第二节 浇注系统设计
一、概述
浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的流动通道，它分为普通浇注系统和热流道浇注系统。 浇注系统对制品性能、外观质量和成型难易程度都有直接影响，因此在设计浇注系统时，应综合考虑以 上因素。 设计塑料模具时必须遵循塑料熔体的流动规律，这样才能使所成型的塑料制品获得最佳的质量。塑料在注射过程中可分为三个区段。第一区段是塑料在螺杆（柱塞）与料筒壁之间进行的输送、压缩、熔融和塑化，并将塑化好的塑料熔体存储在料筒的前端，这方面的理论主要研究塑料由固态变为粘流态的过程；第二区段是储存在料筒前端的塑料熔体经螺杆（柱塞）作用，经注射机喷嘴、模具浇注系统进入型腔；第三区段是塑料熔体进入模具型腔过程中的流动、相变和固化。注塑过程的研究主要集中在第二区段，它涉及到熔体通过浇注系统时所受到的剪切力及熔体表观粘度的变化，这些都直接影响到浇注系统的尺寸大小、制品的质量等。下面就从理论上简要讨论塑料熔体在此区段的流动特性。 （一）、熔体流变方程的基础概念 当塑料熔体在外力作用下经浇注系统流动时，由于各点的流速不同存在着剪切力。设有剪切力τ于定温下施于相距dy的两平行液层，使两平行液层以du的相对速度移动。du/dy 称为剪切速率或速度剃度（?）。对牛顿液体来说，剪切力τ与剪切速率du/dy成正比。
duτ=ηdy （3-2-1）
比例常数η称为牛顿粘度，它是液体流动难易程度的量度。
当塑料在圆形流道内作稳定流动时，如图3-2-1，设在长为L半径为R的圆形流道两端的压力差为ΔＰ，其任意半径r处的熔体所受的剪切力为：
?r2?Pr?P?τ= （3-2-2） 2?rL2L
图3-2-1 塑料熔体在圆形流道内的流动情况
在管壁处其剪应力为：
τ=
矩形流道剪应力为：
τ =
R?P （3-2-3） 2Lh?P 2L对于牛顿液体在圆管横截面内各点流速呈抛物线分布（图3-2-1 b所示），在中心的流速最
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大，在管壁处流速为零，其剪切速率在中心为零，在管壁处最大，其值为：
du4Q?3 （3-2-4） dy?R式中Q：单位时间的流量，厘米故在管壁处有：
η=
3秒
R?P4Q （3-2-5） /2L?R3?R4?PQ =
8?L但大多数塑料熔体属于非牛顿流体，剪应力与剪切速率的关系不符合式3-2-1的正比关系，恒温下，在一定的剪切速率范围内，可近似地用下面的指数定律描述它：
?du?τ=K??dy?? （3-2-6）
??式中n：非牛顿指数，表示该流体与牛顿流体的偏离程度，对牛顿流体，n=1 非牛顿流体其粘度已不在是一个常数。在圆管内流动时，其各点流速分布不再呈抛物线分布，因此管壁处的剪切速率为
n4Q乘以校正系数。 ?R3du3n?14Q??3 （3-2-7） dy4n?R为了讨论方便，将
4Q叫做非牛顿流体在管壁处的表观剪切速率，管壁处的剪应力3?RR?P与表观剪切速率之比叫做表观粘度?a。表观粘度随剪切速率的变化而变化。 2LR?P4Q?a=/3
2L?R?R4?P所以 Q? （3-2-8）
8?aL?P?矩形流道：
8?aLQ （3-2-9） ?R4Wh3?PQ?
12?aL?P?式中：W：矩形流道宽度
12?aLQ
Wh3 7
h：矩形流道深度
由上面的公式可以看出： 1． 浇口断面尺寸
增大浇口断面尺寸，有利于Q值的提高。从式中可知，Q值随R4或Wh成正比。但浇口断面尺寸的增加，
熔体在浇口处的流速减慢，其表观粘度?a相应提高，Q值反而下降，所以浇口断面尺寸的增大有个极限值，就是大浇口尺寸的上限。超过此值，会取得相反的效果。
而小尺寸浇口，由于绝大多数塑料熔体的表观粘度是剪切速率的函数。熔体流率越快，
3?a越低，越有利于充模。另外，由于熔体流径小浇口，部分动能因高速摩擦而转换成热能，
提高了浇口处的局部温度，熔体的粘度再次降低，Q值增加。但当剪切速率达到极限值时（一般为101/s），剪切速率于表观粘度便失去了依存关系，称之为“剪切速率效应”。超过此极限值，剪切速率在增加，表观粘度也不在降低。此时浇口的断面尺寸就是点浇口的极限尺寸。
2． 浇口长度
当注射压力恒定时，则浇口处的压力保持不变。浇口长度短，熔体流经浇口的阻力毫秒年兆升毫秒度减小，
也就使浇口的入口于出口间的压力降减小，从而使塑料熔体在浇口处的流速增大，Q值得到提高。反映在注射螺杆上，螺杆向前推进的速度加快，也即注射速度加快。因此缩短浇口长度，在不增加浇口截面的条件下，就能提高注射速率Q值。同时由于熔体在浇口中速率的提高，也即剪切速率增加，熔体的表观粘度?a相应降低。此外，短浇口可保持常开，有利于补缩。由上可知，在设计浇口长度时，选择其最小值最好。 3． 剪切速率的选择
由于绝大多数塑料熔体属于非牛顿流体，其表观粘度?a与剪切速率的函数关系不是线形关系（如式 3-2-6）。由实验知，在较低的剪切速率范围内，剪切速率的微小变化会引起表观粘度的很大变化。这将使注射过程难于控制。导致制品表面不光滑，冲模不均，密实性差，内应力高，翘曲变形等缺陷。因此，选择一段剪切速率，使其的变化对表观粘度的影响最小，这样有利于注射过程的控制。一般来说，剪切速率取最高值，对粘度的影响最小。所以，注射过程的剪切速率通常取10～10（1/s），而且尽可能提高。
4． 表观粘度的控制
在注射过程中，当冲模不满，除增大注射量和提高注射速度等工艺条件外，降低塑料熔体的表观粘度是比 较好的方法。降低粘度的方法之一是升高温度。而升高温度则带来热量损耗的增加和冷却时间的延长，温度过高还会引起塑料的分解。二是提高剪切速率。但剪切速率的提高也不能超过其极限值。提高剪切速率的方法，一是提高注射压力，二是减小浇口尺寸。 综上所述，一般情况下，薄壁、小型等制品采用小浇口尺寸对制品的冲模及制品质量是有利的；而大型、厚壁、粘度高的熔体则采用大尺寸浇口。
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二、普通浇注系统 （一）、普通浇注系统的组成
普通浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料井组成。它的作用就是使注射机喷嘴射出的熔融塑料流入型腔。浇注系统组成部分如图3-2-2。
1—主流道 2—分流道 3—浇口 4—冷料井 图3-2-2 浇注系统 主流道是指紧接注射机喷嘴到分流道为止的那一段流道，熔融的塑料进入模具时先经过它。 分流道是指把主流道的融料引入各个型腔的流道。对普通浇注系统而言，它开设在分型面上。 浇口是指在分流道的末端将融料引入型腔的流道。 冷料井就是为了避免冷料堵塞浇口或进入型腔而设置的。在每次注射中，前锋的料流首先与温度较低的模具接触，从而造成料流前端存在一些低温料，常称冷料。冷料井一般开设在主流道或分流道的末端。 （二）普通浇注系统的设计 1．主流道的设计 由于主流道首先与高温、高压的融料以及和注射机的喷嘴反复接触，为增加主流道的耐磨性和耐腐蚀性主流道部分常设计成可拆卸的主流道衬套，又称浇口套。对于模板尺寸较小的模具可直接在模板上加工主流道。大型模具中为了主流道加工的方便；另外有些模具的定模板有几块板组成，为了防止开模时模板的缝隙留有溢料无法使主流道顺利脱出，也设计有主流道衬套。浇口套与定模板的配合一般取过渡配合（H7/k6）或过盈配合(H7/m6)。 常用的主流道衬套的结构如图3-2-3所示。
9 图3-2-3 主流道衬套结构
在主流道结构中，为了使凝料顺利脱出，主流道设计成圆锥形，具有2o～6o的锥角，
浇口套长度长,其夹角小些,浇口套长度小,其夹角可大些，浇口套内壁表面粗糙度值一般在 以下，小端直径应大于注射机喷嘴直径1毫米。主流道与喷嘴接触处一般成半球形，为使两者紧密配合，避免注射时的融料溢出，球面半径应比喷嘴半径大1～2毫米。在小端直径和锥角一定的情况下，大端直径也就确定了。然而，有些情况下要确定大端直径的大小，以满足熔体体积流率的充模要求。大端直径可由下列公式计算。
D=2(Q )
? (cm)
Q—流经该流道的熔体体积流率，cm/s；
塑料比容（cm3/g)?制品质量（g)Q=
成型时间（秒）
D—圆形流道截面直径，cm；
?—熔体在该流道内的剪切速率，1/s，圆形截面流道 ?=5×10；
为满足注射成型的需要，注射机最大熔体体积流率必须大于注射该制品的熔体体积流率。
2．定位环的设计 定位环起模具与注射机定模板定位孔定位的作用。目的一是支撑模具，二是使模具中心与注射机喷嘴中心一致。浇口套与定位环相配合的结构见图3-2-4。当定位环尺寸较小时，可把定位环与主流道衬套做成一体。定位环用螺钉使之与模具连接。当浇口套在注射过程中受力很大时，为减少螺钉的受力，可把定位环结构设计成如图3-2-5所示。 图3-3-4 定位环结构
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