第6章：浇注系统设计
6.1 概述
浇注系统的作用是将聚合物熔体从注塑机输送到模具型腔。浇注系统的设计可以从非常简单到非常复杂。增加浇注系统设计方面的投入，往往能在模具使用时缩短成型周期并减少材料浪费。然而，浇注系统也可能被过度设计；“最佳”的浇注系统设计取决于生产批量、可用注塑压力以及允许的投资水平。
浇注系统的设计遵循四个步骤。第一，选择浇注系统的类型（两板冷流道、三板冷流道或热流道），如果尚未确定的话；这三种是最常见的浇注系统类型，此外还有少数其他浇注系统技术将在第 13.6 节中讨论。第二，确定浇注系统在模具中的走向。第三，确定浇注系统各段的直径，以平衡压力降、剪切速率和材料利用率。最后，将浇注系统的设计细节落实到模具设计中。为辅助设计过程，下面先讨论浇注系统设计的目标。
6.2 浇注系统设计的目标
6.2.1 将聚合物熔体从注塑机输送到型腔
浇注系统的首要功能是将聚合物熔体从注塑机喷嘴（熔体在此处塑化）输送到模具型腔（熔体将在此形成所需制品）。在大多数注塑应用中，聚合物熔体必须同时穿越模具高度方向和模具宽度方向的一部分距离。高度和宽度方向的穿越可通过图 6.1 所示的两种不同浇注系统布局来实现。左图所示的浇注系统布局对应于两板冷流道模具设计。主流道（sprue）用于将聚合物熔体从注塑机喷嘴引导至分型面。然后利用分型面内的流道将聚合物熔体沿分型面引导至一个或多个模具型腔。
图 6.1：熔体输送的两种浇注系统布局（图略）
图 6.1 右侧的第二种布局设计对应于三板模或热流道模具。在第二种设计中，聚合物熔体由偏离分型面的流道引导穿越模具的宽度和长度方向。由于流道偏离分型面，其走向和浇口位置有很大的设计自由度。然而，需要两组主流道才能使聚合物熔体穿越模具高度。首先，需要一个主流道将聚合物熔体从注塑机喷嘴引导至横向流道所在平面。熔体沿流道流动之后，还需要第二组主流道将熔体向下引导穿越模具高度的一部分到达模具型腔。
6.2.2 施加最小的压力降
当熔体在浇注系统和型腔中推进时，注塑机中的熔体压力将升高。浇注系统的设计必须保证有足够的熔体压力来驱动聚合物熔体充满整个模具型腔。如图 6.2 所示，流动阻力大的浇注系统会在成型过程中产生很大的压力降。当注塑机达到最大允许注射压力时，聚合物熔体的体积流量将开始衰减。如果在模具充填过程结束之前流量大幅衰减，则很可能发生短射（short shot）或其他缺陷。
图 6.2：压力与流量的耦合关系（图略）
浇注系统的设计必须使其压力降处于可接受的范围，以避免短射、周期延长及其他缺陷。浇注系统”可接受”的压力降取决于具体注塑应用，尤其是充填型腔所需的熔体压力与注塑机可提供的熔体压力之间的对比。例如，某薄壁注塑应用 [1] 可能使用可提供 200 MPa 熔体压力的注塑机。如果充填型腔需要 150 MPa，那么通过浇注系统的压力降不应超过 50 MPa。但是，如果同一台注塑机用于成型仅需 100 MPa 压力的制品，那么浇注系统可以设计为施加 100 MPa 的压力降。
为准确规定浇注系统设计可接受的压力降，模具设计师应联系注塑厂商以获取注塑机的最大注射压力。模具设计师还应通过分析、模拟、试模样件或以往经验，获得充填型腔所需熔体压力的估计值。如果这些信息未知，模具设计师可以假定浇注系统的最大压力降为 50 MPa（7200 psi）。虽然这一压力降略高于某些行业惯例，但该规定将产生一种”钢料安全”（steel-safe）的设计，即浇注系统直径较小、材料消耗较低。
6.2.3 消耗最少的材料
为获得最佳的浇注系统设计，模具设计师应确定浇注系统的直径，使压力降和浇注系统体积同时最小化。这些设计约束如图 6.3 所示。随着浇注系统各段直径的增大，压力降会降至规定最大值以下。然而，增大浇注系统直径也会导致浇注系统体积增大，这对冷流道和热流道浇注系统都是不利的。
图 6.3：体积与压力降之间的耦合关系（图略）
在冷流道设计中，浇注系统尺寸过大会导致成型周期延长，并因浇注系统本身的成型而产生过多的材料浪费。某些注塑应用允许将粉碎回用料（regrind）与新料混合使用。回用料的典型上限可能为 30 %，这直接转化为对浇注系统最大体积的规定。例如，若某注塑应用有两个型腔、总体积为 50 cc，则 30 % 的回用料规定会将浇注系统体积限制为 15 cc。
在热流道设计中，过大的浇注系统会降低热流道中材料的周转率。低周转率是不利的，原因有二。第一，聚合物熔体在热流道中的滞留时间过长会导致材料降解，这经常造成黑点并使成型制品的性能下降。第二，热流道系统中材料体积过大会妨碍成型过程中的换色，这不仅因为需要冲洗的塑料熔体体积大，还因为浇注系统壁面附近聚合物熔体的剪切应力较低。清洗时剪切应力低会使材料粘附在热流道壁面上，降低换色过程中旧料的排出效果。
热流道浇注系统中聚合物熔体的最大体积难以规定，因为它与所成型材料的类型、换色需求以及期望的压力降有关。热流道正越来越多地采用较小直径设计，使得材料每个成型周期就能周转一次。例如，若某注塑应用有两个型腔、总体积为 50 cc，则每个成型周期周转一次熔体即要求浇注系统体积为 50 cc。如果希望压力降非常低，且预期不会出现降解和换色问题，则浇注系统体积可规定为 100 cc 甚至 200 cc。但应注意，与”钢料安全”设计的冷流道系统不同，修改热流道系统的直径可能产生高昂的成本。
6.2.4 控制流量
由于浇注系统的首要功能是将熔体从注塑机输送到模具型腔，因此希望浇注系统能够控制输送到每个型腔的聚合物熔体量。两种最常见的应用涉及多型腔模具和多浇口模具。
- 在多型腔模具中（如图 6.1 所示），注塑应用可能要求浇注系统各分支具有不同的压力降，以使不同的型腔同时充满。在此例中，如果杯子充填所需的压力高于盖子，模具设计师可以在通往杯子型腔的浇注系统部分提供较小的压力降。这种模具设计被称为”人工平衡”。
- 在多浇口模具中，浇注系统设计的一个常见目标是控制流经浇注系统的聚合物熔体，以改变多浇口模具中的熔体前沿推进。例如，可能希望让更多材料通过某个浇口，从而将熔接线移到其他位置。其他常见用途还包括改变模具充填以消除困气或避免型腔局部过充。
在浇注系统中采用不同的直径可以控制聚合物熔体的流动，但所能实现的效果是有限的。第一，浇注系统各分支的压力降取决于聚合物熔体的粘度。因此，人工平衡的浇注系统在不同材料和工艺条件下未必能平衡模具充填。第二，尺寸不同的浇注系统会以不同速率固化，从而在成型过程的保压阶段产生不同的动态特性；直径较小的流道段会较快冻结，减少对其下游型腔的保压。基于这些原因，模具设计师应尽量采用充填需求相近的型腔设计。如果家族模具（family mold）或其他需求决定各浇口的流量差异很大，模具设计师可考虑采用第 13.6.4 节讨论的动态熔体控制技术。
6.3 浇注系统类型
最常见的模具类型已在第 1 章中介绍过。本节将更详细地讨论各种类型浇注系统的布局及其配套组件。
6.3.1 两板模
两板模（two-plate mold）之所以如此命名，是因为它由两个将熔体夹在中间的装配段组成；模具的每一半可以由一块或多块模板构成。图 6.4 给出了模具的等轴测剖视图，其中阴影表示聚合物熔体的推进过程。在成型过程中，注塑机喷嘴与主流道衬套的圆弧面相贴合。聚合物熔体首先沿主流道衬套向下流动，穿越上固定板和 A 板的厚度。然后材料沿分型面通过流道和浇口流入一个或多个模具型腔。
图 6.4：两板模的等轴测剖视图（图略）
在聚合物完全注入并固化后，模具在分型面处打开，分型面位于 A 板与 B 板之间。通常模具 A 半侧保持不动，B 半侧被拉开，成型件和流道系统留在型芯上。为便于顶出，通常在主流道下方的顶杆上设置反锥度，以确保主流道及相连流道留在 B 半侧。模具打开到足以取出成型件后，顶出板由注塑机向前推动。主流道顶杆推动主流道，拉断小的倒扣，将主流道从模具 B 侧顶出。虽然图 6.4 中未显示，但可以在长流道的长度方向上增设顶杆和顶出销，以便于浇注系统的顶出。
图 6.5 显示了由图 6.4 模具设计所生产的成型件。在浇注系统设计中，主流道的长度由上固定板和 A 板的总厚度决定。流道的长度由型腔的位置和相关流道的布局决定。在给定该布局的情况下，模具设计师需要确定浇注系统的直径。一般而言，上游流道的直径大于下游流道的直径，因为聚合物熔体的流动在流道交汇处分叉，每条下游流道的流量较小。
图 6.5：带流道和主流道的两型腔成型件（图略）
虽然此处用两型腔两板模来演示模具设计概念，但所提供的分析方法可应用于更复杂的浇注系统布局。例如，图 6.6 给出了一种八型腔家族模具的浇注系统设计，包括两条一级流道、四条二级流道和八条三级流道。如果通过主流道的流量为 100 cc/s，则通过每条一级、二级和三级流道的流量分别为 50 cc/s、25 cc/s 和 12.5 cc/s。然而，如果各型腔的流动阻力差异很大，则在充填阶段三级流道中的流量可能会有很大差异。
图 6.6：带流道和主流道的八型腔成型件（图略）
与图 6.5 所示的浇注系统设计一样，图 6.6 中每条下游流道的直径均小于其上游流道。但有一个值得注意的例外：注塑机喷嘴孔的直径通常小于主流道入口的直径。注塑机喷嘴中较小的孔径为成型主流道与喷嘴中凝固料塞之间提供了一个分离点。如果喷嘴孔径大于主流道入口直径，主流道衬套后方喷嘴中冻结的塑料段会使主流道粘在模具 A 半侧。当这种粘模频繁发生时，注塑厂商可能选择在开模和顶出之前，将注塑机的注射装置从喷嘴处后退以进行”主流道分离”（sprue break）。这一操作是不可取的，因为它增加了成型周期的复杂性和波动，因此模具设计师应适当地核实和/或推荐喷嘴孔径。
6.3.2 三板模
图 6.7 给出了一种完全打开的三板模设计的等轴测剖视图；图 6.7 所示视图未包含顶出板固定板（ejector housing）及相关组件，因为它们对三板模的工作原理并非核心。三板模由三个可相对运动的模具段组成，每段由一块或多块模板构成。在 A 板与上固定板之间增加第二个分型面，使流道可以位于型腔上方，并能穿越分型面的宽度和长度方向而不与型腔干涉。因此，三板模在浇口位置和浇注系统布局方面提供了更大的自由度。另一个额外的好处是，三板模通常能实现成型件与浇注系统的自动分离，如图 6.7 所示。
图 6.7：三板模的等轴测剖视图（图略）
图 6.8 给出了完全闭合的三板模的剖视图。在此设计中，聚合物熔体沿主流道衬套向下流动，穿越上固定板和脱料板（即”X”板）的厚度。然后聚合物熔体沿位于 A 板与脱料板之间分型面（此处称为”A-X”分型面）内的流道流动。随后用锥形主流道将熔体输送穿越 A 板及型腔镶件支承板的厚度到达模具型腔。
图 6.8：闭合三板模的剖视图（图略）
在主流道位置附近及流道的其他部位使用主流道拉料杆（sprue puller，又称”拉料针”），以确保浇注系统留在脱料板一侧；模具设计师设计拉料针时应使其不阻碍流动。在图 6.8 的浇注系统设计中，拉料针的直径和深度相对于一级流道的尺寸较小。为了进一步减少图 6.8 设计中的流动阻碍，也可以将它们移至离主流道衬套更远的位置。
图 6.9 给出了部分打开的三板模的剖视图。成型后，模具 B 侧被拉离 A 侧，迫使模具在 A 板与 B 板之间的分型面处打开；图中省略了顶出系统、后固定板及相关组件。可在 A 板与脱料板之间设置弹簧，以使 A-X 分型面提前分离。B 侧继续打开，A 板与 B 板之间的距离由连接 A 板与 B 板的定距拉杆（stripper bolt）长度控制。定距拉杆的自由长度必须足以允许成型件的顶出。A 板与 B 板之间的典型开模距离为成型件高度的两到三倍。如图 6.9 所示，即使对于型芯相对较浅的成型件，这一距离也可能相当大。
图 6.9：部分打开的三板模的局部剖视图（图略）
一旦走完定距拉杆的长度，A 板将随 B 板一起离开固定模板。A 板将走完脱料板定距拉杆的自由长度。该定距拉杆的自由长度决定了 A 板与脱料板之间的开模距离。与 A 板定距拉杆一样，X 板定距拉杆的长度必须足以允许浇注系统的取出。一旦 A 板越过 X 板定距拉杆的自由长度，脱料板将随模具的 A 段、B 段和顶出系统一起离开上固定板。
图 6.10 给出了完全打开的三板模的剖视图（不含顶出系统和后固定板）。在模具运行期间，必须仔细确定并控制开模速度和位置，以实现高效的全自动循环。如果开模尺寸规定不当，浇注系统可能无法可靠脱落，或者模具可能受损。为优化模具运行，许多三板模的开模距离可通过改变定距拉杆上螺母的位置，或在模板与定距拉杆端部之间添加垫圈来调整。
图 6.10：完全打开的三板模的局部剖视图（图略）
应注意，该三板模设计在开模距离、模板厚度选择和定距拉杆长度方面已尽可能做到紧凑。因此，如表 6.1 所示，将三板模的设计与两板模进行比较是很有启发性的。三板模中额外的模板和组件使模具叠合高度增加了 44 mm（1¾ 英寸），质量增加了 30 kg，增幅相对较小（约 20 %）。然而，三板模的开模距离为 250 mm，远大于两板模 75 mm 的开模距离。较大的开模距离是不利的，因为它增加了开模和合模时间，还可能使模具无法在某些模板间距（daylight）有限的注塑机上运行。
表 6.1 两板模与三板模浇注系统的比较
| 项目 | 两板模 | 三板模 |
|---|---|---|
| 模具叠合高度 | 264 mm | 308 mm |
| 开模距离 | 75 mm | 250 mm |
| 所需总模板间距 | 339 mm | 558 mm |
| 模具质量 | 151 kg | 181 kg |
| 开模时间 | 0.36 s | 1.2 s |
6.3.3 热流道模具
当浇口灵活性、周期效率和材料效率很重要时，应考虑采用热流道模具。在热流道系统中，浇注系统被包裹在加热的通道内，使塑料在成型过程中保持熔融状态。由于塑料在热流道系统中不会冷却，因此无需：
- 塑化充填浇注系统所需的熔体，
- 注射充填浇注系统的材料，
- 等待浇注系统中的材料冷却，
- 像三板模那样大幅开模以取出浇注系统，
- 将浇注系统从成型制品上切除（去浇口），或
- 对流道系统进行粉碎回收或废弃处理。
基于所有这些原因，热流道模具的成型周期比传统两板或三板冷流道模具快 20 %、废料少 20 % 的情况并不罕见。然而，热流道模具确实需要比两板模或三板模更高的前期投资，并且需要热流道控制器来维持熔体温度。虽然热流道看似增加了能源消耗 [2]，但材料利用率和成型生产率方面带来的收益使总能源成本净降低。
图 6.11 给出了热流道系统的等轴测剖视图。该热流道设计包括热主流道衬套、分流板（manifold）、两个浇口套或”喷嘴”、四个加热控制区及其他组件。运行时，来自注塑机喷嘴的材料将沿热主流道衬套向下流动，到达位于分流板中的一级流道。然后熔体沿一条或多条流道向下游热流道喷嘴流动。喷嘴的长度由分流板中心线到各型腔浇口位置的距离决定。
图 6.11：热流道系统的等轴测剖视图（图略）
与冷流道设计相比，热流道系统中流道和浇口套的直径可以相当大，因为热流道中的所有材料最终都会被注入模具型腔。由于聚合物熔体不会被浪费，热流道系统可以采用较大的流道直径，以提供非常低的流动阻力，并将注射压力优异地传递到模具型腔。然而，过大的直径会使材料在热流道中降解，并妨碍不同塑料树脂和颜色之间的快速切换。
图 6.12 显示了热流道模具装配体的剖视图。该模具设计通过带有两个浇口套的自然平衡热流道系统，将塑料熔体注入笔记本电脑面框（bezel）的左右两侧。可以观察到，热流道系统的大部分被空气间隙包围，以尽量减少受热的分流板和喷嘴向较冷模具钢材的传热。在成型过程中，作用于型腔表面和热流道系统表面的熔体压力会产生使型腔镶件和热流道系统发生挠曲的力。止推垫（thrust pad，有时由钛合金加工而成）用于将这些力从热流道系统传递到上固定板，同时仅传递极少的热量。对于热流道模具，应在上固定板处设置冷却水路和/或隔热板，以防止大量热量传递到注塑机模板。
图 6.12：热流道模具的局部剖视图（图略）
图 6.12 所示的热流道系统设计相对简单，采用的是将在下一章详述的热浇口（thermal gate）。在该设计中，热流道喷嘴与型腔镶件上的浇口开口同心。由于分流板会随温度变化而膨胀，因此允许分流板膨胀并沿喷嘴顶面滑动。分流板与喷嘴在高度方向上保持压紧状态，以防止大量熔融聚合物泄漏。
热流道系统有许多不同的配置，包括螺纹连接或以其他方式装配到分流板上的浇口套。分流板也有多种常见配置，如图 6.13 所示。直条式分流板（亦见图 6.11）是最简单的一种。另外两种常见设计是”H”形和”X”形分流板。“H”形分流板通过位于分流板中心线上的一级、二级甚至三级流道提供多个分支来输送聚合物熔体，类似于图 6.6 所示的设计。“X”形分流板采用更直接的设计，所有一级流道都直接从分流板中心的热主流道衬套处发出。这种设计通常具有更高的材料利用率。如果需要供给多个浇口套，还可以如图 6.13 所示将多个分流板叠置。
图 6.13：典型的热流道分流板配置（图略）
热流道设计的复杂性和功能不断提高，其配置远比图 6.13 所示复杂。后文第 6.6.2 节将介绍叠层模（stack mold），其中两套或多套热流道系统在模具高度方向上叠置，使型腔数量成倍增加而不增加锁模力。热流道供应商还可以设计”七支腿特殊结构”（seven-leg specials），即定制设计热流道的长度和分叉以满足特殊应用需求，通常用于汽车车身面板等多浇口制品。模具设计师应咨询多家热流道供应商，以了解现有热流道系统的优点和问题。
6.4 浇注系统分析
虽然两板模、三板模和热流道模具在形式和功能上差异很大，但浇注系统的设计应遵循前文讨论的基本准则。概括而言，浇注系统应：
- 施加最小的压力降，通常不超过充填型腔所需压力的 50 % 或 50 MPa；
- 消耗最少的材料，通常冷流道模具不超过型腔体积的 30 %，热流道模具不超过型腔体积的 100 %；并且
- 不延长模具冷却时间。
从历史上看，许多浇注系统的设计意图是保持熔体流经主流道、一级流道等处时的线速度不变。在分叉流道系统中，可通过将下游直径
其中
例题：
考虑图 6.5 所示的浇注系统布局。若主流道底部的直径为 6 mm，请为保持熔体前沿速度一致而建议一级流道的直径。
根据式 6.1，下游直径应为
为验证该解，可计算各分支中的熔体线速度。假设流量为 50 cc/s，主流道中的线速度为
由于流动分叉为两段，一级流道中的线速度计算为
虽然这一设计准则简单且看似直观，但所得设计在所产生的压力降和消耗的塑料材料方面都较差。因此，下面将基于对上述三个目标的分析，提出一种浇注系统设计的工程方法。
6.4.1 确定浇注系统类型
浇注系统类型通常由模具设计师作为模具报价的一部分来确定，因为它要么显而易见，要么由客户指定。但是，如果浇注系统类型不确定，模具设计师应考虑注塑应用的要求和注塑厂商的能力。表 6.2 给出了常见浇注系统类型的性能比较。
表 6.2 浇注系统类型及其性能
| 浇注系统类型 | 前期投资 | 注塑厂商能力要求 | 材料效率 | 周期效率 |
|---|---|---|---|---|
| 两板冷流道 | 最低 | 最低 | 低 | 最低 |
| 三板冷流道 | 低 | 低 | 低 | 低 |
| 绝热流道 | 中等 | 中等 | 中等 | 中等 |
| 热流道 | 高 | 中等 | 高 | 高 |
| 叠层模 | 最高 | 高 | 高 | 最高 |
关于表 6.2 需要做几点说明。第一，前期投资不仅指模具设计及相关组件的成本，还包括制造和试模所需的时间。例如，一副两型腔两板模可能花费 20,000 美元，需要几周完成。相比之下，一副 64 型腔叠层模可能花费 1,000,000 美元，需要数月完成。对于许多要求快速开发的产品项目，增加的时间可能与增加的成本同样重要。供应链物流也可能是一个问题。例如，客户可能更倾向于制造十二副相对简单的模具，每副四个型腔。这样可以将几副模具分别在欧洲、亚洲和美洲运行。虽然其成型周期和效率不如高型腔数的单副热流道模具，但这种方法可以缩短模具初期开发时间，为模具故障提供冗余，并能响应消费需求波动而缩短供应链中的节拍时间 [3]。
注塑厂商的能力也是选择浇注系统类型时的一个问题。虽然所有注塑厂商都应能操作两板模，但有些厂商可能不熟悉三板模、绝热流道模具或热流道模具的正确安装、操作和维护。叠层模的操作虽然并不比传统热流道复杂多少，但可能令某些注塑厂商望而生畏，并且需要其不具备的辅助控制器。基于这些原因，如果浇注系统类型尚未指定，模具设计师应核实注塑厂商的能力。
材料效率和周期效率可能是采用更复杂浇注系统的主要驱动力。由于经济性取决于具体注塑应用的情况，应对每种浇注系统类型进行成本估算，以确定最合适的设计。如第 2 章所述，进行灵敏度分析以识别针对目标生产批量而设计不足或过度设计模具的风险，可能是很有用的。
6.4.2 确定浇注系统布局
第 4.3.1 节介绍了一些常见的型腔布局。浇注系统的设计必须能够在适当的熔体压力下为每个型腔提供所需的熔体流量。为此，多种浇注系统布局已成为常用形式，包括串联式、分叉式、辐射式、混合式和定制式。下面分别讨论这些浇注系统布局类型。
型腔的串联布局可以通过一条一级流道及随后通向各型腔的多条流道，最紧凑地将聚合物熔体输送到许多成一直线的型腔。这种情形如图 6.14 所示。遗憾的是，由于二级流道在一级流道长度方向的不同位置分叉，沿一级流道长度的压力降会使离主流道较远的型腔获得较低的流量。这种不均匀流动可以通过减小靠近主流道的二级流道直径来在一定程度上缓解，如图 6.14 中右侧一级流道分出的二级流道所示。然而，这种人工平衡难以实现，并且由于注塑成型过程后充填阶段动态特性的差异，不能保证一致的制品质量。基于这些原因，串联式流道系统布局在精密应用中并不常用。
图 6.14：流道系统的串联布局（图略）
通过将浇注系统多次分叉，可以自然平衡流向多个型腔的熔体流量，如图 6.16 所示。与串联布局相比，分叉布局消耗的材料明显更多，同时从主流道到型腔也产生较大的压力降。自然平衡浇注系统的另一个问题是，熔体在多个分叉处转向会引起熔体温度不平衡的发展。这一效应已有充分文献记载 [4, 5]，并促成了”Melt Flipper™“（熔体翻转器）的开发，用于辅助校正多分叉自然平衡系统中的流动不平衡。基于所有这些原因，型腔数多的注塑应用越来越多地采用热流道浇注系统，以避免过多的材料消耗和压力降。在”H”形分流板布局中也观察到了熔体流动不平衡 [6]，不过由于热流道温度较高，该效应较小，而且通过采用叠置”X”形分流板可以完全避免该效应。
辐射式浇注系统布局（多条一级流道自主流道发出，如同”X”形分流板）也相当常见。辐射式浇注系统布局的主要优点是，流量和熔体压力自然平衡，且流道体积适中。由于一级流道相对于主流道底部尺寸较大，自单一主流道发出的一级流道数量受到一定限制。为增加一级流道数量，可在主流道底部设置一个盘形腔，即”隔膜腔”（diaphragm）。该隔膜腔可用于供给许多一级流道，如图 6.15 所示，用于成型精密零件。与图 6.16 的分叉布局相比，这种辐射布局的浇注系统体积更小，流动更平衡。然而，随着型腔尺寸增大，就需要更长的一级流道并产生更多废料。
图 6.15：流道系统的辐射布局（图略）
图 6.16：流道系统的分叉布局（图略）
模具设计师可以自由开发最适合其注塑应用的浇注系统布局。如前所述，主要动机是在消耗最少材料的同时提供平衡的流动和最小的压力降。因此，许多浇注系统采用分叉与辐射混合的布局。图 6.17 显示了这样一种设计，它由带一级和二级流道的分叉浇注系统组成，然后供给四套独立的辐射式浇注系统，每套有四条三级流道。与图 6.15 和图 6.16 所示的浇注系统布局相比，混合布局的浇注系统设计消耗的材料更少，同时仍能提供自然平衡的流动。
图 6.17：流道系统的混合（分叉-辐射）布局（图略）
许多注塑应用的需求最好由不符合上述任何一种布局的定制浇注系统来满足。例如，许多多浇口制品要求浇注系统将熔体输送到型腔的不同位置。在这类注塑应用中，没有理由拘泥于分叉式、辐射式甚至自然平衡式布局。实际上，模具设计师应特意选择浇注系统布局并确定尺寸，以在期望的熔体压力下将期望的聚合物熔体量输送到型腔的不同部位。
图 6.18 显示了定制布局的一个例子。该浇注系统由四条一级流道组成。两条较长的一级流道通过四条二级流道将聚合物熔体输送到包围浇注系统的一个较大制品。靠近主流道的两条较短的一级流道用于供给较小的型腔，这些型腔成型与大成型件装配用的可选零件。这些二级流道可安装旋转式截断装置（shut-off），将其装入模具后可改变浇注系统的连通状态，从而在模具装机状态下生产不同组合的成型件。
图 6.18：流道系统的定制布局（图略）
浇注系统的性能最终取决于模具设计师根据注塑应用要求所发挥的创造力和细致程度。模具设计师在浇注系统设计中拥有很大的自由度。不过，一些通用准则如下：
- 浇注系统的总长度应尽可能短，以尽量减少 (a) 材料消耗和 (b) 浇注系统的压力降；
- 自然平衡的浇注系统在熔体流动、熔体压力和成型制品质量方面比人工平衡设计提供更好的型腔间一致性；
- 浇注系统的分叉总数应尽量减少，以避免过大的流道体积和潜在的熔体温度不平衡；
- 为在给定浇注系统体积下尽量减少压力降，浇注系统的直径一般在主流道处最大，并随着一级、二级及其他流道流量的递减而依次减小；
- 经济分析对于确定正确的型腔数量、型腔布局和浇注系统类型至关重要；并且
- 当两板模中的型腔妨碍期望的浇注系统布局时，应考虑采用热流道模具和三板模。
6.4.3 估算压力降
一旦确定了浇注系统的布局和长度，就应通过分析确定浇注系统各部分的直径。聚合物熔体在浇注系统中的流动处于层流状态。为验证层流，雷诺数 Re 应小于 2300：
其中
其中
对于幂律流体，无需计算剪切速率即可直接估算压力降：
其中
例题：
估算成型笔记本电脑面框时，图 6.19 所示热流道系统设计的压力降。
图 6.19：热流道浇注系统的尺寸（图略）
分析假设成型 ABS，入口处体积流量为 125 cc/s。为避免计算流道各部分的剪切速率，采用幂律模型，
取 17,000 Pa·sⁿ， 取 0.35。 热主流道衬套的孔长 90 mm，半径 6 mm。通过热主流道衬套的体积流量为 125 cc/s，因此通过主流道的压力降为
经过热主流道衬套后，熔体分叉为两股流动。由于多浇口笔记本电脑面框近乎对称，假设热流道系统每支腿的流量为入口流量的 50 %，即 62.5 cc/s。分流板每支腿长 118 mm、半径 5 mm，因此通过分流板的压力降为
为计算通过喷嘴的压力降，最准确的估算方法是分析锥形孔的每一段。然而，对于这种特定的喷嘴孔几何形状，将锥形孔建模为半径 3.5 mm、长 108 mm 的等截面段，可以得到合理的估算值。压力降为
通过热流道系统的总压力降为热流道系统各部分压力降之和：
相对于 150 MPa 的典型注射压力，这一压力降虽然显著，但是合理的。
6.4.4 计算流道体积
给定浇注系统各段的数量、长度和半径后，浇注系统总体积
其中
例题：
计算图 6.19 所示热流道系统设计的体积。
在该热流道设计中，有一个半径 6 mm、长 90 mm 的主流道。分流板中的一级流道由两段组成，每段半径和长度分别为 5 mm 和 118 mm。有两个喷嘴，每个孔长 108 mm，近似半径 3.5 mm。因此，总体积计算为
37 cc 的体积略大于制品的 27.5 cc，不会导致滞留时间过长或降解。实际上，在此薄壁注塑应用中，用稍大的直径重新设计热流道系统以获得更低的压力降可能更为可取。虽然在此热流道应用中可能没有必要减小浇注系统体积，但若将该设计中的大流道直径应用于三板冷流道系统，则很可能是不可接受的。
6.4.5 优化流道直径
一旦分析了通过浇注系统的压力降，就可以调整浇注系统设计以改善性能。可以进行多轮设计与分析迭代，以获得压力降低且材料消耗很少的设计。多元优化是一种数值技术，可用于同时最小化压力降和流道体积 [7, 8]。然而，这种方法需要时间来实施和验证，并且会向设计师掩盖分析的细节。
此处推荐的方法是利用基于约束的方法 [9]，在给定压力降约束的条件下直接求解最小流道系统直径。如果将某段流道的最大压力降规定为
然而，这种方法的困难在于表观粘度
然而，仍有一个问题：浇注系统各段的最大压力降应取多少。已知从注塑机喷嘴到型腔的总压力降规定值后，可以制定各种方案将压力降分配到浇注系统的各部分。最简单的方法是将整个浇注系统的最大压力降除以喷嘴与型腔之间的段数。例如，如果聚合物熔体流经一个主流道、一条一级流道和一条二级流道，而浇注系统的最大压力降为 30 MPa，则模具设计师可以选择为浇注系统各段分配 10 MPa 的最大压力降。
然而，这种方法的问题在于它没有考虑浇注系统各部分的长度。例如，一条很短的二级流道会被分配到与长一级流道相同的压力降。所得设计将是次优的：二级流道的直径偏小，而一级流道的直径偏大。
另一种简单的方法是按各流道段长度的比例分配浇注系统的压力降：
其中
例题：
计算图 6.19 所示热流道系统设计的最小直径，使通过浇注系统的压力降不超过 30 MPa。假设成型 ABS，注塑机提供 125 cc/s 的体积流量。
浇注系统从入口到出口的总长度为
分配给主流道的最大压力降为
给定主流道的这一压力降后，可由式 6.8 计算主流道直径：
类似地，分配给分流板的最大压力降为
给定分流板的这一压力降后，可由式 6.8 计算分流板中一级流道的直径：
类似地，分配给喷嘴的最大压力降为
给定喷嘴的这一压力降后，可由式 6.8 计算喷嘴孔径：
分流板与喷嘴中的流道直径相同并不奇怪，因为这两段流道 1) 具有相同的熔体流量，2) 根据式 6.9 被有意分配了相同的单位长度压力降。所得热流道系统设计的体积为 35 cc，压力降为 30 MPa，两者均比前一设计（体积 37 cc、压力降 31.4 MPa）低约 5 %。此外，通过在分流板和喷嘴中保持相同的流道直径，剪切应力更加均匀，出现死角和材料降解的可能性更低。
为了进一步减小流道系统体积，必须规定更小的浇注系统直径。这一操作将导致通过浇注系统的压力降增大，除非假设更高的熔体温度、更低粘度的材料或更低的流量。如果规定通过浇注系统的压力降为 50 MPa，则可重复上述优化方法，得到以下结果：
模具设计师可以重复分析，以评估不同压力降下浇注系统的体积。图 6.20 给出了浇注系统体积随最大压力降变化的曲线。为获得低压力降，需要较大的流道直径，这导致浇注系统体积很大。随着允许压力降增大到 100 MPa，浇注系统体积显著减小，但要以 125 cc/s 的流量输送熔体仍需 10 cc 的流道体积。
图 6.20：浇注系统体积随压力降和流量的变化（图略）
在优化浇注系统设计时，模具设计师需要假设充填阶段的流量和预期的压力降。图 6.20 还表明浇注系统设计将如何随充填阶段的体积流量而变化。较低的流量将产生较低的压力降，从而允许减小浇注系统的半径和体积。由于实际流量由注塑厂商在模具设计制造完成之后确定，模具设计师应与注塑厂商核实型腔的预期充填时间，并计算通过浇注系统的预期流量。如果流量不确定，模具设计师可按式 5.23 估算型腔中的熔体线速度，并假设流量在整个充填阶段恒定。
6.4.6 平衡流量
前面的分析和例题适用于自然平衡的分叉浇注系统。然而，该分析也可应用于家族模具和多浇口制品的”人工平衡”浇注系统设计。在这些应用中，浇注系统的每个分支可能需要不同的流量和压力降。
为在具有复杂型腔几何形状的模具中正确平衡流量和熔体压力，必须确保聚合物熔体大约在同一时间完成模具各部分的充填。因此，分析的第一步是计算输送到每个型腔（或对于多浇口制品，型腔各部分）的期望体积流量。然后假设该流量来估算每个浇口处的充填压力。一旦型腔压力已知，就可以用前面描述的分析方法设计流道系统各部分的压力降，以获得期望的型腔压力和流量。
虽然这种分析方法尽可能简单，但它没有考虑浇注系统本身充填时间的差异。这一误差通常可以忽略，因为对于冷流道模具，浇注系统体积相对于型腔较小；而对于热流道模具，浇注系统已被充满。即便如此，仍应评估浇注系统各分支和型腔的总充填时间与压力，以确保真正平衡的设计；可能需要多次迭代才能获得可接受的设计。
模具设计师应认识到，真正最优、平衡的模具设计极难实现。由于聚合物熔体是非牛顿流体，且剪切速率随流道直径和流量而变化，浇注系统上的不平衡是材料性能和工艺条件的函数。此外，不能保证为平衡充填阶段流量而设计的浇注系统也能平衡后充填阶段的保压压力。因此，模具设计师应通过确保型腔设计的一致性，尽量减少需要浇注系统进行的平衡量，并认识到静态浇注系统的性能是有限度的。
例题：
对两板模杯-盖家族模具中的浇注系统进行人工平衡。假设 ABS 在其中间范围的熔体温度下成型，型腔充填时间为 1 s。
首先估算充填杯子和盖子型腔所需的压力。对于 1 s 的充填时间，从杯子型腔浇口到型腔对侧的流动长度（参见图 6.5）约为 175 mm（等于底部直径加上两倍侧壁高度）。平均熔体线速度为 175 mm/s（等于流动长度除以充填时间），对应的体积流量为 44 cc/s（等于型腔体积除以充填时间）。使用 ABS 的幂律模型，根据式 5.22，充填杯子型腔所需的压力为
盖子没有杯子深，因此盖子的流动长度约为 110 mm。假设相同的 1 s 充填时间，盖子的熔体线速度为 110 mm/s，体积流量为 19 cc/s。充填盖子型腔所需的压力为
这两个充填压力相当接近。然而，流量差异显著。为实现不同的流量，必须设计一级流道的直径来限制流向盖子型腔的熔体流量。通过对浇注系统各分支应用不同的压力降和流量，可以用式 6.7（译注：原书如此，实为式 6.8 幂律形式）产生初步设计。由于充填压力较低，假设通往杯子型腔的一级流道上的压力降为 30 MPa，体积流量为 44 cc/s。长度为 38 mm 时，通往杯子型腔的一级流道半径为
通往盖子型腔的一级流道半径用类似方法计算，但采用不同的压力降和流量。对于包含杯子及其流道的模具一侧，从杯子型腔边缘到主流道衬套底部的总压力降为 30 MPa 加 18.2 MPa，即 48.2 MPa。因此，通往盖子型腔的一级流道上的压力降设计为 31.4 MPa，即主流道底部的 48.2 MPa 压力减去充填盖子型腔所需的 16.8 MPa。所需体积流量为 19 cc/s。通往盖子型腔的流道半径为
接下来需要检查浇注系统两个分支的充填时间。通往杯子和盖子型腔的一级流道体积约为 0.3 cc。由于该体积很小，充填时间约为 0.01 s。流道充填时间的任何差异都不会显著影响两个型腔的充填。
为完成设计，可用式 6.7 确定主流道的直径。主流道上的合理压力降可取为 20 MPa。根据质量守恒，通过主流道的流量须为通过各一级流道流量之和，合计 63 cc/s。长度为 76 mm 时，主流道半径可计算为
最后，可将冷流道系统的体积与成型件体积比较，以估算回用料百分比
：
这是一个非常低的百分比。然而应注意，对于型腔更多的两板模（如图 6.6 所示）或三板模（如图 6.7 所示），冷流道系统产生的废料往往会多得多。必要时，模具设计师可以通过提高浇注系统的压力降来减小浇注系统体积；如果计划大批量生产，也可以向模具最终用户推荐热流道系统以降低树脂成本。
6.4.7 估算流道冷却时间
对于冷流道模具设计，模具设计师应估算冷流道固化所需的时间以及型腔固化所需的时间。固化时间可通过第 9 章讨论的一维传热分析来估算。表 6.2（译注：原书此处表号与表 6.2”浇注系统类型”重复）给出了板条和圆柱几何形状的冷却时间公式，其中
表 6.2 冷却时间估算公式
| 几何形状 | 冷却时间 |
|---|---|
| 板条（strip） | |
| 圆柱（cylinder） |
在成型过程中，冷却时间将由模具中冷却时间最长的那部分决定。因此，没有必要计算浇注系统每个部分和每种型腔壁厚的冷却时间。模具设计师只需检查最厚型腔截面和最大浇注系统直径（通常是主流道底部直径）的冷却时间。如果浇注系统的冷却时间大大超过型腔的冷却时间，模具设计师应重新设计浇注系统，以避免延长成型周期。
例题：
验证杯-盖家族模具的浇注系统设计不会延长成型周期。假设材料为 ABS，熔体温度、冷却介质温度和顶出温度分别为 239 °C、60 °C 和 96.7 °C。
成型周期的冷却时间将由 3 mm 厚的杯子或直径 5.4 mm 的主流道的冷却时间决定。这两个时间估算为
（译注：原书此处单位误印为 m³/s，应为 m²/s。）
该分析表明两个冷却时间相当接近，但主流道的固化可能延长周期。然而，浇注系统不需要像成型件那样刚性即可顶出。如果在主流道充分固化之前开模，浇注系统可能难以顶出，原因可能是主流道粘在模具 A 侧，或者浇注系统过于柔软。为避免这一问题，可以减小主流道直径，尽管这样会产生更高的压力降。
6.4.8 估算滞留时间
对于热流道模具设计，模具设计师应检查聚合物熔体在热流道中的滞留时间，以确保塑料不会降解。滞留时间与热流道系统中聚合物熔体周转所需的周转次数（turns）直接相关，定义为
如果热流道体积相对于型腔体积很大，则可能需要许多个成型周期才能将新材料推过浇注系统。周转次数并不代表将热流道中旧树脂完全清洗干净所需的实际成型周期数，而是相当数量的新树脂被输送到型腔之前所需的最少成型周期数。
对于频繁更换树脂颜色的注塑应用，高周转次数是不利的。为便于频繁换色，模具设计师应优化浇注系统直径，将周转次数保持在最低水平。如果周转次数小于或接近 1，则相对于清洗注塑机注射装置的换色问题，热流道系统的使用不太可能妨碍换色。如果周转次数很大，达到 10 或更高的量级，则清洗热流道可能成为一个非常严重的问题，完全清洗低粘度树脂可能需要数百（甚至数千）个成型周期。
对于允许滞留时间较短的树脂，高周转次数也是不利的。热流道系统中材料的滞留时间约为
这一滞留时间是近似值，因为材料以不同速率流过热流道系统；热流道壁面附近和死角处的聚合物熔体的滞留时间可能比式 6.11 预测的长得多。此外，模具设计师应记住，流入热流道系统的材料已经在注塑机料筒中滞留了相当长的时间。因此，模具设计师应尽量减少周转次数，以缩短聚合物熔体的滞留时间和潜在的降解。
例题：
计算第 6.4.5 节所设计热流道的周转次数和滞留时间。
允许 50 MPa 压力降所得的热流道设计体积为 21.3 cc。由于面框型腔的体积为 27.5 cc，周转次数为
这是非常低的数值。每个周期新材料都会流过热流道系统进入型腔。在第 3.4.3 节中，成型周期估计为 13.5 s。热流道系统中的滞留时间估算为
与大多数聚合物约 15 min 量级的允许滞留时间相比 [10]，这一滞留时间非常短，不过许多生物塑料的热稳定性可能差得多 [11]。
6.5 实际问题
虽然本章迄今已讨论了浇注系统的目的、类型和分析，但在完成浇注系统设计之前，模具设计师还应考虑一些实际问题。
6.5.1 流道截面形状
上述分析适用于”整圆”（full round）圆形流道，因为这种流道在模具设计中极为常见且便于分析。然而，其他流道截面在实践中也相当常见，因为它们更容易加工。特别是梯形、圆底梯形和半圆形流道，通常只加工在模具的动模一侧，如图 6.21 所示。这种模具设计策略不仅减少了加工量，还减少了设计时间，以及因匹配整圆流道两侧而可能产生的加工或错位错误。
图 6.21：常见的流道截面形状（图略）
这些非圆形流道的主要缺点是其截面上剪切速率和剪切应力不均匀。例如，梯形流道易于加工，但靠近四个角的区域沿流道长度方向输送的流动很少。将梯形流道底面倒圆以消除两个角，可以改善其性能。然而，所有这些非圆形流道都必须做得稍大一些、消耗更多材料，才能提供与整圆流道相同的压力降。
前面描述的分析可调整用于非圆形流道截面。虽然结果不如整圆流道精确，但每种流道的水力直径
其中
表 6.3 不同流道截面的水力直径
| 流道截面（效率 %） | 公式 |
|---|---|
| 整圆（100 %） | |
| 梯形（78.5 %） | |
| 圆底梯形（87.9 %） | |
| 半圆形（61.2 %） |
表 6.3 中列出的效率定义为
结果表明，整圆流道是效率最高的截面设计，其后依次是圆底梯形、梯形和半圆形。
例题：
图 6.7 三板模中的一级流道为梯形截面。计算通过长 120 mm、宽 6 mm、深 8 mm、脱模斜度 5° 的一级流道的压力降。假设使用 ABS，流量为 44 cc/s。
首先，水力直径计算为
然后，使用幂律模型计算压力降，即将梯形流道当作具有水力直径的圆形流道来处理：
该梯形设计的尺寸过大，压力降虽低，但消耗了过多的材料和成型周期。应减小流道的深度和宽度。
还有一种流道截面在热流道系统中相当常见：环形截面。具体而言，许多热流道系统在喷嘴长度方向内置阀针，以物理方式关闭浇口，这将在第 7.2.9 节讨论。在这种设计中，聚合物熔体在圆柱形浇口套与圆柱形阀针之间流动，形成如图 6.22 所示的环形通道。
图 6.22：针阀浇口热流道中的环形截面（图略）
通过环形截面的聚合物熔体流动，可以通过改写板条中粘性流动的方程来很好地近似。具体而言，板条的宽度可用熔体圆环平均直径处的周长代替，板条的厚度用阀针与喷嘴孔之间的距离代替。在式 5.17 中进行这些替换后，得到牛顿流体在环形截面中压力降与流量的关系：
其中
例题：
计算通过针阀浇口喷嘴的压力降，该喷嘴长 150 mm，孔径 10 mm，阀针直径 5 mm。假设材料粘度为 100 Pa·s，流量为 50 cc/s。
将这些值代入式 6.14，估算的压力降为
6.5.2 拉料针
三板模设计（如图 6.8 所示）经常使用主流道拉料杆，或称”拉料针”（sucker pin），在开模时将冷流道系统粘附在脱料板上。在这种情况下，拉料针用于沿主流道提供足够的拉力，使过大的拉应力将主流道与成型件之间的浇口拉断。如果没有拉料针，冷流道系统将随型腔板移动且难以取出，因为：
- 浇口仍然连接着，并且
- A 板上没有提供顶出流道系统的机构。
类似地，模具设计师在设计两板模时也应考虑拉料针的必要性。主要问题是冷流道系统可能因 A 板表面的真空吸附，或主流道顶部塑料熔体与注塑机喷嘴凝固在一起而粘附在模具 A 半侧。如果冷流道系统留在模具定模一侧，而所有顶出机构都在模具动模一侧，则流道系统无法自动顶出。注塑机操作员很可能需要暂停注塑机以手动取出流道系统。此外，如果注塑机正在自动循环运行，则注塑机可能会在流道系统仍在模内的情况下尝试合模。
为避免这些问题并提高成型操作的可靠性，可以在浇注系统的多个位置设置拉料针。也许最重要的拉料针是位于主流道底部的主流道拉料杆，如图 6.4 和图 6.5 所示，它能最有效地将主流道从注塑机喷嘴上拉脱，并将主流道留在模具动模一侧。在该设计中，主流道底部的反锥度形成倒扣，将主流道拉住。随后通过主流道顶杆的前向动作将该倒扣剪断。
其他拉料针可设置在冷流道系统的各个位置，必要时也可设置在型腔内。如图 6.23 所示，其设计与主流道拉料杆非常相似。关于设计，建议拉料针凹窝的直径略小于相应流道的直径，以避免延长冷却时间。拉料针的高度和锥角应足以将流道从模具定模侧拉脱，同时不消耗过多材料，也不会在前向动作时使相关顶杆屈曲。典型的高度和锥角分别为流道直径的一半和 5°。
图 6.23：冷流道的两种拉料针设计（图略）
图 6.23 左侧的实现方式值得简要讨论。在这种实现方式中，顶杆置于流道下方，并开有反锥度槽以在顶出前保持流道。与右侧的实现方式相比，开槽顶杆的加工简单得多，也更容易维护。然而有两个常见问题。第一，如图所示，顶杆略微凸入流道截面。虽然这一凸出不会显著改变通过流道的流量或压力降，但有微小的可能意外造成熔体前沿出现不期望的扰动或不稳定。因此，最好使顶杆顶部与流道底部对齐。第二，如果使用多根开槽顶杆来保持和顶出流道系统，模具设计师应考虑倒扣槽的相对取向。如果槽的取向不受控制、角度随机，则流道系统可能在顶出时以随机方式意外卡在拉料针上，妨碍实现全自动成型循环。
6.5.3 流道截断装置
模具设计师应考虑使用冷流道截断装置（runner shut-off），为注塑厂商提供制造灵活性。流道截断装置的一些常见用途包括：
- 在模具修复之前，临时切断流向受损型腔的流动；
- 根据生产要求，在家族模具中选择运行不同组合的型腔；以及
- 改变多浇口制品的浇口位置和流动。
因此，注塑厂商可利用流道截断装置避免成型有缺陷或不需要的制品，并无需修改模具即可改善多浇口制品的质量。用流道截断装置临时封闭受损型腔的做法存在一定争议，因为它 1) 需要改变注塑机的工艺条件（尤其是注射量和注射速度），2) 可能使各型腔之间的流动和传热失去平衡或发生其他改变。除非注塑厂商针对新的型腔组合重新验证成型工艺，否则型腔截断装置不应用于高精度注塑应用的商业化生产。
图 6.24 显示了流道截断装置设计的等轴测分解装配图。在该设计中，一个可旋转的圆柱形镶件（件号 50）被保持在外壳（40）与挡圈（60）之间，挡圈抵靠在模板上加工的圆柱形凹腔的底面上。流道镶件可在模具装机状态下方便地旋转。用一个弹簧加载的钢珠与镶件背面的沟槽（54）啮合，确保镶件在后续成型周期中不会意外转动。虽然图 6.24 的设计提供了”T”形分叉流道，但该截断装置组件以未完工状态供货，可加工成各种流道配置，最常见的是”T”形、“L”形和直通形。市售截断装置的价格约为 150 美元，适用于 2 mm 至 9.5 mm 的流道直径。
图 6.24：美国专利 5,208,053 的流道截断装置设计（图略）
6.5.4 标准流道尺寸
设计冷流道模具的浇注系统时，模具设计师应规定能用现成刀具加工的流道直径。最常用的锥度铣刀、立铣刀和球头铣刀尺寸为 1/32”、1/16”、3/32”、1/8”、3/16”、1/4”、5/16”、3/8”、7/16”、1/2”、2 mm、3 mm、4 mm、4.5 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm 和 12 mm。为获得最易于制造的冷流道设计，可能有必要将直径圆整到标准尺寸，并通过分析验证设计性能。但是，如果非标准流道尺寸能减少材料消耗并使熔体流动更平衡，则可以而且应当规定非标准流道直径。
热流道系统同样有一系列标准孔径可供选择，通常以 1 或 2 mm 为增量分档。标准直径和设计因热流道供应商而异。一些供应商可能提供 5、7 和 9 mm 的孔径，而另一些供应商可能提供 4、6、8 和 10 mm 的孔径。大多数有竞争力的供应商会对浇注系统进行流动分析，并就热流道技术和尺寸提出建议。然而，模具设计师应核实这些建议的适当性。与冷流道定制直径的规定一样，许多热流道供应商会以额外费用提供定制尺寸。
6.5.5 钢料安全设计
浇注系统的设计对注塑成型至关重要，但往往存在不确定性。一个常见问题是：现有注塑机能否用流动特性未知的材料充满模具。另一种情况是：正确平衡家族模具或复杂多浇口制品所需的确切熔体流量和压力可能不确定。
在不确定的情况下，模具设计师应规定”钢料安全”（steel safe）的浇注系统尺寸，即设计应去除比最终所需更少的模具钢料。因此，模具设计师可能希望将浇注系统尺寸向下圆整一到两个标准尺寸。这样做，模具设计师将施加比分析预测更大的压力降并使用更少的材料。偏小的浇注系统有相当的机会能够正常工作。此外，如果浇注系统需要一次或多次修改，“钢料安全”设计可以方便地加工扩大流道尺寸，以改善模具性能。
例题：
如果分析表明某冷流道的最佳直径为 4.6 mm，请建议一种”钢料安全”的流道设计。
如果浇注系统分析得出的流道直径为 4.6 mm，则模具设计师可以规定 4.5 mm 甚至 4 mm 的直径作为”钢料安全”设计。相比之下，如果模具设计师向上圆整到 5 mm，该设计虽然提供了较低的压力降，但在模具的整个使用寿命中都会消耗不必要的材料。而且，如果注塑厂商希望减小 5 mm 的直径，模具将需要更大规模的返工，包括对旧浇注系统进行型腔铣削、制造并装配合适尺寸的镶件、焊接和/或增加紧固件，最后再加工新的、更小的浇注系统。虽然本例题侧重于冷流道的钢料安全设计，但钢料安全概念同样适用于热流道设计。
6.6 先进的浇注系统
6.6.1 绝热流道
如前所述，最常见的浇注系统类型是冷流道和热流道。这两种浇注系统都有缺点。冷流道会因形成浇注系统而产生大量材料浪费，并可能延长成型周期。热流道则有与温度控制系统相关的额外成本和复杂性，以及温度波动和换色问题的可能。作为冷流道和热流道设计的替代方案，绝热流道（insulated runner）被设计出来，试图消除这些缺点。图 6.25 显示了一种绝热流道设计 [12]。其设计布局与三板模非常相似，有流道段 15、型腔段 16 和型芯段 17。流道布局也类似：主流道 19 将熔体输送穿越模板厚度，到达一级和二级流道 18，后者将熔体沿分型面输送到第二组主流道 22 和 23，再将熔体向下输送到型腔。然而，与传统三板模不同，浇注系统的所有段都被有意设计成大直径。此外，流道段 15 固定在型腔段 16 上，在正常成型过程中完全不开模。
图 6.25：绝热流道设计（图略）
在成型过程中，熔体从注塑机喷嘴注入并完全充满浇注系统。流道表面立即形成凝固表皮 18a 和 18b。然而，凝固表皮不会贯穿整个流道，因为：
- 塑料的热导率非常低，并且
- 每个成型周期都会将来自注塑机的热聚合物熔体输送到整个浇注系统中。
因此，熔融芯部的直径在成型周期中几乎保持不变。这样，绝热流道可以像热流道一样运行，尽管没有任何加热器、热电偶或温度控制器。换色问题则通过将流道段 15 从型腔段 16 上释放、取出完全固化的浇注系统来解决。
图 6.25 的设计专门用于成型聚乙烯和聚苯乙烯等半结晶聚合物。实验采用约 25 mm 的流道直径和约 60 s 的成型周期；表皮厚度约为 6 mm。当然，流道直径的最佳规定将取决于材料性能、熔体与模具温度以及流量和成型周期。使用内部加热器和隔热层（如图 6.25 所示主流道镶件 39a 和 39b 周围的空气间隙 40a 和 40b）可以提供更强的工艺稳健性，尽管设计复杂性增加了。也许正是由于这些工艺上的不确定性，随着热流道的商品化，绝热流道系统的使用已经减少。即便如此，绝热流道仍能以低成本提供良好的性能；作者建议模具设计师在未来的原型模塑应用中考虑采用它们。
6.6.2 叠层模
当塑料熔体在高压下注入型腔时，需要很大的锁模力来保持模具闭合，使熔体不会溢出型腔。由于锁模力与型腔的投影面积成正比，锁模力随分型面上型腔数量成正比增加。然而，如果型腔”叠置”（一个叠在另一个上面），则用于闭合一组型腔的锁模力也可用于闭合叠层中的任何其他组型腔。
图 6.26 显示了这样一种叠层模设计，它设计用于在通常成型一张乙烯基唱片所需的锁模力和成型周期下成型两张唱片 [13]。在该设计中，两组压模（stamper）安装在内板 12 与两块外板 14 和 16 之间；内板 12 由轴承 20 导向。熔体从注塑机喷嘴 54 经加长主流道 40 流向成型唱片的两组型腔。塑料固化后，熔体截流杆 65 动作，用截断件 66 封住主流道入口 51。该动作同时将主流道 40 与滑槽 64 连通，使主流道可通过主流道顶出杆 75 的动作从成型件上剥离。然后退回主流道顶出杆并开模，顶出成型的唱片。
图 6.26：早期的叠层模设计（图略）
图 6.26 所示模具设计有两个缺陷。第一，该叠层模需要形成主流道，这是废料。第二，由于通往左侧型腔的主流道长度更长，流向两个型腔的熔体不平衡。这两个缺陷在采用热流道系统的现代叠层模设计中都已解决；图 6.27 显示了这样一种叠层模设计 [14]。在该设计中，中央活动板 56 在相对的两个分型面 62 和 64 上容纳两组型腔 60。热分流板 65 通过流道 70 及后续的浇口套将聚合物熔体输送到型腔。该设计使用两个单轴针阀浇口，将熔体从注塑机喷嘴 17 穿越分型面 62 输送到分流板 65。在成型过程的充填和保压阶段，执行器 50 和 54 退回阀针 24，将熔体从喷嘴输送到分流板。否则，阀针在塑化、冷却和模具复位阶段封住浇注系统。
虽然叠层模设计增加了模具的叠合高度和复杂性，但它能够以与单组型腔相同的成型周期和锁模力成型两组型腔。此外，流向两组型腔的流动完全平衡，并且热流道浇注系统不产生材料浪费。鉴于这种叠层模设计带来的显著制品成本降低，具有两层、三层和四层次型腔的叠层模现已相当普遍。显然，叠层模设计需要在潜在的加工成本节约与涉及投资、维护、换色、叠合高度和注射量的问题之间仔细权衡。
图 6.27：热流道叠层模设计（图略）
6.6.3 分叉流道
“自然平衡”分叉流道（如图 6.28 所示 [15]）的一个潜在问题是，熔体流动及相关剪切引起的温度变化会造成流动不平衡 [16]。尽管浇注系统在几何上是平衡的，但人们观察到，在分叉浇注系统中，不同位置型腔成型的制品可能更大、更重。流动不平衡是由层流塑料熔体流经流道系统时内部不对称的剪切分布造成的。具体而言，在浇注系统中，剪切速率和温度沿流道半径呈一定分布：流道中心处较热的聚合物熔体被一层剪切更强、温度更高、粘度更低的塑料熔体包围。当层流熔体到达流道系统的分叉处时，低粘度熔体保持在其外侧位置，而芯部粘度较高的熔体被劈开并流向分叉 14 的对侧。这种粘度的横向变化将在下一个下游分叉 16 和 22 处造成不均匀的流动分布。
图 6.28：分叉流道系统（图略）
要解决流动不平衡，必须消除聚合物熔体中的横向粘度变化。一种方法是图 6.29 所示的”熔体翻转器”（melt flipper）设计 [15]，它在分叉之前施加一个高度变化。具体而言，图 6.29 中的上游段 100 对应于图 6.28 中的一级流道 12，下游段 104 对应于二级流道 14。在分叉之前，导流块 106 迫使熔体向上进入流道延伸段 102。当熔体随后向下流入流道 104 时，粘度较高的内芯被引导到与高度变化相反的一侧流道壁。由于粘度变化现在沿流道竖直方向分布，当下游流道横向分叉时，熔体流动便达到平衡。
图 6.29：高度变化模具镶件，亦称 Melt Flipper（图略）
图 6.29 给出了一套实现高度变化的镶件设计。型腔镶件 150 和型芯镶件 156 置于上游与下游流道之间任何需要的交汇位置。凹陷的型腔 164 和凸起的型芯 162 实现高度变化。由于粘度变化只是被重新定向而非被消除，因此在连续的流道分叉处使用多个高度变化镶件会重新建立流动不平衡。最近的研究表明，流动不平衡及控制熔体流动的能力与熔体流变特性和工艺条件有关 [4]。为此，人们又开发了其他设计来调整浇注系统中的粘度分布 [17]。
6.6.4 动态熔体控制
采用静态模具组件的注塑成型无法直接控制模具各处的熔体压力和温度。增加自由度有许多可能的概念 [18]，但一种方法是提供瞬时改变流道系统各分支流动阻力的手段。如图 6.30 所示 [19]，一种设计采用一组战略性布置的可变阻抗熔体阀，每个阀由快速响应的液压执行器单独控制。这些阀在锥形阀杆 45 与孔 19 的锥形表面 47 之间设计有可调节的环形间隙 81。由于流动阻力由阀杆与模具壁面之间的环形间隙决定，阀杆的轴向位移可用于有选择地改变通过每个阀的流量和压力降。当用于闭环控制系统时，这种方法可以同时控制多个型腔压力。
这种系统实现为成型过程引入了三个新特性。第一，各阀的独立控制使型腔多个区域的压力和流动得以解耦。以前，旨在改善制品某一区域的改变可能会对型腔其他区域产生不利影响，因为工艺改变无法独立控制。有了这一过程，通过每个阀的流动可以独立控制，为成型过程带来额外的自由度 [20]。第二，可以利用该系统的能力在成型周期内动态调整阀的位置。例如，这一策略可用一组阀位置在充填阶段对流量进行曲线控制，随后用一组完全不同的阀位置对保压压力进行曲线控制，从而先平衡充填时间，再最大化熔接线强度 [21]。第三，该过程的动态能力允许根据型腔内工艺传感器的反馈快速控制各阀，从而实现对直接决定制品质量的型腔状态变量的闭环控制 [22]。注塑机输入参数、机器行为或材料性能的变化都可得到动态补偿，从而生产出一致的制品。此外，对型腔变量的直接控制使得可以利用压力测量作为工艺控制技术，自动检测质量问题。在许多情况下，这可以免除对制品质量的人工检验。由于注塑机的动态特性与型腔解耦，注塑机性能的细节变得不那么重要。
图 6.30：动态浇注控制（图略）
闭环熔体控制系统的尺寸、复杂性和成本可能在许多注塑应用中构成显著的实施障碍。为降低系统的成本和复杂性，人们开发了一种自调节阀设计 [23]，如图 6.31 所示 [24]，它与开环控制系统设计配合工作，且不需要任何熔体压力传感器。进入流道 14 的熔体将流入孔口 20b 并绕过阀针头部，在阀针投影面积上施加动态力 24，该力倾向于切断熔体流动并降低熔体压力。与此同时，一个反向的控制力 26 施加在阀针的杆部 16 上，该力倾向于增大熔体流动和熔体压力。结果，阀针将移动直至动态力 24 与控制力 26 之间建立平衡。换言之，控制力 26 与动态力 24 之间的任何差值都会引起控制件 16 的移动，直至控制力与动态力达到平衡，从而调节熔体压力。
图 6.31：自调节阀设计（图略）
出口熔体压力的大小将近似等于控制力除以阀的投影面积。先前的研究 [25] 表明，沿阀针 16 长度方向的剪切应力和压力降可能导致输出熔体压力出现百分之几的误差。如果控制力由液压或气压缸提供，则输出熔体压力等于供给执行器的压力乘以一个增压系数，该系数通常为 100 : 1 量级，由执行器的推压面积与阀针头部面积之比决定。通过在成型过程中控制供给每个阀缸的驱动压力，成型过程可以比传统注塑成型更一致、更灵活，且不需要型腔压力传感器或闭环控制系统。
6.7 本章回顾
浇注系统类型的选择是模具设计中最关键的决策之一，因为它决定了模具的类型，并在很大程度上影响模具的购置和运行成本。两板冷流道模具设计最简单，易于制造，对于型腔数量较少的情况可以相当有效。三板模和热流道模具设计为浇注系统设计提供了更大的灵活性，更适合型腔和/或浇口数量较多的情况。在所有设计中，热流道模具提供最小的压力降、最少的材料消耗和最快的成型周期。然而，热流道系统需要可观的前期投资和更高的注塑厂商能力，并可能妨碍小批量成型件的生产。
所有浇注系统都应尽量减少浇注系统长度，以降低材料消耗和压力降。浇注系统各处直径的优化需要在压力降与浇注系统体积之间进行权衡。较小的直径消耗材料较少，但压力降较高。如果通过流道的压力降过高，注塑机可能无法用可用的注射压力完成所有型腔的充填。因此，模具设计师应针对注塑应用进行适当的分析，并提供”钢料安全”的浇注系统设计，以便在需要时方便地修改。
在可能的情况下，浇注系统设计应采用辐射式、分叉式或混合式布局来实现自然平衡。熔体流量的人工平衡——例如在家族模具或复杂多浇口制品中——可以通过使用不同的直径，有意在浇注系统各分支上施加不同的压力降和流量来实现。根据注塑应用的不同，可以在流道系统的多个交汇处设置截断装置，以将流动引导至不同组合的流道和型腔。
读完本章后，你应理解：
- 浇注系统设计中应考虑的目标，包括熔体输送、最小化压力降、最小化材料消耗，以及平衡熔体流量和/或压力；
- 两板模、三板模和热流道模具设计的形式、功能、优点和缺点；
- 浇注系统设计的不同布局，包括串联式、分叉式、辐射式、混合式和定制式设计；
- 如何用牛顿模型和幂律模型分析浇注系统中的压力降；
- 如何优化浇注系统直径，在不施加过大压力降的情况下减少材料消耗；
- 如何在多浇口或多型腔模具中人工平衡熔体流量；
- 如何估算冷流道的冷却时间；
- 如何估算热流道中的滞留时间；
- 如何选择流道截面、计算水力直径，并估算非圆形截面浇注系统中的压力降；
- 如何在两板模和三板模设计中使用拉料针；
- 何时以及如何使用流道截断装置；
- 如何调整分析结果以提供标准的和”钢料安全”的浇注系统设计；以及
- 绝热流道、熔体翻转器和动态熔体控制系统在改善质量或竞争力方面的潜力。
第 5 章重点讨论了型腔的充填分析与设计。本章重点讨论了浇注系统的充填与设计。下一章将通过浇口的设计与分析，把浇注系统与型腔连接起来。此后，本书将从模具充填系统转向其他模具子系统，包括排气、冷却、顶出等。
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