4.1 注射模具的结构

注射成型模具是用闭合和开启的型腔，成型一定形状和尺寸塑料制品的工具。本节介绍单分型面、双分型面和侧向分型抽芯三种典型的注射模结构。

4.1.1 注射模具的结构组成和分类

1.注射模的结构组成

凡是注射模，均可分为动模和定模两大部件。注射充模时，动模与定模闭合，构成型腔和浇注系统；开模时，动模与定模分离，取出制件。定模安装在注射机的固定板上；动模则安装在注射机的移动模板上。

图4-1为典型的单分型面注射模。根据模具上各个零部件的不同功能，可由以下七个系统机构组成。

图4-1 单分型面注射模

a）闭合充模 b）开模取件

1—定位环 2—主流道衬套 3—凹模 4—型芯 5—顶杆 6—拉料杆 7—顶出固定板 8—顶出板 9—动模座 10—回程杆 11—动模垫板 12—动模板 13—导柱 14—导套 15—冷却水管道 16—定模板 17—定模安装板

（1）成型零件 指构成型腔，直接与熔体相接触并成型塑料制件的零件。通常有凸模、型芯、成型杆、凹模、成型环、镶件等零件。在动模和定模闭合后，成型零件确定了注塑件的内部和外部轮廓和尺寸。图4-1所示模具的型腔是由凹模3、型芯4和动模板12构成的。

（2）浇注系统 将塑料熔体由注射机喷嘴引向型腔的流道称为浇注系统，由主流道、分流道、浇口和冷料井组成。图4-2为单分型面注射模上的浇注系统。

（3）导向与定位机构 为确保动模和定模闭合时，能准确导向和定位对中，通常分别在动模和定模上设置导柱和导套。深腔注射模还必须在主分型面上设有锥面定位。有时为保证脱模机构的准确运动和复位，顶出固定板7和顶出板8也设置导向零件。

（4）脱模机构 是指在开模过程的后期，将注塑件从模具中脱出的机构。图4-1中脱模机构由顶杆5、拉料杆6、顶出固定板7、顶出板8及回程杆10组成。

（5）侧向分型抽芯机构 带有侧凹或侧孔的注塑件，在被脱出模具之前，必须先进行侧向分型或拔出侧向凸模或抽出侧型芯。

（6）温度调节系统 为了满足注射工艺对模具温度的要求，模具设有冷却或加热的温度调节系统。模具冷却，一般在模板内开设冷却水道；加热则在模具内或周边安装电加热元件。有的注射模须配备模具温度自动调节装置。

（7）排气系统 为了在注射充模过程中将型腔内原有气体排出，常在分型面处开设排气槽。小型腔的排气量不大，可直接利用分型面排气，也可利用模具的顶杆或型芯与配合孔之间间隙排气。大型注射模必须设置专用排气槽。

图4-2 单分型面注射模的浇注系统

1—主流道 2—分流道 3—矩形浇口 4—冷料井

单分型面注射模也称两板式注射模，见图4-1。单分型面注射模的主流道设在定模一侧，分流道设在分型面上，开模后制件连同流道凝料一起留在动模一侧。动模上的脱模机构顶出制件和流道凝料，在打开的动模和定模之间，取走注塑件和流道凝料。在模具重新闭合时，一般有回程杆10使脱模机构复位。

2.注射模的分类

（1）按塑料品种分类 注射成型最早用于热塑性塑料制品加工，特别是大量地用于工程塑料的成型。目前，热固性塑料和橡胶也已大量应用注射模生产制品。它们需用专门的注射机进行塑化。物料注射至模具后，在较高的温度下进行交联固化定型。低发泡塑料注射成型，是在塑料中加入一定量的发泡剂，在低发泡注射模的型腔内发泡膨胀后固化成型。聚氨酯等几种塑料可用反应注射方法成型。流动性好的反应液在模具内固化迅速。反应注射模是一种成型周期短，生产率高的注射模。共注射模具是以不同塑料或不同着色，分先后二次注射于模具内。注射成型对各种黏流态塑料有良好的适应性。黏流态塑料有不同的流动性，在型腔内的物理和化学固化成型过程也不同。因此，各种物料的注射模的结构各有其特点。

（2）按模具型腔容量分类 一般将模具型腔容积3000cm³以上，模具质量大于2t，需锁模载荷约600t以上的注射模称大型注射模。大型注射模的设计制造难度高，价格昂贵，必须慎重考虑塑料熔体流动性、模具的力学特性和温度调节系统。习惯上，又把模具型腔容积在100cm³以下的注射模划为小型。介于两者之间为中型注射模。

（3）按注射件尺寸精度分类 模塑过程中，注塑件成型收缩率很难稳定地控制。高精度的注塑件生产涉及众多因素，是综合性技术难题。近年来在大批量生产中，电子、电器、仪表、照相机等精密产品里，接插件、齿轮、支架板等塑料零件的精密注射技术有所进展。由此将中小型注射模中，成型精密级注塑件的模具称为精密注射模。这类模具能生产的精密注塑件，尺寸公差应达到SJ/T 10628—1995中的1～2级精度，达到GB/T 14486—2008中的MT2～MT3级精度（大致相当于金属件的公差配合标准GB/T 1800.2-2009中的IT8～9级精度）。精密注射模成型零件的加工精度达到IT6～7级，且型腔表面达到镜面。

（4）按注射模总体结构分类 最常用的分类方法是按注射模总体结构分类。注射模结构取决于注塑件的复杂程度及其浇注系统不同类型，主要有以下七种典型结构。

①单分型面注射模具；

②双分型面注射模具；

③带有活动镶件的注射模具；

④侧向分型抽芯注射模具；

⑤机动卸螺纹注射模具；

⑥热流道注射模具；

⑦叠式注射模具。

（5）按模具成型型腔数目分类 按模具成型型腔数目可分成单型腔和多型腔注射模。对小尺寸大批量生产的注塑件，一模多腔注射成型，成倍地提高生产率，已经实现一次成型32个或64个瓶盖制品注塑。另外，还有一次成型几个不同制品的多型腔注射模。

除上述五种分类方法外，还可按所安装注射机类型分成立式和卧式注射机用的注射模，或角式注射机上用的注射模。

4.1.2 双分型面注射模具

双分型面注射模系泛指浇注系统凝料和制品由不同分型面取出。此类注射模亦称三板式注射模，如图4-3所示。与单分型模具相比，在定模边增加了一块可往复移动的型腔板13。此板也称为型腔中间板或流道板，多用于针点浇口的单型腔或多型腔模具。开模A面分型时，型腔板与定模板作定距分离，供人工取出或自由下落浇注系统凝料；B面分型时，型腔板13与脱模板5相互分离，然后再由脱模机构顶出板9、顶杆11和脱模板5，将注塑件从型芯上脱出。

点浇口是直径1mm左右、长约0.6mm的塑料圆柱。采用点浇口可以把制品和浇注系统的凝料在模内分离。为此应该设计浇注系统凝料的脱出机构，保证将点浇口拉断，还要可靠地将浇注系统凝料从定模板或型腔板上脱离。

此种模具的结构较复杂，模板有顺序动作过程，而且浇注系统凝料较多。如果将流道加热，在定模中设置加热的流道板和顶针浇口的喷嘴，将演变成热流道注射模。

图4-3 双分型面注射模

a）闭合充模 b）开模取出塑件和浇道凝料

1—定距拉板 2—压缩弹簧 3—限位销钉 4—导柱 5—脱模板 6—型芯固定板 7—动模垫板 8—动模座 9—顶出板 10—顶出固定板 11—顶杆 12—导柱 13—型腔板 14—型芯 15—主流道衬套 16—定模板

4.1.3 侧向分型抽芯机构

侧向分型与抽芯机构简称为侧抽机构，用来成型具有外侧凸起、凹槽和孔的注塑件，成型壳体制品内侧的局部凸起、凹槽和盲孔。注射模侧抽机构的运动零件多，动作复杂。本节主要描述斜导柱机械力驱动的侧抽机构。

1.外侧分型

外侧分型注射模是以两个对合滑块，来成型注塑件整个侧向外形，也称瓣合模。图4-4是一组典型的外侧分型注射制品。

图4-4上所示的外形对称的注塑件，侧向分型面必须经过中心线。瓣合模成型的注塑件在外形上会留下拼合缝。因此在模具的使用期内，应保证侧滑块的拼合精度和足够的侧向压力。螺纹管接头制件上明显的拼合缝影响旋合联接功能。对笔套类塑件，唯一可取的侧向分型面必须设在弹性夹头的最高凸起处。

如图4-5所示，斜导柱驱动的侧向分型机构由斜导柱、滑块、导滑槽、定位装置和锁紧楔组成。在动模一侧的成型滑块，装在动模板上的导滑槽内，滑块上的导轨在导滑槽内可精确地往复运动。在定模边固定有与开模方向成倾角α的斜导柱，它与滑块上的斜孔成大间隙动配合。开模时滑块在斜导柱上滑动，由侧向分力驱动滑块进行侧向分型。滑块脱离斜导柱后，定位装置对滑块起定位和固定作用，以使斜导柱在合模时能再次对准插入。在合模中，斜导柱有一与前相反的复位分力，驱使滑块回复。斜导柱不能承受熔体充模时很大的侧压力，故要用锁紧楔紧压滑块于成型位置，保证注塑件的尺寸精度，防止产生溢料。斜导柱与斜孔有较大间隙，在合模时便于插入；在注射时避免与锁紧楔干涉；在开模时让锁紧楔先行脱离与滑块斜面的接触。

图4-4 需外侧分型的注塑件

a）管接头 b）方形骨架 c）螺纹管接头 d）圆筒骨架 e）接头 f）管轴杆 g）蛋杯 h）带轮 i）笔套

图4-5 斜导柱驱动的侧向分型注射模

a）合模状态 b）开模过程 c）开模终止 1—斜导柱 2—侧向成型滑块 3—导滑槽 4—定位装置 5—锁紧楔 6—圆筒骨架注射件 7—动模

在开模时，滑块以速度v沿斜导柱轴线方向运动。它是动模于开模方向的牵连运动v_a，和滑块在动模导滑槽中相对运动v_r的合速度，如图4-5b所示。其v和v_a速度矢量的夹角为斜导柱的安装倾角α，故滑块侧向抽拔速度

v_r=v_a tanα （4-1）

又如图4-5所示，侧滑块的抽拔距是指从成型位置起始，到滑块移至的不妨碍注塑件脱模顶出的位置。临界抽拔距S_c定义为：侧滑块与注塑件外形在模板上的投影不相重合的移动距离。而实际抽拔距S，应计入安全余量和误差补偿量2～3mm。

随着斜导柱安装倾角α增大，抽拔距S增大，但是所需的开模力和斜导柱受到的法向作用力也随之增大，会造成模具无法开启，并存在斜导柱折断的危险；此时抽拔速度过快，还会损伤注塑件。然而，倾角α过小，会使斜导柱机构处于自锁状态而不能开模。所以斜导柱倾角α在12°～25°比较适宜。

斜导柱驱动的侧向分型与抽芯机构由五个零部件所组成。它们是滑块、导滑槽、斜导柱、定位装置和锁紧楔。

（1）滑块和导滑槽 滑块上的成型表面是型腔的组成部分，应该用优质塑料模具钢制成并经抛光。小型滑块可采用整体式；但较大滑块大多用组合式结构。

滑块常用T型槽导向，加工方便且刚性好。构成导滑槽的压板或导轨以采用组合式为佳，这样便于使用高硬度淬火钢。摩擦表面应有40HRC以上的硬度。滑块的导轨和导滑槽应有足够的制造精度，保证滑块在使用期限内运动平稳，无上下窜动和卡滞现象。滑块在抽拔后，滑块外伸于导滑槽外过长，会因自重产生歪斜，影响闭模时斜导柱插入。所以滑块停留在导滑槽内的长度，应大于滑块导轨长度的三分之二。

（2）斜导柱 斜导柱由滑动段和固定段组成，紧固在定模板中。斜导柱安装倾角α和滑动段长度决定了侧向抽拔距。注射机的开模方向行程距离要保证滑块脱离斜导柱。斜导柱用高碳钢淬火保证硬度，并有足够直径保证弯曲强度。

（3）锁紧楔 又称压紧楔。它在注射过程中，使侧滑块将型腔紧密闭合，所以要求有足够的刚性。它可利用定模板直接加工出锁紧楔（例如图4-5注射模上的锁紧楔），称整体式。它能承受较大侧压力，但需要大厚度的定模板，切削耗钢多。如图4_-7注射模上的锁紧楔，镶嵌在定模板中，结构紧凑且牢靠，刚性也好。它应该用淬硬钢制造，但需要较大的定模板面积。装配式的锁紧楔依靠螺钉和定位销固定，螺钉承受很大拉力。其加工和修配容易，但刚性差，易松动。为此，有时采用里外双重锁紧来保证刚性。锁紧楔的许用变形量小于0.05mm。锁紧楔角α′应大于斜导柱的安装倾角α，α′=α+（2°～3°）。以使在开模瞬时，先脱离侧滑块。

（4）定位装置 为保证滑块在抽拔后停留在准确位置上，机构必须有定位装置。该装置如图4-5和图4-7所示，常用挡块、钢珠或球头柱销定位。定位后还需用弹簧或自重来固定滑块。定位表面应有较高的硬度和精度。

2.外侧抽芯和局部型腔成型

图4-6上所示为具有侧面孔、凸起或凹槽的各种塑件。其中a～f注塑件必须从侧向抽出成型型芯。其临界抽拔距S_c等于孔的深度。其侧向抽拔力可用8.3节薄壁或厚壁注塑件脱模力计算式求得。图f注塑件侧面凸起数字和图g塑件侧面凹槽，必须用侧滑块从外侧局部成型。其S_c等于凸起高度或槽的深度。

图4-6 需外侧抽芯和局部型腔成型的注塑件

a）侧圆孔 b）侧槽支架 c）盒盖支承侧孔 d）长锥孔 e）筒侧孔 f）盒侧壁上凸字 g）盒侧壁上凹槽

图4-7所示是最常见的斜导柱驱动的外侧抽芯或局部型腔成型的注射模。斜导柱固装在定模上，滑块装在动模上。侧抽芯机构必须在开模方向，圆筒注塑件脱模之前完成抽拔动作，还必须在闭模过程中让机构复位。在模具的侧滑块领先复位过程中，顶杆或顶管还尚未退到闭模位置，以致滑块与它们相撞产生干涉现象。当然，可让顶出零件安排在不干涉的位置，由回程杆与定模相碰后，驱动顶杆等脱模机构零件复回。但有时无法避免两者在主分型面上投影的重合。

图4-7 斜导柱驱动外侧抽芯的注射模

a）合模状态 b）开模侧抽芯和顶出状态

1—斜导柱 2—侧向抽芯滑块 3—锁紧楔 4—定位装置 5—导滑槽 6—顶杆 7—动模

图4-8所示为产生干涉的几何条件。所示的复位位置是侧型芯与某个顶杆在同一侧平面上。Δl为侧型芯与顶杆在主分型面上重合的侧向距离。Δh是顶杆端面与侧型芯在开模方向的最近距离。当

Δl>Δhtanα （4-2）

时会产生干涉。两者重合距离Δl过大，侧型芯过低即Δh较小，容易发生干涉。在判断会产生干涉现象时，则须采用先复位机构。弹簧式先复位机构将压缩弹簧安装在顶杆固定板和动模底面之间。顶出注塑件时弹簧受压。一旦合模，在弹簧力作用下脱模机构立即复位。但弹簧力作用有限，仅适用于立式和小型注射模。较大的注射模，须利用装在顶杆固定板上的铰链、杠杆或三角滑块，合模时定模给以碰撞压力，迫使脱模机构领先侧抽滑块复位。

图4-8 产生干涉的几何条件

3.内侧局部型腔成型

注塑件内表面上的凸起、凹槽和盲孔，依靠向内侧抽拔的滑销或滑块成型。它们是成型型芯的一部分，但其运动受到空间条件限制。图4-9所示是直线机动顶出注塑件，而后由人工侧拉脱模。这种侧向抽拔，只适用于内侧表面单向的局部成型要求。图a为内滑销成型，在开模时侧拉注塑件，在制品的内侧面上有拼合缝。图b为用内滑块成型单侧内表面凸凹槽全长，拼合缝在另外两个内侧面上。在开模时将镶块与注塑件一起从动模上取出。在模外的侧向抽芯，镶块返回模具。另一种是注塑件圆孔中整个周边均有凸或凹槽时，在设计注塑件时就应考虑强制脱模。因为这类注塑件不能内侧抽。

图4-9 机动顶出后人工侧拉

a）滑销内侧成型 b）滑块内侧成型

图4-10 斜顶杆与铰链联接的内侧抽机构

1—顶出板 2—滑座 3—顶出固定板 4—斜顶杆 5—复位杆 6—动模垫板 7—动模主型芯 8—型芯固定板

如果几个方向有多个内侧成型，必须用倾斜运动的斜顶杆或滑块来实现完全机动的侧向抽拔。此种机构复杂，设计制造困难。

图4-10为较常见的一种内侧抽芯的斜顶机构，称为斜顶杆与铰链联接的内侧抽机构。如图4-10所示，斜顶杆4的头部有成型制品的内侧凹。斜顶杆安装在主型芯7中开设的斜孔内。斜顶杆下部装有铰链。在脱模顶出过程中，由铰链座的推顶，使斜顶杆的头部向模具中心靠拢。注塑件在脱离主型芯的同时完成斜顶杆头部的侧抽动作。铰链座夹固在顶出板和顶出固定板之间。有的在斜顶杆的头下端装滚柱。

4.1.4 型腔压力分析

型腔压力是注射模设计时各项计算的依据。在浇注系统设计、模腔壁厚和垫板的强度与刚度计算、型芯的偏移和变形计算、所需锁模力校核等运算中，要将型腔压力作为已知条件。型腔压力大小会影响开模力和脱模力，是决定注塑件质量的重要因素。型腔压力的分布和变化与温度一起，将决定固化后注塑件的密度和密度分布。借助注射模CAE/CAD的有限元分析软件进行型腔压力的计算机模拟；借助模具型腔压力的测定进行注射机参量的自动调节控制，能实现理想的注射成型工艺。但是由于昂贵的设备和技术难度，难以普遍实行。

1.型腔压力要求

1）注射充模时，要保证熔体具有合理的剪切速率。塑料熔体在模具的通道间隙中剪切速率应为10²～10⁴s^-1。过低充模速率会使熔体流动性变差；过高的剪切速率，在型腔内会出现湍流或涡流，会产生熔体喷射并且破碎，将成型废次的注塑件。熔体在模内流动应是雷诺数很低的层流。

2）要保证型腔的充模压力。塑料熔体的压力传递能力较差，经各流程的流道和浇口，压力逐渐下降，会使注射到注塑件型腔的熔体压力不足。进入型腔的熔体压力应有（250～500）×10⁵ Pa。为此，一方面浇注系统的流道要有足够的截面尺寸；另一方面注塑件型腔流程不能太长太窄，致使料流末端压力不足，造成塑料制品密度低、收缩率大，严重的甚至不能注满，因此，必须由各种塑料熔体的流程比来校核塑件的壁厚。

图4-11 型腔压力分布链示意图

a）单分型面注射模 b）双分型面注射模 c）柱塞式料筒与单分型面注射模

2.型腔压力分布

广义的型腔压力是模内塑料熔体流经位置和时间的函数。型腔压力分布链的位置状态，如图4-11所示。主流道末端具有最大的分型面上的压力p_A。浇口处具有注塑件型腔的最大压力p_B（两处常是压力测定点）。喷嘴出口处的压力p_Z，是模具浇注系统压力的源头。在双分型注射模的型腔板上，浇注系统较复杂且流程长。从p_Z至p_B有较大浇注系统压力降Δp_r。熔流末端压力p_c倘若过低则会影响注塑件质量，甚至不能注满，故熔体末端压力p_c≥10～25MPa。注塑件型腔的压力从p_Z降至p_c为模腔压力降Δp_c。若型腔流程的截面较简单，可用流变学压力降公式估算。

型腔压力的源头是注射压力p₀，它可由每台注射机的油压表上读出的最大值p_i换算得到

式中 p₀——调用的注射压力（MPa）；

D——注射液压缸活塞直径（mm）；

d_S——注射螺杆或柱塞直径（mm）；

p_max——注射机的最大注射压力（MPa）；

p′——注射机液压泵的额定油压（MPa）；

p_i——注射过程中油压表上的最大值，即表压（MPa）。

由图4-11a和b图可知，螺杆头处p₀至喷嘴p_Z间存在压力降Δp_Z。Δp_Z是圆管中的非牛顿流变的压力降，按照第2章式（2-18b），喷嘴为圆柱孔道，其压力降计算式为

式中 Δp_Z——塑料熔体流经注射机喷嘴的压力降（Pa）；

n——塑料熔体非牛顿指数，n<1；

K′——熔体剪切黏度系数（N·s/cm²）；

Q——熔体流经喷嘴的体积流量（cm³/s）；

L_Z——喷嘴长度（cm）；

R_Z——喷嘴半径（cm）。

[例]PP熔体的温度T_m=240℃，注射时计量容积V=427cm³，注射时间t=2.4s。经注射机喷嘴的剪切速率。喷嘴内半径R_Z=0.275cm、长L_Z=2.0cm。计算PP熔体流过喷嘴的压力降Δp_Z。

[解]流经喷嘴的熔体体积流量

代入已知条件计算得Q=178cm³/s。又由表2-5查得牌号为J340的PP的n=0.13，K′=6.04N·s/cm²。代入式（4-4）得熔体流经喷嘴的压力降为

由实验曲线可知，螺杆式注射装置中的压力降为

Δp_e=p₀-p_z=（2.0～2.5）Δp_z （4-6）

此式中的放大系数，系指活塞和螺杆等运动件的摩擦阻抗，以及螺杆头前剩余熔体段的压力降。通常螺杆式注射装置中的压力降Δp_e=10～20MPa，但注射高黏度熔体，或是使用高阻抗喷嘴，如阀式喷嘴，Δp_e会更大，需作计算预测或专门的测量。此外，在型腔压力估算时，所使用的注射压力p₀必须小于注射机的最大注射压力p_max，为注射车间现场留有充分调节注射压力的余地。

若将非牛顿塑料熔体，视为短时间恒温状态，且在各流段中处于恒剪切速率，则可用牛顿流体计算式计算压力降。对于圆管道有

且按定义

式中 L和R——圆管长和半径（cm）；

η_a——塑料熔体表观黏度（N·s/cm²）；

τ——剪切应力（N/cm²）；

Δp——圆管道两端的压力降（N/cm²，1N/cm²=10⁴ Pa）。

由式（4-8）计算该段流程中剪切速率γ·。从上例中数据，可得

然后在PP塑料流动曲线的图上，查到对应剪切应力τ。也可代入式（4-7）得到

由式（4-8）有压力损失

计算结果与上述数值相差很小。此种计算方法称之为塑料熔体压力降的工程计算法。

柱塞式注射装置有与螺杆式注射装置不同的塑化原理和结构。由于粒料区的作用，装置内压力阻抗较大。不过，柱塞式注射装置常见公称注射量均在60cm³以下。经实验测得，柱塞式注射装置中的压力降为

Δp_e=p₀-p_r=30MPa+（0.1～0.2）p₀ （4-9）

式中，第一项30MPa压降是加热室和喷嘴的黏流区的压力损失；第二项是被压缩的粒料区的压力损失，它与柱塞压力p₀成正比。其折算系数与注射加工时的注射量有关，当注射量较大时取大值。

3.型腔压力变化

将型腔压力变化对注射成型时间进程作图，就得到型腔压力周期图，如图4-12所示。（对应图4-11b双分型面注射模的浇道、浇口和型腔各位置的压力对时间的变化）。

图4-12所示t₀～t₁称注射时间。塑料熔体进入型腔，并达到最远处，而且压力得到急剧升高。t₁～t₂为保压时间，也称压实补缩阶段，螺杆作少量推进，以维持一定压力。在时间t₁，模内物料温度明显下降。在时间t₂螺杆后撤。喷嘴口压力p_Z下降最快。t₂～t₃为倒流时间。时间t₃是注射模中内浇口的冻结时间。螺杆后撤时，内浇口尚未冻结，型腔内熔体回头倒流至浇道。t₃～t₄是静态冷却时间。t₄是模具打开时间。p_r为该时间的型腔内的残余压力。

在注射保压阶段，在分型面上，型腔压力p_A决定了锁模力。锁模力不足或分型面不平整，会产生塑料熔体溢料。也注意到位于料流未端型腔压力p_c较低，在该位置的分型面上设置有排气槽。

图4-12 注射成型型腔压力周期图

p₀—注射压力 p_Z—喷嘴压力 p_A—料流进入型腔压力 p_B—型腔压力 p_C—料流末端型腔压力