1.6　注塑件上的塑料與批量要素

塑料要素是指注塑件所用的高分子材料，在注塑件圖紙上會注明塑料的名稱或牌號及其收縮率。批量要素是指注塑件成型加工的產量，可分成小、中、大和特大四種產量。注塑件形體分析的塑料要素會影響到熔體加熱的溫度范圍、流動充模狀態和冷卻收縮性能等。

塑料有無彈性，又會影響到注塑模的結構，而影響最大的是注塑件收縮率和模具溫控系統的設計。如哪些塑料在成型加工時需要進行冷卻、哪些塑料在成型加工時需要有加溫裝置、哪些塑料在成型加工時需要有熱流道裝置等。注塑件的塑料品種不同，收縮率和模具溫控系統的結構就不同；塑料品種不同，也會影響模具用鋼和熱處理。如具有腐蝕性的塑料，必須采用不銹鋼；塑料中含有增強（如玻璃）纖維，應選用耐磨鋼材；具有透明性能的塑料制品的模具，應選用具有一定硬度的模具鋼。

注塑件形體分析的批量要素的不同，同樣會影響模具的結構、模具用鋼及其熱處理。對于大批量和特大批量的制品，模具必須具有高壽命，所采用的模具鋼需要耐磨損。還會影響模具是采用手動抽芯或手動脫模，還是采用自動抽芯和自動脫模。

故在進行注塑件形體分析時，一定要將注塑件形體分析的塑料與批量要素找出來，以便確定模具的結構方案。若在注塑件形體分析時，不能提取塑料與批量要素，必定會導致模具結構方案的缺失。

1.6.1　注塑件形體分析的塑料要素

注塑模的工作溫度及其調控系統，對塑料熔體的充模流動、冷硬定型、注塑件質量和生產效率都具有重要的影響。因為任何品種的塑料均有一個適合熔體流動充模的溫度范圍，為了能夠控制塑料熔體在合理的溫度范圍之內，模具就必須設計有溫控裝置。熔體在充模和反復加工過程中的溫度，是在不斷地變化，導致模具各個部位的溫度存在著差異，從而影響注塑件的收縮率、內應力、變形和熔接痕的強度。為了改變這種狀況，現在出現了一種智能注塑模，就是在模具各個部位安裝一些溫度傳感器和電熱器。傳感器可以將它所在部位的溫度傳遞給計算機，計算機則可以將溫度降低到某數值時啟動電熱器加溫，溫度達某值時再切斷電熱器電源。當然，通過傳感器還可以控制熔體的流速和流量等。

注塑件在注射成型的過程中，開始注射時模具是冷的，由于受到模具型腔中熔體溫度傳熱的作用，模溫會逐漸地升高。根據注射成型的材料不同，模具的溫度要求也是不同的。為了獲得良好的注塑件質量，應該盡量地使模具在工作過程中維持適當和均勻的溫度。所以在模具設計時必須考慮用加熱或冷卻裝置來調節模具的溫度。在個別情況下，是需要冷卻與加熱同時使用或交替使用。在通常情況下，熱塑性塑料，模具常需要進行冷卻，熱固性塑料注射成型時則必須加熱。模溫是根據塑料品種、注塑件厚度、結晶性塑料所要求的性能而決定的。

（1）不正常模溫對注塑件質量的影響

由于注塑件成型時要求模具有一定的模溫，若模溫過高或過低都會影響注塑件的質量。模溫過高會產生縮孔和溢料等缺陷；模溫過低則會產生填充不足、熔接痕和表面不光潔等缺陷；模溫不均勻會產生變形的缺陷；模溫調整不當則會造成注塑件力學性能不良。

（2）模溫控制

注塑件成型時的溫度、壓力和時間三大工藝因素，就是通常所指的成型的工藝條件。成型工藝條件是除塑料品種型號、注塑件結構、注射機、模具結構和注塑件成型環境之外，影響注塑件質量的主要因素之一。而成型工藝條件的溫度，包括料筒溫度、噴嘴溫度、注射溫度（熔體溫度）和模具溫度。料筒溫度和噴嘴溫度是注塑機控制熔體的注射溫度，只有模具溫度才是模具設計人員需要考慮設計的部分。

①熱塑性塑料成型時模溫的控制　提高模溫可以改善熔體在模具型腔內的流動性，增強注塑件的密度和結晶度，減小充模壓力；降低模具溫度，可降低塑料熔體在模具型腔中的充模流動性，以及縮短冷卻定型的時間從而提高生產率，還會使注塑件產生較大的應力和熔接痕等缺陷。具體的模具加熱或冷卻，需要根據塑料品種型號、注塑件壁厚和成型周期來確定。

②熱固性塑料成型時模溫的控制　熱固性塑料成型時一般都需要進行加熱，模溫選擇控制在150～220℃，動模需要比定模高出10～15℃。模溫過低，會導致硬化時間過長，注塑件出現組織疏松、起泡及顏色發暗等缺陷。

（3）注塑件形體分析的塑料要素與注塑件的收縮率

注塑件形體分析的塑料要素與注塑件的收縮率，是決定模具型面和型腔尺寸的主要因素。我們知道任何物質都具有熱脹冷縮的性質，塑料受熱后體積會膨脹，冷卻后體積又會收縮。故注塑件圖紙上在給出塑料的品種之后，我們都會根據塑料的品種找出該種聚合物的收縮率，從而在模具型面和型腔的尺寸設計時，在注塑件的尺寸之上再加上塑料品種的收縮量。

（4）塑料彈性的運用

熱塑料大多數具有一定的彈性，對于一些具有較小高度筋和較淺槽的塑料件，可以利用其彈性進行強制性脫模。進行強制性脫模的條件：①注塑件上筋高度較小，槽深較淺。②成型注塑件只保留具有筋槽的形體，其他的形體均敞開。強制性脫模時，必須注意防止注塑件產生變形和出現裂紋等缺陷。

（5）塑料與模具用鋼

塑料品種對模具用鋼的影響很大，塑料模具用鋼包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐腐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱變形小、加工性能好、耐腐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度值低、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。在一般情況下，注射成型或擠壓成型模具可選用熱作模具鋼；熱固性成型模具和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。為了確保塑料模具的質量和使用壽命，當然最佳是選用新型專用塑料模具鋼。

塑料模具鋼種有通用型、耐磨型、滲碳型、耐腐蝕型、高鏡面型、無磁型和預硬化易切削塑料模具鋼。注塑模除了要正確地進行模具結構最佳優化方案可行性分析與論證以及模具結構的設計之外，合理地選擇注塑模用鋼與熱處理，也是注塑模設計中十分重要的一環。模具的耐磨性、耐腐蝕性、加工性能和維修性，都與模具用鋼與熱處理的選擇息息相關，進而影響模具使用的壽命、模具制造和維修的成本、模具制造的周期。雖然模具用鋼成本只占制造成本的10%～20%，但由于上述的原因，模具用鋼與熱處理的選擇確實可以決定注塑件的整體經濟效益。

近年來，隨著鋼材冶煉技術水平的提高，產生了許多優質高性能的鋼材和先進的熱處理技術，如預硬鋼、高強度模具鋼、無缺陷模具鋼、耐腐蝕模具鋼、鏡面模具鋼、易切削模具鋼和高速鋼基體鋼等。這些鋼材從價格上講要比普通的注塑模用鋼高一些，但是卻比普通的注塑模用鋼的性能高出很多。不管從模具的使用壽命，還是從整體經濟效益都比普通的注塑模用鋼強得多。故采用新型的模具用鋼和先進的熱處理技術，也是模具技術人員應該掌握的知識。

（6）注塑件形體分析塑料要素實例

塑料要素是影響模具溫控系統設計的主要因素，而模具溫控又是影響塑料熔體流動的因素，也是注塑件產生缺陷的因素。在進行注塑件形體分析時，一定要找出注塑件的塑料要素。當主澆道的長度超過60mm時，塑料熔體料流接觸低溫模具的澆道距離過長，熔體溫降會過大，從而會降低熔體的流動性，也會造成注塑件產生各種的缺陷。為了避免注塑件各種缺陷的產生，則應采用熱流道或熱延長噴嘴等措施。

［例1-23］　面罩主體是供氧面罩中一個十分重要的橡膠件，其形狀曲折復雜、厚度變化大，最薄處僅為0.7mm。面罩主體裙圍需與人的臉部造型完全吻合。通過對面罩主體形體的分析，在裙邊與裙圍轉接處存在著弓形高“障礙體”。橡膠模便采用了二次分型的方法，使得凸模與凹模及凸模與中模都能夠分型。成型面罩主體型腔的中模，是一個大的凸臺“障礙體”。面罩主體的脫模，是利用了硅橡膠面罩主體的彈性，采用了手工剝離或吹入壓縮空氣使其膨脹脫模的形式。在距凹模模腔0.2mm的沿周，制有1.5mm×90°的余膠槽，余膠進入余膠槽中形成飛邊。凹槽邊緣與型腔邊緣形成0.20mm的刃口，當面罩主體壓制后脫模時，飛邊能自動被刃口切落。模具結構的形式，實現了面罩主體順利成型和脫模及飛邊的處理。

面罩主體二維圖，如圖1-24（a）所示，面罩主體三維造型，如圖1-24（b）所示。面罩主體裙圍處孔是人鼻和嘴的開口孔，在面罩主體背面左側有供氧及通信系統的連接孔，右側有負壓囊的連接孔，面罩主體下端是呼氣系統的連接孔。面罩主體主要尺寸，如圖1-24（a）所示。面罩主體裙圍為0.7mm，裙邊為2.0mm，裙背為1.5mm，呼氣系統連接孔壁的厚度為2.5mm。

［例1-24］　豪華客車帶燈箱鎖主體部件，如圖1-25所示。材料：30%玻璃纖維增強聚酰胺6（黑色）QYSS08—1992，收縮率1%。我國地域遼闊、人口眾多，又是世界經濟的引擎，豪華客車的市場一定是很大的。那么，豪華客車帶燈箱鎖主體部件的產量一定是特大批量。聚酰胺6塑料存在著30%玻璃纖維，要使成型加工的該產品模具壽命長，一般選取高耐磨的模具鋼。由于塑料具有熱脹冷卻的特性，各種塑料的收縮率是不同的。模具型腔和型芯的尺寸需要增加補償值，有了收縮率就能計算出模具型腔和型芯的尺寸。

［例1-25］　盒如圖1-26所示，材料：ABS。在盒的右邊型腔的前后處存在著1.0mm×0.2mm的槽，成型該淺槽是模具型芯上的凸臺。由于盒左邊存在通風柵口，成型盒外形的凹模必須在Ⅰ—Ⅰ處分型。那么成型1.0mm×0.2mm槽的凸模，可以用脫件板進行脫模。這就是在成型盒外形敞開后，利用高于室溫塑料的塑性進行強制脫模。

［例1-26］　轉換開關大、小件，如圖1-27所示。材料：30%微珠玻璃聚碳酸酯（黑色），收縮率為：0.3%～0.4%，亞光。注塑件形體分析時應提取“塑料”要素，只要將塑料材料品種找出即可。注塑件的塑料要素是影響模具溫控系統設置的因素，什么樣的模具需要設置加溫裝置，什么樣的模具需要設置冷卻裝置，完全取決于塑料品種。模具溫控系統設置是否得當，都將直接影響注塑件成型加工的質量。由于轉換開關大、小件是氣動切換工位的機械手，其精度超過了金屬產品。選用30%微珠玻璃聚碳酸酯，一是要使轉換開關大、小件具有一定的耐磨性和小的收縮性，二是要使轉換開關外觀更為美觀，而不要像30%玻璃纖維聚碳酸酯制品那樣外觀能夠見到許多玻璃纖維。

1.6.2　注塑件形體分析的批量要素

注塑件形體分析的批量要素，是影響模具的結構因素之一。就注塑件的批量而言，批量小的注塑件模具在用鋼方面可以選用如45碳素結構鋼材，不進行熱處理，批量大的注塑件模具用鋼則應選用新型專用的模具鋼。就模具結構而言，批量小的注塑件的模具結構能簡就簡，而批量大的注塑件模具結構則要求高自動化、高效率和高壽命，甚至是智能化。可以說注塑件的批量不同，模具的結構也就不同。注塑件的批量越大，模具的結構可以越完善和越復雜，反之，模具的結構可以簡單化。

（1）注塑件形體分析的批量要素

注塑件形體分析的批量要素，也是影響模具結構、價格和制造周期的因素之一。注塑件批量不僅影響模具用鋼和熱處理的選擇，還影響模具的結構。一般可以將注塑件批量分成小批量、中批量、大批量和特大批量。模具設計時，一定要根據注塑件批量的大小進行模具結構的設計、模具用鋼及其熱處理的選擇，否則會造成模具制造成本增加和模具效率低下及模具壽命降低。而模具用鋼及熱處理是決定模具壽命的因素，模具的結構則是決定模具自動化和模具效率的因素。注塑件的批量一旦確定下來了，模具的結構和用鋼也隨之確定下來，模具的價格和制造周期也就可以確定下來。

（2）注塑件批量與注塑模用鋼

注塑料模具用鋼可依據塑件批量選用，可以參考表1-1。

①傳統模具材料　也稱為比較模具材料，是最早用于模具的模具鋼材，有普通碳素鋼、優質碳素鋼、工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、不銹鋼、軸承鋼、硬質合金和粉末冶金等。傳統塑料模具鋼的型號，如40Cr、T8Mn、2Cr13、1Cr18Ni9和0Cr19Ni9等。

②新型模具（或特種）鋼　是在與傳統模具鋼性能的基礎上，為了彌補傳統模具鋼種性能的不足，再根據模具加工產品的性質和失效的原因，進行鋼材合金成分的添加與減少以及采用適當的冶煉方法所得到的鋼材稱為新型模具鋼。新型模具鋼類型有新型冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼，它們的性能均比相應傳統模具鋼要好，使用壽命要長。其他類型的模具用鋼可以比對模具的使用性質和失效原因進行選用。新型塑料模具鋼有預硬化鋼、析出硬化鋼、時效硬化型塑料模具鋼、易切削高韌性模具鋼、易切削調質型預硬鋼、低鎳馬氏體時效鋼、時效硬化型鋼、馬氏體時效鋼、非調質塑料模具鋼、鏡面塑料模具鋼鋼、耐腐蝕塑料模具鋼、耐磨高壽命超強度塑料模具鋼及高壽命和耐腐蝕鏡面模具鋼。

（3）模具與新型模具鋼的應用

模具是由具有各種功能的機構和零部件組成的，具體地說有工作件和結構件兩大類型。工作件是指直接與加工產品接觸的零部件，如凸模、凹模、型腔與型芯等。結構件是指相對于工作件起到支撐和連接的零部件，如模架、導柱、導套、定位和連接件等。對于模具工作件而言應該要求它們具有高耐磨性、低變形性、耐腐蝕性、優越加工性，優良耐熱性和長的壽命。對于結構件為了降低模具成本，均可以采用傳統模具材料。對于工作件而言，如手工裱糊和噴射裱糊的成型模，由于是試制生產或單件生產或小批量生產，模具材料還可以采用非金屬材料。對于小批量生產的沖壓模和熱作模，也可以采用傳統的冷作和熱作模具鋼。

①塑料模具用鋼的要求　應具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐腐蝕性等性能，還應具有良好的工藝性，如熱變形小、加工性能好、耐腐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度低、導熱性好及工作尺寸和形狀穩定等。

②目前開發的新型鋼種　包括有合金結構鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、滾動軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼（如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼等）等。

a.新型優質碳素結構鋼　包括合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼，還包括高溫合金、耐腐蝕合金鋼和精密合金等。

b.新型低合金鋼　包括低合金焊接高強度鋼、低合金沖壓鋼、低合金耐腐蝕鋼、低合金耐磨損鋼、低合金低溫鋼、甚至還納入了低、中碳含量的低合金建筑鋼和中、高碳含量的低合金鐵道軌鋼。

③當前新型材料研究內容　新型金屬功能材料除上述幾類以外，還有能降低噪聲的減振合金；具有替代增強和修復人體器官和組織的生物醫學材料；具有在材料或結構中植入傳感器、信號處理器、通信與控制器及執行器，使材料或結構具有自診斷、自適應，甚至損傷自愈合等智能功能與生命特征的智能材料等。

（4）模具壽命對比案例

同種模具通過采用新型模具鋼和傳統模具鋼后壽命的對比。

［例1-27］　Cr12MoV鋼較常規淬火、回火處理的CrWMng鋼，用于同類模具壽命能提高10倍以上，經滲硼后其使用壽命又可再提高5～10倍。

［例1-28］　65Nb高速鋼復合模經1140℃油淬，540℃二次回火后與T10鋼相比，使用壽命能提高60倍。同時，經輝光離子氮化和滲硼處理還可進一步提高其使用壽命。

［例1-29］　V3N超硬冷作模具鋼壽命均比 Cr12MoV、Cr12等制造的模具壽命能提高3～5倍，比現用普通高速鋼能提高2～10倍。

［例1-30］　LD鋼其壽命比W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、Cr12MoV、Cr12、GCr15、60Si2Mn等鋼分別能提高幾倍至幾十倍。ER5鋼用于硅鋼片沖裁模，一次刃磨壽命為21萬次，總壽命高達360萬次，是目前以沖裁模沖裁硅鋼片具有較高壽命水平的合金鋼。

選用不同的模具鋼材，對模具使用壽命的影響是巨大的。一般模具材料的費用是整副模具費用的10%～20%。如果對模具工作件采用新型高性能鋼材，模具的費用以增加了10%計算，模具使用壽命如果提高了10倍，10%的鋼材費用換來10副模具，經濟效益是顯然易見的。哪怕是使用壽命提高了1倍，等于多花10%的鋼材費而得到2副模具，經濟上也是很劃算的。由此可見，對于各種模具來講，選用適當的新型模具材料及熱表處理方法，是發揮模具最大的性能、效率和經濟效益的最好途徑。SM1鋼制作的部分模具使用壽命，如表1-1所示。

注塑件形體分析的塑料與批量要素不太為注塑件設計人員所注意，也不為注塑模設計人員所注意。其實塑料與批量要素不僅影響模具用鋼及其熱處理，還影響模具的結構、價格和制造周期，故塑料與批量也是注塑件形體分析的要素之一。如何確定注塑件形體分析的批量要素，需要模具設計人員深入地了解產品的市場和發展潛力，這樣才能確定產品的批量情況，因為注塑件的批量一般在注塑件圖紙上是不會作出標注或說明的。而對注塑件形體分析的塑料要素的確定就再簡單不過了，一般注塑件的圖紙上一定會標注塑件的材料。若沒有標注，可找設計人員詢問。

（5）注塑件形體分析的批量要素案例

［例1-31］　連接環，如圖1-28所示，材料：聚氨酯彈性體。技術要求：①一般公差按HB 5800—1999；②去毛刺和飛邊。連接環注塑模具，當連接環為試制件時，意味著連接環還需要作若干次改進，試制模具越簡單越好，模具構件的動作最好全部為手動。當連接環定型后為少批量生產時，模具可以部分構件動作為自動，另一部分模具構件為手動。當連接環產量為大批量或特大批量時，所有模具構件動作全部為自動。

①連接環試制注塑模結構設計　針對塑料試制件加工數量極少，試制件在定型過程中還將會出現改進。試制模具必須做到結構越簡單越好，費用越低越好，制造過程越容易越好，不允許追求高效率、高自動化。通過對連接環試制注塑模設計介紹，說明了這類模具只要能夠加工出合格制品就可以了，并且連接環內外形的成型、抽芯、脫模和脫澆口料的動作，全部是利用手工裝模和拆模來實現的。目前，塑料試制件，雖可采用3D打印技術進行加工。但3D打印價格是根據制品數量、重量和復雜程度來確定的，大型試制品數量超過10件，采用試制模具加工還是比3D打印更經濟一些。可見試制模具的設計，現今仍是一種常用的技術，設計好試制模還是十分必要的。

②連接環低效注塑模結構設計　通過對連接環形體分析，找到了其外形上有弓形高和三處凸臺與內形中有兩處凸臺“障礙體”。由于連接環產量較少，只能采用低效的模具結構方案。經過充分論證分析，連接環以放在模具中倒置位置方案為最佳優化方案。成型連接環外形，采用了彎銷和滑塊抽芯機構。成型連接環內形的型芯，是以凸臺A面為分型面，將A面內凸臺分成五個獨立部分。抽取中間部分可騰出足夠空間，再分別抽取其他部分，避開內形二處凸臺對連接環脫模的阻擋，以到達脫模的目的。該模具結構方案，能使連接環順利地成型和脫模。但手工抽取五塊模塊畢竟效率低下，故只能適應小批量產品的加工。若要實現大批量加工，需將手工抽取五塊模塊改成自動化抽芯才行。

③連接環高效注塑模結構設計　通過采用了三種不同自動抽芯模具結構，才能夠適應制品大批量加工。而要實現注塑模自動抽芯，就必須安排好模具中三種六處抽芯運動的先后程序，這樣才能避免抽芯運動干涉現象。通過采用了彎銷滑塊外抽芯機構、彎銷滑塊內抽芯機構和單滾輪式斜推桿內抽芯機構，從而實現了避開連接環外形弓形高和外形三處凸臺及內形二處凸臺“障礙體”對脫模的阻擋作用。又通過采用了復位桿完成推板和前后外滑塊的先復位，使得三種六處抽芯運動有序進行。如此，連接環外形和內形左右凸臺成型和抽芯是同時進行的。并使得它們先于內形前后凸臺抽芯，后于前后凸臺復位，這些動作的嚴格安排，才避免了抽芯運動產生的運動干涉而實現了連接環的順利成型和脫模。

注塑件的塑料和批量要素，也是影響注塑模結構的因素。注塑件的塑料要素影響到塑料收縮率、模具用鋼的選取、模具澆注系統、鑲嵌件和塑料性能的運用。注塑件的批量要素影響到模具結構的成型加工效率，即注塑模手動與自動化水平和模具使用壽命的長短。