侧孔管道针尖分喷嘴的设计与结构优化

直接浇口的分喷嘴有简单的结构，但浇口区的温度很难预测和控制，容易出现拉丝或堵塞。导流梭针尖分喷嘴流道6mm以下，浇口直径0.8mm以下很难制造。导流梭形成环隙流道会有压力损失。在开放式分喷嘴中，应用最多的是侧孔管道针尖分喷嘴。

1.侧孔管道针尖分喷嘴的应用

图5-54～图5-57所示为侧孔管道针尖。塑料熔体经有针尖的管道，在管道的圆锥尖顶上从几个斜孔中流出。管道被直接外加热。管道针尖用导热材料铜合金或铍青铜制造，表面有的镀铬，大多是采用沉积氮化钛表面处理，有耐磨、耐蚀要求时用TZM含钼合金。针尖可防止浇口提前固化。

喷嘴流道底出口孔仓的针尖区被不完全冲刷，滞留物料最严重。一般为2或3个出口孔，会有物料停滞在两个出口孔之间。熔体被分流冲出后经过小浇口，两股料流熔合不完善时会在浇口附近留下流动痕。过大的剪切速率和剪切应力会使塑料熔体分解变色，因此不适用于热敏性的塑料，对于加工透明塑料、热塑性弹性体和添加过金属或珠光颜料的塑料，有可能在制品表面形成可见的流动痕迹或熔合痕。

此种针尖式喷嘴能否成功浇注，取决于浇口的形状位置和尺寸精度，还取决于浇口的冷却面积、温度控制和冷却效率，以及浇口零件的耐磨和耐蚀性能。

1）图5-54和图5-56所示为整体式侧孔管道针尖分喷嘴，适用于大多数塑料的注射加工。这种喷嘴与浇口在定模板上的针尖喷嘴相比，浇口部位在较温热条件下运行，因此适宜加工结晶型塑料。整体式喷嘴的浇口零件和硬度有保证，因此适用于充填矿物填料和玻璃纤维充填的塑料。它的浇口零件更换维修方便，但它的价格比部分式针尖喷嘴昂贵。

2）图5-55和图5-57所示为不带浇口套的部分式针尖喷嘴。浇口设置在模板上，隔热腔的皮层尚可清除，故应用较多。此种部分式针尖喷嘴适用于无定形和结晶型塑料。浇口区的温度通过顶针尖的长度与定模传导面积进行控制。视侧孔管道的针尖伸出长度有2～3种标准系列，针尖的伸出最长为9.3～20mm。它属于低温浇口，适用于无定形塑料。

选用这种部分式顶针喷嘴追求的目标是得到短小的隐蔽的痕迹，有时用图5-37所示的凸起浇口来获得制件表面凹坑里的小痕迹，但是遇到脆性的塑料，或浇口直径过大时，还是会出现突起的痕迹。由于浇口在定模板上，常用P20（美）等中碳合金调质钢制造，硬度有限，故通常不适用于充填矿物填料和玻璃纤维充填的塑料。

2.侧孔管道针尖分喷嘴的标准系列尺寸

视浇口孔与针尖的关系，有整体式和部分式两种标准系列尺寸。

（1）整体侧孔管道针尖分喷嘴 分喷嘴用于多型腔或一腔多点进浇的注射模具。选用时从热流道浇注系统考量，并审定喷嘴规格。

1）分喷嘴适宜中小型注射量，热稳定塑料熔体最大注射量为40cm³/s，添加阻燃剂、有机颜料或染料等热稳定性差的塑料熔体最大注射量为20cm³/s。

2）分喷嘴适用绝大部分热塑性塑料的成型，适宜低黏度塑料熔体注射，适宜非牛顿性强的塑料熔体。

3）整体式分喷嘴的浇口套与冷模具之间的传热效率最低，浇口区能保持较高温度，高温塑料熔料和结晶型塑料熔体的热力闭合稳定。

4）整体式分喷嘴的浇口磨损出现在浇口套上。对于充填矿物填料和短玻璃纤维充填的塑料熔体，管道针尖和浇口套等零件必须用耐磨材料制造。对添加阻燃剂、有机颜料或染料等热稳定性差的塑料熔体，管道针尖和浇口套等零件必须用耐蚀材料制造或做耐蚀的表面处理。

5）管道针尖用铍青铜制造，表面镀覆质量影响顶尖的磨损量。

6）浇口剩料清洗困难。喷嘴的侧孔管道针尖和浇口套可以更换。

7）整体式分喷嘴的产品的浇口零件的制造和装配精度有保证，能够保证所有针尖与浇口对中且平齐。适合众多分喷嘴的注射，也适合高速注射。

8）针尖浇口痕迹小，浇口套在塑料件上有圆痕。

表5-18对照图5-54的相关尺寸做如下注释。

①喷嘴流道直径D是各种名义系列对应的首要尺寸。多数热流道公司生产的喷嘴流道直径D=5～16mm，D（mm）的编排有5、6、8、10和12。有的热流道公司没有这种整体的侧孔顶针喷嘴产品，经侧孔分流后的分喷嘴的流量有限，D>12mm的喷嘴很少应用。

②浇口直径d是喷嘴的主要参数。对于每种流道直径D，对应有相应的浇口直径d。多数热流道公司生产的浇口直径d=0.8～2.5mm。也有d=1.0～3.0mm。浇口直径经流变学计算应精确到0.1mm，制造极限偏差为±0.025mm。

③喷嘴长度L是指轴肩定位面到针尖的轴向尺寸。细小的喷嘴流道直径D的喷嘴长度受强度限制，长度L由客户决定，精度按±0.02mm制造。喷嘴长度L受高温喷嘴的热膨胀影响。

④喷嘴洞口直径D₁是定模板上的安装尺寸。定模孔壁与喷嘴之间有空气绝热的单向间隙1mm左右。整体式喷嘴常将加热线圈嵌入喷嘴壳体，洞口直径D₁细小。两喷嘴的最小间距取决于喷嘴直径。洞口向浇口收拢的圆弧和锥面角可见各公司的产品手册。

图5-54 整体式侧孔管道针尖分喷嘴的标准系列装配工作图

表5-18 整体式侧孔管道针尖喷嘴的标准系列（单位：mm）

注：括号内数据是有的热流道公司采用的尺寸。

⑤浇口套外径D₂及其高度H₂是与模板的配合尺寸，配合常用H7/js6。它们决定了与模具的传热面积。浇口套材料的热导率影响浇口区的温度。

⑥喷嘴轴座段直径D₃及其高度H₃。H₃决定了流道板与定模板之间的空气间隔，一般应为10～15mm。喷嘴顶端面与流道板的接触面是热流道系统最重要的封胶面。有的热流道公司用O形圈辅助密封，多数公司依靠压紧力封胶。所有轴肩应该在同一平面上，这可由定模板的加工精度保证。轴座段直径D₃有两种情况：一种情况是轴与孔间有大间隙；另外一种情况是轴座段直径D₃是配合尺寸，配合常用H7/f6，它的配合长度为2.5～5.0mm。D₃较大时，取较大的配合长度。后者的轴座段直径D₃与浇口套外径D₂在同一方向因为有两个配合尺寸而干涉。要注意的是，浇口套高度H₂是较小的，H₂=1.5～2mm。

⑦允许的分喷嘴体积流量q_i是指中等黏度塑料熔体。有阻燃剂和有机颜料或染料的塑料熔体、POM等热稳定性差的塑料熔体允许流量是表5-13值73%倍。

图5-55 部分式侧孔管道针尖喷嘴的标准系列装配工作图

a）短顶针球底 b）长顶针锥底

（2）部分侧孔管道针尖分喷嘴 这种分喷嘴如图5-55所示，浇口孔加工在定模上。

1）分喷嘴用于多型腔或一腔多点进浇的注射模具，适宜中小注射量。热稳定塑料熔体最大注射量为140cm³/s。

2）这种分喷嘴适用绝大部分热塑性塑料的成型。适合低黏度塑料熔体注射，适宜非牛顿性强的塑料熔体。

3）部分式分喷嘴的浇口区由模板冷却，温度较低，适用于PP和PE的聚烯烃塑料和无定形塑料注射成型。短针尖和有隔热帽的温热浇口适合慢结晶PP和PE等塑料的成型。长针尖的较冷浇口适合熔体温度300℃以下的无定形塑料。

4）定模板上浇口孔的结构和孔径按热流道专业公司要求加工，应保证针尖与浇口对中且平齐。对于充填矿物填料和短玻璃纤维充填的塑料熔体以及添加阻燃剂等热稳定性差的塑料熔体，很难用耐磨材料制造或做耐蚀的表面处理，浇口的耐用寿命较差。

5）管道针尖用铍青铜制造，表面镀覆。针尖容易磨损。

6）浇口剩料清洗方便。喷嘴的维修和更换比较容易。

7）部分式分喷嘴产品的浇口零件的制造和装配精度难以保证，不适合众多的分喷嘴注射。

8）针尖浇口痕迹很小，注塑件外表更美观。

图5-55所示部分式侧孔管道针尖喷嘴头上的封胶轴段长为l。热流道系统的零件受到热胀冷缩的影响，零部件有加工误差，沿轴线有弯曲变形，都会使封胶不可靠，会有漏胶现象。其次，浇口孔由模具生产企业在定模板上切削加工，针尖与浇口孔的位置精度不能保证，会有顶针浇口的阻塞。另外，浇口孔所在模板材料多为中碳合金调质钢制造，经受不起矿物填料和短玻璃纤维强力磨损。

表5-19列出了目前流行的部分式侧孔管道针尖喷嘴的标准系列（相关尺寸见图5-22a），并经过整理修改。表5-19对照图5-55a的相关尺寸的注释如下：

表5-19 部分式侧孔管道短针尖喷嘴的标准系列 （单位：mm）

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①多数热流道喷嘴流道直径公司产品的流道直径D=5～16mm，D（mm）的编排有5、6、8、10、12、14和16。

②浇口直径d是喷嘴的主要参数。对于每种流道直径D，对应有相应的浇口直径d。多数热流道公司产品的浇口直径d=0.8～3.5mm，也有d=0.6mm的。图5-55所示喷嘴上的浇口高度H=（1.25～2.0）d，或者H=（0.75～1.5）mm。浇口直径经流变学计算应精确到0.1mm，制造极限偏差为±0.025mm。对于众多分喷嘴，如有4个以上喷嘴，浇口直径制造极限偏差为±0.0025mm。浇口间距制造极限偏差为±0.02mm。

③喷嘴长度L是指轴肩定位面到顶针尖的轴向尺寸。长度L由客户决定，精度按±0.02mm制造。喷嘴长度L受高温喷嘴的热膨胀影响。

④喷嘴洞口直径D₁是定模板上的安装尺寸。定模孔壁与喷嘴之间有空气绝热的单向间隙1mm左右。粗大的喷嘴洞口直径D₁有利于在模板上加工浇口的入口腔。

⑤封口轴段外径D₂和浇口腔高度H₂决定了浇口的喷嘴头与模具的传热面积。D₂常用H7/js6。模板材料的热导率和冷却管道的位置影响浇口区的温度。封胶轴段长l决定了密封效果和喷嘴固定支承的刚度。表5-19中括号内数字是某些热流道公司的封胶长度l和浇口高度H₂等数据。如图5-43所示，浇口的特点是入口腔是锥面。它是针尖更短的侧孔管道系列，浇口区冷却效果好，适用于慢结晶和无定形塑料注射。

⑥喷嘴轴座段高度H₃决定了流道板与定模板之间的空气间隔，一般应有10～15mm。喷嘴顶端面与流道板的接触面是热流道系统最重要的封胶面。所有轴肩应该在同一平面上，这可由定模板的加工精度保证。喷嘴轴座段直径D₃是配合尺寸，常用H7/f6，D₃=D₁+（5～6）mm。

⑦允许的分喷嘴体积流量q_i是指中等黏度塑料熔体的体积流量。根据q_i对应设计合适的浇口直径。

表5-20列出了目前流行的部分式侧孔管道长针尖喷嘴的标准系列（相关尺寸见图5-55b），并经过整理修改。喷嘴顶针伸入到定模里，浇口腔高度达到H₂=16mm。它适合小直径筒体或沟槽塑件的注射，以及无定形塑料的注射。浇口区的温度受模具温度的影响较大。

表5-20 部分式侧孔管道长针尖喷嘴的标准系列 （单位：mm）

3.侧孔管道针尖式分喷嘴结构

（1）整体式侧孔管道针尖喷嘴 图示5-56所示为整体式侧孔管道针尖喷嘴。壳体3与轴座1用螺钉连接。喷嘴壳体3用H13（美）或DIN1.2344（德）制造，淬火后硬度为46～48HRC。轴座1用耐磨钢DIN1.2316（德）制造。浇口套7用SKH51（日）制造，硬度为58～62HRC。如果用钼合金TZM制造浇口套，可提高浇口温度，能加工快结晶的PA、POM和PBT以及一些高温注射的塑料。

定位销2可防止喷嘴转动，让布线牢靠。侧孔管道顶针6和浇口套7在壳体孔中以同一台肩定位，顶尖和浇口的位置精度可得到保证。侧孔管道顶针用BeCu制造，表面沉积氮化钛。浇口套用细牙螺纹与壳体连接。这种喷嘴用嵌入式加热线圈，热传导效率好，轴线上温度分布均匀。热电偶用不锈钢片包裹在壳体外。

图5-57所示为部分式侧孔管道针尖喷嘴。喷嘴壳体3与轴座1用压配连接。喷嘴头8用TC4（Ti6Al4V）制造，硬度为35～38HRC。定位销2用于防止喷嘴转动，让布线牢靠。导流梭6的轴向尺寸和喷嘴头8在壳体孔中以同一台肩定位，不过针尖和浇口的位置精度要得到定模板的加工精度保证。采用外裹式加热线圈5，热传导效率较差。热电偶4在喷嘴壳体上开长槽插入。喷嘴用不锈钢制作的外套7保护，径向尺寸大。喷嘴壳体3的端面与流道板配合，有密封防止熔体泄漏的要求。如果不用密封圈，则要确保与流道板紧密接触，这将会涉及众多相关零件的尺寸和形状位置的精度。

图5-56 整体式侧孔管道针尖喷嘴

1—轴座 2—定位销 3—喷嘴壳体 4—嵌入式加热线圈 5—热电偶 6—侧孔管道针尖 7—浇口套

图5-57 部分式侧孔管道针尖喷嘴

1—轴座 2—定位销 3—喷嘴壳体 4—热电偶 5—外裹式加热线圈 6—侧孔管道针尖 7—外套 8—喷嘴头

（2）侧孔管道针尖 侧孔管道针尖要求耐热、抗磨、热传导性能好。有的用铍青铜制造，热导率为200W/m·K；也有的用铍钴铜合金制造，热导率为225W/m·K。工作温度可达280℃，但温度升高时力学性能下降。必须镀镍，以防止熔体影响。或者用碳化硅对其表面进行处理，以提高耐磨性。还可沉积3～5μm的氮化钛，以增强磨损阻抗。用烧结钼TZM制造的顶针的热导率为115W/m·K，耐热360℃以上，比铍青铜耐用抗磨，但有对缺口的脆性。

图5-58所示为喷嘴流道长8mm，适用于浇口直径为1.5mm的侧孔管道针尖。轴线上的长度尺寸为6_-0.02mm和24.8^+0.01_-0.02mm，关系到顶针尖在浇口洞口高度h中的位置。各圆柱面和顶锥面对基准A、B和C的垂直度和同轴度关系到针尖在浇口洞口的对中。它们都会影响塑料熔体流动的剪切速率和剪切应力，影响注射充模和浇口痕迹。

（3）隔热帽保温 图5-59所示的隔热帽侧孔管道针尖能耐较高的温度，适用于注射300℃以下的结晶型塑料。隔热帽4常用耐热高熔融温度的聚醚酰亚胺PEI或聚醚醚酮PEEK制造。PEI为无定形塑料，熔化温度为310～420℃。PEEK是耐高温阻燃的结晶型塑料，熔融温度为350～400℃。将塑料棒按照浇口腔的形状和尺寸车削，套压在顶针上，安装在定模的孔穴里，注塑时能有效阻隔冷模具的影响，并且清理置换方便。钛合金护套1也起隔热保温作用，外圈是封胶面。

图5-58 侧孔管道针尖

图5-59 隔热帽侧孔管道针尖

1—钛合金护套 2—壳体 3—侧孔管道针尖 4—隔热帽

（4）密封圈 在流道板与喷嘴之间的防泄漏有两种情况。以前，大多数热流道制造商使用柔性的金属O形密封圈（见图5-60），两者接触的喷嘴表面上开圆环形凹槽，放置密封圈。对于低刚度的模具和流道板、变形的旧模具和旧的注射机，使用密封圈特别有利。密封圈在喷嘴轴线方向，应该有20%～30%圈直径C的预紧量，来抵御压力熔体的泄漏。在模具被拆卸后，或模具连续工作约六个月后，密封圈应该换新。现在，一些热流道制造商不使用密封圈，流道板与喷嘴之间的接触表面依靠夹紧力来保证合适的密闭防漏。另外，一旦泄漏时要有控制漏料的空间，如在图5-57所示喷嘴的顶端配合面上，开设0.5mm深的半圆截面的环槽。

金属O形密封圈用钢管或不锈钢管制成，管壁厚为0.254mm，壁上有透气小孔，如图5-60所示。钢管外镀银，厚度为0.0254～0.0381mm。表5-21为标准金属O形圈的技术参数。喷嘴端面上的容圈槽必须精确加工，既要保证紧固后有足够的预紧量，又要让密封圈在变形后有一定的容让空间。如图5-60a所示，在装配压紧后，密封圈的两个环平面和圈的外径应有恰当的弹性压缩变形。此种金属密封圈进口的价格昂贵，国内用实心铜环替代，装在喷嘴的封闭凹槽内，其弹性较差。

图5-60 金属O形密封圈的密封原理

a）原理 b）装配图 c）密封槽

表5-21 标准金属O形圈的技术参数 （单位：in/mm）

（续）

注：1in=25.4mm。

空心金属O形密封圈适用于高温和高压场合。空心金属O形密封圈结构有三种类型。a型是非自紧O形圈，用于低压下介质密封。b型为充气O形圈，在封闭的O形圈内充惰性气体，可增加密封圈的回弹能力，用于高温场合。O形圈的充气方法一般是在管子焊接之前，将固态二氧化碳或偶氮二异丁腈放入管内，焊接后再使之汽化，或者直接充高压惰性气体。c型是自紧O形圈，在密封圈的内侧钻有若干小孔。由于管内压力随介质压力的增高而增大密封圈的自紧性能，故能用于高压场合。

流道内塑料熔体注射压力高达50MPa，有的塑料熔体温度超过300℃，属于高压高温，密封应采用b型或c型的空心金属O形圈。在此温度下，金属密封圈材料应选用奥氏体不锈钢或因科镍，不用低碳钢。当被密封介质具有活性或密封圈表面粗糙时，应电镀或喷涂有高延伸性的补偿层。对于注射设计温度为-60～360℃的塑料涂层，应选用银，不选用铜，因为铜与PP塑料有化学反应。

对高压注塑，应采用厚壁管的自紧O形圈。壁厚T与管外径C之比T/C=0.167～0.25。表5-21中金属O形圈的壁厚T=0.254mm，管径为1.575mm，是厚壁管。不锈钢管的弹性回弹量为0.0508～0.0762mm，线压为35.6～267N/cm。图5-60所示的密封圈为开口沟槽，金属O形圈直接与塑料熔体接触。或者用闭口沟槽，将其埋嵌在喷嘴端面的环槽中。沟槽尺寸都需慎重计算，并考虑O形圈的压扁度，精确加工。

4.设计实例

图5-61所示为一模四腔的侧孔管道针尖四分喷嘴的热流道系统。聚碳酸酯PC和ABS混合物成型的透气栅盖每件重12.2g，壁厚为1.8mm。由表2-7查得PC/ABS的熔体密度为1.02g/cm³，每次注射熔体的体积为47.8cm³。由表5-3注射体积量V与注射时间t的关系，可知注射时间t=0.95s。射入模具的体积流量为50.3cm³/s，每个喷嘴流道及分流道的流量q_i=12.6cm³/s。由表5-8分流道和多喷嘴通道直径的对应关系，知多喷嘴的流道直径D=8mm。当剪切速率时，塑料熔体的流动指数，可由表3-2查得n=0.536。再查表5-13，知分喷嘴的针尖式浇口直径d=1.5mm。

采用分喷嘴流道直径为8mm时，零件图5-58所示的侧孔管道针尖可放在图5-61所示的浇口孔中。

图5-61 侧孔管道针尖四分喷嘴热流道系统

1—接线盒 2—X形流道板 3—4个注塑件 4—加热的主喷嘴 5—4个侧孔管道针尖分喷嘴