聚碳酸酯塑件注射模浇口选择的要求

陶永亮·，邱 峰，黄登懿，任登安，赵 勇

（1.重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712；2.重庆科技学院，重庆 401331；3.四川长虹模塑科技有限公司，四川绵阳 621000；4.重庆工信职业学院，重庆 400043；5.重庆市轻工业学校，重庆 400709）

1 引言

注射模浇注系统的功能是为注塑机料筒中已经塑化的熔料输送到模腔提供一个通道，对于材料不同浇注系统选择也有所不同。聚碳酸酯（简称PC）材料具有特殊要求的一种工程塑料，用途广泛。在制品成型的整个过程中，制品的颜色、色泽、质感和光泽等特征的外观质量、批量效益都与浇注系统的选择息息相关，对PC浇注系统的要求应该从流变观点考虑和从加工着观点考虑，选择浇注系统、浇口类型和浇口位置都有着重要的作用。本文以PC特例，讲述PC材料性能、浇注系统选择、浇口类型等，结合汽车灯具案例做些分享。

2 PC材料性能及应用

聚碳酸酯（PC）是分子链中含有碳酸酯基（-OROCO-）的一类高分子聚合物总称，随着R基种类的不同，可分为脂肪族PC、芳香族PC、脂肪族PC，目前仅双酚A（BPA）型芳香族PC获得工业化生产，故称PC即双酚A型芳香族PC（Polycarbonate）[1～2]。

PC具有较好的机械性能、电学性能和成型加工性能，PC材料熔融指数（体积）2.2～17.5g/10min，较低的指数适应普通设备挤塑，较高的指数适应普通设备注塑[3～5]，在汽车及灯具制造领域、食品包装、电子电器、眼镜及光学透镜、医疗器具、航天航空等领域得到了广泛应用。

PC属于极性高分子，其表面自由能较高，表面湿张力在40dyn/cm（1dyn/cm=1mN/m）以上，与镀铝层结合力较好，宜作无底镀，即在塑料表面直接镀铝（不需要喷底漆）再镀保护膜，使镀层具有亮丽的金属光泽等[6]。当然PC也有一些不足之处，塑件内应力较大，表面硬度较差，耐候性较差等，这些都可以通过后续措施得以改进。

3 PC浇注系统设计及注意事项

3.1 浇注系统影响因素

流变学包括聚合物溶体流变学和塑料加工流变学。从流变学角度考虑，注塑过程是塑料溶体充填的过程被认为是粘性非等温不可压缩流动与传热过程[7]。模具浇注系统能保证溶体要以平稳地输送到模腔、低剪切、料温升高小、低的压力损耗等，减少注塑件成型缺陷，获得更为合理的流动性能，让浇注系统可使溶体在浇道中运动接近等温流动状态，避免经验设计的不足[8～9]。从加工这观点考虑，少的流道废料、缩短成型周期、尽可能自动脱浇口、宽的加工窗口、不可见的浇口痕迹、无故障生产等，两种不同角度考虑，前者以技术质量为主，后者以经济效益为主，两者兼顾好才是最好的。

浇注系统中浇口也叫进料口，其设计合理与否，对聚合物熔体填充模具型腔时的流动行为以及最终塑料成型质量，起着至关重要的作用，而分流道的截面积尺寸的大小则影响着熔体在流动过程中温度与压力损失及浇注系统凝料的多少[10]。研究模具浇口尺寸和流道截面积尺寸，对注塑填充性能的影响，根据塑料溶体流变行研究为对浇口设计有重要的意义。

3.2 PC浇注系统的选择

注射模浇口类型选择应适应塑件成型的需要。而浇口的位置则影响着熔体在型腔内的流动方向、型腔气体的排放、熔接痕的形成以及塑料件变形的大小等。通过控制浇口尺寸的大小，可以控制熔体的流动速度和浇口处熔体冷凝的速度[11]。对于一模多腔，需要各浇口的平衡进料；对于单型腔多浇口模具，可以控制熔接痕的位置。浇口尺寸小，流道凝料与塑件容易分离，减小浇口尺寸，可以增加熔体的剪切速率，使熔体与壁面之间摩擦热增多，降低熔体粘度，提高熔体的流动性[12～13]，压力再次得以减少。由此并非加大浇口的截面尺寸就一定能改善充模情况[14]。一般来说，较小的浇口截面尺寸可提高熔体的剪切速率，降低熔体的表面黏度，从而减小熔体的压力降，这也是小浇口应用较多的原因[15]。

由于PC的特征，笔者经过多年的了解和总结，最终选择的侧浇口适合PC材料浇口形式（同样适合一个塑件两点进料），如图1所示。侧浇口形状结构比较简单，包括整个浇注系统，容易加工；去除浇口比较容易，用剪刀、夹钳或者小刀都容易下刀，不会损伤到塑件表面；进胶浇口厚度0.4～0.8mm，过厚冷却长，延长成型周期；浇口宽度在5～15mm以内，可以选择宽度，少选厚度。进料浇道长度在20～100mm，甚至还可以长些；进胶直浇道（主浇道）的长度≤160mm，有这样长的直浇道和进料浇道只有PC可以，拥有很好的熔融指数（配有模温机），浇桥距离3～8mm。流道也是热塑性注射模设计最重要的环节之一，最主要的条件是以尽可能小变化的温度和压力通过流道输送熔融塑料并同时充满所有型腔，采用何种流道形式是设计关键所在[16]。

图1 PC侧浇口示意图

不同流道截面积类型对塑件的热变形并无显著影响，圆截面流道的溶体流道阻力最小，热量不容易散失。从加工方面来考虑，圆截面积流动需要在动模和定模两边同时加工并精确对齐组合而成，最好在浇道设置冷料井和顶杆，具体部位如图2所示。浇口的位置可以尽量避免塑件结构薄弱之处熔接痕产生，减少残余应力，提高塑件强度和外观质量。

图2 PC侧浇口结构示意图

3.3 PC塑件浇口分享

图3所示为4件PC车灯塑件及浇口情况。图3a为汽车前灯配光镜（透明灯罩），外观要求很高，单件投影面积约70,000mm2，单件塑件重400g样子在1,000t注塑机上完成，用3台模温机分别接动定模镶块和模框等。浇口选择侧浇口，进料浇道长度≤100mm（从直浇口到塑件边缘），浇道圆截面积φ12mm，浇口宽度12～15mm，进胶浇口厚度0.8～1.0mm可成型出塑件能达到表面要求。图3b为灰色前灯饰圈，需要镀铝处理，表面无瑕疵，塑件重60g样子在160t注塑机上完成，浇口选择侧浇口，进料浇道长度35mm（从直浇口到塑件边缘，圆弧型），浇道圆截面积φ6mm，浇口宽度与进胶厚度分别6mm和0.6mm。图3c为明蓝色倒车灯内配镜，塑件重30g样子在120t注塑机上完成，由于是一模一件还是浇口选择侧浇口，浇道圆截面积φ6mm，浇口宽度与进胶厚度分别10mm和0.4mm。图3d为内配镜塑件，单件塑件重40g，异型面分型，直浇口长度有160mm多，考虑到塑件上有些孔洞，浇口从孔洞端头进料，主浇道长160mm，进料浇道长度有100～110mm（从直浇口到塑件边缘），浇道圆截面积φ6mm，成型出塑件很漂亮，熔接痕很小不明显。一般情况会选择在主浇道附近直接在塑件中间进料，这样端头上熔接痕了很明显，并且无法消除。

图3 侧浇口案例示意图

3.4 PC塑件浇口注意事项

PC塑件用侧浇口，其它进料浇口在选择中一定要考虑好，并不是其它浇口不好使用，而是慎重选择。笔者列举一些注意事项。

（1）PC塑件尽量不用针阀热流道。

针阀式热流道根据注射原理分为气缸式和弹簧式，其中弹簧式依靠弹簧和注射压力的平衡控制针阀开关[17]。一般使用弹簧式浇口多，调试和维修费用较高。容易出现问题是浇口处温度高有光圈，温度低有冷斑。表面有明显的浇口痕迹，阀针应突出0.2mm，与阀针调整控制有关，如图4所示。有飞边，与锥度配合有关。浇口温度低，浇口周围时有银丝，浇口处表面度粗糙度值很大，针阀顶端没有做抛光处理等，如图5所示。一般开始加工的半天塑件表面问题较多。

图4 针阀式热流道进料部分示意图

图5 针阀式热流道塑件缺陷示意图

（2）PC零件尽量不用扇形浇口。

图6所示的是手机外壳，属于薄壁件，一模出两件，注射压缩成型，扇形浇口进胶。塑件成型中存在成型周期长，彩虹纹，两边厚度不一致的问题。成型厚度在0.7mm还可以，想做到0.63～0.65mm存在上述问题。后来按照常规侧浇口进行改进，较好地消除彩虹纹，两边厚度得到控制。

图6 薄壁件示意图

（3）PC零件尽量不用潜伏式浇口。

如图7所示是牌照灯配光镜，是一个薄片件，单件重量4g，采用潜伏式浇口进料，为了进胶专门从8.5mm尺寸台阶上做延长，让进胶点在延长段上，塑件出模后再用工具去掉延长段，有时员工没有把进胶延长段去掉送出厂的，如图8所示。关键是顶出杆每次顶断浇口时所切削下来的料霄不一定被顶出模具外，而往往吸附在模具表面上，员工关门下一模注射时料霄被注射在塑件表面上，导致整个塑件报废，浪费较大。

图7 牌照灯配光镜示意图

图8 配光镜潜伏式浇口示意图

（4）PC零件尽量不用点浇口。

有一仪表壳，有外观质量要求。塑件重量50g，采用点浇口进料，位置选在大圆与小圆之间，做出的塑件点浇口处有冷料斑和拉裂，塑件不合格，如图9所示。后来经笔者提议进料位置放在旁边的小圆柱顶上，进料直径φ1.8mm，结果做出的塑件情况好多了，冷料斑和拉裂没有了，小圆柱成不透明状态，经商量用让步接受的方式，同意生产，如图10所示。

图9 仪表壳浇口改进前示意图

图10 仪表壳浇口改进后示意图

4 结束语

浇注系统、浇口形式和位置的设定是注射模设计中关键技术之一，决定了聚合物流动方向和平衡性，也是可以提高塑件质量的重要环节。本文就PC的侧浇口特例做了较多的描述，即带有一定的经验性，也少有一些理论性。目前注射模浇注系统设计主要通过CAE技术等，对浇口位置进行模拟分析，可预测注射成型中缺陷，确定最佳浇口位置和数量[18]。现在利用人工智能技术建立浇口类型选择专家系统，有助于提高浇注系统设计的智能化[19]。确定浇注系统尺寸的原则是保压压力对模腔中的溶体必须具有足够长的作用时间，确定浇口尺寸的原则必须保证所需的保压压力能补偿塑件在冷却阶段出现的体积缩小（收缩率）。浇口尺寸的原则依据于塑件重量、浇口长度和壁厚（流长）等。都会是影响充模时的热应力和剪切应力，还依赖原料流动性和不同牌号对剪切的敏感性。总之，浇口尺寸等参数确定是一项综合性考量，只有考量周全的浇注系统，才能保证塑件质量，未来的浇注系统、浇口设计将是仿真加人工智能设计为主。