注射速率时，小流道比大流道更受热损失影响，连接小流道的型腔会后充满，平衡被破坏。因此人工平衡仅在一定成型条件范围内有效，范围宽度决定成型稳定性。即使生产中条件略变仍能生产好件，才是稳定模具。最短和最长流路长度比越接近 1:1，系统越易平衡，工艺窗口越大。若标准流道稳定性不足，可能需要部分平衡流道布局。如今多型腔工具中的单浇口件大多采用几何平衡布局。它的工艺窗口最大，以往因流道体积大和需更多模具空间而不流行，Moldflow 可将其尺寸最小化，使几何平衡构型具有最小流道体积。
图 8.8：无法平衡的流道系统
图 8.9：传统流道布局和部分平衡流道布局的示例
8.5 初始流道尺寸
8.5.1 确定主流道尺寸
主流道或浇口套通常为标准现货件。流动分析通常需要孔径
图 8.10：典型主流道尺寸
应采用尽可能小的主流道。最小直径由整个模具的压力需求和主流道底部直径相对主流道的关系决定。全模具压降不应超过机器能力约 75%。有时主流道压降可与模具其余部分相当。罕见情况下主流道剪切速率高于浇口，例如 32 型腔、每件一个小浇口时，主流道流量是浇口的 32 倍。主流道底部直径不应小于它供料的主流道直径。非标准主流道也以孔径和所供主流道直径确定，当标准主流道的底部直径远大于主流道直径时使用。此时主流道常限制循环时间。定制主流道包角必须足以方便顶出，虽可能有益，实践中很少采用。
8.5.2 流道截面设计
常见流道截面为全圆、梯形、改进梯形、半圆和矩形。通常推荐前三种。全圆流道体积表面积比最大，压降和热损失最小，但需加工两半模，使模具闭合时两个半圆准确对齐，制模成本较高。梯形流道也很好，可只在模具一侧设计和加工，常用于三板模，全圆流道可能无法正确脱出，或全圆流道会干涉模具滑动的分型面。梯形形状关键，深度等于流道直径，斜边与圆相切，包角通常为 10° 至 20°。改进梯形截面结合圆形和梯形，底部为完整圆形并以梯形包角延至分型面。半圆和矩形流道应避免。
图 8.11：常用流道截面
图 8.12：梯形流道形状
比较不同形状流道时，使用水力直径作为流动阻力指标。水力直径越高，流动阻力越低：
其中
图 8.13：等效水力直径
8.5.3 确定流道直径
流动分析是确定或优化流道直径的最佳方法。流道压降与材料黏度、流道流动长度及聚合物体积流量有关，三者任一增加都会提高压力需求。各种机构给出的未填充材料典型流道尺寸指南大致相同，通常给定较宽范围，可作为良好起点。典型直径范围为：ABS、SAN 和聚碳酸酯 5.0 至 10.0 mm，缩醛和尼龙 3.0 至 10.0 mm，丙烯酸、丁酸酯和抗冲丙烯酸 8.0 至 13.0 mm，聚乙烯 2.0 至 10.0 mm，聚丙烯 5.0 至 10.0 mm，硬质 PVC 6.0 至 16.0 mm。
几何平衡流道从主流道到浇口常逐级减小，改变发生在流道分支处。最好用 Moldflow 流道平衡分析按恒定压力梯度计算，也可近似用：
其中
基于次级流道计算，主流道为 4.76 mm。
图 8.14：基于分支计算的流道直径
8.6 流道平衡
8.6.1 流道平衡的工作方式
进行流道平衡分析前，必须先优化塑件充填和模温、熔体温度、注射时间等成型条件。采用初步流道布局和直径进行充填分析，检查起点失衡程度并给出目标平衡压力信息。流道平衡由平衡压力驱动，平衡压力越高，流道直径越小。
8.6.2 何时优化流道尺寸
流道平衡有两个主要目标，使所有型腔同时充满，并使流道体积尽可能小。第二目标通常比第一目标工作更多。对于几何平衡流道系统，平衡过程只优化流道体积。
8.6.3 验证平衡
可从多个层级验证平衡。充模压力不应高于机器注射压力能力约 75%，远高于此值会难以稳定地生产高质量件。进入塑件的温度应接近为塑件定义的最佳温度，差值在 1 至 3 ℃ 内。流道有剪切热，因此进入主流道的温度应降低，以便聚合物到达型腔时为优化温度。
流道冻结时间不可过小或过大，通常由最小流道段主导。最短流道冷却时间不得小于浇口附近塑件冻结时间的 80%。若零件公差高或缩痕公差严格，最小冷却时间应约为塑件的 100%。最大流道冷却时间不得大于塑件的 2 至 3 倍。要同时满足两项指南通常很难，小流道因关系到零件质量而更关键。
上述验证可通过充填分析完成，下一层级是运行保压分析。所有型腔间的体积收缩应近似均匀，这对组合模尤其关键，因为组合模的零件通常需相互装配。若收缩不同，装配会差。有些模具需要故意不平衡充填以使体积收缩均匀，这表明模具成型窗口较小。最后应运行翘曲分析，检查每个型腔的线性尺寸是否在公差内，并确认所有零件的翘曲是否合格。
8.6.4 工艺窗口和所用材料
应研究工艺窗口大小。人工平衡会使窗口比未平衡时大，但仍小于几何平衡工具。影响窗口的主要变量是注射时间或流速。应在比最佳值更快和更慢的多个注射时间下分析，以确定允许变化量。通常更快注射时间使靠近主流道的塑件先充满，注射时间加长时远离主流道的型腔先充满。流道平衡针对特定聚合物完成。即使采用同一材料族中的另一材料，平衡也不会相同。用不同材料对已“平衡”的流道系统运行充填分析，是检验模具敏感性的另一种方法。
8.7 使用 Moldflow 进行流道平衡
以下示例涵盖每件两个浇口的 48 型腔模具、双型腔组合模和带三个浇口的多浇口件。
8.7.1 48 型腔模具流道平衡
48 型腔密封件模具的一个象限在重新设计和平衡前，流道无法平衡，因为流长差异太大。将型腔布局改为四行、每行三件后，流道有四个区域在各自区域内自然平衡。原设计中，靠近主流道的型腔在仅充入 65% 射料体积时，约 0.4 s 即充满。修订设计中所有零件在约 0.01 s 内充满。比较每件相同区域，原设计收缩范围约 2.8%，采用部分自然平衡流道的修订设计约 0.25%。原设计总收缩范围为 4.1%，修订设计为 2.0%。
图 8.15：流道平衡前后的多型腔模具流道布局
图 8.16：流道优化前后的充填时间
图 8.17：流道优化前后的体积收缩
8.7.2 组合模流道平衡
平衡组合模流道时，零件本身必须先优化。组合模尤其困难，因为成型条件必须相同，通常很难找到两件都合适的注射时间。成型窗口分析可快速找出两件都可用的条件，对每个零件进行充填分析可验证条件。箱体和盖子的组合模在流道平衡前，盖子充满时箱体约只充一半。平衡后箱体先充满，但仅略早。平衡分析将通向盖子的流道定为比通向该件的热嘴入口略小。小流道向大热嘴供料通常并不理想。可降低流道平衡目标压力来放大流道，但直径增幅会很大，流道体积和循环时间都会上升，经济性不佳。也可使分型面错层，让箱体和盖子顶部位于同一 Z 坐标并使热嘴长度相同，这可能节省材料，但通向盖子的流道需小得多以保持平衡，模具可能更难平衡且窗口更小。在两种替代方案中，后者更可行。流动分析的优势是可比切钢和试模更快、更低成本地测试设计替代方案。
图 8.18：流道平衡前后的组合模充填时间
8.7.3 多浇口件流道平衡
处理大型多浇口件时，必须确定浇口数量、实现平衡充填和单向充填，并把熔接线放在最不敏感区域。具体零件可能还有更多问题。对于流长很大的门板，注射压力和锁模吨位都是问题。为尽量减少熔接线，浇口位置数必须最少。多浇口件很可能产生气穴，必须确保气穴不在未排气区域形成。确定浇口位置后需建立流道系统，本例使用热流道。浇口精确位置常由热歧管构建方式决定。把热流道加入模型后，必须调整热嘴尺寸，确认塑件充填模式仍可接受。
图 8.19：车门板充填模式及熔接线和汇合线