Module 3 The Mold chinese version 01.docx
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第三章模具
3.1模具工程简介
什么是注塑模？
注塑模是用装配形成的空腔（一个或多个），成型制品所需的形状，生产（通常是大批量的）塑料零件或产品的一种装置。
模具的型腔是由称作模腔的阴模部件和称作模芯的阳模部件共同组成。
模具安装在注塑机上，并按如下的时间顺序（通常是自动进行的）充填模腔。
Ø合模
Ø注射（热的，近乎流动的）塑料进入模腔；
Ø保持合模状态直到塑料冷却至能被顶出时为止；
Ø开模；
Ø顶出塑料制品；
Ø如果需要，注塑机可以延长开模（MO）时间做好下一个（注射）周期的准备工作。
3.2模具的基本功能
Ø成型制品，赋予产品形状和尺寸精度。
Ø塑料从注塑机到模腔的输送。
Ø塑料填充模腔时空气从模腔的排出。
Ø塑料的冷却。
Ø塑料制品的顶出。
Ø生产的效率和经济性。
3.3模具的要求
Ø3.3.1精度和光洁度
塑料制品图上标明的公差必须是合理的和能达到的。
在没有特别说明的情况下，模芯粗糙度仅要求保证制品顶出时能可靠的脱开。
注意，对于某些塑料或特殊结构（例如前后模侧完全对称又要求模具用三板结构）的产品来说，可能需要利用较粗糙的模芯，让制品留在顶出侧。
Ø3.3.2生产效率
模具的生产效率取决于很多因素，比较主要的可以列出如下：
型腔数目、冷却质量、顶出的速度和时机、模具的强度和耐久性、模具安装和启动的便易程度。
Ø3.3.3物理强度
模具强度同样取决于相当多的因素，较关键的有：
选择合理的材料、所有零件设计强度足够、充分估计疲劳强度问题、避免应力集中、适当的热处理要求、适宜的钢材晶粒取向、模具零件的磨削方向正确等等。
Ø3.3.4耐磨性能
耐磨性能一般需要从以下几个方面来考虑：
在压力下运动的模具零件的磨损、微动磨损、塑料引起的模具材料腐蚀和腐蚀磨损、锈蚀。
Ø3.3.5安全操作
模具结构必须有如下的考虑及预防措施：
对模具自身的伤害、对制品的伤害、对模具操作者和周围其他人在任何可能的情况下的伤害。
Ø3.3.6维护保养和可互换性
模具的结构必须便于保养。
例如在热流道喷嘴加热器的浇口区域，排气槽尾端，滑动系统的油槽等等。
模具的设计人员需要在设计开始的时候就考虑便于今后生产时的清理和维护（不需要很复杂的安装与拆卸）。
Ø3.3.7便于安装
模具必须固定在注塑机上生产制品。
它应该能方便地按照需要安装固定，有些关键性的考虑如下：
压板尺寸、压板有效面积、机台吨位、顶出孔形式、安装孔形式、机器液压顶出压力、注射和塑化能力、制品清除、保养要求的拆除等等。
3.4模具设计准则
Ø3.4.1模具设计的几点基本原则
I.制品指定原料的特性必须清楚，包括收缩、模温、料温、腐蚀等各方面。
II.考虑到指定原料的特性，该制品的形状与公差是否是合理且能被达到。
后者需根据模具制造者的设计加工能力角度出发考虑。
III.模具的结构根据客户要求，如果没有则需多个方面综合考虑并最终确定最优化方案。
如：
由制品的年需求量确认型腔数，由型腔数选择机台吨位，由机台吨位确定模具的尺寸大小；由制品的结构确定产品的分型，由制品的精度要求及制品原料的收缩率确定模芯的精度要求及定位或其他附加结构等等。
IV.模具的材料及热处理方案的选取从原料特性与模具要求寿命出发。
Ø3.4.2型腔布局
以下列举的是几种典型的型腔布局方案：
I.矩形排列2穴，4穴，6穴，8穴（8穴以上可视作此四种方案的叠加）。
II.圆形排列6穴，8穴（奇数穴或8穴以上按360度等分）。
III.有些时候因为受到其他外因的影响，各型腔相对于模具整体而言的平衡无法做到。
例如：
受成本制约，必须考虑在一套模具上同时成型四个不同大小，形状、尺寸及精度的产品：
此设计的布局概念见下图。
在这个特殊案例中，首先设计工程师需要对四个不同产品的重量和所需流道大小，浇口大小做出分析。
其次借助辅助软件如（模流分析系统）预判模具在注塑时的充填情况。
第三，根据前面的信息调整各产品相对应的流道及浇口大小。
第四，在模具强度足够的情况下缩小模具尺寸，以降低成本。
请注意：
在此例中，就算前期的设计工作非常充分，模具精度也如预期般理想，但在后期尺寸的产品尺寸修正及注塑参数调整中也很难把产品做到完美。
因为任何在浇注系统上的细微改变都会影响到全部四个产品的成型，这将导致后期的每一次调整都必须考虑到所有哪怕是已经合格的产品，使整个过程变得非常复杂。
IV.总的来说，平衡原则对于每一位模具设计者来说也有不同的先后次序。
模腔布局的第一要素是充填的平衡，第二是流道（即浇注系统）的平衡，第三要素才是各型腔相对于模具整体而言的平衡。
3.5模具结构
Ø3.5.1两板结构模具
I.两板结构冷流道模具实例
II.两板结构热流道模具实例（全热流道系统）
Ø3.5.2三板结构模具
I.三板结构冷流道模具实例
II.三板结构热流道模具（半热流道系统）实例（仅前模结构）
Ø3.5.3滑块系统
Ø3.5.4斜顶出系统
Ø3.5.5一些特殊结构
由于制品的要求千变万化，有时普通的模具结构会无法满足。
以下列出的表格中将显示一些较为常用的特殊结构及其简介和用途。
序号
分类
结构名称
功能描述
适用场合
1
抽芯
定模侧斜顶
安装在定模侧的斜销系统，使定模侧的倒扣区域能够合理脱模
前模有不可避免的较简单倒扣区域
2
定模侧滑块
安装在定模侧的滑块系统，使定模侧的倒扣区域能够合理脱模
前模有不可避免的较复杂倒扣区域
3
内滑块结构
安装在抽芯或模腔内部的滑块系统，使多重倒扣区域能够合理脱模
产品结构复杂，倒扣区域众多
4
顶出
定模侧顶出
安装在定模测的顶出系统，使产品在模具打开时确保吸附在动模侧
产品在动定模侧结构完全对称或定模侧结构复杂程度超过动模侧，导致产品极有可能在开模时候吸附在定模侧
5
动模侧二次顶出
顶出系统能够二次运动，从而实现部分模具要求的附加功能
二板模无机械手情况下需要实现产品与流道自动分开功能，动模模芯有内陷的倒扣区域，需要强制顶出功能实现脱模的
6
动模侧多级顶出（二级以上）
顶出系统能够多次运动，从而实现部分模具要求的附加功能
二板模无机械手情况下需要实现产品与流道自动分开功能，动模模芯有内陷的倒扣区域，需要强制顶出功能实现脱模的
7
动模侧脱螺纹机构
顶出系统旋转运作，从而实现带内螺纹产品或斜齿轮产品的脱模
产品带内螺纹，或外螺纹不允许分型线，或斜齿齿形的
8
气动顶出
顶出系统依靠气压代替机械装置将产品从模具上顶出
产品不允许有顶出痕迹的
9
其他
定模侧复位杆
减短动模侧复位杆的长度，使顶出系统在完全顶出时，动模复位杆依然不超出模具分型面
产品自由掉落时有可能会撞到动模侧复位杆从而引起损伤的
3.6收缩率
收缩就是在高温和高压注射下，注入模腔的塑料所成型出来的制品比模腔尺寸小的数量。
为了实用，收缩通常都以mm/mm（in./in.）或％给出。
下表给出的是一些常用塑胶原料的收缩率参考值：
材料
收缩率
材料
收缩率
ABS
0.005~0.007
PE
0.015~0.050
聚甲醛，轴向
0.021~0.026
PE，30%玻璃纤维增加
0.004~0.0045
聚甲醛，径向
0.018~0.020
PET（瓶坯级）
0.005~0.012
丙烯酸类塑料
0.004~0.007
PP
0.012~0.022
EVA
0.007~0.020
PP，30%玻璃纤维增加
0.004~0.0045
尼龙6
0.006~0.014
PS
0.002~0.006
尼龙66，轴向
0.012~0.033
PS，30%玻璃纤维增加
0.0005~0.0010
尼龙66，径向
0.020~0.028
PVC
0.003~0.008
PC
0.006~0.008
PVC，30%玻璃纤维增加
0.001~0.002
3.7模具的公差
Ø3.7.1定义
模具设计人员必须在真正需要的地方提出严格的公差要求并应尽量避免以下情况的发生：
标注不必要的严格公差，
Ø3.7.2产品壁厚的公差
所有制品的壁厚尺寸大部分是由两个尺寸满足的：
模芯的外部尺寸和模腔的内部尺寸。
那么，通常的情况下，这两个相关尺寸的公差应该取值于制品许用公差的1/4。
对于所有的多腔模具来说，壁厚公差要求严格以及浇口的布置是特别重要的，所形成的填充速度的平衡情况会影响不同模腔中品的质量和重量。
壁厚公差和浇口布置也会影响模塑周期，这一点在制造薄壁类塑料件的时候尤为重要。
3.8流道和浇注系统
Ø3.8.1每个型腔的浇口数量和位置
通常，对大多数制品来说，一个模腔有一个浇口已经足够并且单点浇口可以避免产品出现熔接痕。
但有以下两个典型的例外。
对于精密圆形零件，譬如齿轮来说，三点或三点以上的均匀进胶（进胶点环形分布）可以有效提高尺寸精度。
对于大型部件来说，多点进胶（进胶点直线，规则或不规则分布皆可）也是必须的。
Ø3.8.2浇口类型
浇口一般按形状可以分为以下几类：
点浇口，侧浇口，扇形浇口，盘形浇口，潜伏式浇口及圆弧隧道式浇口。
浇口类型具体选择取决于制品的要求。
Ø3.8.3流道类型
流道一般也按形状分类：
圆形，半圆形，梯形，半圆梯形这几种。
一般圆形流道的效果最好。
Ø3.8.4流道的顶出和吸附系统
对于自动成型来说，必须要保证流道能被顺利的顶出，而不会被挂在模具内需要操作人员将其取出。
所以在设计阶段需要考虑的是流道顶出元件（二板模具），和吸料销（三板模具）。
其相应的位置和数量，取决于成型产品所用的塑料和模具型腔数。
一般来说，塑料越硬（顶出瞬间），所需的顶出元件越少。
3.9排气系统
Ø3.9.1定义和规则
模腔内的气体必须能够逸出，这样注入的塑料才可以充满整个空间。
以下是常用到的几个专业术语：
I.排气孔：
两个表面间空气可从中逸出的空隙（深度）。
II.排气孔长度：
排气孔中空气经过的距离。
III.排气槽：
紧贴模腔，排气孔可以伸到里面的集气装置。
IV.排气道：
将排气槽与外面沟通的通道。
V.自然排气孔：
由模具部件的空隙生成的排气孔（如顶杆与模芯间的空隙）。
关于模具排气的几点必须遵守规则：
I.排气孔的设计需提供对注射塑料和预期注射压力适当的，使空气的逸出阻力最小的，尽可能大的排气孔，但不能大到塑料可以进入排气孔，形成溢料。
II.在预计为各塑料流径的尽头位置设计排气孔。
如果塑料流源于两点以上和（或）从浇口分流后重新熔接在一起的，预期会夹入空气的位置必须设置排气孔。
III.排气孔清理的重要性。
因为要防止溢料，所以紧贴模腔的排气孔深度可能只有0.02毫米左右；而在大规模量产中，排气孔不及时清理的话，会很快的被频繁的注塑动作堵塞掉，从而引起产品的缺陷。
Ø3.9.1排气类型和基本知识
I.分行面排气：
适合于任何模具。
II.排气道和排气槽：
专门开设的排气通道排气
III.排气杆和镶件排气：
利用模具上的成型零件排气
IV.混杂排气：
以上几种手段综合采用
V.真空排气：
仅在一些需促进模腔填充的情况下使用。
很显然，如果模腔内没有空气，塑料流动是不会受到任何空气阻碍的。
3.10顶出系统
Ø3.10.1顶出系统的基本要求
顶出的基本规则之一：
当模具打开时，产品必须留在具有顶出机构的半模上。
注塑机通常在动模侧带有顶出驱动器。
因此，大多数模具需要在动模侧安装机械顶出机构。
但以下情况例外：
I.由于外观要求，顶出必须与注射同侧的（如茶杯内部开浇口）。
II.在迭层模具中，模具的一半在注射侧装有模芯。
Ø3.10.2常用的顶出系统结构
3.11冷却系统
模具为什么要冷却？
模具使注射进入的熔融塑料成型为所要的制品。
为了能够顶出，制品必须能够承受顶出力，且不发生变形。
正因为如此，顶出时塑料温度必须比注射时的要低，但不必完全冷却。
一句话概括那就是：
模具是一个热交换体。
Ø3.11.1冷却系统的重要性
根据资料显示，成型周期中相当大的部分，有时可占到成型周期的80％，要用于冷却。
因而对于生产率要求较高的模具，将这种“损失”时间控制到最小是绝对必要的。
即便是对于一般生产来说，为了得到最低廉成本而要求的最经济的成型周期和维修也是非常必须的。
Ø3.11.2将会影响冷却的几点要素
I.从“入口”到“出口”，冷却介质的温升；
II.从“入口”到“出口”，冷却介质的流量，冷却介质的化学成分；
III.模具零件的导热率；
IV.从注射到顶出，塑料的温差；
V.流道系统（尺寸，布局）；
VI.流道类型（冷流道或热流道）；
VII.与成型制品直接接触部件内的冷却管道（尺寸，布局）；
VIII.模板中的冷却管道的尺寸和布局；
IX.进出软管的尺寸（直径）和数量。
Ø3.11.3冷却系统的结构
I.典型的冷却通道串联布局
II.典型的冷却通道并联布局
对于冷却通道的并联布局来说，如下图，有一点很重要，就是要求进出通道的横截面（D）要比并联支管横截面（d）的总和还要大。
如果d与D一样大，冷却介质就会抄捷径，从第一个支管直接流向出口，使模板的其余部分得不到冷却。
III.圆形镶件的冷却通道布局
3.12模具材料及其热处理
模具材料选择的一般标准
在模具制造过程中，很难说哪一种材料最适合何种零件，多数是根据模具制造者的经验，或者是根据库存、钢料供应商处获得的品种，来选择材料。
选择材料时必须考虑防止擦伤和胶合，如果用于两表面存在相对运动的情况，则不能选择具有同样组织结构的材料；然而，也存在许多例外的情况，至少有一面可以施镀或者氮化，以至于两面具有不同的表面结构（例如市售的顶杆由SKD61制造且氮化，完全适合于在同样由H13材料制造且淬硬的模芯孔中滑动使用）。
热处理则完全从由产品年用量所要求的模具寿命角度出发，决定材料的使用，是否需要淬火、氮化、镀层或者选择无需热处理的预硬钢；对一些产量不大，模具寿命要求很低甚至带有试验性质的模具，从节约成本的角度出发，可以考虑使用普通钢材。
Ø3.12.1模具型芯
做为模具型芯的材料，要求具有优良的抗压强度、热硬性、耐蚀性、导热性、切削性、抛光性、氮化能力和可焊性。
对于滑动部件而言耐磨性和韧性更是重中之重。
Ø3.12.2模架和其他零件
做为模板的材料，要求具有良好的可切削加工性和耐腐蚀性，能够满足模具的硬度要求，钢材的质地均匀，并易于从市场上购买及价格低廉等等。
然而对于一些要求较高的模具来说，有时候要考虑用到低等级的模芯钢材并加以热处理，才能满足模具的整体强度要求。
Ø3.12.3标准件
标准件的材料一般由标准件制造商选定，模具制造者所需要的只是根据手册的说明选择符合自己需求的产品。
3.13模具的安装与拆卸
Ø3.13.1安全准则
安全是模具制造者考虑的几个首要问题之一。
通常在四种情况下要对模具零件或整个模具进行装卸作业：
加工模具零件（模板、重的模腔和模芯），装配模具，在机器上安装模具，调试模具。
模具设计者必须考虑每一个环节重如何装卸或可能出现的误操作。
此外还需要考虑在所有情况下，吊装螺纹孔的尺寸、位置和数量及其如何影响模具零件的强度和疲劳寿命。
Ø3.13.2起吊系统和吊环
从一开始，任何一块沉重的模具零件（通常是模板，还有模腔和模芯）都必须要有一个或多个螺纹孔，使机加工或装配人员能采用吊环螺栓和升降机来操作，优先使用吊环起吊零件而非磁铁，尤其对于经过精细磨削的模具零件，磁铁的使用可能会影响表面质量并引起毛刺。
一般，模板要从多边进行吊装，所以必须各边都有吊孔，以适应模板的吊起作业。
如因与其他孔等发生干涉，不可能提供额外的吊孔来起吊整个模具，则要引进起吊杆。
它至少带有两个分开的孔，与模具零件的吊孔连接形成组装件。
起吊杆在模具的重心上应加工适合吊环螺栓的螺纹孔。
3.14其他
Ø3.14.1抛光
为了得到需要的产品外观并防止在产品从注塑机上顶出时因表面粗糙过大而造成拉伤，通常我们需要对模腔与模芯进行抛光处理。
另外抛光还可以使产品获得某些特别的光学性能，如透明，光栅识别等等。
需要特别注意的一点是，在对模腔、模芯进行普通表面粗糙等级的抛光时，抛光方向应与产品顶出方向相一致。
3.14.2米克朗公司模具制造规范及相关文件的链接
M:
\Engineering\ToolingEngineering\MouldInforamtion\MCCMoldStandard_B.doc
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