四川大学高分子材料科学与工程学院 专业：模具设计与制造 热流道系统的结构 及其发展应用 四川大学高分子材料科学与工程学院 专业：模具设计与制造

专题大纲 一.热流道系统概述 二.热流道系统的基本特点 三.热流道系统技术分类及结构介绍 四.现阶段国内外热流道系统发展的现状及成果 五.热流道系统的发展趋势

1.1热流道技术简介 ——概述 热流道注射模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，从注射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。停车后一般不需要打开流道取出凝料，再开车时只需加热流道到所需温度即可。

1.1热流道技术简介 ——应用概况 无流道注射成型法问世于上世纪50年代，其应用推动虽经历了一个较长时间，但其市场占有率仍逐年上升。在80年代中期，美国的热流道模具占注塑模总数的15～17%，欧洲为12～15%，日本约为10%。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%以上采用了热流道。

1.2热流道技术近期应用概况 近期，据资料统计在国外50％的模具采用热流道技术，甚至有些国家达到了80％。但在我们国家，由于生产力和科技水平的发展等因素，在国内最多仅有30％的模具采用热流道，与国外相比相差甚远。但是，随着聚合物工业的发展，热流道技术将不断完善并广泛使用。

二.热流道系统的基本特点 优点： 4）适用树脂范围广，成型条件设定方便。 1）节约原料，降低制品的成本。 5）多种浇口方式，进料平衡。 2）提高产品质量。 3）操作简化，周期缩短。 4）适用树脂范围广，成型条件设定方便。 5）多种浇口方式，进料平衡。 6）能用于精密成型，成型条件的设定较方便。

缺点： 1）模具结构较复杂，须防止因热膨胀产生泄漏，制造成本较高。 2）要求严格精密的温度控制。 3）成型树脂必须清洁无杂物,对制件形状和使用塑料亦有限制。 4) 有些树脂更换及换色较困难，必须用很多料较长时间清洗。 5）不适合小批量生产及形状有明显限制的制品生产。 6） 维修保养较困难，需要把整副模具拆下来。

热流道系统的适应性 ——对塑料性能的要求 1） 熔融温度范围宽，树脂对温度不敏感，低温流动性好，高温热稳定性好。 热流道系统的适应性 ——对塑料性能的要求 1）  熔融温度范围宽，树脂对温度不敏感，低温流动性好，高温热稳定性好。 2）  粘度随温度变化小，粘度和流动性对压力变化不敏感，低压下也有良好流动性。 3）  固化温度和热变形温度高，在较高温度下可快速固化以推出制品，且推出时不产生变形，缩短成型周期。 4）  热传导系数高，导热性好，制品在模具中能快速冷却。 5）比热容低，塑料既容易熔融又容易凝固。

各种塑料对绝热流道和热流道 的适用性 聚乙烯 （PE） 聚丙烯 （PP） 聚苯 乙烯 （PS） 聚甲醛 （POM） ABS 聚氯 （PVC）   聚乙烯 （PE） 聚丙烯 （PP） 聚苯 乙烯 （PS） 聚甲醛 （POM） ABS 聚氯 （PVC） 聚碳 酸酯 （PC） 绝 热 流道 井式喷嘴 可 稍难 不可 延长喷嘴 主流道喷嘴 点浇口型 半绝热流道 加热流道 尚可

热流道系统的适应性2 ——选择热流道系统的原则 热流道系统的适应性2 ——选择热流道系统的原则 选择热流道系统 生产总量 制品的形状 树脂的特性 经济角度 成型树脂流动距离范围 制品成型后变形很大 熔接痕影响使用强度 缩短成型周期产生的 经济效益 节约树脂的经济效益 简化作业的经济效益 机械手取冷流道凝料产的故障率 热流道系统增加的模具制造费用

热流道系统的分类 无流道模 绝热流道模具 半热流道模具 热流道模具 按浇口方式分 按加热方式分 直浇口式 点浇口式 侧浇口式 内加热式 热流道板式 按加热方式分 喷嘴加热方式 外加热式 叠层热流道式

热流道结构示意图

热流道系统的主要组成部分 热流道板（manifolds） 内加热式 热喷嘴（hot nozzles ） 外加热式 针阀式 加热元件（heating elements） 热传感器（sensors and thermal couples ） 温度控制器（temperature controllers）

内加热及外加热系统

热流道板(manifold) 热流道板的主要任务是恒温地将熔体从主流道送入各个单独喷嘴。在熔体传送过程中，熔体压力降应尽可能小，并不允许有材料降解。熔体到各喷嘴的流程应尽量一致。为节省加热功率，其体积以小为宜，但过小则热容量太小，温度不易稳定。 热流道板应采用厚板整体加工方式。与熔体接触的流道表面，钻孔后需用铰刀铰后再抛光。流道的端点不允许有盲孔，转角的形状应与流道平滑过渡。

热流道板（续） 热流道板应该选用比热小，热传导率高的材料制作。一般用钢材制造热流道板，用鈹銅或銅制造喷嘴，以使其保持均匀的温度。近年来，推荐采用内壁经过精加工的，质量高的不锈钢管制作大型制品模具的热流道，其周围用铸銅固定。 在支承部位采用高强度接触面积小的支承垫或在热流道板与定模板间采用空气隙隔热。

热流道板（集流腔）类型

加热式喷嘴示意图 1.衬套 2.芯体 3.定位圈 4.热电偶 5.电加热圈 6.隔热罩 7.模具 8.流道 9.绝热垫 10.喷嘴头  加热式喷嘴示意图 1.衬套 2.芯体 3.定位圈 4.热电偶 5.电加热圈 6.隔热罩 7.模具 8.流道 9.绝热垫 10.喷嘴头 11.鱼雷头 

Nozzle PZ：平头直浇口热喷嘴 PRZ：内热式热喷嘴

针阀式喷嘴 （ Needle valve nozzle）                                 

加热元件 (heating elements) 为保持流道内的塑料呈熔融状态，必须使用加热元件对热流道板或喷嘴加热。对加热元件要求体积小，功率大（升温快），使用时更换方便及安全可靠，加热元件的稳定性及耐久的使用寿命时热流道技术的关键。 常见加热元件有： 加热棒：常用于内热式喷嘴及热流道板，寿命长，机械强度高，可及时更换。

加热元件 (heating elements)（续） 板状加热器（加热圈)：常用在内热式喷嘴尾部加热；热流道板进料主流道加热；直径较大的外热式喷嘴加热。螺旋式加热器主要用于外热式喷嘴加热。 新型集中供热式热管：加热装置在模具外侧，根据热管原理，降热量传递到流道各个部位，等温性能好，传热效率高，可实现一点控温。 厚膜加热器:根据夹心原则设计，包含了一层类似玻璃的绝缘层，一个可调节的平板电阻加热器。提高了温度均匀性，加强了热交换，减少空间和加长使用寿命。

Heating Elements

温度控制器 (temperature controller) 热流道模具对于喷嘴及浇口区域的温度变化极为敏感，准确的温度控制是顺利完成热流道自动操作的关键。 目前国内注射模的热流道绝大多数用直接电加热法，由于采用分区加热，多点控温，需要多个加热及控温装置。常用的温度控制系统为温控表控制接触器，当模具温度低于设定值，接触器闭合，全电压加在加热元件上，温升很快。缺点是温度波动范围大，对加热元件损坏严重。 近年来，在大型热流道模具上逐步采用脉冲调宽式温控系统，输出控制器件选用进口大功率双向可控硅输出，工作稳定，性能可靠。 目前，国外的热流道温控系统已实现微电脑控制，采用PID连续调节，其精度可达± 0.5℃ 。

现阶段国内外热流道系统发展的现状及成果 热流道模具的结构元件 热流道系统的电热元件和温控系统 热流道系统热平衡分析、热量和充模力的计算 热流道模具的CAD／CAE/CAM 热流道的大型模具和精密成型模具 热流道的叠层式模具和双元素注射模 热流道模具的快速换料工艺

国内热流道系统的进展 结构元件 电热元件和温控系统 热平衡分析、热量和充模力的计算 热流道的大型模具和精密成型模具 热流道的叠层式模具和多层共注射模 热流道模具的快速换料工艺 1991～1995年，天津大学的魏汝梅，周玉华等人对热流道的喷嘴结构设计、注射量、注射温度和流动长度关系曲线以及热平衡分析进行大量的研究并进行了实验验证。详细的给出了各种喷嘴设计中考虑的事项，如喷嘴长度，绝热层厚度，喷嘴材料和喷嘴套以及浇口处的热平衡。 1997年，天津大学张广兴，郭红旗等人对热流道喷嘴浇口的形式和特点做了介绍，分析了点浇口的设计浇口直径和浇口带长度的设定，给出浇口直径和注塑量的关系曲线。并且对多点热流道模具的结构设计进行了试验研究，在试验的基础上对热流道系统的热平衡和点浇口附近的温控条件作了进一步分析。 2000年，洛阳工学院的苏娟华等人对PET瓶抷热流道注射模的主、分流道和浇口直径进行了优化设计，并利用最小二乘法，对PET塑料的表观粘度和剪切速率关系进行公式化拟合。 2002年，Husky公司在它新开发的Ultra平衡热流道分流板中添加了混合元件，分裂融体以纵向和螺旋方向流动，提高熔融均匀性、减少熔接痕、加速换色和缩短周期，以提高制件尺寸稳定性 ——电热元件和温控系统 1992年，天津市电冰箱工业公司的徐礼杰、杨群等人先后开发了10各品种49个规格的热流道元件及两种温控系统 1996年，刘建国、王曰松等在大型汽车保险杠热流道模中采用脉冲调宽技术及零触发软起动方式，可使温控系统工作稳定性能得以提高 1998年，山东潍坊高等专科学校机械系的李健心介绍了单片机脉宽调温闭环系统以8031单片机作为控制系统的核心，采用较新的脉冲调宽技术，选用进口大功率双向可控硅输出，具有软启动功能，不仅能够减少加热元件冷态升温时的冲击，而且可驱赶长时间不使用的模具中的潮气。 2002年，克朗宁的智能化热流道温控计算机，采用中央处理器操作下的模糊控制方式，使温控器具备学习功能，该系统温控器可多达160组输出。通过LOAD TEST技术可自动识别热流道板与喷嘴，以相应的输出模式。 1991～1995年，天津大学的魏汝梅等人对绝热式喷嘴和内、外加热喷嘴的径向热平衡和轴向热平衡以及浇口处热平衡进行了分析 。 1996～1997年，华中理工大学模具技术国家重点实验室的胡俊翘、郭志英等人通过对热流道时间域和空间域的离散，运用数值分析的方法，与冷却分析的瞬态结果耦合，并松弛迭代求解热流道在成型过程中的温度场。 2000年，洛阳工学院的苏娟华对注射模热流道喷嘴的加热功率进行了理论计算和试验研究。通过试验得出了热喷嘴单位质量启动功率、单位质量持温功率和温度的关系曲线，并对散热系数Ｋ值进行了定量研究。并将理论应用于尼龙１０１０圆盒盖单浇口热流道注塑模外热式热喷嘴实验 。 2000年，青岛化工学院的尹清珍、宗殿瑞等人就热流道注射模具中，根据塑件形状不同，分析了熔体在等温流动和非等温流动式，流经不同位置时的压力损失，并推导了计算充模压力的数学模型。 ——热流道的大型模具和精密成型模具 大型模具： 箱包注射模板式热流道 汽车保险杠注射模及浇注系统的CAE分析 64cm及86cm彩电后壳热流道注射模 大容量洗衣机底座的热流道模具 精密成型模具：2000年，青岛化工学院尹清珍、宗殿瑞等人对热流道精密塑件的热流道成型模的温度控制、模具热平衡及注塑压力控制等提出措施。 ——热流道的叠层式模具和多层共注射模 叠式模具是将两幅常规注射模组合在一起，并加上热流道系统。与常规模具相比，叠式模具所需的锁模力只需增加5％～15％，但生产量可提高90％～95％，这种模具的型腔数目增加了一倍，开、合模行程较长，要求注塑机具有较大的额外开模行程。新型的旋转叠层模具如Engel公司的一种旋转模板设计，其中心模板有两个面，每个周期旋转180度。由Ferromatik Milacron公司与德国模具制造商Foboha公司合作开发的旋转叠层模具有一个四个面的中心模板，每个周期旋转90度。 共注射成型的双层注射：由两个螺杆构成，模具中装有多通道喷嘴。安装的多个喷嘴，每个热喷嘴可接收由注射机注射出的两种塑料熔体并将塑料熔料注入相应的模腔中，从而成型出三层杯形件。早在1985年，如本日精工ASB机械株式会社已发明出三层模塑用的热流道模，并申请专利。 ——热流道模具的快速换料工艺 1996年，湘潭大学的尹付成、金义华提出快速换色热流道设计。2001年，中南大学的蒋炳炎、邓益善等人基于聚合物熔体的流变行为，提出了拖曳换料的概念，建立了新料熔体和旧料熔体在热流道系统中共同流动的物理模型和数学模型，分析了注射速度、注射压力、粘度、温度等参数对拖曳换料工艺的影响。 目前，在生产中一般采用多次注射法，采用白色材料作为换色的过渡料等方法实现快速换料，采用嗅气味的方法和采用观察颜色的纯度法判定换料的彻底程度。 提高拖曳换料工艺效果措施：适当提高新料熔体的注射速度；合理地增大新料熔体的注射压力；合理控制新、旧料熔体的粘度梯度，用较高粘度新料换较低粘度旧料；合理设计生产工艺过程，优先生产注射量少和熔体粘度较低的制品。 换料工艺的模具设计原则：流道尺寸应尽量小；流道应设计成通管式，宜采用外热式热流道模具；确保温度控制系统能够灵活准确地控制热流道内部温度。

国内外热流道模具的 主要发展趋势 元件的小型化。 热流道元件的标准化、系列化。 热流道模具设计整体可靠性提高。 改善热流道元件材料。 开发精确的温控系统。 将热流道用于共注。 快速换色换料工艺。

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