热流道喷嘴有主流道单喷嘴或称单喷嘴,有注射点的喷嘴,称分喷嘴。许多场合,购置的注射点的喷嘴,没有浇口套,由模具制造者将浇口制造在定模的分型面上。
1.要求和分类
(1)喷嘴加热、绝热和注射工作的基本要求
①喷嘴的加热温度分布特性应该接近直线;浇口区的温度控制合理;浇口的熔体热力闭合稳当或机械闭合可靠。
②热喷嘴与冷模具之间绝热良好。
③熔料从模具的浇口位置分离,要清洁,且重现稳定;浇口是喷嘴或型腔的一部分,布置在热流道系统的重要临界位置;浇口熔料不应该有任何下垂和流涎。
④在喷嘴与流道板之间应保持无泄漏;喷嘴与模板间的密封也应无泄漏。
(2)喷嘴分类
1)加热类型。喷嘴有外部或内部加热,或者两者都使用的混合加热,也有用流道板加热。主流道喷嘴还可利用注射机的喷嘴加热。
喷嘴外壳与模板孔之间的大部分面积用空气隙绝热;为防止喷嘴的顶针区对模具的热扩散,用塑料皮层做绝热仓;在喷嘴与模具的接触部位,用不锈钢、钛合金或陶瓷材料绝热;在满足强度和刚度的前提下,使接触面积最小。
2)功能分类。如果主流道喷嘴直接注射塑料进型腔或者冷流道,称为主流道单喷嘴。它有各种输出的浇口。主流道喷嘴与注射机的喷嘴直接作用,并与流道板的流道相通,称为中央喷嘴。流道板下游的注射点喷嘴,称为流道板喷嘴或分喷嘴。
3)浇口的类型区分。热流道行业以浇口的类型来命名喷嘴,有直接式喷嘴、顶针式喷嘴和针阀式喷嘴等。
4)注射点的数目。流道板上有二至八个甚至更多喷嘴。使用多个喷嘴时,随着喷嘴的数目减少和流道板的缩小和免除,能使热流道系统的成本下降。多浇口的喷嘴,例如双浇口的边缘喷嘴,可方便安置多型腔的小型注塑件的浇注。多个浇口的喷嘴称多点喷嘴。
5)浇口布置和喷嘴的壳体。将带浇口套的喷嘴称作整体式喷嘴,主要用于结晶型塑料注射成型。喷嘴上有完整浇口将物料浇注到模具的型腔。喷嘴的端面是型腔的组成部分,不带浇口的喷嘴被称为部分式喷嘴,主要用于无定形塑料注射成型。
2.主流道单喷嘴
主流道单喷嘴的相关部件也称为主流道杯。热流道单喷嘴的注射模结构如图12-46所示。这类单喷嘴可有多种浇口的形式。图12-46a为直接浇口。直接浇口的单喷嘴允许有较长较粗的塑料熔体的通道。在塑料上留有较大直径的料柄。
图12-46 主流道单喷嘴
a)直接浇口的单喷嘴 b)顶针式浇口的单喷嘴 1—定位圈 2—热电偶 3—加热器 4—定模固定板 5—定模板
直接式浇口的单喷嘴,浇口有锥度,便于脱出又长又粗的料柄。它能注射有较长的流程比的大型深腔的壳体,如桶、箱座等。主流道喷嘴通道中,熔体传输的压力损失较小,又没有分流道。此种单个中央的正面浇口,成型的壳体取向良好,又无熔合缝。
这种喷嘴有粗大的料柄,且根部塑料有气泡和凹陷,需要机械切割去除,又留下很大的疤痕。由于浇口根部凝料粗大,还须延长冷却时间和注射周期,在成型平板制品时,易产生扭转状的翘曲变形。
为了避免注塑件表面有颇大的痕迹,往往将壳体倒置,从壳体的里侧注射成型;也推荐使用直接浇口的主流道单喷嘴,让其下游是冷流道系统,分叉后注射多个型腔;或再经分流道后,以多点注射成型较大壳体,这样可便于分配熔料和缩短流程。
图12-46a所示直接浇口的主流道单喷嘴属于开放式的喷嘴。按塑料熔体的注射量和黏度,选定浇口口径。开放式喷嘴容易清洗,不易堵塞,被推荐加工回头料、高黏度熔料及高充填填料的塑料。
图12-46b所示的主流道单喷嘴,属于整体式管道型顶针式喷嘴。塑料熔体从喷嘴流道,经顶锥壳上2~3个小孔中射出。由于顶针尖作用,塑料熔体在环隙截面中射入型腔,有助于防止浇口上产生拉丝。顶针将熔体引入到浇口,浇口温度容易控制,也适用于热敏性的塑料注射在制品上的浇口残留料头少,浇口越小,痕迹越小。标准系列顶针式喷嘴的浇口直径为1~2mm。但是顶针的存在,使塑料熔体经历分流并在窄环隙中流动,增加了流动阻力和压力损失。倘若有1kg以上的过大注射量;或0.3m以上的过长的喷嘴,容易使熔体过热分解。
图12-47 气动针阀式主流道单喷嘴装配图
1—气缸上盖 2—主流道加热器 3—主流道杯 4,8,12—耐磨密封圈 5,9,10,11—橡胶密封圈 6—气缸活塞 7—流道密封圈 13—气缸下盖 14,22,23—内六角螺钉 15—止转销钉 16—喷嘴加热器 17—喷嘴 18—开关柱销 19—弹簧挡圈 20—喷嘴热电偶 21—气缸缸体 24—主流道杯热电偶 A、B、C、D—熔体可能泄漏部位
还有针阀式主流道单喷嘴。如图12-47所示是气动针阀式主流道喷嘴。塑料熔体由注射机喷嘴射入后,经此单喷嘴充填模具型腔。这种喷嘴的浇口痕迹小。独立加热和热电偶保证合理的加热功率和精确的温度控制。气压驱动单喷嘴,安装和操作简单方便。带有锥度的浇口,其孔径为2.5~8mm。圆柱孔的浇口有8~20mm的口径,适合加工大型和深腔的壳体。
3.直接式分喷嘴
图12-48所示为直接式分喷嘴,能维持较高的浇口温度和防止过早冻结。直接浇口本身的压力降较小,能较好地传递保压压力,对注塑件有较好的补缩,可用于注射长流程、厚壁和深腔的注塑件。
直接浇口的整体式喷嘴,热流道的浇口直径为2.7~8.0mm。喷嘴头与模具孔的接触配合接触长度为5~6mm,也可增加长度15~30mm。接触配合长度决定浇口区的热传导速率。浇口越长就越容易冻结。对于快速结晶塑料,浇口有2~3mm长已经足够了;对于无定形和慢结晶塑料特别是浇口直径为6mm以上时,就需要更长的接触长度。喷嘴头要增强热传导面积,加强对直接浇口的冷却。
图12-48 直接式分喷嘴的结构
1—密封圈 2—热电偶 3—加热器
4.顶针式分喷嘴
此种喷嘴在制品上残留物痕迹很小,而且注射无定形和结晶型塑料都可应用。它由热顶针将塑料熔体引流到浇口。浇口的温度容易控制,便于热敏性塑料的注射。在浇口中央的顶针有助于防止熔料拉丝和流涎。它有较小的浇口直径(0.8~3mm),对很小的制品,可用约0.5mm直径的浇口。
缺口敏感的塑料,像无定形的PC、PMMA和PS塑料,快结晶的PA、POM和PEEK及玻璃纤维高含量塑料,浇口的边缘应是锐利的,可选用较大直径(1~3mm)的浇口,拉断浇口废料时有清晰的断面。对缺口不敏感的塑料像PE、PP、PVC及热塑料弹性体TPE,不会得到齐整的浇口断面。为得到美观的制品外表,浇口直径应尽可能限制在0.5~1mm。顶针式喷嘴不推荐注射对剪切速率敏感的塑料,包括含有阻燃剂或有机染料的塑料。浇口里的环形间隙小,有温度上升和物料分解的可能。
图12-49 管道顶针式分喷嘴的结构
1—密封圈 2—热电偶 3—加热器
顶针可分为两类:管道顶针和鱼雷顶针。
图12-49中所示的为管道顶针。塑料熔体经顶针的管道,在顶管的圆锥尖顶上,从几个斜孔中流出。顶管被直接外加热。顶管用铍铜制造,表面可镀铬。顶管圆锥头与浇口间有半圆形凹坑作为绝热仓。图12-49所示属于不带浇口套的喷嘴,浇口是在模板上,绝热仓的皮层尚可清除,故应用较多。
顶管的顶针尖伸出较长,顶针尖的伸出长为9.3~20mm。浇口制造在模具上能被充分冷却。它属于低温浇口,适合于无定形塑料。顶管头将熔料分流,经浇口进入型腔后重新汇合。对于加工ABS、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熔合缝。
图12-50中所示的是热传导的鱼雷顶针。位于流道中央的鱼雷顶针,被塑料熔体传导加热。喷嘴壳体被线圈加热。鱼雷顶针使熔体在窄环隙中流动,增加了阻力和压力损失。倘若注射量超过1kg,或喷嘴长超过0.3m,常会出现塑料熔体过热分解和变色。
图12-50a所示属于带浇口的整体式喷嘴。顶针尖和浇口孔的位置精度有保证。但常在注塑件表面上留下浇口套的痕迹。热传导鱼雷顶针很短小,便于用肋条固配在绝热套上。喷嘴体用耐热钢4Cr5MoSiV1、H13(美)制造。绝热套用不锈钢或钛合金制造。顶针用4Cr13制造,耐磨耐蚀,顶尖硬度为50HRC。中空部分嵌入导热铜芯后封上顶尖。绝热套和顶针可以更换。喷嘴与模板之间至少2mm的空气间隙用于绝热。
图12-50b所示不带浇口的顶针式喷嘴,属于部分式喷嘴,浇口在模具内。由模具制造企业按热流道公司推荐尺寸加工。浇口区域可充分冷却,温度较低,用于注射无定形塑料和慢结晶的PE和PP塑料。如果浇口孔仓过大,可能有少量滞留皮层,可以拆卸喷嘴,清洗浇口。
5.针阀式分喷嘴
(1)结构和应用 图12-51所示是气动的针阀式喷嘴,也称开关式喷嘴。熔料经流道板分配给各注射点,实现大型注塑件的多点注射,或者一模多腔成型。气缸安装在定模固定板中,阀针柱销穿越流道板。喷嘴有带浇口或不带浇口的。常用浇口直径为2~8mm,最大可以达到20mm。多个针阀式喷嘴适用于时间顺序控制注射,可对各注射点喷嘴分别安排各自的注射保压时间,从而控制各股料流的注射和保压,能控制熔合缝位置或消除熔合缝。
针阀式分喷嘴在热流道系统应用有四个方面的优势:
1)可确保在塑料制品固化中准确控制柱销闭合浇口;可以确保各个喷嘴在保压后有时间一致的浇口闭合;常可使注射循环时间减少;也使一模多腔的各注射点的计量一致。
图12-50 鱼雷顶针式分喷嘴结构
a)整体式喷嘴 b)部分式喷嘴 1—密封圈 2—热电偶 3—加热器
图12-51 气动的针阀式分喷嘴的装配图(www.xing528.com)
1—定模固定板 2—盖板 3—挡圈 4—缸盖 5、15—密封圈 6—耐磨密封圈 7—压紧螺钉 8—活塞 9—缸体 10—流道板止转销 11—承压圈 12—流道板 13—阀针柱销 14—导套 16—喷嘴止转销 17—喷嘴体 18—加热器 19—定模板 20—浇口导圈
2)在制品上无废料残留,仅有柱销留下的圆柱标记能满足制品表面高质量的需求;浇口不存在流涎和拉丝。
3)有较大的浇口通道,因此可用于低剪切阻抗或对剪切敏感的塑料注射。
4)适合大型塑料制品的注射,以较低保压压力,获得残余应力较低的制品。
有些因素限制了针阀式分喷嘴的使用。使用液压缸或气动缸,需要额外的安装位置;需要对驱动缸附设控制系统。过长的阀针柱销,曲折的环隙流道,会使喷嘴中的流程压力增加。高温下的聚合物分子降解后,产生的污垢会进入间隙,使柱销卡死,流道烧结。因此喷嘴失效时,不能提高温度和增加注射压力,否则会导致各种泄漏等危害。
针阀式喷嘴的浇口结构,有部分式和整体式两大类型。图12-51所示的部分壳体式喷嘴,浇口开设在模具上。它的浇口区温度较低,但不至于冻结浇口中的熔料,适用于无定形塑料的注射。如果加工结晶型塑料,浇口里会较早地出现冻结皮层,妨碍阀针插入闭合,还会将浇口凝料推入到注塑件的表面。整体壳体式的喷嘴,其浇口孔座由喷嘴的加热器加热,适用于结晶型塑料的注射。
图12-52所示是带浇口套的针阀式分喷嘴。与图12-51的结构相比,为提高工作可靠性和使用寿命,有三方面的改进设计。
1)柱销12与分流道在同一通道中。喷嘴的入口端面与流道板密合较好,不易漏胶。
图12-52 带浇口套的针阀式分喷嘴
1—定模固定板 2—缸盖 3—密封橡胶圈 4—耐磨橡胶圈 5—活塞 6—压紧螺钉 7—缸体 8—承压圈 9—导套 10—流道板 11—分流道 12—阀针柱销 13—喷嘴体 14—加热器 15—引导滑套 16—定模板 17—浇口套
2)如图12-52所示阀针柱销12用引导滑套15导向。它增加了阀针滑动支承,减小阀针的弯曲变形,保证了阀针柱销在闭合时对浇口有精确对准,明显提高了浇口的强度和寿命。
3)为了提高喷嘴轴线上阀针12与导套9、引导滑套15和浇口套17的同轴度,减小由于流道板的横向膨胀造成的阀针弯曲变形,如图所示的承压圈8,用径向间隙补偿流道板的横向热伸长和浇口中心线的误差,而用导套9的紧压端面封胶。
针阀式喷嘴的浇口结构,还分为圆柱筒口和圆锥筒口两种(见前节所述)。阀针柱销有圆柱头和锥销头。圆柱头与浇口孔的配合间隙要求很高,注塑件表面的浇口痕迹较明显,浇口附近制件质量较差。锥销头的轴向位置调节很重要,注塑件表面的痕迹较浅。由于闭合封胶可靠,应用日益增多。
(2)柱销的驱动 阀针柱销的驱动有气动和液压两种。弹簧驱动的阀针已经很少采用。液压或气动喷嘴的阀针,都需独立控制。它们都需要较大空间来安装缸体。通常缸体设置在定模固定板上。图12-52所示为气动的针阀式喷嘴。它比液压驱动简单,通常不需要对气缸冷却。但气缸活塞产生的作用力比液压的要小许多倍。气动和液压传动介质的压力见表12-10。常用管道气压为0.6MPa。气动针阀式喷嘴主要用于低压注射的低黏度塑料。它有较清洁的生产环境,没有油雾和漏油。可以有比液压更高的加工温度。
表12-10 气动和液压驱动针阀式喷嘴柱销的压力值
液压驱动的针阀式喷嘴,需专门液压泵或注射机的液压油推动液压缸的活塞。油压通常是3~6MPa。控制油路由压力阀和流量阀组成。通常利用注射机的控制系统联结液压缸的控制油路。开始注射的信号用来开启浇口里的柱销。保压结束的信息,用来关闭浇口。柱销在流道板的流道里直线运动。温度变化会引起柱销偏移和弯曲。液压缸的温度不能超过80~100℃。温度过高会引起漏油。
阀针的导向导套装在喷嘴中,让流道Z字形拐弯供料。柱销与导套需高精度研磨,要在300℃的操作温度下,能保证单边有约3μm间隙。阀针应该能运动自如。此间隙能防止一般塑料熔体泄漏。但对一些低黏度的熔料,单边间隙要求为2μm,单向间隙的三次方与泄漏量成正比。阀针柱销的表面硬度为54HRC以上,保证有足够抗磨蚀性能,常用4Cr5MoSiV1、H13(美)钢制造,与浇口的配合段作表面渗氮处理。注射有无机填料的塑料,需要柱销有更高的抗磨性能。阀针柱销用DIN(德)1.2343(X38CrMoV51)制造,表面镀15~20μm镍层防腐蚀。再涂1~5μm氮化钛TiN,提高耐磨性和降低黏附。有高耐磨性要求的阀针用高速钢,例如SKH51(日)制造,硬度为59~63HRC。导套用Co-Cr-W硬质合金制造。导套孔内挖1~2个周向凹槽,形成环形密封。
(3)阀针柱销直径
1)对于气压驱动,浇口为圆柱头闭合。气缸活塞直径D=90mm,喷嘴内熔体的注射压力p j=100MPa,柱销直径d=4mm,试求柱销克服注射压力所需的闭合气压p。
平衡状态时,活塞闭合力等于熔料注射反力
求得气动压力
需要大于0.2MPa气压,就能推动柱销闭合。
2)对于气压驱动,浇口为圆锥头闭合。如果气缸活塞直径D=90mm,驱动气压p=0.6MPa,对于细长的柱销受到浇口锥孔的锁紧力
柱销的圆锥头闭合在浇口,作为固定端。浇口至导套的距离l=120mm。柱销与导套的动配合,作为铰链支承。柱销压杆的长度系数μ=0.707。在锁紧力F作用下
式中钢柱销的弹性模量取300℃时E=186×103MPa。圆柱柱销的轴惯性矩J为
柱销直径如果出现柱销压杆失稳,弯曲变形使圆锥头与浇口孔产生错位。必须限制浇口至导套的距离l。
3)对于液压驱动,浇口为销锥头闭合。如果液压缸活塞直径D=50mm,驱动液压p=6MPa,浇口处的锁紧力
其余参数同上,由压杆稳定性求得该柱销直径
6.多浇口喷嘴
多浇口喷嘴绝大多数是外部加热的,而且温度是可控制的。一个喷嘴有多个浇口可注射各个型腔,适用一模多腔的注射模。多浇口喷嘴有两类,一类是立式多浇口,另一类是边缘式多浇口。它们的浇口多为开放式小浇口,有三种结构:有绝热仓的开放式浇口、开放接触浇口和顶针式浇口。
图12-53 立式多浇口喷嘴
1—流道板 2—铸造加热器 3—喷嘴中流道分叉 4—可更换的浇口套 5—鱼雷顶针 6—定模板 7—绝热气隙 8—止转销 DT—浇口间直径间距
(1)立式多浇口喷嘴 图12-53展示了顶端浇注的立式多浇口喷嘴。一个喷嘴有2、3、4或6个浇口。图示连接流道板的多浇口喷嘴,其浇口套4可以更换。浇口开设在定模板上,浇口温度较低。因此浇口套前有保温的塑料绝热仓。这种浇口适用于无定形和慢结晶塑料。
(2)边缘式多浇口喷嘴 边缘式喷嘴可用在塑料制品侧壁的浇口位置上。浇口设在型芯侧面,在制品的平壁面、圆柱壁面和转角上。浇口直径为1~2.5mm。浇口不应该在注塑件的厚壁位置上。因为厚壁部位有过大收缩,会牵引浇口熔料,造成过大的废料。同样理由浇口也不应该在注塑件转角的凹面。对于热塑性弹性体,浇口处对注塑件壁面的斜角不超过15°,以获得良好浇口剪断断面,并保证模具壁厚强度。
边缘式喷嘴不但用做主流道喷嘴,也用于流道板的喷嘴,而且大都是多个注射点,可以减少喷嘴数目。这使一模多腔的小制品的注射较为经济。边缘式喷嘴有两种结构:开放式接触浇口和顶针式浇口。
图12-54 开放式接触浇口的边缘式喷嘴
a)局部视图 b)边缘式喷嘴用于一模两腔成型线盆制品
1)开放式接触浇口。图12-54所示的这种喷嘴直接接触模板上的浇口,因此在浇口区有较高温度。推荐加工结晶型塑料,可以防止浇口过早冻结。图12-54b所示为此种边缘式喷嘴生产浅盆制品。喷嘴的底部有绝热皮层。必须考虑喷嘴的热膨胀,影响喷嘴跟浇口的接触。
2)顶针式浇口。顶针式浇口用于边缘式喷嘴是项新技术。它可以消除喷嘴上出口的冷料。模板上的浇口只有2~3mm厚度。这种喷嘴对于顶针的装配,必须有专门的结构设计。
图12-55a所示,件1、2为专门设计的可镶拼的模块,可向中央推进,让顶针伸入模块,对准浇口。然后用锁紧斜楔3从两侧固紧模块。这种喷嘴适用于PA、PBT和玻璃纤维增强的PC。图12-55b上的铍铜合金的顶针,先用长螺钉4吊在绝热仓里,装好浇口模板后,再吊紧顶针6直到它们进入喷嘴5的键槽并抵达限位;然后用吊紧螺钉3置换安装螺钉4。
图12-55 顶针式边缘喷嘴
a)两腔或四腔的拼合模块 b)吊紧顶针的喷嘴 1、2—拼合模块 3—紧锁斜楔 3—吊紧螺钉 4—安装螺钉 5—喷嘴 6—顶针
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