4.2 分型面和排氣設(shè)計

注射模設(shè)計過程中，首先是合理確定分型面，往往是在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的最后設(shè)置排氣槽。排氣系統(tǒng)主要利用分型面，排氣槽大都開設(shè)在分型面上。在不能利用分型面排氣時，必須熟知其他途徑的排氣設(shè)計。

4.2.1 分型面設(shè)計

在注射模具中，用于取出注塑件或澆注系統(tǒng)凝料的面通稱為分型面。常見的取出注塑件的主分型面與開模方向垂直。主分型面將注射模分成定模和動模兩部分，也有從主分型面取出并放回活動型芯，或放置嵌件。注射模有一個或多個分型面，還有采用與開模方向一致的側(cè)向分型面。采用點(diǎn)澆口的雙分型面的注射模，注塑件與澆道凝料分別從兩個分型面中取出。分型面大都是平面，也有傾斜面、曲面或臺階面。

分型面的選擇不僅關(guān)系到注塑件的正常成型和脫模，而且涉及模具結(jié)構(gòu)與制造成本。在選擇分型面時，應(yīng)遵守以下原則。

（1）分型面應(yīng)選擇在注塑件的最大截面處 如圖4-13a、圖4-13c所示，否則，如圖4-13b所示，無法脫模和加工型腔。無論注塑件以何方位布置型腔，都應(yīng)將此作為首要原則。

（2）盡可能地將注塑件留在動模一側(cè) 因?yàn)樵趧幽Ｒ粋?cè)設(shè)置和制造脫模機(jī)構(gòu)簡便易行。為了讓注塑件留在動模一側(cè)，圖4-14a將型芯設(shè)在動模的型芯上，薄壁注塑件對型芯產(chǎn)生有足夠的包緊力；但是遇到厚壁塑件或者沒有型芯，如圖4-14b所示，可將注塑件型腔設(shè)在動模一側(cè)的型腔里。

圖4-13 分型面應(yīng)選在注塑件的最大截面處

a）分型面在注塑件的最大截面處 b）最大截面在型腔內(nèi) c）箭頭所指為分型面

（3）有利于保證塑件的尺寸精度 圖4-15a為保證雙聯(lián)齒輪的齒廓與孔的同軸度，兩齒輪型腔和型芯都設(shè)在動模一側(cè)；若分設(shè)在動模與定模兩側(cè)，見圖4-15b。會受到導(dǎo)柱與導(dǎo)套配合精度及它們磨損的影響。又如圖4-16a所示，為了保證注塑件兩臺階間距尺寸L的精度，應(yīng)將兩臺階面置于模具同一側(cè)；否則如圖4-16b布置，尺寸L精度受到分型面制造精度和鎖模力的影響，會引起較大誤差。

圖4-14 注塑件應(yīng)盡可能留在動模一側(cè)

a）注塑件留在動模的型芯上 b）注塑件留在動模的型腔里

圖4-15 有利于保證注塑件的同軸度

a）兩齒輪都設(shè)在動模同一側(cè) b）兩齒輪分別設(shè)在動模和定模兩側(cè)

（4）有利于保證注塑件的外觀質(zhì)量 分型面上型腔壁面稍有間隙，熔體就會在注塑件上產(chǎn)生飛邊。飛邊影響注塑件的外觀質(zhì)量。因此在光滑平整表面或圓弧曲面上，應(yīng)盡量避免選擇分型面，如圖4-17a所示。而圖4-17b的選擇顯然不當(dāng)。

（5）考慮滿足注塑件的使用要求 注塑件在模塑過程中，有一些很難避免的工藝缺陷，例如脫模斜度、分型面上的飛邊以及頂桿與澆口痕跡等。在分型面設(shè)計時，應(yīng)從使用角度避免這些工藝缺陷影響塑件功能。如圖4-18b所示，塑件完全在動模一側(cè)脫出，會使脫模斜度過大。圖4-18a分別在動模、定模安排型腔，可減小脫模斜度。又如圖4-19b上的注塑件軸需與圓孔支撐，或軸上傳動零件的孔有配合要求，但分型面飛邊痕跡會影響運(yùn)轉(zhuǎn)功能；若如圖4-19a在有飛邊兩側(cè)，留有與圓孔的單邊間隙0.15～0.25mm，便不會影響其轉(zhuǎn)動。

圖4-16 有利于保證注塑件尺寸精度

a）兩臺階置于動模一側(cè)成型 b）兩臺階由動模和定模分別成型

圖4-17 有利于保證注塑件外觀質(zhì)量

a）圓弧曲面由型腔成型 b）圓弧曲面上設(shè)置分型面

圖4-18 有利于減小注塑件的脫模斜度

a）分別在動模和定模脫模，脫模斜度小 b）在動模一側(cè)脫出，脫模斜度大

圖4-19 有利于保證塑料軸的轉(zhuǎn)動功能

a）飛邊處在有間隙孔中 b）轉(zhuǎn)軸柱面上會有飛邊

（6）注塑件在主分型面上的投影面積應(yīng)小于所用注射機(jī)的成型面積 減小注塑件在合模平面上的投影面積，可減小所需鎖模力。如圖4-20所示的彎角板塊類注塑件，圖a的選擇比圖b為好。但是按圖a布置后模具的閉合高度較大。

（7）長型芯應(yīng)置于開模方向 當(dāng)注塑件在相互垂直方向都需設(shè)置型芯時，如圖4-21a所示，將較短型芯置于側(cè)抽芯方向，有利于減小抽拔距，因?yàn)閭?cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)的抽拔距較??；若按圖4-21b布置，需要尺寸很大的斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)。

（8）有利于排氣 應(yīng)將分型面置于熔體充模流動的末端，如圖4-22a所示；而圖4-22b所示熔體溢料面與分型面垂直，熔體不能從分型面溢出。注塑件在壓縮中成型，雖然翻邊壁厚的尺寸精度高，但不能利用分型面排氣。又如圖4-23a所示，料流的末端氣體可利用分型面排氣；而圖4-23b所示，氣體會在型腔中積聚。

圖4-20 有利于減小注塑件在合模平面上的投影面積

a）注塑件在分型面上的投影面積小 b）成型注塑件需較大的鎖模力

圖4-21 較長型芯應(yīng)置于開模方向

a）長型芯設(shè)在開模方向 b）長型芯設(shè)在側(cè)抽方向

圖4-22 分型面應(yīng)有利于排氣

a）利用分型面排氣 b）不能利用分型面排氣

圖4-23 料流的末端排氣

a）利用分型面排氣 b）氣體在型腔中積聚

（9）應(yīng)有利于簡化模具結(jié)構(gòu) 為此在安排制件在型腔中方位時，盡可能避免側(cè)向分型或抽芯。特別是避免在定模部分側(cè)向抽芯，如圖4-24所示。圖4-24a布置方位可避免側(cè)向抽芯，模具結(jié)構(gòu)比圖4-24b簡單。

（10）非平面分型面的選擇，應(yīng)有利于型腔加工和方便脫模 圖4-25、圖4-26和圖4-27中的傾斜面、曲面和階梯面分型面，用磨削加工使動模與定模密配是不可能的，常采用電火花對合加工。

圖4-24 應(yīng)有利于簡化模具結(jié)構(gòu)

a）模具簡單 b）需側(cè)向抽芯

圖4-25a所示斜面分型時型腔加工方便。圖4-26所示曲面分型時，孔的成型和殼體的脫模方便。圖4-27a所示平面分型需側(cè)向抽芯。圖4-27b階梯面分型需異形型芯成型孔，階梯分型面加工困難。

圖4-25 斜面分型

a）斜面分型使型腔加工方便 b）分型面加工方便

圖4-26 曲面分型

圖4-27 階梯面分型

a）平面分型需側(cè)向抽芯 b）階梯面分型需異形型芯

設(shè)計非平面分型面時，應(yīng)注意模具側(cè)向的力平衡，如圖4-27a那樣。如圖4-28b所示，由于型腔布置對開模方向的不對稱，注射時動模與定模間存在側(cè)向作用力，不利于開模和脫模。若由于注塑件的幾何尺寸限制不能作圖4-28a那樣的平衡設(shè)計，則應(yīng)設(shè)有粗壯的導(dǎo)柱并加裝錐面斜面定位機(jī)構(gòu)。

圖4-28 非平面分型時模具側(cè)向的力平衡

a）側(cè)向作用力被平衡 b）動模與定模受到側(cè)向作用力

注射模有些模板之間的分離運(yùn)動，并沒有注塑件或流道凝料取出。例如：動模上的推件板被脫模推桿頂離動模；定模上的脫卸板將主流道和分流道凝料推離定模。但都沒有對注塑件或流道分型。對于一些特殊注塑件，分型面設(shè)計是困難的技術(shù)問題。由于涉及制品的幾何尺寸精度和質(zhì)量，分型面選擇后應(yīng)得到注塑件設(shè)計人員的認(rèn)可。

4.2.2 排氣設(shè)計

從某種角度而言，注射模也是一種置換裝置。即塑料熔體注入模腔同時，必須置換出型腔內(nèi)空氣和從物料中逸出的揮發(fā)性氣體。排氣系統(tǒng)是注射模設(shè)計的重要組成部分。本節(jié)詳細(xì)討論該計算式的推導(dǎo)過程和物理?xiàng)l件，可供實(shí)用計算時參考。

1.排氣設(shè)計

（1）排氣不良的危害 排氣和排氣槽設(shè)計不合理，將會產(chǎn)生下述的弊?。?/p>

1）增加熔體充模流動的阻力，使型腔不能充滿，會使注塑件棱邊不清。

2）在制品上呈現(xiàn)明顯可見的流動痕和熔合縫，其力學(xué)性能降低。

3）滯留氣體使注塑件產(chǎn)生銀紋、氣孔、剝層等表面質(zhì)量缺陷。

4）型腔內(nèi)氣體受到壓縮后產(chǎn)生瞬時局部高溫，使塑料熔體分解變色，甚至碳化燒焦。

5）由于排氣不良，降低了充模速度，增長了注射成型周期。

越是薄壁制品、越是遠(yuǎn)離澆口的部位，排氣槽的開設(shè)越重要。對于小型精密制品的注射成型也要重視排氣設(shè)計，因?yàn)槌四鼙苊庵破返淖⑸淞坎蛔愫捅砻孀苽?，還可以消除各種缺陷。對于幾何形狀復(fù)雜的制件，模具上排氣槽的開設(shè)在試射后確定。

（2）排氣系統(tǒng)設(shè)計方法

1）利用分型面排氣是最簡便的方法，排氣效果與分型面的接觸精度有關(guān)。減少實(shí)際鎖模面有利排氣。利用模塊結(jié)構(gòu)，可減小鎖模接觸面，但鎖模接觸面的寬度不能低于15mm。

2）利用頂桿與孔的配合間隙排氣，必要時對頂桿作些排氣的結(jié)構(gòu)措施，如圖4-29所示。對于型腔的封閉死角，可增設(shè)推桿作排氣用。推桿排氣隙的長度為2～3mm，開設(shè)排氣槽和溝。推桿與孔的配合長度不小于10mm，或?yàn)橥茥U直徑的2～3倍。頂端利用推管同樣也能排氣，其排氣結(jié)構(gòu)如圖4-30所示。型芯也被利用排氣，其排氣結(jié)構(gòu)如圖4-31所示。以上三圖中圖示單向間隙δ可為表4-1所列的常用排氣槽高度h的一半。排氣通道表面順氣流方向拋光，無銳角。

3）利用球狀合金顆粒燒結(jié)塊滲導(dǎo)排氣，如圖4-32所示。透氣鋼塊應(yīng)有足夠的承壓能力，設(shè)置在注塑件隱蔽處，并須開設(shè)排氣通道。透氣鋼的透氣效果與厚度成反比，鋼塊的排氣方向厚度30～50mm。但透氣鋼塊的強(qiáng)度和剛度較低，既要有足夠截面的排氣坑，又要有較好支承。圖4-33a所示透氣鋼塊的剛性差，透氣途徑長。改用圖4-33b的高強(qiáng)度鋼支承又作大面積透氣。透氣鋼塊的成型面和出氣底面的精加工，只能用電火花成型。透氣鋼硬度為35～38HRC，可以機(jī)械切削加工。用脫模劑之類的液體涂在透氣鋼塊的工作面上，從底面吹入壓縮空氣，檢查氣泡涌起。如果透氣鋼塊阻塞，可以清洗后再用。將透氣鋼塊加熱至500℃，保持1h，冷卻后浸入丙酮至少15min，然后用壓縮空氣吹出殘?jiān)?。如效果不好，重?fù)加熱、溶渣和吹氣。

4）在熔合縫位置開設(shè)冷料井，在貯留冷料前也滯留了少量氣體。也有在鎖模分型面上，挖貯氣小坑，引留少量氣體。

圖4-29 兼排氣的頂桿

圖4-30 兼排氣的推管

圖4-31 兼排氣的型芯

圖4-32 燒結(jié)金屬塊滲導(dǎo)排氣

圖4-33 透氣鋼塊的排氣設(shè)計

a）排氣效果差 b）排氣坑效果好

5）可靠有效的方法，是在分型面上開設(shè)專用排氣槽，如圖4-34所示，尤其大型注射模必須如此。排氣槽通常設(shè)在分型面的動模一側(cè)，應(yīng)開設(shè)在熔體最后充滿的部位。圖4-34為單個側(cè)澆口的型腔，排氣槽大致設(shè)在澆口對面。排氣槽截面尺寸，既要有利于排氣，又要不溢料。因此，對于黏度較低的塑料熔體應(yīng)有較小的排氣槽高度h，見表4-1。高壓塑料熔體沖著排氣隙口，熔體容易溢進(jìn)排氣槽。因而，熔料在排氣槽隙口垂直流過時，排氣槽高度h和排氣隙δ容許稍大些。

排氣槽流通截面S，應(yīng)按所需排氣量由式（4-26）確定，然后計算得排氣槽寬度W和槽的數(shù)目。槽寬度W取2～6mm，優(yōu)選了3.2～5mm。氣流方向的排氣槽長度L取1～2mm，一般不超過2mm。排氣槽表面應(yīng)順氣流方向進(jìn)行拋光。排氣槽后續(xù)的導(dǎo)氣溝應(yīng)適當(dāng)增大，以減小排氣阻力。其高度h′=0.8～1.6mm，單個寬度W′≥W=3.2～5mm。分型面上排氣溝為梯形或半圓截面，優(yōu)選梯形截面，以便于清除溢進(jìn)的塑料。圓筒形注塑件，在采用中央澆口時，應(yīng)在分型面的型腔周圍均勻布置排氣槽，并設(shè)置環(huán)形的導(dǎo)氣溝。

6）對于大型模具，可利用鑲拼的成型零件的縫隙排氣。圖4-35所示為點(diǎn)澆口設(shè)計的澆口套鑲件排氣間隙和環(huán)形導(dǎo)氣溝。

圖4-34 開設(shè)專用排氣槽和導(dǎo)氣溝

圖4-35 繞口套鑲件排氣間隙和環(huán)形導(dǎo)氣溝

1—澆口鑲件 2—型腔板 3—推板 4—動模型芯 5—環(huán)形導(dǎo)氣溝

表4-1 常用的排氣槽高度

排氣槽的表面、推桿和鑲塊的排氣間隙，在注射生產(chǎn)時會留下塑料的殘余物。污垢會堵塞排氣截面。壓縮空氣可在每次開模時吹去污物?？蓜恿慵系呐艢獠酆团艢庀队幸欢ǖ淖晕仪謇砟芰?。緊固型芯和鑲塊上的排氣間隙上污物清理困難，要設(shè)計清理的通道，后續(xù)的排氣溝的截面要足夠大。

2.排氣槽的截面尺寸計算

塑料熔體注射充模時，型腔內(nèi)氣體被壓縮成氣室，然后經(jīng)排氣口噴出。

（1）氣體壓縮 注射模排氣過程的第一階段，是充模的高溫塑料熔體將型腔內(nèi)氣體驅(qū)趕壓縮至死角，形成一個高溫高壓的氣室。此階段既不是等溫過程，也不是絕熱過程，而是氣體動力學(xué)的多方過程理想氣體的多方過程中，壓力p和體積V的關(guān)系滿足下式：

p·Vⁿ=恒量 （4-10）

n稱多方指數(shù)，n=1時為等溫過程，n=γ=1.4時為絕熱過程。此氣室的狀態(tài)是第二階段排氣槽噴排氣體時的初始條件。許多設(shè)計理論，均按照臨界的有效排氣來計算排氣槽的截面積。此氣室的溫度和壓力，應(yīng)根據(jù)注射工藝確定。此氣室處于熔體料流的末端，壓力p=20MPa，被壓后氣體溫度T升高至300℃左右。此時氣室中氣體可能分解和燒焦塑料物料。有危害狀態(tài)的多方指數(shù)為

式中 V₀——包括澆注系統(tǒng)在內(nèi)的型腔總體積；

p₀——原型腔內(nèi)具有的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（p₀=0.1MPa）；

V——被壓縮氣室的體積，擬定為V₀的1%。

被壓氣室的溫度，由多方過程

得到

模內(nèi)氣體從20℃經(jīng)壓縮升溫達(dá)311℃。若按系統(tǒng)不與外界交換熱量的絕熱過程計算，則被壓氣室溫度還要高得多。介于等溫和絕熱過程之間的多方過程是符合注射充模實(shí)際的。這里存在誤差，在形成氣室前，模具中的排氣槽是開放的。但由于氣壓低、充模快，先期被排出的氣體不多，由上述假定推算的氣室溫度和壓力比實(shí)際要偏大些。

（2）排氣槽的噴射 推導(dǎo)的第二階段，把排氣槽視為噴氣管。由于排氣過程迅速，來不及與外界有明顯的熱量交換，因此作為絕熱過程處理。有參量比熱容比

γ=c_p/c_v （4-14）

式中，c_p為定壓比熱容，c_v是定容比熱容，對于空氣γ=1.4。根據(jù)氣體動力學(xué)的流量函數(shù)所述，噴管的質(zhì)量流量稱為密流m′，單位截面積A的密流有

m′/A=ρv （4-15）

式中，v為噴管的排氣流速，氣體密度

ρ=ρ′/（RT′） （4-16）

又有噴管排氣的音速公式，音速為

以上式（4-16）和式（4-17）中，氣體常數(shù)R=287.04J/（kg·K）；T′為噴管中氣體的熱力學(xué)溫度；p為噴管中氣體的壓力，代入式（4-15）后得

其中ν/a=M稱為馬赫數(shù)。前述T和p為第一階段所生成氣室的滯止溫度和壓力。此時氣體的動能完全轉(zhuǎn)化為熱焓的滯止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)能量守恒關(guān)系，它們與噴管中氣體的溫度T′和壓力p′有以下關(guān)系

代入式（4-18）后，可得

在M給定的情況下，氣體密流m′與滯止壓力p成正比，與滯止溫度T的平方根成反比。如果滯止的壓力p給定，密流m′只是M數(shù)和γ、R的函數(shù)。

如果氣流的M數(shù)達(dá)到1，出現(xiàn)臨界密流，對應(yīng)著噴管的臨界面積A，有

用γ=1.4，R=287J/（kg·K）代入后，得排氣槽截面積的計算式

密流m′用常溫常壓下型腔體積V₀和空氣密度ρ=1.16kg/m³代入，用注射充模時間t計算：

m′=m/t=ρV₀/t （4-24）

再用氣室的高溫T=584K和高壓p=20MPa=20×10⁶ N/m²，代入式（4-22），得到排氣槽截面積的設(shè)計計算式：

上式中A（m²或cm²）與V₀（m³或cm³）的單位一致。為計算方便，型腔體積V₀用cm³代入，截面A單位是mm²，于是有

式中 A——排氣槽的截面積（mm²）；

V₀——包括澆注系統(tǒng)的型腔體積（cm³）；

t——注射充模時間（s）。

式（4-26）計算關(guān)鍵是充模時間的正確估測。建議按第8章的表8-1注射機(jī)公稱注射量與注射時間，根據(jù)模具實(shí)際型腔體積V_O來確定t。

（3）計算修正　考慮到有些塑料品種的熱分解溫度高于或低于前假定T_K=584K，可對式（4-25）進(jìn)行氣體溫度的修正

于是物料分解溫度T_K修正的排氣槽截面積的計算式為

當(dāng)某種物料的熱分解溫度較低，T_K小于584K時，則計算得到截面積A會略大些，以避免熔體被燒焦。同樣，式（4-27）中的V₀和A量綱是一致的。

對式（4-26）和式（4-27）的計算結(jié)果，常見的修正意見有：

1）當(dāng)注射模有頂桿、分型面等其他排氣通道時，截面積A可斟酌減??；

2）排氣槽長期使用后有積垢，會減小有效截面積，A可略大些。

[例]有型腔體積V₀=100cm³的模具開設(shè)排氣槽。參考表8-1，取充模時間t=1.5s。求排氣槽截面尺寸。

[解]由式（4-26）得排氣槽面積

再由表4-1，按塑料物料取排氣槽高度h=0.02mm，高度h的制造公差為±0.005mm。排氣槽總寬度11.5mm，單個排氣槽寬度4mm，需三個排氣槽，排氣方向的長度取1.5mm。

隨著高速注射的發(fā)展，真空排氣系統(tǒng)將被采用。在如圖4-32所示的燒結(jié)金屬塊后側(cè)，配以真空抽氣。以上陳述的是熱塑性塑料注射模的排氣系統(tǒng)。熱固性塑料注射模的排氣系統(tǒng)更為重要。排出氣體質(zhì)量中需計入化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體質(zhì)量。