第1部分 模具概述

模具是人类社会发展到一定阶段所产生的生产工具，用模具成型制品与用别的方法成型制品相比具有效率高、质量好、原材料利用率高、加工费用低、操作简便等优点，当前无论是金属制品还是非金属制品，特别是以高分子材料为基础的各种塑料制品都广泛地采用各种模具来成型。

课堂讲解

课时区间1：塑料模具简介

塑料成型模具是塑料成型的关键工艺设备。这是因为在现代塑料制品生产中，正确的加工工艺、高效率的设备、先进的模具是影响制品生产的三大重要因素，而塑料模对塑料工艺的实现，保证塑料制品的形状、尺寸及公差起着极其重要的作用。

1.模具的组成部分

塑料模的类型很多，同一类塑料模又有各种不同的结构形式。但是任何一副塑料模的组成零件都可按其用途进行归类。这样，在进行模具设计时，可以根据各类零件的用途和要求在结构及几何参数的设计计算上找到相同的规律。如图1-1所示为常见的塑料注塑模具的结构。

塑料注射模具的结构主要由以下几部分构成。

· 成型零件：直接形成塑料制品内外表面的零件。如型芯、型腔、螺纹型芯、螺纹型环、镶件等，如图1-2所示。

· 浇注系统：它是将熔融塑料由注射机喷嘴引向型腔的通道。通常，浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴4个部分组成，如图1-3所示。

· 分型与抽芯机构：当塑料制品上有侧孔或侧凹时，开模推出塑料制品以前，必须先进行侧向分型，将侧型芯从塑料制品中抽出，塑料制品才能顺利脱模，如斜导柱、滑块、锲紧块等，如图1-4所示。

· 导向零件：引导动模和推杆固定板运动，保证各运动零件之间相互位置的准确度的零件为导向零件，如导柱、导套等，如图1-5所示。

· 推出机构：在开模过程中将塑料制品及浇注系统凝料推出或拉出的装置，如推杆、推管、推杆固定板、推件板等，如图1-6所示。

· 加热和冷却装置：为满足注射成型工艺对模具温度的要求，模具上需设有加热和冷却装置。加热时在模具内部或周围安装加热元件，冷却时在模具内部开设冷却通道，如图1-7所示。

· 排气系统：在注射过程中，为将型腔内的空气及塑料制品在受热和冷凝过程中产生的气体排出而开设的气流通道。排气系统通常是在分型面处开设排气槽，有的也可利用活动零件的配合间隙排气，如图1-8所示。

· 支承与紧固零件：主要起装配、定位和连接的作用。它们是定模座板、型芯和动模固定板、垫块、支承板、定位环、销钉、螺钉等，如图1-9所示。

2.塑料成型的加工方法

塑料成型加工的模具原理和其他几类如压铸、锻模等的成型加工原理类似。只是因为使用的材料不同，而在某些方面必须考虑到塑料的特性而已。塑料成型加工方式需要视所用材料的种类、特性、成品的形状要求等来选择，并不是只有常见的注射成型。大体上还是加热、加压并以模具来成型。常见的主要成型加工方法有以下几种。

· 压缩成型：压缩成型是最早最简单的一种塑料成型的方法，它是将粉状或粒状的塑料材料放入加热的模具中，封闭后加压，使其硬化而成，通常用于热固性塑料材料的成型加工，如图1-10所示。

· 转移成型：转移成型是压缩成型的改良方式，它是将塑料材料的加热与成型，分别由两个不同的模具室完成。其目的是要节省所需加热和冷却循环浪费的能源。它实用于热塑性塑料的成型加工，如图1-11所示。

· 注射成型：注射成型是将固体的粉状或粒状塑料材料倒入注射机的进料槽，经由柱塞或旋转螺杆将塑料原料向前推进，同时予以加热与加压，在到达柱塞或螺杆前端的喷嘴时，将已呈熔融状态的塑料原料注射入成型模具内，待冷却硬化定型后，打开模具，推出成品。这类方法主要用于热塑性塑料材料的成型加工，但也有些热固性塑料材料也采用此法，如图1-12所示。

· 挤制成型：挤制成型属连续式的成型方式。它与注射成型的循环方式不同，注射成型是一件一件的循环方式，而挤制成型是塑料材料经由螺杆旋转加压、圆筒加热器加热熔化后，由螺杆前端具有一定断面的成型模具连续不断地挤出，再予以冷却成型，如图1-13所示。

· 吹塑成型：吹塑成型就是将熔融塑料原料由挤制机挤出成管状，在它尚未定型之前，夹于模具中，再将空气由管中吹入，使其膨胀至紧贴模具，并予以冷却成型。以这种方法制得的制品内成中空状，所以也叫“中空成型”。各种塑料瓶以及各类容器大多数由此法制得，如图1-14所示。

· 滚压成型：滚压成型是将塑料材料置于加温的热锟轮之间，经过滚动混合熔融加压锟辗而成胶皮、胶布的一种成型方法，此法常用于PVC材料的加工，因各种胶布、胶皮制品皆由此种方法所制，由此滚压成型的设备又称为“胶布机”，如图1-15所示。

· 加热成型：加热成型是将塑料薄板或薄膜先加热使之软化，再施以加压或抽真空的方式，使软化的塑料薄板或薄膜紧贴在模具或成型表面上，如图1-16所示。

· 发泡成型：发泡成型是利用发泡剂与塑料材料混合，施以加热方式发生物理或化学变化，发泡剂分解生成气体，将熔融于塑料材料中，由于溶解气体的急速汽化而发泡。因采用的塑料材料不同，发泡的方式也会有所不同，如图1-17所示。

课时区间2：模具设计与制造

如图1-18所示为基于数字化的模具设计与制造的整体流程。

课时区间3：模具设计问题及解决方法

一副模具的成功与否，关键在于模具设计标准的应用和模具设计细节的处理是否正确。合理的模具设计主要体现在以下几个方面。

· 所成型的塑料制品的质量。

· 外观质量与尺寸稳定性。

· 加工制造时方便、迅速、简练，节省资金、人力，留有更正、改良的余地。

· 使用时安全、可靠、便于维修。

· 在注射成型时有较短的成型周期。

· 较长使用寿命。

· 具有合理的模具制造工艺。

1.塑料制件的设计

工程塑料制品大部分是用注射成型的方法加工而成的，制件的设计必须在满足使用要求和符合塑料本身的特性前提下，尽可能地简化结构和模具、节省材料、便于成型。

Step 01 制品的形状

在保证使用要求前提下，力求简单、便于脱模，尽量避免或减少使用抽芯机构，如采用图1-19中合理的设计结构，不仅可大大简化模具结构，便于成型，且能提高生产效率。

Step 02 中空部分的处理

热塑性的中空注塑制品并不像金属那么难制造。然而，这种方法会增加模具的制造成本及灌入空气于中空部分的加工成本。所以，可能的情况下，最好减少或消除中空的产品。

如果产品的设计可选择包含中空或不平衡的异形时，这时最好选择中空，当然含中空的异形制品，其尺寸公差比不含中空的大。如图1-20所示，其中（a）图中壁厚不均匀，尺寸公差不好控制，凹痕严重；（b）图较好，壁厚较均匀；（c）图为最佳设计。

2.边角与支撑设计

陡峭的边角塑料制品，极不易被注塑出来且容易成为应力集中点而遭破坏。所以设计内外边角半径时，最好将其值设为壁厚的一半以上，并且内外边角半径同圆心以防止冷却时造成应力。如图1-21所示，（a）图中边角太陡峭，且内外半径非同心圆；（b）图较好，无陡峭的边角。

制品内部有大的无支撑区，注塑时须要较大的注塑力，模具入口处必须设计为流线形，因此增加了成本及加工的困难性。所以最好能修改原设计以增加强度。如图1-22所示，（a）图为原设计，有较大的无支撑区；（b）图为改进后的设计，有足够的强度。

3.产品的壁厚

虽然本质上任何异形件均可能由热塑性塑料制得，但仍有许多影响极大的设计因素需要考虑。首要是异形件的壁厚。具有均匀厚度的异形品最易制造，若是壁厚不均匀会造成塑料流动不平均，使得各部分的冷却速率不同，如此较厚部分易产生翘曲。如果不均匀的壁厚真的无法避免，最好于厚断面部分给予额外的冷却。当然这样一来，加工工具就变得复杂，生产成本也增加了。

另外，非均匀壁厚的产品，其尺寸公差应为均匀壁厚产品的两倍。另一个常见的问题是凹痕常发生在壁厚断面对面的平坦表面上，这时最好将产品重新设计。如图1-23所示，（a）图极易产生凹痕，（b）图则将其凹槽化，以消除壁厚过大部分。

塑料零件的壁厚取决于塑件的使用要求，太薄会造成制品的强度和刚度不足，受力后容易产生翘曲变形，成型时流动阻力大，大型复杂的零件就难以充满型腔。反之，壁厚过大，不但浪费材料，而且会加长成型周期，降低生产率，还容易产生气泡、缩孔、翘曲等问题。

因此制件设计时确定零件壁厚应注意以下几点。

· 在满足使用要求的前提下，尽量减小壁厚。

· 零件的各部位壁厚尽量均匀，以减小内应力和变形。不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题。

· 承受紧固力部位必须保证压缩强度，避免过厚部位产生缩孔和凹陷。

· 成型顶出时能承受冲击力的冲击。

一些常用塑料的推荐壁厚见表1-1。

4.产品的脱模斜度

为了在模具开模时能够使制件顺利地取出，而避免其损坏，在制件设计时应考虑增加脱模斜度。脱模斜度一般取整数，如1、2等。通常，制件的外观脱模角度比较大，这便于成型后脱模，在不影响其性能的情况下，一般应取较大脱模角度，如5°～10°，如图1-24所示。

5.BOSS柱（支柱）设计

支柱为突出胶料壁厚，用以装配产品、隔开对象及支撑承托其他零件。空心的支柱可以用来嵌入镶件、收紧螺丝等。这些应用均要有足够的强度支持压力而不致于破裂。

为避免在扭上螺丝时出现打滑的情况，支柱的出模角一般会以支柱顶部的平面为中性面，而且角度一般为0.5°～2°。如支柱的高度超过15mm的时候，为加强支柱的强度，可在支柱连上一些加强筋。如支柱需要穿过PCB的时候，同样在支柱连上一些加强筋，而且把加强筋的顶部设计成平台形式，此可作承托PCB之用，而平台的平面与丝筒项的平面必须要有3.0～3.0mm，如图1-25所示。

为了防止制件的BOSS部位出现缩水，应做防缩水结构，即“火山口”，如图1-26所示。

6.设计加强筋

为满足制件使用所需的强度和刚度而单用增加壁厚的办法，往往是不合理的。这不仅大幅增加了制件的重量，而且易产生缩孔、凹痕等疵病。所以在制件设计时应考虑设置加强筋，这样能更好地解决这些问题，它能提高制件的强度、防止和避免塑料的变形和翘曲。另外，设置加强筋的方向应与料流方向尽量保持一致，以防止充模时料流受到搅乱，降低制件的韧性或影响制件的外观。

加强筋一般被放在塑料产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制于一些生产上的因素，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度一致，两端接在产品的外壁，或只占据产品部分的长度，用以增加产品某部分的刚性。

要是加强筋没有接上产品外壁，未端部分亦不应突然终止，应该渐次地将高度降低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。

筋骨的厚度不能大于平均壁厚。加强筋高度通常为塑件壁厚的3倍左右，并有2°～5°的脱模斜度，与塑件壁的连接处应用圆弧连接，以防止应力集中。加强筋的厚度应为塑件平均壁厚0.5～0.7mm，如果太大，容易产生瘪凹。如果要设置多个加强筋，则应分布错开，防止破裂。如图1-27所示为推荐的加强筋截面尺寸。