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小型精密薄壁塑件注射模设计方法探讨
1 引言
随着工程塑料品质的不断提高，性能优异的精密薄壁塑件的应用范围将会不断扩大。同时由于薄壁塑件在同等使用条件下更节省材料，故有必要对精密薄壁塑件成型模具的设计方法进行深入研究，形成一套成熟的设计方法。本文针对小型精密薄壁塑件成型模具设计中的一些关键性的问题进行了探讨和归纳，并结合实例给出了一些可行的方法。
2 型腔数目及结构问题
虑到塑件较小，为提高生产效率，应采用一模多腔的结构（具体型腔数目由产量、设备、工期等因素确定）。
型芯、型腔可采用镶拼结构。采用此种结构的优点：①可以有效地节约优质模具材料；②加工方便、快速。如本例中型腔镶件可用数控车床车出；③方便修模，在制造镶件时多加工几个备件，一旦失效换上即可，节约了修模时间和成本。
但对于此类结构，因镶件材料与其配合的零件材料的线膨胀系数有差异，故必要时应进行相应的计算来保证相应的配合性质，从而保证模具动作的灵活可靠，防止模具零件的过早磨损失效。
3 型腔排布及流道布置问题
（1）型腔布局力求对称、均衡。使模具整体受力平衡，避免因局部型腔过于集中造成局部偏载而引起涨模，导致脱模困难，塑件产生飞边，影响产品的质量和精度，降低了模具的寿命。
（2）关于流道的布置问题。一直以来，模具设计人员习惯于布置几何尺寸对称的流道来试图平衡进胶，这也是许多教科书和手册推荐的做法。但事实上却难以实现真正意义上的“平衡”。这是因为：①流道中的胶体在分配到分流道的每个分配点处都会发生变化，并且这些变化取决于变化点处塑料胶体改道的数量；②胶体的流动取决于机加工的精度和流道的表面粗糙度值；③浇口存在制造公差；④某些树脂的流动对方向的改变很敏感，通常在一个流道系统中绕几个弯就会造成不均匀的流动，故对于多型腔模具来说要做出平衡流道实际上是不太可能的；⑤不均匀的排气会影响型腔的填充；⑥成型面的质量差别会影响流动；⑦所谓的“塑料记忆”现象会影响流道内的塑料流动；⑧各浇口处的剪切速率不同使得其粘度不同，也会影响流动。
故针对于此类“形式上平衡”的流道系统仍有必要在试模时对某些浇口和流道的尺寸进行修正使之尽量达到真正意义上的“平衡”，使各型腔中的塑件具有一致的质量和精度。
基于以上事实真正意义上的“平衡”的概念已经被打破。所以对某些型腔模具若不容易布置平衡流道，可能会使得流道过于复杂，投影面积过于大，但可以采用“近似平衡”的做法。即只建立一个尽可能平衡的几何方案，但不进行复杂的构形。其理论为：在最后的分流道处，即使不能实现真正的平衡，进入浇口的胶体的流量和压力的差异也是很小的，并且在可以接受的范围内。故塑件的质量也是可以保证的（特别是对于高压、高速注射成型）。这种“近似平衡”的方法可以明显地简化流道布置，减少投影面积，况且随着目前模流分析软件的不断应用，如MPI、Pro/E中的“塑料专家”等，可以帮助确定浇口及流道的尺寸，可以有效地减少修模。
故对于设计人员设计流道系统时，应仔细权衡利弊，不必过多地拘泥于“形式上的平衡”，而要灵活地选择上述两种方案。
4 浇口、流动比及排气问题
对于此类模具浇口的位置及种类的选择应保证塑件有良好的外观，能方便地去除浇口，保证塑件的精度，此处推荐使用侧浇口，因侧浇口能在一定程度上限制浇口的厚度及浇口的快速固化等，且侧浇口多开在分型面上，易加工和修改，能方便地调整充模的剪切速率和浇口封闭的时间。对于某些内孔有足够位置的塑件，可以将其设在塑件的内侧，这样可以使模具结构紧凑，缩短了流程，改善了成型条件。同时侧浇口能适应一模多腔的结构，去除浇口方便，一般去除浇口处的外观也较好，但侧浇口易形成熔接痕、缩孔等缺陷，排气也不方便，这些不利的因素应引起充分的重视，采取相应的措施解决。
对于点浇口，虽其具有良好的成型外观及易去除浇口的特点，但需设计双分型面，压力降明显。最为关键的是由此成型的塑件收缩性大，易变形（除非采用多点进胶的做法，但这会使得模具结构变得更为复杂），这就决定了点浇口不适合在此类模具中使用，故不作推荐。
对于此类模具，流动比也是应予以考虑的问题。所谓的流动比即是熔体各段流动长度（从注塑机喷嘴经浇口到型腔末端的整个流程）与其各段厚度（厚度的均值）的比值之和，若流动比过大会使塑件内应力增大，造成变形和开裂，而且会因料温的下降而造成短射。
流动比按公式计算：
（1）
式中 S流——流动比
——熔体流程中各段长度
——熔体流程中各段厚度
表1为常用塑料的许用流动比范围
表1 常用塑料的许用流动比范围（L/t）
塑料名称
注射压
力/MPa
L/t
塑料名称
注射压
力/MPa
L/t
聚乙烯
150
250～280
硬聚氯乙烯
130
130～170
聚乙烯
60
100～140
硬聚氯乙烯
90
100～140
聚丙烯
120
280
硬聚氯乙烯
70
70～110
聚丙烯
70
200～240
软聚氯乙烯
90
200～280
聚苯乙烯
90
280～300
软聚氯乙烯
70
100～240
聚酰胺
90
200～360
聚碳酸酯
130
120～180
聚甲醛
100
110～210
聚碳酸酯
90
90～130
对于精密薄壁塑件的设计，排气问题至关重要。因为此类模具的生产常采用高压、高速注射成型，胶体在短时间内充满型腔，若型腔内的气体不能在短时间内排出就会造成短射，故应采取有效的措施保证排气效果。设计中对于一般模具常采用推杆的配合间隙、分型面的贴合间隙和镶拼件的配合间隙排气，但对于此类模具在充分利用上述间隙排气的基础上不能确保充分排气的（或对于能否充分排气没有把握的）应开设排气槽来保证排气的效果。本例中在浇口的正对位置开设排气槽来保证排气的效果。
5 型腔侧壁和支承板的厚度问题
型腔侧壁厚度及支承板厚度的确定，对于此类模具应进行合理的计算来确定具体的数值，避免因模具设计人员的经验失误造成模具体积过于庞大而浪费材料，增加相关设备的使用成本。或者使得模具的刚度、强度不足造成成型零件失效和涨模，使塑件产生飞边，影响塑件的外观和质量。修模也会造成制模周期的延长，材料的浪费（当支承板刚度不足时，据材料力学的原理需要加垫一块很厚的支承板才能满足刚度要求，或将原先的支承板换成一块更厚的板）。
对于型腔镶件的侧壁厚度，可以依据强度准则计算。对于本例可以利用下面公式
（2）式中 ——侧壁厚度，mm
——型腔内塑料熔体的压力，MPa
——型腔内径，mm
[σ]——材料的许用应力，MPa
对于此类多型腔模具支承板的厚度计算，目前还没有公认的成熟可靠的方法。故对于此例采用一种保守而简便的算法，来保证强度和刚度的要求。具体为：将排布于各处的小型腔简化为一个受均布载荷的大型腔，再进一步将其简化为一个简支梁结构处理。另外，薄壁件的成型常采用高压高速注射方法使胶体迅速充满型腔，这对模具的强度和刚度提出了更高的要求，由此可见采用这种保守的算法是合理的。
对于此类模具若支承板刚度不足，不但会涨模产生飞边而且会严重影响塑件的精度。
故先应对其进行刚度计算，对于此例根据简化的模型应用公式3，其计算示意图见图4所示。
（3）式中 [δ]——支承板的许用变形量。对于一般塑料模以选择不溢料的极限值为准，而对于此类模具应以精度等级的高低为依据选择[δ]值
E——材料弹性模量
保证塑件尺寸精度的[δ]值见表2所示。
表2 保证塑件尺寸精度的[δ]值 （mm）
塑件尺寸
经验公式[δ]
＜10
△ /3
＞10～50
△ / [3(1+△ )]
＞50～200
△ /[5(1+△ )]
＞200～500
△ /[10(1+△ )]
＞500～1000
△ /[15(1+△ )]
＞1000～2000
△ /[20(1+△ )]
备注：i 为塑件的精度等级,按GB/T14486-93,△为塑件的公差。
然后对其进行强度计算。对于本例公式为：
（4）最后根据以上两公式的计算结果选择大值作为支承板的厚度值。
6 定位问题
在小型精密薄壁塑件成型模具的设计中定位不利将直接影响塑件的壁厚均匀性，故在设计中应充分重视。
在普通塑料模具的设计中，可以选择普通导柱进行非对称的排布或者采用排布不同直径的导柱来解决定位问题，但普通导柱有较大的间隙，故对于此类模具不能满足定位要求。对此解决办法为：①采用锥形导柱导套代替普通导柱导套；②采用无间隙滚珠导柱导套代替普通导柱导套；③采用简易卧销精定位机构（最好采用非对称的排布形式，）；④采用锥形定位件进行二次精定位；⑤采用矩形锥面定位机构；⑥型芯与型腔间采用锥面或斜面配合的精定位机构。
对于以上措施可以根据具体情况灵活选用，必要时可以选择多个机构联合使用。本例采用圆锥导柱导套作为精定位的机构。
7 冷却问题
在注塑过程中，模具冷却速度不均匀将会引起塑件收缩不均匀，这种收缩差异会使塑件产生弯曲应力而引起翘曲变形，故在冷却过程中应保证型芯、型腔各处冷却速度一致，使塑件各处冷却均衡从而有效防止塑件的变形。所以冷却管路的排布在保证模具温度的情况下，应使冷却孔的间距尽量小，以保证型腔壁温度的一致。另外，冷却管路不能太长，否则会使得各处水温明显不一致，造成冷却速度的不均衡。对于排布多条冷却水路的冷却系统，可以采用一条冷却管路的出口处位于另一条管路入口附近的形式，以保证模具均衡的温度。
另外，对于冷却水的流动形式可以考虑使用喷泉式，实践证明此种形式冷却效果较好。
8 脱模问题
若脱模方式不当会使塑件产生残余内应力，导致塑件变形，或者使得塑件在顶出过程中被直接顶破。对于此类模具的设计为防止变形，避免顶破应采用脱模可靠，不易形成残余应力的顶出方式。如：推件板，或推件板、推杆联合式及压缩空气脱模的方式等。若只能采用推杆的，应尽量加大推杆顶出部分的截面积，以分散顶出力，且顶出部分应选择在脱模阻力最大处，同时应力求顶出系统布局均衡，避免因顶出力不平衡而导致的塑件变形。
9 模具材料及工艺问题
为减少模具材料的变形，保证塑件精度，应尽量选择变形小的材料和工艺方法。如：采用真空热处理工艺、渗氮工艺，必要时还可以考虑采用物理、化学气相沉积的方法。
选材方面：应尽量选择易切削、预硬的微变形模具钢。如：PMS P20 SKD61 FDAC等材料。
10 结构方面的问题
在大批量生产时应使模具结构适应自动化生产的要求，减轻工人的劳动强度，并且是模具动作协调可靠。如本例采用两次推出机构，先推出流道凝料，再推出塑件，这样不但动作协调，可靠，而且无需借助人力去除浇口、分离塑件，减轻了工人的劳动强度，提高了生产率。另外，本例还使用了尼龙开模器，提高了整个开模动作的可靠性。
11 结束语
本文从工程应用的角度并结合一例，系统探讨了小型精密（薄壁）塑件成型模具设计中的关键问题，相信对此类模具的设计制造有一定的参考价值，对完善此类模具的设计方法有积极的作用。同时也呼吁更多的模具界同仁积极投身到此类模具设计方法的研究当中，促进此类模具设计方法的不断完善。
