摘要: 介绍塑料注射模热流道系统的喷嘴直径的流变学计算。举例说明喷嘴直径计算过程。还陈述了流变学计算数据获取方法。

      近年来，模具设计师越来越多地应用热流道技术。喷嘴的选用，有种类的选择和喷嘴流道直径确定的两方面。喷嘴流道的较小传输截面积，会使流道中的压力损失增大。在一定的注射压力下，使注射到型腔的熔料因充模压力过低，而达不到所需的充模速率。会影响注塑件质量，甚至使型腔不能充满。较大的截面面积将会增加浇注系统用料和能量损耗，增加熔体塑料在高温流道和喷嘴中的渡过时间。本文介绍用流变学原理和方法，计算确定喷嘴流道直径。

1. 喷嘴直径 

      以合理的剪切速率，又考虑塑料熔体的黏度，计算确定热流道系统的喷嘴流道直径。计算公式源于塑料流变学，依据各种塑料熔体的非牛顿性能，可获得正确的结果。

1.1  喷嘴直径计算式

      热流道系统的喷嘴内径尺寸，由材料的流动指数 n 、剪切速率以及注射的体积流量共同决定。此流量 qi 为喷嘴注入下游型腔的体积流量，可由该喷嘴射出注射量和注射时间计算

q_i=（1）

_Vi=（2）

式中     q_i —— 分流道的体积流量，cm³/s；

             t —— 对下游型腔的充模时间，s；

            V_i —— 单个喷嘴的注射量，cm³；

            V —— 注塑模型腔的总体积，cm³；

            N —— 流道分叉数。

      在浇注系统的圆管流道中，各截面的熔体充模时间 t是相同的。在已知以上数据的情况下，按剪切速率确定喷嘴内流道直径，可由以下流变学公式计算得

（3）

式中   n —— 塑料熔体的流动指数；

          —— 塑料熔体的合理剪切速率，1/s。

1.2  应用示例

      图 1 所示贮物箱，箱体面积 540×210mm，高220mm，壁厚 3～4mm 。箱体用 3640cm3 的 ABS 塑料注射成型。本公司设计和制造了此注塑模的热流道系统。有四个 BS32050 型号顶管式的，浇口在模板的喷嘴。喷嘴的总长 102mm，管径 16mm 。图 1 为浇注系统设置为保温的热流道，做的流动分析。6.056s 是塑料熔体总体积充满时的状态。其中热流道中熔体的流动充模时间在 5s 之内。用 Lanxess 公司的 Lustran ABS 1146 物料，熔体温度 260℃ 。

      每个喷嘴的射出量为 910cm³ 。由总注射量 3640cm³，查表 1 得可行的充模时间 t=4.8s 。得流经喷嘴流量 qi=190cm³/s。由分析软件提供的此塑料品种流变曲线，获知塑料熔体的流动指数 n=0.32 。又按表 2，开放式多喷嘴，较大流量下应具有合理的剪切速率 =700s-1。代入式（3）得

考虑到注射生产时，还充许调节注射充模和剪切速率。且归整到喷嘴直径的系列尺寸。故用流道直径为 16mm 的多喷嘴。

2. 计算式推导

      上式（3）是由非牛顿流体在圆管道中的流量q计算式推导而得。见徐佩弦编著《高聚物流变学及其应用》(北京:化学工业出版社，2003)中的(4-5)式

（4）

 式中，Dp是对于半径 r 圆管，长 L 时的压力降。K 是塑料熔体在某温度和一定剪切速率下的稠度。n 为流动指数，也称非牛顿流动指数。稠度和黏度的单位相同，常用 Pa•s ；为运算方便，也有用 N•s/cm²。其中，管壁的剪切速率为 

（5）

将此式代入（4）式，整理得

（6）

直径d=2r，此式为

（7）

可得喷嘴直径的流变学计算式

（8）

式中，可换算成式（3）。

3. 计算参数

3.1  充模时间的确定

      热流道喷嘴是热流道系统的终端，它将熔料输送到模具型腔或附加的冷流道。在喷嘴直径的计算过程中，模具型腔总体积 V 通过以下注射量和时间的关系确定注射时间 t。该注射时间t是根据注射机螺杆的常规推进速率。即注射机具有中等注射速率时，相对应的注射充模时间。表 1 是注塑机常规注塑速率下，对应的充模时间和公称注射量关系。大量工程计算证明，此方法能正确确定浇注系统流道中熔料的充模流量。也能适应注射机操作对充模速率的调节。

      V ——注射量，cm³；

      t ——注射时间，s。

      计算机程序运行中，充许对此默认时间值进行修改。

3.2  合理的剪切速率

      大量的注射成型的实验和计算机模拟数据证明，浇注系统各流程，从主流道、各分流道到喷嘴内径，存在合理的剪切速率的范围，见表 2 所示。塑料熔体有较高的黏度，较高温度下黏度较低些。塑料熔体另一个特性是非牛顿性，有“剪切变稀”的现象。在圆管中剪切流动时，剪切速率愈高，熔体的黏度下降明显。而剪切速率主要与流道截面内的体积流量有关。因此，热流道系统上游的主流道喷嘴、中游的各分流道，下游的分喷嘴，有不同的合理的剪切速率范围。有利于降低黏度，减小沿程的压力损失，保证对成型型腔成功充填。

 3.3  塑料熔体流变数据稠度 K 和指数 n 获知方法      

      这里，用 Lanxess 公司的 Lustran ABS 1146 物料，介绍获知塑料熔体流变参量稠度K和指数 n 方法和步骤。1) 对于 260℃ 的黏度剪切速率流变曲线 

 2) 读剪切速率对应的黏度值 

 对，实际黏度点的线段长（mm）/黏度坐标点间间距(mm)=