[科普中国]-热流道模具

热流道模具是指利用加热装置使流道内熔体始终不凝固的模具。因为它比传统模具成形周期短，而且更节约原料，所以热流道模具在当今世界各工业发达国家和地区均得到极为广泛的应用。

发展历史在世界上工业较为发达的国家和地区热流道模具生产极为活跃。热流道模具比例不断提高。许多10人以下的小模具厂都进行热流道模具的生产。从总体上讲北美，欧洲使用热流道技术时间较久，经验较多水平较高。在亚洲，除日本外，新加坡，韩国，中国台湾，中国香港处于领先地位。北美，欧洲虽然模具制造水平较高，但价格较高交货期较长。相比之下，亚洲的热流道模具制造商在价格与交货期上更具竞争性。而中国大陆的热流道模具尚处于起步阶段，但是正在快速增长，比例不断提高。

结构热流道系统一般由热喷嘴、分流板、温控箱和附件等几部分组成。热喷嘴一般包括两种：开放式热喷嘴和针阀式热喷嘴。由于热喷嘴形式直接决定热流道系统选用和模具的制造，因而常相应的将热流道系统分成开放式热流道系统和针阀式热流道系统。分流板在一模多腔或者多点进料、单点进料但料位偏置时采用。材料通常采用P20或H13。分流板一般分为标准和非标准两大类，其结构形式主要由型腔在模具上的分布情况、喷嘴排列及浇口位置来决定。温控箱包括主机、电缆、连接器和接线公母插座等。热流道附件通常包括：加热器和热电偶、流道密封圈、接插件及接线盒等。1

组成尽管世界上有许多热流道生产厂商和多种热流道产品系列，但一个典型的热流道系统均由如下几大部分组成：

1． 热流道板 （MANIFOLD）

2． 喷嘴 （NOZZLE）

3． 温度控制器

4． 辅助零件

将在以后系列文章深入讨论这些零件的种类与应用。

分类一般说来，热流道系统分为单头热流道系统、多头热流道系统以及阀浇口热流道系统。单头热流道系统主要由单个喷嘴、喷嘴头、喷嘴连接板、温控系统等组成。单头热流道系统塑料模具结构较简单。将熔融状态塑料由注塑机注入喷嘴连接板，经喷嘴到达喷嘴头后，注入型腔。需要控制尺寸d、D、L和通过调整喷嘴连接板的厚度尺寸，使定模固定板压紧喷嘴连接板的端面，控制喷嘴的轴向位移，或者直接利用注塑机喷嘴顶住喷嘴连接板的端面，也可达到同样目的。在定模固定板的合适位置设置一条引线槽，让电源线从模具内引出与安装在模具上的接线座连接。

多头热流道系统塑料模具结构较复杂。熔融状塑料由注塑机注入喷嘴连接板，经热流道板流向喷嘴后到达喷嘴头，然后注入型腔。热流道系统的喷嘴与定模板有径向尺寸D配合要求和轴向尺寸限位要求。喷嘴头与定模镶块有径向尺寸d配合要求，保证熔融状态的塑料不溢流到非型腔部位，并要求定模镶块的硬度淬硬50HRC左右。分型面到热喷嘴轴向定位面之间的距离L必须严格控制，该尺寸应根据常温状态下喷嘴的实际距离L′加上模具正常工作温度下喷嘴的实际延伸量ΔL确定。为了保证喷嘴与热流道板贴合可靠，不使热流道板产生变形，在喷嘴的顶部上方设有调整垫，该调整垫与喷嘴自身的轴向定位面一起限制了喷嘴在轴向的移动，且有效地控制了热流道板可能产生的变形。在常温状态下，调整垫与热流道板和定模固定板之间控制0.025mm 间隙以便模具受热后，在工作温度状态时调整垫恰好压紧。热流道系统的定位座和定位销一起控制了热流道板在模具中的位置。定位座与定模板有径向尺寸D2配合要求，而且深度h必须控制准确，定位座的轴向起着支承热流道板的作用，直接承受注射机的注射压力。定位销与热流道板固定板有配合要求。热流道板与模板之间必须留有足够的空隙，以便包裹隔热材料。热流道板和固定板必须设有足够的布线槽，让电源线从模具内引出与安装在模具上的接线座连接。喷嘴连接板与定模固定板之间有径向尺寸D1配合要求，以便注塑机的注射头与模具上的喷嘴连接板配合良好。在热流道板附近，将定模板、热流道板固定板、定模固定板用螺钉连接起来，增强热流道板的刚性。

阀浇口热流道系统塑料模具结构最复杂。它与普通多头热流道系统塑料模具有相同的结构，另外还多了一套阀针传动装置控制阀针的开、闭运动。该传动装置相当于一只液压油缸，利用注射机的液压装置与模具连接，形成液压回路，实现阀针的开、闭运动，控制熔融状态塑料注入型腔。

优点缩短周期制件成型周期缩短，因没有浇道系统冷却时间的限制，制件成型固化后便可及时顶出。许多用热流道模具生产的薄壁零件成型周期可在5秒钟以下。

节省塑料在纯热流道模具中因没有冷浇道，所以无生产费料。这对于塑料价格贵的应用项目意义尤其重大。事实上，国际上主要的热流道生产厂商均在世界上石油及塑料原料价格昂贵的年代得到了迅猛的发展。因为热流道技术是减少费料降低材料费的有效途径。

减少废品减少废品，提高产品质量。在热流道模具成型过程中，塑料熔体温度在流道系统里得到准确地控制。塑料可以更为均匀一致的状态流入各模腔，其结果是品质一致的零件。热流道成型的零件浇口质量好，脱模后残余应力低，零件变形小。所以市场上很多高质量的产品均由热流道模具生产。如人们熟悉的MOTOROLA手机，HP打印机，DELL笔记本电脑里的许多塑料零件均用热流道模具制作。

生产自动化消除后续工序，有利于生产自动化。制件经热流道模具成型后即为成品，无需修剪浇口及回收加工冷浇道等工序。有利于生产自动化。国外很多产品生产厂家均将热流道与自动化结合起来以大幅度地提高生产效率。 许多先进的塑料成型工艺是在热流道技术基础上发展起来的。如PET预成型制作，在模具中多色共注，多种材料共注工艺，STACK MOLD等。

缺点尽管与冷流道模具相比，热流道模具有许多显著的优点，但模具用户亦需要了解热流道模具的缺点。概括起来有以下几点。

成本上升热流道元件价格比较贵，热流道模具成本可能会大幅度增高。如果零件产量小，模具工具成本比例高，经济上不划算。对许多发展中国家的模具用户，热流道系统价格贵是影响热流道模具广泛使用的主要问题之一。

设备要求高制作工艺设备要求高，热流道模具需要精密加工机械作保证。热流道系统与模具的集成与配合要求极为严格，否则模具在生产过程中会出现很多严重问题。 如塑料密封不好导致塑料溢出损坏热流道元件中断生产，喷嘴镶件与浇口相对位置不好导致制品质量严重下降等。

操作维修复杂与冷流道模具相比，热流道模具操作维修复杂。如使用操作不当极易损坏热流道零件，使生产无法进行，造成巨大经济损失。对于热流道模具的新用户，需要较长时间来积累使用经验。

设计程序首先，根据塑件结构和使用要求，确定进料口位置。只要塑件结构允许，在定模镶块内喷嘴和喷嘴头不与成型结构干涉，热流道系统的进料口可放置在塑件的任何位置上。常规塑件注射成形的进料口位置通常根据经验选择。对于大而复杂的异型塑件，注射成形的进料口位置可运用计算机辅助分析(CAE)模拟熔融状塑料在型腔内的流动情况，分析模具各部位的冷却效果，确定比较理想的进料口位置。

然后，确定热流道系统的喷嘴头形式。塑件材料和产品的使用特性是选择喷嘴头形式的关键因素，塑件的生产批量和模具的制造成本也是选择喷嘴头形式的重要因素。

第三，根据塑件的生产批量和注射设备的吨位大小，确定每模的腔数。

第四，由已确定的进料口位置和每模的腔数确定喷嘴的个数。如果成形某一产品，选择一模一件一个进料口，则只要一个喷嘴，即选用单头热流道系统；如果成形某一产品，选择一模多腔或一模一腔二个以上进料口，则就要多个喷嘴，即选用多头热流道系统，但对有横流道的模具结构除外。

第五，根据塑件重量和喷嘴个数，确定喷嘴径向尺寸的大小。相同形式的喷嘴有多个尺寸系列，分别满足不同重量范围内的塑件成形要求。

第六，根据塑件结构确定模具结构尺寸，再根据定模镶块和定模板的厚度尺寸选择喷嘴标准长度系列尺寸，最后修整定模板的厚度尺寸及其他与热流道系统相关的尺寸。

第七，根据热流道板的形状确定热流道固定板的形状，在其板上布置电源线引线槽，并在热流道板、喷嘴、喷嘴头附近设计足够的冷却水环路。

第八，完成热流道系统塑料模具的设计图绘制。2

应用范围材料种类热流道模具已被成功地用于加工各种塑料材料。如PP，PE，PS，ABS，PBT，PA，PSU，PC，POM，LCP，PVC，PET，PMMA，PEI，ABS/PC等。 任何可以用冷流道模具加工的塑料材料都可以用热流道模具加工。

尺寸与重量用热流道模具制造的零件最小的在0.1克以上。最大的在30公斤以下。应用极为广泛灵活。

工业领域热流道模具在电子，汽车，医疗，日用品，玩具，包装，建筑，办公设备等各工业部门都得到广泛应用。

流道模具与普通流道模具相比，具有注塑效率高、成型塑件质量好和节约原料等优点，随着聚合物工业的发展，热流道技术正不断地发展完善，其应用范围也越来越广泛。

热流道是通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状态。由于在流道附近或中心设有加热棒和加热圈，从注塑机喷嘴出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料保持熔融，停机后一般不需要打开流道取出凝料，再开机时只需加热流道到所需温度即可。

热流道注射成型法于20世纪50年代问世，经历了一段较长时间地推广以后，其市场占有率逐年上升，80年代中期，美国的热流道模具占注射模具总数的15%~17% ，欧洲为12%~15% ，日本约为10% 。但到了90年代，美国生产的塑料注射模具中热流道模具已占40%以上，在大型制品的注射模具中则占90%以上。3

用途节约原料、降低制品成本是热流道模具最显著的特点。普通浇注系统中要产生大量的料柄，在生产小制品时，浇注系统凝料的重量可能超过制品重量。由于塑料在热流道模具内一直处于熔融状态，制品不需修剪浇口，基本上是无废料加工，因此可节约大量原材料。由于不需废料的回收、挑选、粉碎、染色等工序，故省工、省时、节能降耗。

注射料中因不再掺入经过反复加工的浇口料，故产品质量可以得到显著地提高，同时由于浇注系统塑料保持熔融，流动时压力损失小，因而容易实现多浇口、多型腔模具及大型制品的低压注射。热浇口利于压力传递，在一定程度上能克服塑件由于补料不足而形成的凹陷、缩孔、变形等缺陷。

适用树脂范围广，成型条件设定方便。由于热流道温控系统技术的完善及发展，热流道不仅可以用于熔融温度较宽的聚乙烯、聚丙烯，也能用于加工温度范围窄的热敏性塑料，如聚氯乙烯、聚甲醛(POM)等。对易产生流涎的聚酰胺(PA)，通过选用阀式热喷嘴也能实现热流道成型。

另外，操作简化、缩短成型周期也是热流道模具的一个重要特点。与普通流道相比，缩短了开合模行程，不仅制件的脱模和成型周期缩短，而且有利于实现自动化生产。据统计，与普通流道相比，改用热流道后的成型周期一般可以缩短30%。

发展方向发展趋势热流道系统存在一些缺陷，如模具结构复杂、加热器组件易损坏、制造费用高、需要较精密的温度控制装置、成型树脂必须清洁无杂物、树脂更换及换色较困难、维修保养较复杂等，不过这些缺陷正在逐渐被克服。当前，国内外热流道模具的主要发展趋势可归纳为以下几个方面。

元件的小型化，以实现小型制品的一模多腔和大型制品多浇口充模。通过缩小喷嘴空间，可在模具上配置更多型腔，提高制品的产量和注射机的利用率。在90年代，Master公司开发的喷嘴最小可至15.875mm；Husky公司开发的多浇口喷嘴，每个喷嘴有4个浇口，浇口距可近至9.067mm；Osco公司开发的组合复式喷嘴，每个喷嘴有12个浇口探针，可用于48腔模具的成型。MoldMaters公司针对小型制件的空间限制，在2001年开发了用于小制件的喷嘴，含整体加热器、针尖和熔体通道，体积直径小于9mm，浇口距仅为10mm,可成型重量为1~30g 的制品。 塑美热流道技术人员在成功总结了几千套热流道系统经验的基础上又成功开发了：小直径耐磨喷嘴；弹簧针阀及内加热喷嘴

热流道元件的标准化、系列化。当前，用户要求模具设计和制造周期越来越短，将热流道元件标准化不仅有利于减少设计工作的重复和降低模具的造价，并且十分便于对易损零部件的更换和维修。据报道，Polyshot公司已开发出快换热流道模具系统，尤其适于注射压力为70kN的小型注射机。在叠层模方面，塑美的一模十六件薄壁产品的热流道系统；一模六十四件的PVC制品的叠层全热流道系统都达到了国际最先进水平，而一模三十二腔简易式瓶盖模热流道系统的大量推广更使包装行业的热流道成本降低，双层双色模具使用的热流道的系统也已开发完毕处于调试阶段……SM、Husky、Presto 和Moldmasters等公司的喷嘴、阀杆和分流板都作为标准型便于快速更换和交付模具，国外只需4 周即可交付模具。

热流道模具设计整体可靠性提高。如今国内外各大模具公司对热流道板的设计和热喷嘴相连接部分的压力分布、温度分布、密封等问题的研究开发极为重视。叠层热流道注射模的开发和利用也是一个热点。叠式模具可有效增加型腔数量，而对注射机合模力的要求只需增加10%~15%。叠式热流道模具在国外一些发达国家已用于工业化。

改善热流道元件材料的目的在于提高喷嘴和热流道的耐磨性和用于敏感材料成型。如使用钼钛等韧性合金材料制造喷嘴，以金属粉末注射成型经烧结制成热流道元件已成为可能。

开发精确的温控系统。在热流道模具模塑中，开发更精密的温控装置，控制热流道板和浇口中的熔融树脂的温度是防止树脂过热降解和产品性能降低的有效措施。

将热流道用于共注。通过支管和热喷嘴元件的有效组合设计可使共注成型与热流道技术相结合，由此成型3层、5层甚至更多层的复合塑料制品。例如Kortec公司开发出了熔体输送系统和共注喷嘴；Incoe 公司的多出口、多模腔共注支管生产线能用于多材料多组分共注射;SM公司开发出内加热喷嘴。

试模大多数成型产品的缺陷是在塑化和注塑阶段造成的，但有时也与模具设计不当有关，可能的影响因素包括：模腔数，冷**/**热流道系统的设计，射入口的类型、位置和尺寸，以及产品本身的结构等。因此，为了避免由于模具设计而造成的产品缺陷，我们需要在制作模具的时候，对模具的设计和工艺参数进行分析。

在获得试模结果后，操作者通常需要对模具的具体情况进行评估，以免在对模具进行修改的过程中增加不必要的成本和时间。多数情况下，这种评估还包括对机器工艺参数的设定。也就是说，为了弥补模具设计中的不足，操作者可能会在不知情的情况下进行了不正确的设置。在这种情况下，设备的生产运作过程是不正常的，因为生产合格产品所需的参数设置范围非常小，一旦参数设置出现任何微小的偏差，可能会导致最终产品的质量远远超出所允许的误差范围，而由此产生的实际生产成本往往比事先进行模具优化所产生的费用高得多。

试模的目的就是要找出优化的工艺参数和模具设计。这样，即便是材料、机器设定或者环境等因素发生了变化，依然能够确保稳定和不间断的批量生产环境，而不仅仅是为了获得一个好的样品。这一点非常重要。

试模步骤**步骤1.**设置料桶的温度

这里需要注意的是，初始的料桶温度设置必须依据材料供应商的推荐。这是因为，不同厂家、不同牌号的相同材料可能具有相当大的差异，而材料供应商往往对自己的材料有着相当深入的研究和了解。用户可根据他们的推荐进行基本的设置，然后再根据具体的生产情况进行适当的微调。

除此之外，还需要使用探测器测量熔体的实际温度。因为我们所设定的料桶温度往往由于环境、温度传感器的型号和位置深度不同等原因，并不能保证与熔体温度100%的一致。有时由于油污的存在或其他原因，熔体的实际温度和料桶的设置温度差别很大（以前，我们曾有过两者温差相差高达30℃的例子）。

**步骤2.**设置模具的温度

同样，初始的模具温度设置也必须根据材料供应商提供的推荐值。

需要注意的是，我们所说的模具温度指的是模腔表面的温度，而不是模温控制器上显示的温度。很多时候，由于环境以及模温控制器的功率选择不当等原因，模温控制器上显示的温度与模腔表面的温度并不一致。因此，在正式试模之前，必须对模腔表面的温度进行测量和记录。同时，还应当对模具型腔内的不同位置进行测量，查看各点的温度是否平衡，并记录相应的结果，以为后续的模具优化提供参考数据。

步骤3.根据经验，初步设定塑化量、注射压力的限定值、注射速度、冷却时间以及螺杆转速等参数，并对其进行适当的优化。

步骤4.进行填充试验，找出转换点。转换点是指从注射阶段到保压阶段的切换点，它可以是螺杆位置、填充时间和填充压力等。这是注塑过程中最重要和最基本的参数之一。在实际的填充试验中，需要遵循以下几点：

（1）试验时的保压压力和保压时间通常设定为零；

（2）产品一般填充至90%~98%，具体情况取决于壁厚和模具的结构设计；

（3）由于注射速度会影响转压点的位置，因此，在每次改变注射速度的同时，必须重新确认转压点。

通过填充试验，用户可以看到材料在模腔里的流动路径，从而判断出模具在哪些地方容易困气，或者哪些地方需要改善排气等。

步骤5.找出注射压力的限定值。在此过程中，应当注意注射压力与注射速度的关系。对于液压系统，压力和速度是相互关联的。因此，无法同时设定这两个参数，使其同时满足所需的条件。

在屏幕上设定的注射压力是实际注射压力的限定值，因此，应当将注射压力的限定值设定为始终大于实际的注射压力。如果注射压力限定过低，使得实际注射压力接近或超过注射压力的限定值，那么，实际的注射速度就会因为受到动力限制而自动下降，从而影响注射时间和成型周期。

步骤6.找出优化的注射速度。这里所指的注射速度，是同时满足使填充时间尽量短，同时填充压力尽量小的注射速度。在这一过程中，需要注意以下几点：

（1）大部分产品的表面缺陷，特别是浇口附近的缺陷，都是由于注射速度引起的。

（2）多级注射只在一次注射不能满足工艺需求的情况下才使用，特别是在试模阶段。

（3）在模具完好、转压点设定正确，且注射速度足够的情况下，注射速度的快慢与飞边的产生没有直接关系。

步骤7.优化保压时间。

保压时间也即是浇口的冷凝时间。一般，可以通过称重的方式确定浇口的冷凝时间，从而得到不同的保压时间，而最优化的保压时间则是使产品模重达到最大时的时间。

步骤8.优化其他参数，如保压压力和锁模力等。

最后，需要强调的是，试模的目的和重点在于优化模具和工艺，以满足批量生产的要求，而不仅仅是试验出好的产品试样。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学