第7章：浇口设计
浇口承担着连接流道与模具型腔、并引发熔体流入型腔的重要功能。浇口有许多不同的类型，最常见的浇口类型是侧浇口和点浇口。回顾第 3.3 节的成本估算可知，进浇部分在模具成本中只占很小比例，但对模具的运行有着重大影响。了解何时使用何种类型的浇口、以及如何正确确定浇口的尺寸，可以降低模具返工的可能性。
7.1 浇口设计的目标
7.1.1 连接流道与模具型腔
浇口的首要功能是连接流道与模具型腔，使聚合物熔体能够在整个型腔内流动以形成塑件。虽然这是一项简单的功能，但浇口的设计提供了一种手段，通过调整浇口的位置或尺寸，可以对熔体的流动进行精细调节。
7.1.2 提供自动去浇口
为了经济地使用注塑模具，浇口和流道应在顶出时自动与塑件分离。否则，可能需要操作人员手持塑件，用浇口剪将浇口和流道从塑件上剪除。使用操作人员显然会给注塑厂带来更高的人工成本。此外，由操作人员处理和去浇口还会限制成型周期，并给塑件引入缺陷。
有三种常见的自动去浇口方法。第一，可以利用模具的开模动作将塑件与进浇系统分离。这种用法常见于采用潜伏式浇口的两板式模具或采用点浇口的三板式模具。第二，可以使用带有热浇口或阀式浇口的热流道，从而完全消除成型后去浇口的需要。第三，可以使用配备切割器的机械手，在取件和放置塑件的过程中增加去浇口步骤。如果采用第三种方法，模具设计者应与注塑厂讨论替代的浇口类型和位置，以便为塑件的拾取和进浇系统的去浇口提供操作空间。
7.1.3 保持塑件美观
由于浇口在物理上与塑件相连，去除浇口后会在塑件表面留下痕迹。一种常见的方法是使用非常小的浇口（如点浇口），并结合粗糙的表面纹理，使浇口痕迹不那么明显。解决该问题的另一种常见方法是将浇口布置在不可见的表面上，例如在侧壁下方进浇而不是向侧壁进浇。图 7.1 演示了将浇口重新布置到非美观表面的做法。但应注意，可能需要小心地去除浇口，因为任何明显的浇口痕迹都可能干扰产品装配中的配合表面。
图 7.1：为改善美观而重新布置浇口（图略）
7.1.4 避免过大的剪切速率或压力降
美观性和去浇口都要求浇口尺寸较小。然而从流动的角度看，小浇口会产生过大的剪切速率和压力降 [1]。由此可能产生的缺陷包括：
- 材料降解；
- 熔体以非层流方式流入型腔并产生喷射；
- 银纹（splay）及其他外观缺陷；
- 充模时间延长；以及
- 短射。
基于这些原因，应计算剪切速率，并验证其低于最大允许值。附录 A 提供了部分材料的最大剪切速率，但模具设计者应向材料供应商咨询针对具体应用的数据。如果剪切速率在允许范围内，则压力降通常也是可以接受的。不过，模具设计者仍应计算压力降，以确保其不致过大。通过浇口的典型压力降约为 2 MPa（300 psi），而 6 MPa（900 psi）则可能过大，具体取决于用于充满型腔的可用熔体压力。
7.1.5 控制保压时间
浇口的另一项重要功能是控制熔体进入型腔的充填后时间（通常称为保压时间）[2]。在型腔充满聚合物熔体后，成型机保持较高的熔体压力，迫使额外的熔体进入型腔，以补偿型腔内熔体冷却时产生的体积收缩。真正决定型腔内聚合物熔体所需保压时间的是浇口，而不是成型机。
考虑过小或过大的浇口设计。如果浇口过小，浇口中的熔体会过早凝固，阻止额外的熔体进入模具。结果，型腔中的聚合物可能产生过大的体积收缩，导致尺寸和美观性能不良。反之，如果浇口过大，浇口则不能及时凝固。在这种情况下，成型机需要保持很长的保压时间。如果采用较短的保压时间，型腔中的熔体将流出型腔、回流到流道系统和成型机中。结果，型腔中的熔体同样可能产生过大的体积收缩，导致尺寸和美观性能不良。基于这些原因，应计算浇口的理论最小保压时间，并与预期的工艺参数核对。如果保压时间出乎意料地短或长，那么即使剪切速率和压力降经检验合格，也应调整浇口尺寸。
7.2 常见浇口设计
下面讨论最常见的几种浇口设计。还存在许多其他类型的浇口；下面讨论的各类浇口设计应加以定制，以最好地满足各成型应用的要求。
7.2.1 直接浇口
直接浇口使熔体从主流道直接流入模具型腔，如图 7.2 所示。直接浇口最常用于单型腔模具，其中模具的主流道衬套直接抵住型腔表面。直接浇口本身就是主流道底部与型腔顶部之间的接口。由于它没有长度，因此不存在与直接浇口相关的压力降。在校核剪切速率时，应采用主流道的最小直径。鉴于大多数主流道设计的尺寸相对较大，其压力降和剪切速率相对较低，因此可以实现较高的进入型腔的体积流量。
图 7.2：直接浇口设计（图略）
直接浇口的一个显著缺点是由于其直径较大而难以去浇口。虽然在许多应用中操作人员可以用浇口剪手动去除主流道凝料，但对于主流道直径较大或使用韧性工程材料的许多应用，则需要动力切割工具。此外，去除直接浇口会留下较大的浇口痕迹，可能干扰产品的使用。在图 7.2 所示的设计中，杯底周边设置了一圈小凸缘，以便去除主流道后杯子能够平稳放置。如果不希望有这样的凸缘，则可以如图 7.3 所示，在直接浇口周围设计一个凹槽，为浇口痕迹提供间隙。
图 7.3：直接浇口周围的凹陷浇口窝（图略）
7.2.2 点浇口
点浇口是一种常见的浇口类型，通过如图 7.4 所示的小圆柱孔将主流道或流道连接到模具型腔。点浇口因其尺寸小而常被采用——小尺寸使去浇口容易且浇口痕迹最小。点浇口常与具有反向锥度主流道的三板式模具配合使用。由于点浇口尺寸小，如第 6.3.2 节所述，开模时即可轻松实现去浇口。点浇口也常用于两板式模具，将流道连接到型腔侧壁。然而与其他类型的浇口相比，熔体流经如此小的孔口会产生较高的压力降和剪切速率。
图 7.4：带倒置主流道的点浇口设计（图略）
点浇口的直径应足够大以避免过大的剪切速率，同时又足够小以实现期望的去浇口效果和美观性。点浇口的长度通常与其直径同数量级，只需足够长以保证模具的可制造性。设计得当的点浇口在型腔表面与浇口断裂点之间应具有反向锥度，如图 7.4 所示。可以如图 7.3 所示在浇口窝中设置凹槽，为去浇口后的浇口痕迹提供间隙。浇口与主流道或流道之间也应设计平滑过渡。
7.2.3 侧浇口
侧浇口是一种非常常见的浇口类型，用于将冷流道连接到型腔边缘。参考图 7.1，此前已讨论过杯子的侧浇口设计与再设计。另一种侧浇口设计如图 7.5 所示。在该设计中，侧浇口连接到面板（bezel）支撑框架的内周边。由于该浇口位置位于屏幕组件内部，去除浇口后残留的任何浇口痕迹都不会被塑件的最终用户看到。因此，侧浇口可以并且应当利用相邻壁面的全厚度，而不必在框架下表面下方进浇。
图 7.5：侧浇口设计（图略）
与点浇口相比，侧浇口的剪切速率和压力降大大降低。模具设计者可以根据应用需要选择浇口的厚度、长度和宽度数值。一般而言，图 7.5 所示的侧浇口厚度 H 应小于塑件的壁厚，但如果剪切速率是关注点，则可以接近塑件的厚度。浇口宽度 W 应小于流道直径，但应足够宽以避免过大的剪切速率。侧浇口的长度应尽量小，但要足够长，以便成型机操作人员能够用浇口剪进行去浇口操作。
7.2.4 搭接浇口
搭接浇口可以视为侧浇口的一种变体，其中为了改善进浇而在塑件上永久添加一个搭片。例如，图 7.5 中的侧浇口设计可能存在问题，因为熔体从流道流入面板的薄内框架，这会导致流动过早凝固封口，并在周围较厚截面处产生过大的体积收缩。为了改善流动，专为进浇目的在型腔中添加一个搭片、加强筋或其他特征，如图 7.6 所示。在该设计中，设置了一条厚度 H（如图 7.6 所示）等于塑件公称厚度的加强筋，将流道连接到薄内框架之外塑件较厚的部分。由于搭接浇口的厚度大于薄框架的厚度，顶面可能会出现缩痕。但在本应用中这一问题并不显著，因为该区域被屏幕组件遮盖。
图 7.6：搭接浇口设计（图略）
搭接浇口在成本和成型性能方面可以极为有效。其有效性的关键在于确定合适的进浇区域，使其残留部分不会影响所得塑件的美观或功能。一旦确定了这样的进浇区域，模具设计者应选择适合该应用的任何搭片几何形状和尺寸。通常，厚度和宽度与塑件公称厚度同数量级，而长度则尽量缩短以连接到最近的可用流道。
7.2.5 扇形浇口
扇形浇口可以视为侧浇口的另一种变体，其中扇形浇口在塑件处的宽度超过流道直径。一种扇形浇口设计如图 7.7 所示。在该设计中，选择扇形浇口的宽度是为了避免熔体以高体积流量流入型腔时产生过大的剪切速率。鉴于大多数扇形浇口的宽度较大，进浇系统通常需要用动力浇口剪、往复锯或修边机去除。
图 7.7：扇形浇口设计（图略）
扇形浇口的一种常见用途是提供从浇口出发的线性熔体流动，而不是前述浇口设计所产生的径向流动。图 7.8 展示了一个采用扇形浇口的简单平板塑件应用。要使该设计有效，必须满足两个条件。第一，扇形浇口必须横跨期望实现线性流动的塑件宽度。第二，沿扇形浇口宽度方向的流动阻力必须可以忽略。已开发出多种扇形浇口几何形状，用以调节沿浇口宽度方向进入型腔的流量。图 7.8 所示的设计是典型的，由流道圆形截面与型腔矩形截面之间的简单放样（过渡）构成。
图 7.8：为线性流动设计的扇形浇口（图略）
7.2.6 薄膜/隔膜浇口
虽然扇形浇口很有效，但另一种替代方案是薄膜浇口（flash gate，又称 film gate）。“flash”一词意味着熔体流经非常薄的截面。相应地，薄膜浇口由一个厚圆形截面与一个与之相邻的薄矩形截面构成，如图 7.9 所示。成型过程中，熔体将从流道进入厚圆形截面。相邻的薄截面会使熔体流动减慢、冷却并可能凝固，而熔体同时充满厚截面。一旦熔体到达厚截面的末端，熔体压力将显著升高，迫使薄截面中已凝固的材料流动。由于沿厚截面的流动阻力与横跨薄截面的流动阻力相比很小，薄膜浇口沿其宽度方向向型腔提供近乎线性的熔体流动。
图 7.9：薄膜浇口设计（图略）
薄膜浇口的概念可以扩展到圆柱几何形状，以提供无熔接线的线性熔体流动，如图 7.10 所示。在该设计中，使用一个厚实的实心”隔膜”将熔体从主流道输送到型腔的内周边。然后采用较薄的浇口截面以确保型腔均匀充填，并协助将隔膜从塑件上去除。尽管隔膜浇口的几何形状是圆柱形的，但其剪切速率和压力降的分析应按照条形（strip）几何正确进行：厚度为 H，宽度等于隔膜的周长。
图 7.10：隔膜浇口设计（图略）
薄膜浇口通常可以由操作人员去除而无需动力辅助切割工具，方法是以薄膜浇口为铰链反复弯折塑件。然而由于隔膜浇口的几何形状，通常需要动力工具或冲床来去浇口。薄膜浇口和隔膜浇口都会留下痕迹线，因此希望尽量减小浇口厚度；典型厚度约为 0.2～0.6 mm，或约为塑件厚度的三分之一。这些浇口的几何形状和薄度看似会给熔体施加过大的剪切速率和压力降。然而，这些浇口的大宽度意味着即使在高体积流量下，熔体的线速度也相对较低。因此，这些浇口可以被有效地设计成产生适中的剪切速率和压力降。
7.2.7 潜伏式/潜水式浇口
除了与三板式模具配合使用的点浇口之外，前述所有浇口设计都需要由某个成型后系统（通常是操作人员）将进浇系统从塑件上去除。潜伏式浇口是一种常见的浇口类型，可视为点浇口的一种变体。其主要优点是潜伏式浇口能够在简单的两板式模具的开模动作下实现自动去浇口。盖子塑件的潜伏式浇口设计如图 7.11 所示。与点浇口相比，其变化看似只是外观上的——增加了一些弯折和锥度。就塑料熔体的流动而言，这些差异可以忽略，因此潜伏式浇口的尺寸应按前述方法确定，以提供合理的剪切速率和压力降。
图 7.11：潜伏式浇口设计（图略）
初看之下，潜伏式浇口似乎与点浇口非常相似。然而，它们在结构和功能上有显著差异。通过考察模具设计可以理解潜伏式浇口的功能。带潜伏式浇口的闭合模具的截面如图 7.12 所示。潜伏式浇口功能的关键在于它”潜穿”型腔镶件。如图 7.13 所示，开模时塑件将脱离型腔镶件，并连同潜伏式浇口一起留在型芯上。与此同时，模具的开启迫使流道的潜伏段暂时留在型腔镶件中。型芯镶件远离型腔镶件的运动使潜伏式浇口在其与塑件的接合处断裂。随后，塑件和进浇系统即可像常规注塑成型过程一样被顶出。
图 7.12：带潜伏式浇口的闭合模具截面（图略）
图 7.13：带潜伏式浇口的微开模具截面（图略）
潜伏式浇口在型腔处的直径应设计为避免过大的剪切速率和压力降。为使潜伏式浇口可靠工作，必须规定两个非常重要的角度。第一，潜伏式浇口的中心线与分型面之间应保持约 45 度的公称角度，以便将剪切应力传递到浇口。第二，潜伏式浇口应具有 20 度的包含锥角，以确保浇口不会粘模，并确保浇口在其与塑件的接合处断裂。为保证型腔倒扣处足够的结构完整性，潜伏式浇口应位于距分型面至少三个浇口直径的位置。
潜伏式浇口是一种巧妙的设计，因为它无需大量投资即可实现自动去浇口。应用中的主要风险是潜伏式浇口可能设计不当或磨损，以致流道系统无法可靠地与塑件分离。为协助潜伏式浇口从塑件上去浇口，流道应设计成在附近设置拉料杆（sucker pin）（如前图 6.1 所示），以将流道系统保留在型芯一侧。如果潜伏式浇口和流道系统留在型腔一侧，则无法通过顶出系统的动作将其取出。
潜伏式浇口有几种变体。正如潜伏式浇口向上钻入型腔镶件一样，“潜水式”（submarine）浇口一词指的是潜伏式浇口向下伸入型芯镶件的设计变体。此时，顶出系统的动作以及塑件从型芯上的顶出即起到断开浇口并将进浇系统从塑件上剥离的作用。对于潜伏式和潜水式浇口，还可以设计绕垂直侧壁弯曲、在塑件内表面进浇的延长浇口。这种延长潜水式浇口设计，又称为”香蕉”或”腰果”浇口，如图 7.14 所示，不过此类设计在可靠去浇口方面存在额外风险。
图 7.14：带延长潜水式浇口的模具截面（图略）
7.2.8 热浇口
如第 6 章所述，使用热流道进浇系统消除了成型和冷却冷流道的需要。热流道浇口的设计与冷流道浇口有很大不同。关于剪切速率、压力降和美观要求的主要目标大体相同。然而，热流道中的热浇口还必须提供一个凝固的料塞，以防止热流道中液化的塑料熔体在开模、浇口附近凝固塑料随塑件被取出时从浇口流出。
热流道中最常用的浇口类型之一是带内部”鱼雷体”（torpedo）的点浇口式热浇口。该设计如图 7.15 所示。在该设计中，一个高导热性的鱼雷体插入浇口附近的喷嘴中。鱼雷体的目的是将热量从喷嘴传向浇口，保持内部塑料处于熔融状态。通常，鱼雷体上设有两个或更多孔口，用于将进浇系统中的塑料熔体输送到型腔。一层残余的塑料熔体薄层用于将炽热的鱼雷体与低温模壁隔热。
图 7.15：带点浇口式热浇口的模具截面（图略）
在充填阶段，来自成型机的熔体压力不断升高，直到鱼雷体内的压力将鱼雷体孔口与浇口之间任何凝固的塑料推入型腔 [1]。此后，熔体即可从热流道喷嘴经孔口流入型腔，与常规冷流道进浇系统非常相似。当流动停止时，向模具的传热会使隔热塑料部分凝固，鱼雷体尖端周围的塑料随之凝固。开模时，鱼雷体尖端周围的一小圈凝固材料将被拉断。然而，仍会残留一层薄的凝固层，防止熔体从热流道泄漏到外界。
点浇口式热浇口是一项巧妙的设计，它双重利用了塑料：既减少传热，又形成固体密封。然而，它有三个显著缺点。第一，点浇口的浇口直径通常较小。正如冷流道的常规点浇口一样，热浇口及其相关孔口的直径必须设计成提供合理的压力降和剪切速率。由于孔口较小，这种浇口设计可能不适合剪切敏感型或高填充材料。第二个缺点与隔热塑料的滞留有关。随着时间的推移，任何滞留的材料都会降解，并有可能被卷入熔体流中污染塑料熔体，最典型地表现为塑件中的黑点。当注塑厂进行换色时，隔热塑料的滞留也会造成严重问题，因为即使是少量残余材料也可能在后续成型的塑件上造成色纹。热浇口还可能出现第三个缺点。具体而言，凝固层必须在成型周期开始时由升高的熔体压力从浇口中推出。熔体压力的大小和时序可能因浇口而异，取决于浇口公差、浇口装配和浇口温度分布的细微差异。虽然在大多数成型应用中不成问题，但这些差异在精密成型应用中可能会造成麻烦。
热流道供应商一直在努力解决这些问题，但成效有限。对于涉及频繁换色或使用剪切敏感型、高填充材料的成型应用，希望使流经浇口的流动更加顺畅并降低剪切速率。为此，开发出了热直接浇口设计。该设计如图 7.16 所示。在该设计中，采用了一个与周围模具有较长接触长度的喷嘴头。这使得型腔处的浇口区域能够显著冷却，从而不需要塑料隔热层。喷嘴和喷嘴头内的开放流道孔则可以将塑料熔体直接引导至型腔。熔体充满模具后，热浇口下方的整个主流道凝固。喷嘴头内的一组收敛—发散锥度决定了主流道的断裂点，留下一层薄薄的凝固塑料来密封塑料熔体。
图 7.16：带热直接浇口的模具截面（图略）
与点浇口式热浇口相比，热直接浇口提供了开放的流道孔，剪切速率和压力降更低。由于剪切速率降低，热直接浇口更适合与剪切敏感型和高填充材料配合使用。此外，由于其开放的流道孔，热直接浇口在更换颜色或材料时通常需要更少的成型周期。一个不太明显但重要的优点是，主流道的长度可以设计成留出间隙，以容纳伸向进浇系统、可能妨碍点浇口式热浇口直接进浇的加强筋或其他型腔细节。然而，热直接浇口有一个显著缺点。由于主流道凝料随塑件一起成型，它必须作为浇口痕迹留在塑件上，或者日后由操作人员或另一道成型后工序去除。
7.2.9 阀式浇口
热浇口经济实用，通常适用于广泛的成型应用和材料。然而，点浇口式和直接浇口式热浇口都有两个潜在的局限性。第一，它们依靠凝固的塑料层来防止泄漏，而这层凝固层在各种情况下可能不够可靠。第二，热浇口会产生明显的浇口痕迹，在许多应用中可能无法接受。为了解决热浇口的局限性，人们开发了机械驱动的阀式浇口。其中一种设计如图 7.17 所示。工作时，阀针缩回以打开通往型腔的通道。型腔充满并保压后，阀针前进以封闭浇口。
图 7.17：带阀式浇口的模具截面（图略）
与热浇口相比，阀式浇口至少有三个显著优点 [3]。第一，阀式浇口提供机械密封（钢对钢），因此在防止熔体泄漏方面更加可靠。第二，关闭时阀针端面向型腔呈现模具封胶面，从而显著减小浇口痕迹。第三，阀针的启闭可以定时，以顺序充填多浇口模具，从而消除熔接线 [4]，或策略性地控制保压压力以改善塑件质量 [5]。
遗憾的是，阀式浇口增加了模具的成本和复杂性。成本的增加源于阀针、驱动器以及用于容纳驱动器、软管、接头和控制系统的更大上夹板的加入。因此，带阀式浇口的热流道系统的成本可能是带热浇口的热流道系统的两倍。操作复杂性也随之增加，因为操作人员必须正确连接软管并设定与成型机工艺设置相符的时序。
7.3 浇口设计流程
7.3.1 确定浇口位置
产品设计者和模具设计者通常协同工作，基于诸多因素确定进浇位置，包括流道系统类型、美观要求、预期的熔接线位置、强度和取向考虑以及尺寸控制。一般而言，增加浇口数量将提高成型生产率和尺寸稳定性，但也会增加模具复杂性和熔接线数量。
举例而言，考虑屏幕面板分别采用 1、2、3 或 4 个浇口的情形。为多样化起见，假设 1 浇口和 3 浇口设计采用冷流道，以侧浇口向面板内框架进浇；而 2 浇口和 4 浇口设计采用热流道，以热直接浇口向周边框架背面进浇。
各种进浇方案所得的充填模式如图 7.18 所示。可以看出，对于每种浇口设计，聚合物熔体都从浇口呈径向流出，然后转变为线性流动模式。熔接线位置在图 7.18 中以粗线表示；熔接线数量随浇口数量成比例增加。流动长度是从浇口到熔接线的距离。在每种进浇设计中，浇口位置的选择都使各流动长度大致相等。
根据第 5 章式 5.17 和式 5.22 的型腔充填分析可知，更长的流动长度将需要更高的熔体压力。使用多个浇口的一个好处是，能够在保持型腔内相同聚合物流量和剪切速率的同时，更快地将聚合物熔体注入型腔。相应地，图 7.18 所示的模拟对单浇口设计采用 1 s 注射时间，对两浇口设计采用 0.5 s，对三浇口设计采用 0.33 s，对四浇口设计采用 0.25 s。各进浇设计所得的熔体压力如图 7.19 所示。可以看出，各熔体压力历程在充模过程的大部分时间内紧密吻合，但浇口较少的设计必须具有更长的充填时间和更高的充填压力，才能将聚合物熔体推进到所需的流动长度。
图 7.18：进浇方案与型腔充填模式（图略）
图 7.19：不同进浇方案下浇口处的熔体压力（图略）
图 7.19 的模拟结果与用式 5.17 和式 5.22 进行手工分析所得的结果非常吻合。单浇口设计很可能是不可接受的方案，因为其注射压力高达 160 MPa。此外，熔接线距浇口如此之远，很可能导致熔接线强度很低，因为成型过程的保压阶段不太可能补偿聚合物熔体冷却时的体积收缩。结果，塑件很可能产生过大的不均匀收缩、翘曲和强度很低的熔接线。如图 7.19 所示，任何其他进浇设计都将产生低得多的熔体压力和更好的塑件质量。
浇口数量和位置的选择对模具设计和成型生产率至关重要，因此应在产品设计者的批准下作出。通常可以通过增加技术或材料成本方面的投入来改善产品质量。例如，对于面板而言，可以通过第 9.4.3 节所述的模具表面感应加热来改善熔接线的外观。或者，可以去除面板上屏幕所在的内部窗口来消除所有熔接线。该区域随后可以用单个主流道进行中心进浇，然后通过沿内框架周边机加工重新形成内部窗口。虽然这会带来过高的人工和材料成本，但这种模具设计策略在技术上非常简单。
7.3.2 确定浇口类型
在确定进浇位置的同时，模具设计者还必须确定要设计的浇口类型。通常，一旦规定了进浇位置，浇口类型的选择就很明显了。应考虑的主要因素包括流道系统类型、期望的去浇口方式、允许通过浇口的剪切速率水平以及期望得到的流动形态。为便于浇口选择，表 7.1 汇总了常见浇口的类型和特性。
表 7.1 浇口类型与特性
| 浇口类型 | 流道类型 | 去浇口方式 | 剪切速率 | 所得流动 |
|---|---|---|---|---|
| 直接浇口 | 冷流道 | 手动 | 中等 | 径向 |
| 点浇口 | 冷流道 | 自动 | 高 | 径向 |
| 侧浇口 | 冷流道 | 手动 | 中等 | 径向 |
| 搭接浇口 | 冷流道 | 手动 | 中等 | 径向 |
| 薄膜/隔膜浇口 | 冷流道 | 手动 | 中等 | 线性 |
| 扇形浇口 | 冷流道 | 手动 | 低 | 线性 |
| 潜伏式/潜水式浇口 | 冷流道 | 自动 | 高 | 径向 |
| 点浇口式热浇口 | 热流道 | 自动 | 高 | 径向 |
| 热直接浇口 | 热流道 | 自动 | 中等 | 径向 |
| 阀式浇口 | 热流道 | 自动 | 中等 | 径向 |
在表 7.1 中，去浇口方式指利用模具动作对塑件去浇口，未考虑通过机器人实现自动化去浇口。所列剪切速率等级是近似值，因为它们取决于浇口尺寸和工艺条件；低、中、高大致分别对应数量级为 10,000、40,000 和 100,000 s⁻¹ 的剪切速率。最后，大多数浇口产生从浇口流出的径向流动模式，只有扇形、薄膜和隔膜浇口是专门设计来向型腔提供线性熔体流动的。
在选择浇口位置和类型时，还应考虑冷热流道混合使用。图 7.20 演示了使用带热浇口的热嘴（hot drop）向呈放射状布置的四个分流道和塑件供料的情形。这种配置可以与热主流道衬套配合使用，以在常规两板式模具中节省材料；但在具有”X”形分流板配置的热流道模具中更为常见。采用图 7.20 设计的此类应用将生产 16 个型腔，热流道中物料周转良好，来自成型机的压力降低，冷流道中材料利用率高。
图 7.20：使用带热浇口的热嘴向冷分流道供料（图略）
7.3.3 计算剪切速率
剪切速率按照前面给出的条形流道和圆柱流道流动方程计算。作为参考，表 7.2 给出了牛顿流动和幂律流动的公式。这些公式基于体积流量而非熔体线速度。原因在于，成型工艺的设定是指定体积流量的，而聚合物熔体通过浇口的线速度不易观测。因此，浇口和流道中的剪切速率通常按体积流量的函数计算。
表 7.2 剪切速率公式
| 几何形状 | 牛顿流体 | 幂律流体 |
|---|---|---|
| 条形 | ||
| 圆柱形 |
附录 A 提供了部分材料的材料性能和推荐的最大剪切速率。这些最大剪切速率充其量只能视为近似值，因为在大多数情况下这些数值取自各种材料的一般性指南 [6]。实际上，最大剪切速率不仅取决于材料的最大剪切速率本身，还取决于聚合物熔体的全部热历史和力学历史。在许多（甚至大多数）情况下，实际可用的剪切速率可能远高于附录 A 所列的最大剪切速率。鉴于这一两难处境以及增大浇口尺寸的便利性，模具设计者不妨采取”钢料安全”（steel safe）的做法，即先指定较小的浇口，意图在模具试模后根据需要增大浇口尺寸，以避免过大的剪切速率并精细调节流动。
为计算剪切速率，模具设计者必须指定一些初始浇口尺寸。对于剪切速率较低和中等的较厚浇口（包括直接浇口、侧浇口、搭接浇口、扇形浇口和阀式浇口），初始厚度可设定为等于浇口位置处塑件的壁厚。对于剪切速率中等和较高的较薄浇口（包括点浇口、薄膜浇口、隔膜浇口、潜伏式浇口、潜水式浇口和热浇口），初始厚度可设定为等于塑件壁厚的一半。条形浇口还需要指定宽度。对于薄膜浇口和隔膜浇口，宽度应设定为期望实现线性流动的边缘长度。对于其他条形浇口，初始宽度可设定为浇口厚度的两倍；此后可根据需要增大或减小该宽度以调整剪切速率。
例题：
计算如图 7.5 所示面板模具中熔体经两个侧浇口流入型腔时的剪切速率，假设 ABS 在喷嘴处的体积流量为 125 cc/s。
由于规定了两个侧浇口，通过每个浇口的体积流量为 62.5 cc/s。取侧浇口的厚度和宽度分别为 0.75 mm 和 6.0 mm，剪切速率计算为：
该剪切速率明显高于 50,000 1/s 的最大剪切速率。将浇口宽度增大到 14 mm 可使剪切速率降至规定的最大值以内，但需要将浇口类型改为扇形浇口。或者，可以将喷嘴处的流量从 125 cc/s 降低到 60 cc/s，但这需要将充填时间加倍。
例题：
计算如图 7.4 所示杯子塑件中通过点浇口的剪切速率。
假设充填时间为 1 s，型腔体积为 44 cc，分析采用 44 cc/s 的体积流量。点浇口的初始直径为 1.5 mm（杯子壁厚的一半）。则剪切速率为：
与上一例题一样，剪切速率再次过大。为在浇口处达到特定的最大剪切速率，可以直接求解浇口半径：
这对应于约 2 mm 的直径。这个更大的直径会留下更大的浇口痕迹，并需要更大的去浇口力。合理的做法是先指定较小的 1.5 mm 直径，若遇到过大的剪切速率问题再增大直径。
7.3.4 计算压力降
如果剪切速率在允许范围内，那么压力降很可能也是可以接受的。然而，应计算通过浇口的压力降，以确保有足够的注射压力来充满型腔；也可以调整浇口尺寸来微调型腔内熔接线的位置 [7]。压力降按照前面给出的条形流道和圆柱流道黏性流动方程计算。作为参考，表 7.3 给出了牛顿流动和幂律流动的公式。
表 7.3 压力降公式
| 几何形状 | 牛顿流体 | 幂律流体 |
|---|---|---|
| 条形 | ||
| 圆柱形 |
在估算通过浇口的压力降时，重要的是在使用牛顿模型时在适当的剪切速率下计算黏度，或者改用幂律模型的方程。通过浇口的压力降可能从接近零到数 MPa 不等。超过 10 MPa 的压力降通常表明浇口设计不当——过薄或过长。
例题：
计算图 7.7 所示面板模具中通过扇形浇口的压力降，假设 ABS 在中等范围加工温度下成型，主流道处体积流量为 125 cc/s。扇形浇口起始段为直径 6.35 mm 的圆形截面，在型腔处终止为宽 14 mm、高 0.75 mm 的矩形截面。
扇形浇口的分析较为复杂，因为其截面的尺寸和形状沿长度方向变化。可以将扇形浇口划分为若干小段、每段具有不同截面，以精确计算压力降。作为近似，本分析假设一个矩形轮廓：宽度为 10 mm（介于起始直径 6.35 mm 和终止宽度 14 mm 之间），厚度为 3.5 mm（介于起始直径 6.35 mm 和终止厚度 0.75 mm 之间），长度为 10 mm。采用 ABS 的幂律模型，通过扇形浇口的压力降可计算为：
该压力降可以忽略，无需更改浇口设计。
例题：
计算如图 7.4 所示杯子塑件中通过点浇口的压力降，假设 ABS 在中等范围加工温度下成型。
前面对 1.5 mm 直径点浇口的分析表明，在 44 cc/s 的体积流量下剪切速率为 132,000 1/s。该剪切速率下的黏度可由 Cross-WLF 模型计算为 5.4 Pa·s。则压力降为：
尽管通过点浇口的剪切速率极高，但熔体的剪切变稀产生了较低的熔体黏度和可接受的压力降。
对于 2 mm 直径的点浇口，50,000 1/s 的剪切速率对应的黏度为 11.2 Pa·s。通过较大浇口的压力降约为：
这同样通常是可以接受的。
7.3.5 计算浇口凝固时间
型腔充满聚合物熔体后，必须迫使额外的材料进入型腔，以补偿熔体冷却时的体积收缩。随着型腔内熔体的冷却，浇口中的熔体也会趋于冷却。凝固皮层将从模壁向浇口中心线推进。由于浇口一旦凝固就无法再向型腔补充熔体，注塑厂应设定成型机，使其在浇口凝固封口时结束保压阶段并开始塑化阶段。浇口凝固时间必须足以实现对型腔内聚合物的保压 [8]。
型腔内熔体的冷却及相关传热方程的应用将在第 9 章讨论。利用所给的分析，图 7.21 绘出了 ABS 在中等范围熔体温度和冷却介质温度下，直径 2 mm 圆柱形浇口的整体熔体温度随时间的变化曲线。浇口内聚合物的整体温度最初接近设定的熔体温度 240°C，随后在后充填阶段随着热量传向温度较低的模壁而下降，最终将达到模具冷却介质温度 80°C。
图 7.21：浇口温度与黏度历程（图略）
利用 Cross-WLF 黏度模型，图 7.18 还绘出了浇口中聚合物熔体在 10 1/s 剪切速率下的表观黏度。可以看出，塑料熔体的黏度最初较低，然后随着温度下降开始呈指数增长。最终，黏度将增大到浇口实际上不再传递流动的程度，此时保压阶段应结束。在本例中，任意选定 100,000 Pa·s 的黏度作为”不流动”条件，对应约 1.5 s 的浇口凝固时间。附录 A 提供了以这种方式估算的各种材料的”不流动温度”。
作为参考，表 7.4 给出了条形和圆柱形几何的浇口凝固时间计算公式。这些公式给出的是最小保压时间，因为它们假设熔体与模壁之间为理想热传导。实际上，浇口凝固时间会更长，因为这些公式没有考虑熔体流经浇口进入型腔以及相关的对流传热——对流会阻碍浇口凝固。基于这些原因，保压阶段的持续时间应预期比表 7.4 公式预测的结果略长。即便如此，这些公式仍可用于估算浇口中聚合物凝固时间的数量级。
表 7.4 浇口凝固时间公式
| 几何形状 | 保压时间 |
|---|---|
| 条形 | |
| 圆柱形 |
例题：
估算图 7.7 所示面板模具中扇形浇口的凝固时间，假设 ABS 在中等范围加工温度下成型。扇形浇口起始段为直径 6.35 mm 的圆形截面，在型腔处终止为宽 14 mm、高 0.75 mm 的矩形截面。
扇形浇口末端 0.75 mm 厚的矩形截面将最先凝固，从而决定凝固时间，因此：
由于塑件厚度与浇口厚度相同，增大浇口厚度对远离浇口处型腔内材料的保压没有影响。值得注意的是，该侧浇口设计确实向型腔较薄的截面进浇，这是不推荐的。因此，应考虑采用三板式模具或热流道模具，以便向较厚的 1.5 mm 截面进浇，从而获得更长的保压时间。
例题：
计算如图 7.4 所示杯子塑件中直径 2 mm 点浇口的凝固时间。
凝固时间可估算为：
可将该浇口凝固时间与公称壁厚 3 mm 的杯子的凝固时间进行比较：
浇口很可能过早凝固，杯子可能得不到充分保压。
7.3.6 调整尺寸
在对初始设计计算了剪切速率、压力降和浇口凝固时间之后，可以修改浇口的类型和尺寸以改进设计。出于美观和去浇口的目的，希望浇口尺寸较小。然而如前例所示，过大的剪切速率可能要求使用较大的浇口尺寸。这些剪切速率计算依赖于假设的流量，而只有在注塑厂用已实现的模具优化工艺之后才能知道该流量。因此，模具设计者应为分析假设一个合理的流量，选择一种可以扩大的浇口类型，并指定”钢料安全”的尺寸。这样，就可以方便地增大浇口尺寸，以根据需要降低剪切速率。
还可以调整浇口尺寸来微调不同浇口处的压力降和流量。这种微调有助于平衡多个型腔之间的熔体流动，或调整多浇口型腔内的流量和熔接线位置 [9]。由于浇口尺寸很小，通过浇口设计所能实现的平衡程度极为有限。要引起较大的流动变化，浇口尺寸必须有如此大的变化量，以致各浇口之间的剪切速率和浇口凝固时间将大幅变化，造成意想不到的后果。因此，可能更倾向于改变流道尺寸，或采用动态流动控制技术进行熔体控制，如后文第 16.6.4 节所述。
浇口尺寸也常被调整以改善塑件的尺寸控制。当浇口凝固时间显著小于型腔内熔体所需的保压时间时，可能产生过大的体积收缩。有四种方法可用于减小体积收缩。注塑厂最常用的方法是在浇口凝固之前施加很高的保压压力，使型腔内的残余熔体压力随熔体收缩而释放。遗憾的是，这种方法可能导致过大的飞边和/或残余应力。因此，第二种常用方法是增大浇口的直径或厚度，以延长凝固时间并在较温和的熔体压力下进行保压。第三种方法是改用体积收缩率较低的其他（通常是颗粒填充）材料来达到期望的塑件尺寸。第四种也是最常避免的方法是返修模具以减小塑件的公称厚度。
7.4 本章回顾
浇口设计流程包括浇口类型的选择以及浇口尺寸的精心确定，以平衡美观性、剪切速率、压力降和保压时间。浇口类型的选择主要取决于先前确定的模具类型（两板式、三板式或热流道）、在浇口和/或型腔内实现某种流动类型的需要，最后取决于实现稳健的全自动成型周期的愿望。浇口尺寸的优化取决于小浇口尺寸（改善美观并便于去浇口）与大浇口尺寸（降低剪切速率和压力降）之间的权衡。如果浇口尺寸的确定存在不确定性，模具设计者应采用较小的浇口尺寸，因为在试模后如有需要可以更方便地将其加大。
读完本章后，您应理解：
- 各种浇口的类型和功能，包括直接浇口、点浇口、侧浇口、搭接浇口、扇形浇口、薄膜浇口、隔膜浇口、潜伏式浇口、潜水式浇口、点浇口式热浇口、热直接浇口和阀式浇口；
- 与浇口设计相关的各种要求和权衡；
- 如何为给定的成型应用选择浇口类型；
- 如何计算给定浇口设计的剪切速率；
- 如何计算给定浇口设计的压力降；
- 如何计算给定浇口设计的最小浇口凝固时间；以及
- 如何调整浇口尺寸以优化浇口性能。
至此，浇口、进浇系统和型腔已完成分析和设计，下一章将讨论在型腔充填过程中排出被前进熔体置换的空气的排气需要。此后将展开模具冷却系统的设计。
7.5 参考文献
[1] Gava, A. and G. Lucchetta, Numerical Simulation of a PA66 Flow Behaviour in a Hot Runner Gate, in Macromolecular Symposia (2008) Wiley Online Library
[2] Ferreira, I., et al., Multidisciplinary optimization of injection molding systems, Structural and Multidisciplinary Optimization (2010) 41(4): pp. 621–635
[3] Spina, R., Injection moulding of automotive components: comparison between hot runner systems for a case study, J. Mater. Process. Technol. (2004) 155: pp. 1497–1504
[4] Javierre, C., et al., Criteria on feeding system design: Conventional and sequential injection moulding, J. Mater. Process. Technol. (2006) 171(3): pp. 373–384
[5] Kazmer, D. O. and D. Roe, Exploiting melt compressibility to achieve improved weld line strengths, Plast., Rubber Compos. Process. Appl. (1998) 27: pp. 272–278
[6] Boronat, T., et al., Influence of temperature and shear rate on the rheology and processability of reprocessed ABS in injection molding process, J. Mater. Process. Technol. (2009) 209(5): pp. 2735–2745
[7] Zhai, M., Y. Lam, and C. K. Au, Runner sizing and weld line positioning for plastics injection moulding with multiple gates, Eng. Comput. (2006) 21(3): pp. 218–224
[8] Leo, V. and C. Cuvelliez, The effect of the packing parameters, gate geometry, and mold elasticity on the final dimensions of a molded part, Polym. Eng. Sci. (1996) 36(15): pp. 1961–1971
[9] Shen, Y.-K., et al., Analysis for optimal gate design of thin-walled injection molding, Int. Commun. Heat Mass Transfer (2008) 35(6): pp. 728–734