第三章 塑料的注射成型模具

第一節 注射成型模具的種類與特點

一、熱塑性塑料注射成型模具的分類和組成

（一）熱塑性塑料注射成型模具的分類

熱塑性注射成型模具有很多的分類方法。按照注射模具總體結構特征，可分為單分型面注射成型模具、雙分型面注射成型模具、側向分型與抽芯注射成型模具、帶有活動鑲件的注射成型模具、定模帶有推出裝置的注射模具和自動卸螺紋注射成型模具；按照其所用的注射機類型，可分為臥式注射機用模具、立式注射機用模具和角式注射機用模具。

（二）熱塑性塑料注射成型模具的組成

注射成型模具大體上由動模和定模兩個部分組成，它們分別固定在注射機的移動模板和固定模板上。在注射成型過程中，動模和定模閉合，塑料熔體充填模腔，待其冷卻定型后，這兩個部分又分開，取出制品塑件，等待下一次注射。

注射成型模具可以分成以下幾個部分。

1. 成型部分 成型部分由凸模（型芯）、凹模（型腔）以及嵌件和鑲塊等組成。凸模（型芯）形成塑件的內表面形狀，凹模（型腔）形成塑件的外表面形狀。閉模后凸模和凹模便構成了模腔。

2. 澆注系統 模具從注射機噴嘴到模腔之間的部分，稱為澆注系統，是塑料熔體在進入模腔之前所經過的通道，澆注系統由主流道、分流道、澆口、冷料穴等組成。

3. 頂出機構 頂出機構是指在塑料制件成型及模具分型之后，將塑料制品從模具中頂出的裝置。頂出機構由推桿、復位桿、推桿固定板、推板、主流道拉料桿等組成。在帶有導向裝置的頂出機構中，還有推板導柱和推板導套等裝置。

4. 導向機構 導向機構按照位置可以分為動模與定模之間的導向和頂出機構的導向。通常在動模和定模部分采用導柱和導套，以確保動模與定模的正確導向和定位。在精度要求較高的模具中，必要時還可以在模具上設置內外錐面導向，以此作為模具的精定位。而頂出機構的導向通常由推板導柱和推板導套所組成。

5. 側向分型與抽芯機構 當塑件上存在側向凹凸形狀或側孔及凸臺時，就需要有側向的凸模或成型塊來成型。在塑件被推出之前，必須先抽出側向成型部分，然后才能夠順利脫模。

6. 溫度調節系統 為了滿足注射工藝對模具溫度的要求，必須對模具的溫度進行控制，所以模具常設有冷卻或加熱的溫度調節系統，冷卻系統一般在模具上開設冷卻水道，加熱系統則在模具內部或四周安裝加熱元件。

二、熱塑性塑料注射成型模具的特征

（一）成型部分

1. 分型面 根據模具用途的不同，有些模具只有一個分型面，有些模具則具有多個分型面。脫模時取出塑件的那個分型面稱為主分型面。根據分型面形狀的不同可分為平直分型面、傾斜分型面、階梯分型面、曲面分型面和瓣合分型面等，如圖3-1所示。

分型面一般選在塑料制品外形最大處，以保證制品在成型之后能脫出。

2. 型腔分布 在多型腔模具中，由于型腔的排布與澆注系統有密切的關系，型腔的排布應該使每個型腔都能通過澆注系統，從總壓力中均等地分得所需的壓力，以保證塑料熔體能同時均勻地充填每一個型腔，從而使每個型腔的制件質量均一穩定。

型腔的分布分為平衡式布置和非平衡式布置，如圖3-2所示。平衡式布置的特點是，從主流道到各型腔澆口的分流道長度均相同，可實現各型腔均勻進料和達到同時充滿型腔的目的。而非平衡式型腔分布，雖然不利于均衡進料，但可以明顯縮短分流道的長度，節約制品的原材料。

（二）澆注系統

1. 主流道 主流道是從注射機噴嘴與模具澆口套接觸處到分流道為止的一段流動通道，如圖3-3所示。主流道是連接注射機噴嘴與模具的橋梁。

一般來說，對于使用流動性較好的塑料或制品較小時，主流道設計得比較小一些；而使用流動性較差的塑料或制品較大時，主流道應設計得大一些。為便于冷凝料順利地從模具澆口套中脫出，主流道應為圓錐形，錐角為2°～6°，表面粗糙度Ra為0.8μm，如圖3-4所示。

主流道大端出口處在對準分流道的部位應有圓角（見圖3-5），使塑料在流動過程中容易改變方向，減少流動轉向時的阻力，主流道的設計尺寸要求如圖3-4所示。

主流道長度應盡量短，原因在于這樣做可節約塑料；壓降損失小；料溫下降少。

主流道注入處的R₁應大于噴嘴的前端R₂，R₁=R₂+（2～4）mm（見圖3-6）。

主流道小端孔徑應大于噴嘴前端孔徑，D₁=D₂+（0.5～1）mm（見圖3-7）。

澆口套和定位圈的連接形式如圖3-8所示。

圖3-8a為常用形式；圖3-8b可用于大型模具。定位圈A面與定模板A面平齊，并與注射機固定模板貼實，有效地防止澆口套后退。圖3-8c可減少主流道的長度，節省塑料原料，減少回料。如果分流道有方向性時可用銷釘定位。圖3-8d形式，如果澆口套與定模板配合不當可后退，因此盡量不采用。圖3-8e為定位圈直徑較小時，可和澆口套做成一體的形式。

2. 分流道 在多型腔模具中，必須開設分流道，分流道是主流道末端與澆口之間的一段塑料熔體的流動通道。分流道開設在分型面的兩側或任意一側，它的截面形狀應該盡量使其比表面積（流道表面積與其體積之比）小，以減少熱量的損失。通常的分流道截面形狀有圓形、梯形、U形、半圓形及矩形等幾種形式（見圖3-9）。這其中圓形的比表面最小，隨著制造技術手段的提升與制造精度的提高，當前已經克服了以往分型面兩側形狀不能對中吻合的弊端。因而，這種形式的分流道模具開始越來越廣泛的使用。梯形截面分流道和U形截面分流道，加工制造較為容易，熱量損失少，使用也較為廣泛。半圓形分流道以及矩形分流道，熱量損失和流動阻力都比較大，通常不采用。

3. 澆口 澆口也稱進料口，是連接分流道與型腔的熔體通道。除直接澆口外，澆口一般是整個澆注系統中截面尺寸最小的部位，它通過截面積的突然變化，提高料流的速度，降低粘度，從而迅速均勻地充滿型腔。對于非平衡式布置的型腔，還可以通過改變澆口的截面尺寸，來達到各個型腔均衡進料的目的。

常用的澆口形式有以下幾種：

（1）直接澆口。直接澆口又稱主流道澆口，塑料熔體由主流道的大端直接進入型腔，因而具有流動阻力小、流動路程短及補縮時間長等特點，如圖3-10所示。由于注射壓力直接作用在塑件上，故容易在進料處產生較大的殘留應力而導致塑件變形。這種形式的澆口截面大，去除澆口較困難，去除后會留有較大的澆口痕跡，影響塑件的美觀。這類澆口大多用于注射成型大中型、長流程、深型腔、筒形或殼形塑件，尤其適合于單型腔模具。

（2）中心澆口。當筒類或殼類塑件的底部中心或接近于中心部位有通孔時，內澆口就開設在該孔口處，同時中心設置分流錐，這種類型的澆口稱中心澆口，如圖3-11所示。中心澆口實際上是直接澆口的一種特殊形式，它具有直接澆口的一系列優點，而又克服了易產生縮孔、變形等缺陷。

（3）側澆口。側澆口一般開設在分型面上，塑料熔體從內側或外側充填模具型腔，其截面形狀多為矩形，改變澆口的寬度與厚度可以調節熔體的剪切速率及澆口的凍結時間，如圖3-12所示。它是應用較廣泛的一種澆口形式，普遍用于中小塑件的多型腔模具。

（4）扇形澆口與平縫式澆口。扇形澆口是一種沿澆口方向寬度逐漸增加，厚度逐漸減小的呈扇形的側澆口，常用于扁平而較薄的制品，如蓋板、標卡和托盤類等，如圖3-13a所示。采用扇形澆口，使塑料熔體在寬度方向上的流動得到更均勻的分配，制品內應力因之較小，還可避免流紋及取向應力所帶來的不良影響，減少帶入空氣的可能性，但澆口痕跡較明顯。

平縫式澆口的寬度很大，厚度很小，幾何上成為一條窄縫，與特別開設的平行流道相連，如圖3-13b所示。它使塑料通過平行流道與窄縫澆口得到均勻分配，以較低的線速度均勻地流入型腔，從而降低了制品的內應力，減少了取向而造成的翹曲變形。

（5）點澆口。點澆口用于三板式模具，其三種形式如圖3-14所示。它的優點：提高熔料的剪切速率，降低表觀粘度，因此易充模；熔料流經點澆口時，因高速摩擦生熱，使料溫升高，粘度再次下降，流動性再次提高；能正確控制料縮時間，利于降低澆口附近的殘留應力，因而提高了塑件的質量；縮短成型周期，提高產能；開模時，澆注系統凝料能自行切斷和脫落，可實現自動化生產。

點澆口必須采用雙分型面模具結構，不適合高粘度和對剪切速率不敏感的塑料，厚壁塑件也不合適用點澆口，成型時需較高注射壓力。

（6）潛伏澆口。潛伏澆口也稱剪切澆口和隧道澆口，是點澆口的變異形式，如圖3-15所示。

它的優點：具備點澆口的一切優點；模具結構簡單，用兩板模即可；澆口潛入分型面一側，沿斜向進入型腔，開模時能自動剪斷澆口凝料；澆口位置可設在塑件側面、端面或背面的隱蔽處，使塑件表面無澆口痕跡。

（三）側向分型抽芯機構

1. 手動側向分型抽芯機構 在推出塑件前或脫模后，用手工方法或手工工具，將活動的型芯或側向成型鑲塊取出。手動抽芯機構的結構簡單，但勞動強度大，生產效率低，僅適用于小型制品的小批量生產。

2. 機動側向分型抽芯機構 機動側向分型抽芯是利用注射機的開模力，通過傳動機構改變運動方向，將側向的活動型芯抽出。機動抽芯機構的結構比較復雜，但抽芯不需人工操作，抽拔力較大，具有靈活、方便、生產效率高、容易實現全自動操作、無需另外添置設備等優點，在生產中被廣泛采用。

機動抽芯按結構形式可以分為斜銷、彈簧、彎銷、斜導槽、斜滑塊、楔塊、齒輪齒條等多種抽芯形式。在這里僅介紹目前適用最為廣泛的幾種形式。

（1）斜導柱側向分型抽芯機構。斜導柱側向分型抽芯機構是在開模力或推出力的作用下，斜導柱驅動側型芯或側向成型塊完成側向分型與抽芯動作。由于斜導柱側向分型抽芯機構結構緊湊、動作可靠、制造方便，因此這類機構應用最為廣泛。由于受到模具結構和抽芯力的限制，該機構一般用于抽拔力不大且抽芯距小于60mm的場合。

常用的斜導柱側向分型抽芯機構如圖3-16～圖3-18所示。

（2）斜滑塊側向分型抽芯結構。若塑件的側凹較淺，所需抽芯距不大，但側凹的成型面積較大，因而需要較大的抽芯力時；或者由于模具結構的限制，不適宜采用其他側抽芯形式時，則可采用斜滑塊側向分型抽芯機構。斜滑塊側向分型抽芯機構利用模具推出機構的推出力驅動斜滑塊斜向運動，在塑件被推出脫模的同時，由斜滑塊完成側向分型抽芯動作。

圖3-19所示為一種典型的斜滑塊側向分型抽芯機構模具。

（3）液壓或氣動側向分型抽芯機構如圖3-20所示。當塑件上的側向有較深的孔時，側向分型可以依靠液壓傳動或氣壓傳動的機構抽出。由于一般注射機沒有抽芯液壓缸或氣缸，因此需要另行設計液壓或氣壓傳動機構及抽芯系統。液壓傳動比氣壓傳動平穩，且可得到較大的抽拔力和較長的抽芯距離，但由于模具結構和體積的限制，液壓缸的尺寸往往不能太大。與機動抽芯不同，液壓或氣壓抽芯是通過一套專用的控制系統來控制活塞的運動實現的，其抽芯動作可不受開模時間和推出時間的影響。

三、熱固性塑料注射成型模具

熱固性塑料注射成型模具，其結構與熱塑性塑料注射成型模具結構類似。圖3-21所示為典型的熱固性塑料注射成型模具。

熱固性塑料成型模具，一般包括成型部分、澆注系統、導向裝置、頂出機構、加熱裝置等。

（一）熱固性塑料成型模具的特點

熱固性塑料成型模具雖然與熱塑性塑料成型模具有類似的機構，但由于這兩類塑料熔體在模具內的流動行為有較大的差別，使熱固性塑料模具具有不同的特點。

（1）熱固性塑料需要在成型模具內完成預塑化料的固化反應，并產生縮合水和低分子揮發物，其模具需要設置加熱裝置和良好的排氣系統。

（2）熱固性塑料熔體在固化之前，其熔體粘度比熱塑性塑料熔體粘度低，更容易在模具分型面、成型零部件等處溢出，產生飛邊。因此，要求模具各零部件有更高的精度和更小的縫隙。

（3）熱固性塑料熔體充模時，模壁溫度高于熔體溫度，熔體不會產生凍結層，而且近模壁處的熔體流速高，速度梯度大，對模具成型表面形成較嚴重的磨蝕磨損。因此，對模具材料有特別要求。

（4）熱固性塑料成型后硬而脆，制品收縮率小，脫模時易滯留在型腔的一側。因此，要求型腔有較大的脫模斜度和適宜的頂出裝置。

（5）熱固性塑料成型模具的工作溫度高于室溫，由于材料的熱膨脹系數不同，對室溫下的模具裝配間隙提出了更高的要求。

（6）已固化的熱固性塑料不能重復使用，使制品的材料費用升高。采用熱固性塑料的溫（熱）流道注射模等新技術，對降低制品成本有重大意義。

（二）熱固性塑料注射成型模具的結構

1. 成型部分 包括分型面、型腔和排氣槽等。

（1）分型面。熱固性塑料注射成型模具，根據不同的成型制品，可以有一個分型面，也可以有多個分型面。圖3-22所示為一種石棉短纖維填充酚醛塑料的雙分型面注射模具。

熱固性塑料注射成型的注射壓力大，所需的鎖模力大，若模具受力不均，容易產生溢料。因此，應減少分型面的實際接觸面積。同時，分型面應鍍硬鉻，硬度應在40HRC以上，分型面不允許存在凹坑或孔，若有通孔，應鑲填磨平。

（2）型腔。型腔在分型面上的布置應使其投影面積的中心與注射機的閉模中心相重合，若無法重合，也要使兩者偏心距盡可能地小，如圖3-23所示。型腔和型芯都應經過熱處理淬硬，表面硬度為40～57HRC。若熱固性塑料組分中，含有無機礦物或玻璃粉時，表面硬度應為58～62HRC。

（3）成型零件。熱固性塑料熔體，在模具內受熱后粘度下降，受高注射壓力作用常會注入零部件的配合縫隙或鑲塊的拼縫內。因此，在成型零件設計時，與塑料熔體接觸的零部件應盡量采用整體式結構。若模具需要安放嵌件，通常在模外將嵌件置于嵌件桿或嵌件套上，再整體裝進模具內。圖3-24所示為一種嵌件桿的形式。此外，嵌件桿與模具插孔的配合精度要求高（單邊間隙為0.01～0.02mm）。加工時，應先打孔，再磨研成型桿，并拋光鍍鉻，保證多個嵌件桿在同一模內的互換性。

成型零件是在高溫、腐蝕、磨損的工作條件下工作的，除要選擇優質材料外，還要對成型零件表面進行表面處理，表面粗糙度值要小，并拋光，使其表面硬度達53～75HRC，鍍鉻層厚度約0.03～0.08mm。

（4）排氣槽。熱固性塑料在固化交聯時，會排放出大量的氣體，為保證模內能充分排氣，應設計良好的排氣系統。分型面上排氣槽深度為0.03～0.05mm，必要時深度可達0.1～0.3mm，排氣槽寬度約為3～10mm，排氣槽的間隔約25mm，排氣槽允許物料溢出，并與型腔表面有相同的表面粗糙度和硬度。此外，在近澆口的分流道就開始排氣，排氣槽的寬度等于分流道的寬度；在芯柱上也可開設排氣孔；頂桿上也可磨出類似的導氣平面。排氣槽有多種形式，常用的排氣槽如圖3-25所示。

2. 澆注系統 根據熱固性塑料成型的特點，要求塑料熔體在流動過程中受阻力要小，并適當地加溫，以加快熔體進入型腔后的固化速度。

（1）主流道。主流道的斷面面積應小一些，以增加摩擦熱，使流經主流道的熔體升溫，粘度下降，減少澆注系統的“冷料”。一般，角式注射模的主流道采用圓柱形，臥式注射模的主流道采用圓錐形，主流道襯套的凹球面半徑應大于噴嘴球面半徑0.5mm左右，主流道錐角約為2°～4°。

（2）拉料桿。固化后的熱固性塑料脆而硬，因此拉料桿（冷料穴）應防止料梗折斷，制品變形。常用的拉料桿有球形頭、乙形頭、薄片頭等幾種，如圖3-26所示。

（3）分流道。為使熱量容易地向分流道內傳遞，要求分流道的比表面積取大值。分流道斷面面積與熔體流動性、熔體溫度、分流道的長度、流經分流道的熔體量有關。分流道截面的設計，大多采用梯形和半圓形。

分流道的分布通常采用平衡式排布。分流道長度應盡量短。主流道與分流道及各分流道的轉向處，應取較大的轉角半徑。分流道的表面粗糙度Ra 在0.4μm以下，且表面應鍍鉻。

（4）澆口。固化的熱固性塑料較脆，凝料容易去除，澆口長度可適當大一些。為防止熔體升溫過快，粘度上升，造成充模困難，澆口可適當大一些。常用的澆口形式如圖3-27所示。

由于熱固性塑料熔體對澆口的磨損較大，澆口除選用耐熱耐磨的鋼材或硬質合金制造并鍍鉻外，澆口部位最好做成可更換鑲塊。以便在大批量生產時，可更換澆口，延長模具的壽命。

3. 頂出機構 熱塑性塑料成型模具中采用的各種頂出（推出）機構，在熱固性塑料注射模具中同樣適用。不過，在熱固性塑料注射充模過程中，由于注射壓力大，熔體粘度小，熔體容易注入0.02mm以上單邊間隙內，形成飛邊，使制品脫模困難，故熱固性塑料注射模具為提高模具分型面閉模后的接觸精度，盡量不采用推件或推件板的形式，而采用推桿形式。若要使用推板，則脫模行程要增大到足以使推板脫出型芯。

圖3-28所示為一種熱固性注塑模推桿形式。推桿的單邊間隙在0.02mm以下（若間隙小于0.005mm時，常溫下裝配的模具，在工作溫度下容易膨脹咬緊），推桿在推出位置時，幼模底部與推桿三棱段留足位置A，供飛邊屑從槽中脫落。

4. 加熱裝置 熱固性塑料注射模具的動模和定模，分別設置了加熱元件和測溫熱電偶，獨立地控制模具溫度，使成型表面溫差在±2.5℃之內。加熱元件主要是電熱棒、電熱板。熱固性塑料注射模也可采用過熱水蒸氣或熱油循環加熱。方法是在不同模板上鉆一些長孔并使其合理分布，以獲得均勻的熱分布。

為防止模具向注射機兩塊模板傳熱，需分別設置絕熱墊層。絕熱層一般為石棉水泥板、環氧玻璃鋼板等，一般安置在動模支承板和熱鐵板之間，并加設定位套筒。