為什么歐洲的模具都喜歡用熱流道技術？

一往冇前

01

無流道凝料注射模具的概念

所謂無流道凝料模具即是在注射成型中，流道里的熔料始終保持熱的流動狀態(tài)。開模時只需取出固化的制品，而不產(chǎn)生流道凝料。與傳統(tǒng)的注射模具相比，這是一種先進的注射模具技術，是塑料注塑成形工藝發(fā)展的一個熱點方向。其最大特點是可提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本，保證制件成形質(zhì)量。

熱塑性塑料的無流道凝料注塑模具，是指模具中通過采用絕熱或加熱的方法，使從注塑機噴嘴到模具型腔澆口這一段流動通道中的塑料熔體始終保持熔融狀態(tài)，并可連續(xù)注入模具型腔。

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熱固性塑料則是采用溫流道注射模具，即通過控溫使流道中的熔料保持在設定的溫度內(nèi)。

02

無流道凝料模具技術的發(fā)展

無流道凝料模具也稱熱流道模具，熱流道并非新技術，在熱塑性塑料注射模具中的應用已經(jīng)有30多年的歷史。早在1940年，E.R.Knowles在美國就申請了熱流道技術的專利。

據(jù)估計，目前在歐洲有1/4以上的注射模具應用了熱流道技術，在美國也有1/6以上。在國外，熱流道系統(tǒng)元件已系列化、商品化。有預測表明，熱流道技術的應用比例將逐年增長。近幾年，熱流道技術還在不斷的發(fā)展和完善。

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在中國，熱流道技術約在80年代以后才逐步有所應用，目前尚處于開發(fā)應用階段。在注射模具中，其應用比例僅也為2％～3％左右。但發(fā)展前景很好，市場的潛在需求非常大。

熱流道模具技術的發(fā)展有以下趨勢：

1）開發(fā)研究各種新型噴嘴、熱流道板及相關技術，以適應不同塑料和制品的要求。如防泄漏、耐磨、耐高溫和熱平衡等。

2）微型熱噴嘴及加熱元件與控溫技術。

3）熱流道系統(tǒng)的三維CAD及其模擬技術。

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無流道凝料模具的類型

（1）按塑料性能和流道熱源方式分：

（2）熱流道系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：

（3）冷、熱流道的分析比較：

一模八腔應用實例

（a）傳統(tǒng)的冷流道。

（b）熱流道噴嘴取代主流道，省去主流道凝料。減少流道廢料約40％，縮短成型周期約10％。

（c）熱流道板加兩個熱噴嘴，縮小主流道體積。與圖（a）比，減少流道凝料60％～70％。

（d）每腔均用熱噴嘴，去除了冷流道。周期短，可成型薄壁件。模具成本高

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04

無流道凝料注射模具的特點

1. 使用無流道凝料注射模具的益處

1）不用三板式模具，同樣可以采用點澆口進料；簡化了模具結(jié)構(gòu)，降低了對注射機開模行程的要求。

2）節(jié)省原材料；避免了流道凝料回收、破碎再利用的工序和費用。

3）流道中熔體始終處于熔融狀態(tài)，流動阻力小，有利于充模和保壓力的傳遞，改善制品表面質(zhì)量和力學性能�？蓪崿F(xiàn)多點澆口、多腔模具及大型、薄壁、長流程制的成型。

4）沒有冷卻和取出流道凝料的時間，縮短成形周期；易于自動化生產(chǎn)。

5）流道中壓力損失小，降低了所需的充模壓力，使注射機的鎖模力減小。沒有澆注系統(tǒng)凝料，減少了注射量，可充分發(fā)揮注射機的能力。

6）可用針閥式澆口，控制澆口封閉時間，保證制品成型質(zhì)量。

2. 使用無流道凝料注射模具的限制

1）模具結(jié)構(gòu)復雜，制造費用高，維護保養(yǎng)較困難；熱流道系統(tǒng)易出故障，運行成本高。不適宜小批量生產(chǎn)。

2）初始生產(chǎn)準備時間長，模具調(diào)試要求高。

3）不適宜熱敏性和流動性差的塑料及成型周期長的塑件成形。

4）流道板易產(chǎn)生熱膨脹，對熔體泄漏及加熱元件的故障較敏感。

5）溫度控制要求嚴格，需精密的溫度控制元件及系統(tǒng)。

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3. 無流道凝料注射模具適用的塑料材料

1）熔融溫度范圍寬，粘度變化小，熱穩(wěn)定性好。（高溫不易分解，低溫流動性好）

2）熔體粘度對壓力敏感。不施壓不流動，較低壓力就可流動。

3）塑料的比熱容低，易于熔融和固化。

4）塑料的熱變形溫度高，制品能迅速從模具中脫模。

理論上幾乎所有的熱塑性塑料都可以采用無流道注射成型。目前應用最多的是：PE、PP、PS和ABS等材料。

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熱塑性塑料無流道凝料注射模具

1. 絕熱流道

流道中沒有輔助加熱裝置，而是利用塑料導熱性差的特性，將流道截面尺寸設計的很大（常超過30㎜），使緊貼流道表壁的塑料熔體因較低的模溫而迅速冷凝，形成凍結(jié)層，而流道中心部位的熔體保持熔融流動。這種系統(tǒng)為保持流道暢通，流過流道的塑料熔體速度應盡量快，使得流道中熔料被連續(xù)替換，沒有足夠的時間完全凍結(jié)。

絕熱流道的主要特點是費用低；生產(chǎn)中更換物料方便；流道直徑大，壓力損失小；流道凝料凍結(jié)時，打開分型面很容易清除。但因其體積大，延長了塑料加熱時間。對溫度的控制不理想，不適宜加工熱敏性塑料。應用較少。

通常應用于加工精度低和要求成型周期短的制品，PE、PP、PS類通用塑料小制品的成型。

（1）井坑式噴嘴

又稱絕熱主流道，是一種結(jié)構(gòu)最簡單的單型腔絕熱流道。僅適用于成型周期小于20 s 的制品。

所謂井坑式噴嘴是在注射機噴嘴和型腔澆口之間，設置了一個主流道杯。杯內(nèi)容積約為制件體積的1/3～1/4。杯壁四周形成凍結(jié)層絕熱，流道杯與模板間的氣隙，也起絕熱作用。

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井坑式噴嘴的結(jié)構(gòu)

圖（a）1-注射機噴嘴；2-儲料井；3-點澆口；4-主流道杯；圖（b）澆口尺寸；圖（c）1-彈簧；2-定位環(huán)；3-儲料井；4-噴嘴

（2）多型腔絕熱流道

1）主流道式澆口

多型腔絕熱流道為圓形截面，直徑常取Φ16～32㎜。成型周期越長，直徑應越大。

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分流道板與動模板之間的氣隙，為減小接觸面積。圖（a） 澆口的始端突入分流道中，使部分直澆口處于分流道絕熱皮層的保溫之中。圖（b）在直接澆口襯套四周增設了加熱圈，澆口襯套與動模板之間有氣隙絕熱，與流道板之間有加熱圈。若成型周期長，可在澆口中央插入加熱棒加熱。

主流道式澆口多型腔絕熱流道注射模

1-主流道襯套；2-定模固定板；3-分流道；4-固化絕熱層；5-分流道板；6-直接澆口襯套；7-動模板；8-型芯；9-加熱圈；10-冷卻水管。

2）點澆口

點澆口成形的制件沒有澆口凝料，但澆口容易凍結(jié)，僅適于成型周期短的制品。在澆口始端引導部分設置加熱探針，可對澆口加熱，能成形周期較長的制品。探針體常用導熱良好的鈹銅合金制造。

點澆口多型腔絕熱流道注射模

1-流道閉合鎖板；2-定模固定板；3-絕熱層；4-分流道；5-主流道襯套；6-分型面閉合鎖板；7-流道板；8-型芯固定板；9-脫模板；10-型芯；11-動模墊板；12-導套；13-導柱

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2. 熱流道注射模具

熱流道是在流道內(nèi)部或流道周圍設置加熱器，使流道內(nèi)的塑料熔體始終處于熔融狀態(tài)。

絕熱流道每次使用前需清除流道中的固化物，而熱流道只需加熱流道中固化的塑料至熔融溫度，然后射空。即可從新生產(chǎn)。其適用范圍比絕熱流道廣泛，也適用于多個點澆口的較大制品成形。

熱流道系統(tǒng)由分流道板(manifold)和噴嘴(drop)兩個基本單元組成。分流道板裝在定模部分，把來自注射機噴嘴的熔料傳遞到型腔板，再由熱噴嘴把熔料直接傳遞到型腔，或間接地通過一個冷流道向多個型腔供料。噴嘴通常穿過型腔板，并與分流道板成90°角。

熱流道模具同時具有加熱、測溫、絕熱和冷卻等裝置，熱流道板既被加熱又被隔熱，噴嘴也同樣。分流道板和每個噴嘴都有獨立的加熱元件和溫度控制系統(tǒng)。熱流道模具對溫度控制精度要求高，防止熱平衡失調(diào)是個難題。

（1）熱流道澆口的封閉

熱流道模具中，澆口分別連接著保持熔融狀態(tài)的流道及需要固化的制品，且兩者溫度相差100℃以上。要求注射時熔體順利通過，開模時澆口快速封閉，以免熔體泄漏。目前常用的澆口封閉方法有：

1）靠熱平衡封閉的開式澆口

澆口開閉的熱平衡，是通過調(diào)節(jié)澆口套外加熱圈或內(nèi)加熱探針的溫度而實現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)及溫度調(diào)節(jié)方法簡單，成本低。缺點是澆口處容易堵塞或拉絲，對溫度設置要求高。

2）靠熱平衡封閉的側(cè)澆口

通過模具的開啟切斷澆口，澆口結(jié)構(gòu)和溫度調(diào)節(jié)方法簡單，沒有拉絲。缺點是澆口容易堵塞，適用范圍受制品形狀限制。

3）靠循環(huán)加熱、斷熱封閉的澆口

需要設置與成型周期相適應的澆口加熱、斷熱裝置，結(jié)構(gòu)和溫度調(diào)節(jié)較簡單，澆口封閉可靠，但需要較高精度的溫控系統(tǒng)。

4）彈簧作用閥桿封閉的澆口

利用樹脂壓力開啟閥桿，靠彈簧作用封閉澆口，結(jié)構(gòu)較簡單，澆口封閉可靠，要求彈簧的耐熱性好，閥桿滑動靈活。

5）機械閥式澆口

利用氣動、液壓系統(tǒng)強制閥桿動作，從而實現(xiàn)澆口封閉、開啟。結(jié)構(gòu)動作可靠，成形條件寬，周期短，澆口阻力小。但結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高。

（2）熱流道的結(jié)構(gòu)形式

1）延伸式噴嘴

是將普通注射機的噴嘴加長使之能與模具澆口部分直接接觸的一種特殊噴嘴，采用電熱圈加熱，有溫度測控系統(tǒng)。要求噴嘴溫度高于料筒15～20℃。噴嘴口實際上為型腔的澆口，常用直徑為0.8～1.2㎜的點澆口。

因高溫噴嘴直接（或間接）成型塑件，須對模具進行絕熱，以免噴嘴的高溫影響塑件固化。常用氣隙和塑料皮層絕熱。注射保壓后應使噴嘴脫離模具，盡量減小噴嘴與模具的接觸面積。

延伸式噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，常用于單型腔模具。常用的有球形、錐形等形式。

（a）球形噴嘴 （b）錐形噴嘴

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（c）成型噴嘴 （d）絕熱噴嘴

延伸噴嘴的結(jié)構(gòu)

圖(a)噴嘴伸入澆口套，噴嘴靠凸肩定位并承力，噴嘴與澆口套間設有增加

氣隙的襯套。

圖(b)噴嘴端面是型腔一部分，帶有中間襯套，開設氣隙槽，并引入冷卻水。

圖(c)噴嘴須對注射座定位，以承受壓力。噴嘴前端與孔配合，須考慮熱膨

脹和飛邊。

圖(d)為絕熱噴嘴，碗形塑料絕熱皮層，中心厚度0.4～0.5㎜，外側(cè)1.2～1.5㎜。承壓凸肩上嵌以PTFE密封墊。保證澆口杯底部強剛度。

2）多型腔熱流道注射模具

結(jié)構(gòu)形式多，應用廣泛。其特征是具有一塊由加熱器供熱的流道板。上接主流道，設有分流道和多個噴嘴。

主流道型澆口多腔熱流道模具結(jié)構(gòu)

1-主流道襯套；2-熱流道板；3-定模固定板；4-墊塊；5-滑動壓環(huán)；6-噴嘴套；7-螺釘；8-堵頭；9-止轉(zhuǎn)銷；10-加熱器；11-側(cè)板；12-主流道型澆口杯；13-定模型腔板；14-動模型腔板。

3）熱流道板的結(jié)構(gòu)設計

要求有良好的加熱和絕熱設施，保證加熱器安裝和溫度控制有效。據(jù)澆口數(shù)量和位置，可有多種形式。

熱流道板設計：

•圓形分流道直徑一般5～15㎜。

•分流道端孔細牙堵頭密封。

•隔熱用氣隙或石棉板。常用空氣間隙3～8㎜。

•熱流道板足夠的強度與剛度。

•用中碳鋼或種碳合金鋼制造。

熱流道板的結(jié)構(gòu)

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1-加熱器孔；2-分流道；3-進料噴嘴安裝孔

4）熱流道板的加熱方式

•內(nèi)加熱

內(nèi)加熱是加熱大直徑的流道，在流道軸線上裝有棒加熱器。流道外壁是冷的，外圍塑料凍結(jié)起絕熱作用，使加熱器與模具很好的隔離。可降低電力消耗約50％，不存在流道板的熱膨脹問題。能較好的消除泄漏，并能用加熱探針控制澆口末端。

內(nèi)加熱可能使物料滯留，引起分解。因此不適于熱敏性塑料。另外，流道中的充模壓力大。

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內(nèi)加熱流道與噴嘴

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1-冷卻水孔；2-加熱噴嘴；3-熔體通道；4-內(nèi)加熱器

•外加熱

外加熱的流道板懸裝在模具里，常以加熱棒或彎曲的加熱管配置在流道的外側(cè)。流道板的絕熱用氣隙，也有用絕熱片。熱損失是必須考慮的問題。流道板的熱膨脹需進行補償，防止泄漏。熱噴嘴裝在流道板上。外加熱可使模具的壓力損失最小，流道一般為圓形大直徑。外加熱流道板和噴嘴適用于熱敏性和高粘度塑料，流道沒有冷皮層，流道流量較大。外加熱流道比內(nèi)加熱的成本高。

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（3）熱流道噴嘴

噴嘴是熱流道模具的關鍵元件。要保持噴嘴內(nèi)塑料的熔融狀態(tài)，須盡可能完善的絕熱，有些噴嘴還需進行內(nèi)部或外部加熱。而型腔則需冷卻。二者溫差通常有100～200℃，因此噴嘴設計首先應滿足熱平衡要求。既要避免噴嘴內(nèi)冷料過多而固化堵塞，又要避免出現(xiàn)塑料過熱而流延或拉絲，甚至熱分解。其次應考慮溫差引起的熱膨脹。再次是注意熔體的泄漏，產(chǎn)生飛邊而影響正常工作。

常用的熱流道噴嘴結(jié)構(gòu)形式：

• 外加熱式
• 內(nèi)加熱式
• 彈簧針閥式
  
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1）各種熱流道噴嘴的結(jié)構(gòu)形式

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①平噴嘴

直澆口形式

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分澆口平噴嘴形式

•點澆口形式

幾種單澆口平噴嘴形式

②點澆口噴嘴

單澆口點噴嘴形式與分澆口點噴嘴形式

③閥式噴嘴

氣缸、油缸式

④特殊噴嘴

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一芯多頭式與多芯多頭式

2）噴嘴的加熱方式

①外加熱式噴嘴

熱源來自噴嘴四周的加熱圈。噴嘴中熔體流動阻力小，長度不受限制。因結(jié)構(gòu)約束，噴嘴前端澆口處的溫度較低。由于存在溫差，熱平衡不易控制。外加熱式噴嘴的熱量利用率較低，加熱圈周圍要有3～5㎜的絕熱氣隙。

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接觸式噴嘴多型腔熱流道注射模具

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1-定模地板；2-墊塊；3-止轉(zhuǎn)柱銷；4-堵頭；5-加熱器；6-熱流道板；7-側(cè)支板；8-直接接觸式噴嘴；9-加熱圈；10-定模型腔板；11-動模板

②內(nèi)加熱式噴嘴

熱量來自分流梭中央的加熱棒。加熱棒功率可由電壓調(diào)節(jié)。分流梭四周的熔體通道間隙一般為3～5㎜為好。間隙小，流動阻力大，散熱快；間隙大，熔體徑向溫差大。若噴嘴較長時，需用電熱圈輔助外加熱。

內(nèi)加熱式噴嘴由于高溫錐形尖端伸入澆口，故溫度可得到有效控制。

內(nèi)熱式熱流道噴嘴

1-定模板；2-噴嘴；3-錐形尖；4-分流棱；5-加熱棒；6-絕熱層；7-冷卻水孔。

3）針閥式噴嘴

用一根可啟閉的針形閥芯置于噴嘴中，使?jié)部诔蔀殚y門。注射保壓階段開啟；冷卻階段關閉。澆口直徑可增大，避免了異物的堵塞，還可防止?jié)部谌垠w的流延和拉絲。適合各種粘度，尤其是低粘度的塑料。

閥芯的啟閉可由熔體壓力或液壓力驅(qū)動。

彈簧針閥式熱流道噴嘴

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1-定模底板；2-熱流道板；3-壓環(huán)；4-壓縮彈簧；5-活塞桿；6-定位圈；7-主流道襯套；8-加熱圈；9-針閥芯；10-隔熱層；11-加熱圈；12-噴嘴體；13-噴嘴頭；14-定模型腔板；15-脫模板；16-型芯

閥式噴嘴的成型特點：

•制品表面不留澆口痕跡，澆口處表面平滑。

•能使用較大直徑的澆口，加快型腔填充速度。降低注射壓力，減小制品變形。

•防止開模時澆口出現(xiàn)拉絲或流延現(xiàn)象。

•注射機螺桿后退時，可防止模腔中熔料倒流。

•能配合順序控制以減小制品熔接痕。

（4）熱流道系統(tǒng)的熱平衡與溫度控制

1）熱流道系統(tǒng)熱平衡的要求

熱流道系統(tǒng)必須滿足熱平衡要求，其熱量損失應有加熱補償，理想狀態(tài)下的熱流道系統(tǒng)應是等溫狀態(tài)。對熱流道系統(tǒng)控制的要求是，保持所需溫度的偏差最小。為此，應滿足以下條件：

•加熱元件功率的準確設計；

•加熱元件在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中安裝正確；

•合理確定加熱位置和測溫點；

•充分的絕熱措施和效果。

從使用者的角度，應滿足的條件為：

•耐用性好；

•更換容易；

•抗損傷性、耐腐蝕好，不易泄漏；

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•線路連接安全可靠。

2）加熱器的類型

熱流道模具常用的加熱器有：

•噴嘴加熱常用線圈和帶式線圈加熱器；

•流道板加熱常用棒式和管式加熱器。

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3） 熱流道系統(tǒng)的溫度控制

•準確的溫度控制是實現(xiàn)熱流道系統(tǒng)自動工作的關鍵因素。常用的方法是用溫控表控制接觸器。

•其控制原理是通過判斷模具溫度的高低來控制加熱元件的開合。當模具溫度低于設定值時，接觸器閉合，全部電壓加在加熱元件上，其溫度快速上升；當溫度達到設定值時，接觸器斷開。

•熱電偶安裝在流道附近。熱電偶測溫的滯后性使其溫控精度較低。而脈沖調(diào)寬式熱流道溫控系統(tǒng)的輸出控制器件選用大功率雙向可控硅輸出，工作穩(wěn)定，性能可靠，加熱元件使用壽命長。

（5）無流道凝料模具的應用實例

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熱固性塑料無流道凝料注射模具

熱固性塑料的無流道凝料注射成型用溫流道注射模具。

1. 成型原理

溫流道注射成型時要使流道內(nèi)的塑料象在注射機料筒內(nèi)一樣始終保持熔融狀態(tài)。為此，須在模具的流道處獨立設置一個低溫區(qū)，溫度大致在105～110℃范圍。溫流道板采用熱水或熱油循環(huán)保溫，經(jīng)測溫和調(diào)溫系統(tǒng)帶走或補充熱量。模具型腔是高溫區(qū)，溫度在145～180℃左右。物料注入型腔后在受熱與承壓條件下交聯(lián)固化，生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的不熔不溶物質(zhì)。低溫區(qū)與高溫區(qū)之間的絕熱是溫度控制的關鍵，它們之間通常用石棉水泥板或環(huán)氧玻纖板絕熱。同時還需對定模固定板和動模固定板絕熱。氣隙絕熱也是常用的隔熱手段。溫流道板和噴嘴四周均有氣隙。噴嘴處于高、低溫的界面，應該用導熱性差的合金鋼制造，也可用PI等高強度塑料鑲于噴嘴口，噴嘴的上端需通過調(diào)溫介質(zhì)維持低溫。

溫流道注射成型要求物料在流道中保持良好的流動性，且對壓力敏感，進入高溫型腔后又能快速固化。

溫流道注射成型可節(jié)省15％～35％的原料，且能一模多件生產(chǎn)，是很有前途的成型工藝。但它對溫度控制要求嚴格，技術難度大，模具成本高。

2. 溫流道注射模具的結(jié)構(gòu)

1）多型腔溫流道注射模具的結(jié)構(gòu)

1-動模固定板；2-推板；3-推桿固定板；4-推桿；5-絕熱板；6-加熱棒；7-動模墊板；8-動模板；9-凹模鑲塊；10-型芯；11-定模板；12-水孔；13-溫流道板；14-定位環(huán)；15-隔熱板；16-定模固定板；17-側(cè)板；18-鎖模板；19-絕熱板；20-噴嘴。

2）單型腔溫主流道注射模具

對于一模一腔的熱固性塑料注射模，可專門設計和制造由調(diào)溫介質(zhì)控制溫度的噴嘴替代原注射機噴嘴，延伸到模具中。

延伸式噴嘴直接同澆口相接，成型后塑件上留下疤痕。噴嘴四周有氣隙絕熱，注射保壓后噴嘴離開模具。噴嘴溫控嚴格，過冷過熱均會使物料固化。隔套式噴嘴當注射發(fā)生故障時能很方便地去除固化物。

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（a）延伸式噴嘴 （b）套式噴嘴

3. 模具設計要點

1）溫流道板與模板之間必須有良好的絕熱措施，防止流道板溫度升高，產(chǎn)生故障。

2）模溫須準確控制，允許在5℃范圍內(nèi)波動。流道板與各噴嘴應分別控溫。

3）溫流道應采用圓形截面，以利于熔體保溫和填充流動，一般直徑為6～8㎜。有纖維填料時應取較大值。流道不應有死角和凹槽等滯料區(qū)。流道表面粗糙度應與型腔一致，最好鍍鉻以保證耐磨性。

4）噴嘴孔徑一般不小于4㎜，并帶有0.5°～1°的倒錐，便于澆口脫模。

5）溫流道板上應分設分型面，并配有掛鉤式的開合鎖板，以備從流道內(nèi)取出固化物的需要。

6）流道容積應比一次注射塑料的總體積小，防止塑料熔體在流道內(nèi)停留時間過長而固化