GATE-浇口设计分析

技术专栏 : 塑料射出成型模具的浇口设计
浇口(Gate)在射出成型模具的浇注系统(Feed System)中是连接流道(Runner)和型腔(Cavity)的熔胶通道。

浇口设计和塑件质量有着密不可分的关系。

1. 浇口的位置和数目
1.1. 浇口位置与喷流(Jetting)的关系
浇口若能布置成冲击型浇口 -- 也就是使得进浇后的塑料熔体立刻冲击到一阻挡物(如型腔壁、芯型销等)，让塑流稳定下来，就可以减少喷流的机率。

1.2. 浇口的位置和数目与熔接线(Weld Line)的关系
熔接线是两股熔胶的波前(Melt Front)相遇后所形成的线条。

就塑件的外观或是强度而言，熔接线都是负面的。

每增加一个浇口，至少要增加一条熔接线，同时还要增加一个浇口痕(Gate Mark)、较多的积风(Air Trap)以及流道的体积。

所以在型腔能够如期充填的前提下，浇口的数目是愈少愈好。

为了减少浇口的数目，每一浇口应在塑流力所能及的流动比之内(Flow Length to Thickness Ratio)，找出可以涵盖最大塑件面积的进浇位置。

更改浇口位置以后，能够将熔接线自敏感处移除为上策。

如果熔接线无法移除，那么增加波前的熔胶温度(Melt Temperature)；或是减少两相遇波前的熔胶温度差(Melt Temperature Difference)；或是增加两波前相遇后的熔胶压力(Melt Pressure)；或是增加熔胶波前相遇时的遇合角(Meeting Angle)，都可以改善熔接线的质量。

1.3. 浇口的位置和数目与积风(Air Trap)的关系
积风是型腔内的空气和熔胶释出的气体被熔胶包围后的缺陷。

积风的存在，重则导致短射(Short Shot)或焦痕(Burn Mark)，轻亦影响外观和强度。

每增加一个浇口，就会增加积风发生的机率。

当塑件厚薄差异大时，如果浇口位置设置不当，就会因为跑道现象(Race Track Effect)而导致积风。

1.4. 浇口位置与迟滞效应(Hesitation Effect)的关系
迟滞效应是熔胶流到厚薄交接处的时候，由于薄处的流阻较大，而在该处阻滞不前的效应。

这种效应重则产生短射，轻亦形成迟滞痕(亦即高残余应力带)。

浇口应置于距离可能发生迟滞效应的最远处，以消除或减轻迟滞。

1.5. 浇口位置与缩痕(Sink Mark)和缩孔(Void)的关系
浇口应置于厚壁处以确保补缩的塑流(Compensation Flow)能够维持得最久，厚壁处才不会因为较大的收缩，而使得缩痕和缩孔更容易发生。

1.6. 浇口位置与溢料(Flash)的关系
型腔布置和浇口开设部位应立求对称，防止模具承受偏载而产生溢料现象。

如(图一)所示，b)
的布置较之a)为合理。

1.7. 浇口位置与流动平衡(Flow Balance)的关系
就单型腔模具而言，熔胶波前于同一时间抵达型腔各末端，就叫做流动平衡。

流动平衡的设计使得熔胶的压力、温度以及体积收缩率的分布比较均匀，塑件的质量较好。

所以浇口位置的选择以是否达成流动平衡为准。

流动平衡与否，可以模拟充模的CAE进行确认。

对浇口数目相同但是浇口位置不同的设计而言，能以最小的射压 (Injection Pressure)和锁模力(Clamp Force)充模的设计是流动最平衡的设计。

就多型腔模具(Multi-cavity Mould)而言，熔胶波前于同一时间抵达各型腔末端，就叫做流动平衡。

在非平衡布置的多型腔模具中，注道到各型腔的流道长度不同，或者各型腔的形状和尺寸不尽相同。

这时可以调整浇口上游的支流道的剖面尺寸(如直径或厚度等)，以达到流动平衡的目的。

一般调整浇口剖面尺寸的作法并不可取，一来此非长久之计(浇口小，容易耗蚀，流动平衡不能持久) ，二来若是浇口厚度也在调整之列，就会失去浇口作为划一封凝时间 (Freeze Time 或Seal Time)的功能。

当支流道比较细长(一般在200mm以上)，可采用以下公式来平衡塑流：
1.8. 浇口位置与塑件平面度的关系
浇口的布置若能形成单一方向流(Uni-directional Flow) - 也就是塑料熔体进入型腔后，其波前能以一平直的形式推进，那么塑料在流动方向和垂直流动方向的收缩就不会相互牵制，可以产生平面度高的塑件。

浇口的布置若能使得塑料熔体先流经型腔的平直部分，后流到型腔的弯曲部分，就可以减少残余应力对塑件中心面的不对称度，发生翘曲的可能性可以减少。

1.9. 浇口位置与型芯偏移的关系
正确的浇口位置使得进浇后的塑料熔体对型芯施加相互抵消的压力，免得型芯因单边受力太大而偏移，以致成型的塑件在压力大的一侧较厚，而在压力小的一侧较薄，这也会造成脱模困难以及塑件损坏。

2. 浇口的型式和尺寸
2.1. 边缘浇口(Edge Gate)
又称为侧浇口(Side Gate)，剖面有矩形，也有圆形，一般开设在分模面上，从型腔外侧面进料。

矩形边缘浇口(Rectangular Edge Gate)是最常见的浇口，常用于两板式多型腔模具，形状简单，加工方便，去除浇口容易，浇口痕迹小但是容易形成熔接线和积风。

如(图二)所示。

主要的尺寸有三：
考虑单面(凸模或凹模型腔面)即可。

2.2. 扇形浇口(Fan Gate)
通过以上公式中算出的边缘浇口的宽度若大于浇口上游的支流道直径或宽度，就可采用扇形浇口。

如(图三)所示，浇口开设在分模面上，从型腔外侧面进料，浇口沿进料方向逐渐加宽，厚度则逐渐减薄。

从此浇口进入型腔的塑料熔体波前较为平直，可减少翘曲变形，用来成型宽度较大的板状塑件颇为适宜。

主要的尺寸有三：
2.3. 薄片式浇口(Film Gate)
又称为平缝式浇口，常用来成型平直的大面积薄壁塑件。

如(图四)所示，浇口的分配流道与型腔侧边平行，其长度通常大于塑件宽度。

从此浇口进入型腔的塑料熔体波前可保持单一方向流，可避免翘曲变形，常用来成型平直的大面积薄壁塑件。

2.4. 重迭式浇口(Overlap Gate)
又称为搭接浇口，如(图五)所示。

可布置为冲击型浇口，有效的防喷流，但是浇口处易产生缩痕，浇口切除较为困难，浇口痕迹明显。

主要的尺寸有三：
2.5. 凸耳式浇口(Tab Gate)
如(图六)所示，在型腔侧面开设耳槽，熔胶通过浇口冲击在耳槽侧面上，经调整方向和速度后再进入型腔，如此应力得以释放，可以避免喷流。

但是这种浇口切除较为困难，浇口痕迹较大。

主要的尺寸有六：
2.6. 针点浇口(Pin Point Gate或Pin Gate)
针点浇口位置限制小，浇口痕迹小，开模时浇口可自动拉断，有利于自动化操作，如(图七)所示。

就薄壁塑件而言，浇口附近剪切速率(Shear Rate)过高，残余应力高，容易开裂，可局部增加浇口处塑件壁厚，如上图所示，以圆弧R形成酒窝(Dimple)状过渡，以行改善。

主要的尺寸有二：
2.7. 潜伏式浇口(Submarine Gate或Subsurface Gate)
又称为隧道式浇口(Tunnel Gate)，如(图八)所示，流道开设在分模面上，浇口潜入分型面下，熔胶斜向进入型腔。

塑件和流道分别设置推出机构，开模时浇口自动被切断，流道凝料自动脱落。

塑料过轫(如PA)或过脆(如PS)并不适用，前者不易切断，后者易于断裂，容易堵塞浇口。

主要的尺寸有：
2.8. 盘形浇口(Diaphragm Gate)
盘形浇口用于内孔较大的圆筒形塑件，或具有较大长方形内孔的塑件，浇口在整个内孔周边上。

如图九(a)和(b)所示，塑料熔体从内孔周边以大致同步的方式注入型腔，型芯受力匀称，熔接线可以避免，排气顺畅，但是会在塑件内缘留下明显的浇口痕迹。

盘形浇口的主要的尺寸有二：
2.9. 圆环形浇口(Ring Gate)
圆环形浇口设置在与圆筒形型腔的外侧，即在型腔周围设置浇口，适用于薄壁长管型塑件，如(图十)所示，塑料熔体环绕型芯以大致同步的方式注入型腔，型芯受力匀称，熔接线可以避免，排气顺畅，但是会在塑件外围留下明显的浇口痕迹。

圆环形浇口的主要的尺寸有二：
2.10. 直浇口(Direct Gate)
又称为注道型浇口(Sprue Gate)，如(图十一)所示，塑料熔体直接注入型腔，压力损失小，保压补缩强，构造简单，制造方便，但是冷却时间长，去除浇口困难，浇口痕迹明显，浇口附近容易产生缩痕和缩孔以及残余应力较高。

主要的尺寸有三：
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