1.1 塑模設計簡介

本節描述了塑料模具設計的基本知識，包括注塑（也稱注射）成型工藝、注塑成型件的結構工藝性、注塑模具的基本結構，以及模具設計的流程過程。

1.1.1 注射成型工藝

注射成型又稱注射模具，是熱塑性塑料制件的一種主要成型方法。除個別熱塑性塑料外，幾乎所有的熱塑性塑料都可用此方法成型。近年來，注射成型已成功地用來成型某些熱固性塑料制件。

注射成型可成型各種形狀的塑料制件，它的特點是成型周期短，能一次成型外形復雜、尺寸精密、帶有嵌件的塑料制件，且生產效率高，易于實現自動化生產，所以被廣泛用于塑料制件的生產中，但注射成型的設備及模具制造費用較高，不適合單件及批量較小的塑料制件的生產。

注射成型所用的設備是注射機。目前注射機的種類很多，但普遍采用的是柱塞式注射機和螺桿式注射機。注射成型所使用的模具即為注射模（也稱注塑模）。如圖1-1所示為注射成型工作循環。

1.注射成型工藝原理

注射成型的原理是將顆?；蚍蹱钏芰蠌淖⑸錂C的料斗送進加熱的料筒中，經過加熱熔化成為黏流態熔體，在注射機柱塞或螺桿的高壓推動下，以很大的流速通過噴嘴注入模具型腔，經一定時間的保壓、冷卻、定型后，可保持模具型腔所賦予的形狀，然后開模分型獲得成型塑件。這樣就完成了一次注射工作循環，如圖1-2所示。

2.注射成型過程

注射過程一般包括：加料、塑化、充模、保壓補縮、倒流、冷卻和脫模等。

（1）加料：將粒狀或粉狀塑料原料加入到注射機料斗中，并由柱塞或螺桿帶入料筒。

（2）塑化：加入的塑料在料筒中經過加熱、壓實和混料等過程，使其由松散的原料轉變成熔融狀態，并具有良好的可塑性。

（3）充模：塑化好的熔體被柱塞或螺桿推擠至料筒前端，經過噴嘴、模具澆注系統進入并充滿模具型腔。

（4）保壓補縮：這一過程從塑料熔體充滿型腔時起，至柱塞或螺桿退回時為止。在該段時間里，模具中的熔體冷卻收縮，柱塞或螺桿迫使料筒中的熔料不斷補充到模具中，以補充因收縮而出現的空隙，保持模具型腔內的熔體壓力仍為最大值。該過程對于提高塑件密度，保證塑件形狀完整、質地致密，克服表面缺陷有重要意義。

（5）倒流：保壓后，柱塞或螺桿后退，型腔中壓力解除，這時型腔中的熔料的壓力將比澆口前方的高，如果澆口尚未凍結，型腔中的熔料就會通過澆口流向澆注系統，這一過程稱為倒流。倒流使塑件產生收縮、變形及質地疏松等缺陷。如果保壓結束時澆口已經凍結，就不會存在倒流現象。

（6）冷卻：塑件在模具內的冷卻過程是指從澆口處的塑料熔體完全凍結時起，到塑件將從模具型腔內推出為止的全部過程。實際上冷卻過程從塑料注入型腔時就開始了，它包括從充模完成（保壓開始）到脫模前的這一段時間。

（7）脫模：塑件冷卻到一定的溫度即可開模，在推出機構的作用下將塑件推出模外。

1.1.2 塑件結構工藝性

塑件設計不僅要考慮使用要求，而且要考慮塑料的結構工藝性，盡可能使模具結構簡化。因為這樣不但可以使成型工藝穩定，保證塑件的質量，還可使生產成本降低。在進行塑件結構設計時，可考慮如下設計原則：

（1）在保證塑件的使用性能、物理化學性能、電性能和耐熱性能的前提下，盡量選用價格低廉和成型性好的塑料，并力求結構簡單、壁厚均勻和成型方便；

（2）在設計塑件結構時應考慮模具結構，使模具型腔易于制造，模具抽芯和推出機構簡單；

（3）設計塑件應考慮原料的成型工藝性，塑件形狀應有利于分型、排氣、補縮和冷卻。

塑件的內外表面形狀應在滿足使用要求的情況下盡可能易于成型。由于側抽芯和瓣合模不僅會使模具結構復雜、制造成本提高，還會在分型面上留下飛邊，增加塑件的修整量。因此，塑件設計時可適當改變塑件的結構，盡可能避免側孔與側凹，以簡化模具的結構。

當塑件內的側凹較淺并允許帶有圓角時，可以用整體凸模采取強制脫模的方法使塑件從凸模上脫下。但此時塑件在脫模溫度下應具有足夠的彈性，以使塑件在強制脫下時不會變形，如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等就能適應這種情況。塑件外側凹凸也可以強制脫模。但是，多數情況下塑件的側向凹凸不可以強制脫模，此時應采用側向分型抽芯結構的模具。

1.1.3 注塑模具結構

注射模的分類方法很多，按加工塑料的品種可分為熱塑性塑料注射模和熱固性塑料注射模；按注射機類型可分為臥式、立式和角式注射機用注射模；按型腔數目可分為單型腔注射模和多型腔注射模；通常是按注射模的總體結構特征來分，如下所述。

（1）單分型面注射模：只有一個分型面，也叫兩板式注射模。

（2）雙分型面注射模：與單分型面注射模相比，增加了一個用于取澆注系統凝料的分型面。

（3）斜導柱側向分型與抽芯注射模：當塑件上帶有側孔或側凹時，在模具中要設置由斜導柱或斜滑塊等組成的側向分型抽芯機構，使側型芯作橫向運動。

（4）帶有活動成型零部件的注射模：在脫模時可與塑件一起移出模外，然后與塑件分離。

（5）自動卸螺紋注射：在動模上設置能夠轉動的螺紋型芯或螺紋型環，利用開模動作或注射機的旋轉機構，又或設置專門的傳動裝置，帶動螺紋型芯或螺紋型環轉動，從而脫出塑件。

（6）熱流道注射模：利用加熱或絕熱的辦法使澆注系統中的塑料始終保持熔融狀態，在每次開模時，只需取出塑件即可。

1.單分型面注射模的組成

如圖1-3所示，根據注射模各個零部件所起的作用，可將該注射模分為如下幾個部分。

1）成型零部件

模具中用于成型塑料制件的空腔部分稱為模腔。構成塑料模具模腔的零件統稱為成型零部件。由于模腔是直接成型塑料制件的部分，因此模腔的形狀應與塑件的形狀一致，模腔一般是由型腔零件、型芯組成的。如圖1-3所示的模具型腔是由型腔（定模板）、型芯、動模板和推桿組成的。

● 定模板（零件2）的作用是開設型腔，成型塑件外形。

● 型芯（零件7）的作用是用來成型塑件的內表面。

● 動模板（零件1）的作用是固定型芯和組成模腔。

● 推桿（零件18）的作用是開模時推出塑件。

2）澆注系統

將塑料由注射機噴嘴引向型腔的流道稱為澆注系統，澆注系統分主流道、分流道、澆口和冷料穴4個部分。如圖1-3所示的模具澆注系統是由澆口套、拉料桿和定模板上的流道組成的。

● 澆口套（零件6）的作用是形成澆注系統的主流道。

● 拉料桿（零件15）的前端作為冷料穴，開模時拉料桿將主流道凝料從澆口套中拉出。

3）導向機構

為確保動模與定模合模時準確對正而設置導向零件，通常有導向柱、導向孔或在動模板和定模上分別設置互相吻合的內外錐面。如圖1-3所示，模具導向系統由導柱和導套組成。

● 導柱（零件8）的作用是合模時與導套配合，為動模部分和定模部分導向。

● 導套（零件9）的作用是合模時與導柱配合，為動模部分和定模部分導向。

4）推出裝置

推出裝置是在開模過程中，將塑件從模具中推出的裝置。有的注射模具的推出裝置為避免在頂出過程中推出板歪斜，還設有導向零件，使推板保持水平運動。如圖1-3所示的模具推出裝置由推桿、推板、推桿固定板、復位桿、主流道拉料桿、支撐釘、推板導柱和推板導套組成。

● 推桿（零件18）的作用是開模時推出塑件。

● 推板（零件13）的作用是注射機頂桿推動推板，推板帶動推桿推出塑件。

● 推桿固定板（零件14）的作用是固定推桿。

● 復位桿（零件19）的作用是合模時，帶動推出系統后移，使推出系統恢復原始位置。

● 支撐釘（零件12）的作用是使推板與動模座板間形成間隙，以保證平面度，并有利于廢料、雜物的去除。

● 推板導套（零件17）的作用是與推板導柱配合，為推出系統導向，使其平穩推出塑件，同時起到保護推桿的作用。

5）溫度調節和排氣系統

為了滿足注射工藝對模具溫度的要求，模具設有冷卻或加熱系統。冷卻系統一般為在模具內開設的冷卻水道，加熱系統則為模具內部或周圍安裝的加熱元件，如電加熱元件。如圖1-3所示的模具冷卻系統由冷卻水道和水嘴組成。

在注射成型過程中，為了將型腔內的氣體排出模外，常常需要開設排氣系統。常在分型面處開設排氣槽，也可以利用推桿或型芯與模具的配合間隙實現排氣。

6）結構零部件

用來安裝、固定或支撐成型零部件及前述的各部分機構的零部件。支撐零部件組裝在一起，可以構成注射模具的基本框架。如圖1-3所示的模具結構零部件由定模座板、動模座板、墊板和支撐板組成。

● 定模座板（零件4）的作用是將定模座板和連接于定模座板的其他定模部分安裝在注射機的定模板上，定模座板比其他模板寬25～30mm，便于用壓板或螺栓固定。

● 動模座板（零件10）的作用是將動模座板和連接于動模座板的其他動模部分安裝在注射機的動模板上。動模座板比其他模板寬25～30mm，便于用壓板或螺栓固定。

● 墊板（零件20）的作用是調節模具閉合高度，形成推出機構所需的推出空間。

● 支撐板（零件11）的作用是注射時用來承受型芯傳遞過來的注射壓力。

2.單分型面注射模的工作過程

單分型面注射模的一般工作過程為：模具閉合→模具鎖緊→注射→保壓→補縮→冷卻→開?！瞥鏊芗?。下面以圖1-3為例來講解單分型面注射模的工作過程。

在導柱和導套的導向定位下，動模和定模閉合。型腔零件由定模板、動模板和型芯組成，并由注射機合模系統提供的鎖模力鎖緊。然后注射機開始注射，塑料熔體經定模上的澆注系統進入型腔，待熔體充滿型腔并經過保壓、補縮和冷卻定型后開模。開模時，注射機合模系統帶動動模后退，模具從動模和定模分型面分開，塑件包在型芯上隨動模一起后退，同時，拉料桿將澆注系統的主流道凝料從澆口套中拉出。當動模移動一定距離后，注射機的推出機構開始動作，使推桿和拉料桿分別將塑件及澆注系統凝料從型芯和冷料穴中推出，塑件與澆注系統凝料一起從模具中落下，至此完成一次注射過程。合模時，推出機構靠復位桿復位，并準備下一次注射。

1.1.4 注射模具設計步驟

SolidWorks/IMOLD協助我們完成的是注射模具的結構設計過程，是整個注射模具設計過程的一個重要組成部分。

1.設計前的準備工作

模具的設計者應以設計任務書為依據設計模具，模具設計任務書通常由塑料制品生產部門提出，任務書包括如下內容。

（1）經過審簽的正規塑件圖紙，并注明所采用的塑料牌號、透明度等。若塑件圖紙是根據樣品測繪的，最好能附上樣品。因為樣品除了比圖紙更為形象和直觀外，還能給模具設計者許多有價值的信息，如樣品所采用的澆口位置、頂出位置、分型面等。

（2）塑件說明書及技術要求。

（3）塑件的生產數量及所用注射機。

（4）注射模的基本結構、交貨期及價格。

明確需求后，在模具設計之前，設計者應注意以下幾點。

1）熟悉塑件

● 熟悉塑件的幾何形狀：對于沒有樣品的復雜塑件圖紙，要借助于徒手畫軸側圖或計算機建模方法，在頭腦中建立清晰的塑件三維圖像，甚至可以用橡皮泥等材料制出塑件的模型，以熟悉塑件的幾何形狀。

● 明確塑件的使用要求：塑件的幾何形狀完全熟悉后，塑件的用途及各部分的作用也是相當重要的，應當密切關注塑件的使用要求。注意為了滿足使用要求而設計的塑件尺寸公差和技術要求。

● 注意塑件的原料：塑料具有不同的物理化學性能、工藝特性和成型性能，應注意塑件的塑料原料，并明確所選塑料的各種性能，如材料的收縮率、流動性、結晶性、吸濕性、熱敏性和水敏性等。

2）檢查塑件的成型工藝性

檢查塑件成型工藝性，以確認塑件的材料、結構和尺寸精度等方面是否符合注射成型的工藝性條件。

3）明確注射機的型號和規格

在設計前要根據產品和工廠的情況，確定采用什么型號和規格的注射機，這樣在模具設計中才能有的放矢，正確處理好注射模和注射機的關系。

2.制定成型工藝卡

將準備工作完成后，就應制定出塑件的成型工藝卡。尤其對于批量大的塑件或形狀復雜的大型模具，更有必要制定詳細的注射成型工藝卡，以指導模具設計工作和實際的注射成型加工。

工藝卡一般應包括以下內容。

（1）產品的概況，包括簡圖、質量、壁厚、投影面積、外形尺寸、有無側凹和嵌件等。

（2）產品所用的塑料概況，如品名、生產廠家、顏色、干燥情況等。

（3）所選的注射機的主要技術參數，如注射機可安裝的模具最大尺寸、螺桿類型、額定功率等。

（4）壓力與行程簡圖。

（5）注射成型條件，包括加料筒各段溫度、注射溫度、模具溫度、冷卻介質溫度、鎖模力、螺桿背壓、注射壓力、注射速度和循環周期（注射、固化、冷卻、開模時間）等。

3.注射模具結構設計步驟

制定出塑件的成型工藝卡后，就應進行注射模具結構設計，其步驟如下。

1）確定型腔數目

確定型腔數目的條件有最大注射量、鎖模力、產品的精度要求和經濟性等。

2）選擇分型面

分型面的選擇應以模具結構簡單、分型容易，且不破壞已成型的塑件為原則。

3）確定型腔的布置方案

型腔的布置應采用平衡式排列，以保證各型腔平衡進料。型腔的布置還要注意與冷卻管道、推桿布置的協調問題。

4）確定澆注系統

澆注系統包括主流道、分流道、澆口和冷料穴。澆注系統的設計應根據模具的類型、型腔的數目、布置方式、塑件的原料及尺寸等確定。

5）確定脫模方式

脫模方式的設計應根據塑件留在模具的部分確定。由于注射機的推出頂桿在動模部分，所以，脫模推出機構一般都設計在模具的動模部分。因此，應設計成使塑件能留在動模部分。設計中，除了將較長的型芯安排在動模部分外，還常設計拉料桿，強制塑件留在動模部分。但也有些塑件的結構要求塑件在分型時，留在定模部分，在定模一側設計推出裝置。推出機構的設計也應根據塑件的不同結構設計出不同的形式，有推桿、推管和推板結構。

6）確定調溫系統結構

模具的調溫系統主要由塑料種類決定。模具的大小、塑件的物理性能、外觀和尺寸精度都對模具的調溫系統有影響。

7）確定凹模和型芯的固定方式

當凹?；蛐托静捎描倝K結構時，應合理地劃分鑲塊并同時考慮鑲塊的強度、可加工性及安裝固定方法。

8）確定排氣尺寸

一般注射模的排氣可以利用模具分型面和推桿與模具的間隙；而對于大型和高速成型的注射模，必須設計相應的排氣裝置。

9）確定注射模的主要尺寸

根據相應的公式，計算成型零件的工作尺寸，決定模具型腔的側壁厚度、動模板的厚度、拼塊式型腔的型腔板的厚度及注射模的閉合高度。

10）選用標準模架

根據設計、計算的注射模的主要尺寸，來選用注射模的標準模架，并盡量選擇標準模具零件。

11）繪制模具的結構草圖

在以上工作的基礎上，繪制注射模的完整的結構草圖，繪制模具結構圖是模具設計中十分重要的工作，其步驟為先畫俯視圖（順序為畫模架、型腔、冷卻管道、支撐柱、推出機構），再畫出主視圖。

12）校核模具與注射機有關尺寸

對所使用的注射機的參數進行校核，包括最大注射量、注射壓力、鎖模力及模具的安裝部分的尺寸、開模行程和推出機構的校核。

13）注射模結構設計的審查

對根據上述有關注射模結構設計的各項要求設計出來的注射模，應進行注射模結構設計的初步審查，并征得用戶的同意。同時，也有必要對用戶提出的要求加以確認和修改。

14）繪制模具的裝配圖

裝配圖是模具裝配的主要依據，因此應清楚地表明注射模的各個零件的裝配關系、必要的尺寸（如外形尺寸、定位圈直徑、安裝尺寸、活動零件的極限尺寸等）、序號、明細表、標題欄及技術要求。技術要求的內容為以下幾項：

● 對模具結構的性能要求，如對推出機構、抽芯結構的裝配要求。

● 對模具裝配工藝的要求，如分型面的貼合間隙、模具上下面的平行度。

● 模具的使用要求。

● 防氧化處理、模具編號、刻字、油封及保管等要求。

● 有關試模及檢驗方面的要求。

如果凹模或型芯的鑲塊太多，可以繪制動模或定模的部件圖，并在部件圖的基礎上繪制裝配圖。

15）繪制模具零件圖

由模具裝配圖或部件圖拆繪零件圖的順序為：先內后外，先復雜后簡單，先成型零件后結構零件。

16）復核設計樣圖

注射模設計的最后審核是注射模設計的最后把關，應多關注零件的加工、性能。

4.注射模具的審核

由于注射模具設計直接關系到能否成型、產品的質量、生產周期及成本等許多至關重要的問題，因此，當設計完成后，應該進行審核，審核的內容如下。

1）基本結構方面

● 注射模的機構和基本參數是否與注射機匹配。

● 注射模是否具有合模導向機構，機構設計是否合理。

● 分型面選擇是否合理，有無產生飛邊的可能。塑件是否滯留在設有頂出脫模機構的動模（或定模）一側。

● 型腔的布置與澆注系統的設計是否合理。澆口是否與塑料原料相適應，澆口位置是否恰當，澆口與流道幾何形狀及尺寸是否合適，流動比數值是否合理。

● 成型零部件設計是否合理。

● 頂出脫模機構與側向分型或抽芯機構是否合理、安全、可靠。它們之間或它們與其他模具零部件之間有無干涉或碰撞的可能。

● 是否有排氣機構，如果需要，其形式是否合理。

● 是否需要溫度調節系統，如果需要，其熱源和冷卻方式是否合理。溫控元件是否足夠，精度等級如何，壽命長短如何，加熱和冷卻介質的循環回路是否合理。

● 支撐零部件結構是否合理。

● 外形尺寸能否保證安裝，固定方式選擇得是否合理可靠。安裝用的螺栓孔是否與注射機動、定模固定板上的螺孔位置一致。

2）設計圖紙方面

● 裝配圖：零部件的裝配關系是否明確，代號標注得是否恰當合理。零件的標注是否齊全，與明細表中的序號是否對應，必要的說明是否具有明確的標記，整個注射模的標準化程度如何。

● 零件圖：零件號、名稱、加工數量是否有確切的標注，尺寸公差和形位公差標注是否合理齊全。成型零件容易磨損的部位是否預留了修磨量。哪些零件具有超高精度要求，這種要求是否合理。各個零件的材料選擇是否恰當，熱處理要求和表面粗糙度要求是否合理。

● 制圖方法：制圖方法是否正確，是否合乎國家有關標準，圖面表達的幾何圖形與技術要求是否容易理解。

3）注射模設計質量

● 設計注射模時，是否正確地考慮了塑料原料的工藝特性、成型性能，以及注射機類型可能對成型質量產生的影響。對成型過程中可能產生的缺陷是否在注射模設計時采取了相應的預防措施。

● 是否考慮了塑件對注射模導向精度的要求，導向結構設計得是否合理。

● 成型零部件的工作尺寸計算是否正確，能否保證產品的精度，其本身是否有足夠的強度和剛度。

● 支撐零部件能否保證模具具有足夠的整體強度和剛度。

● 注射模設計時，是否考慮了試模和修模要求。

4）拆裝及搬運條件方面

有無便于拆裝時用的撬糟、裝拆孔、牽引螺釘和起吊裝置（如供搬運用的吊環或起重螺栓孔等），對其是否作出了標記。