第三章 塑料的注射成型模具
第一节 注射成型模具的种类与特点
一、热塑性塑料注射成型模具的分类和组成
（一）热塑性塑料注射成型模具的分类
热塑性注射成型模具有很多的分类方法。按照注射模具总体结构特征，可分为单分型面注射成型模具、双分型面注射成型模具、侧向分型与抽芯注射成型模具、带有活动镶件的注射成型模具、定模带有推出装置的注射模具和自动卸螺纹注射成型模具；按照其所用的注射机类型，可分为卧式注射机用模具、立式注射机用模具和角式注射机用模具。
（二）热塑性塑料注射成型模具的组成
注射成型模具大体上由动模和定模两个部分组成，它们分别固定在注射机的移动模板和固定模板上。在注射成型过程中，动模和定模闭合，塑料熔体充填模腔，待其冷却定型后，这两个部分又分开，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几个部分。
1. 成型部分 成型部分由凸模（型芯）、凹模（型腔）以及嵌件和镶块等组成。凸模（型芯）形成塑件的内表面形状，凹模（型腔）形成塑件的外表面形状。闭模后凸模和凹模便构成了模腔。
2. 浇注系统 模具从注射机喷嘴到模腔之间的部分，称为浇注系统，是塑料熔体在进入模腔之前所经过的通道，浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料穴等组成。
3. 顶出机构 顶出机构是指在塑料制件成型及模具分型之后，将塑料制品从模具中顶出的装置。顶出机构由推杆、复位杆、推杆固定板、推板、主流道拉料杆等组成。在带有导向装置的顶出机构中，还有推板导柱和推板导套等装置。
4. 导向机构 导向机构按照位置可以分为动模与定模之间的导向和顶出机构的导向。通常在动模和定模部分采用导柱和导套，以确保动模与定模的正确导向和定位。在精度要求较高的模具中，必要时还可以在模具上设置内外锥面导向，以此作为模具的精定位。而顶出机构的导向通常由推板导柱和推板导套所组成。
5. 侧向分型与抽芯机构 当塑件上存在侧向凹凸形状或侧孔及凸台时，就需要有侧向的凸模或成型块来成型。在塑件被推出之前，必须先抽出侧向成型部分，然后才能够顺利脱模。
6. 温度调节系统 为了满足注射工艺对模具温度的要求，必须对模具的温度进行控制，所以模具常设有冷却或加热的温度调节系统，冷却系统一般在模具上开设冷却水道，加热系统则在模具内部或四周安装加热元件。
二、热塑性塑料注射成型模具的特征
（一）成型部分
1. 分型面 根据模具用途的不同，有些模具只有一个分型面，有些模具则具有多个分型面。脱模时取出塑件的那个分型面称为主分型面。根据分型面形状的不同可分为平直分型面、倾斜分型面、阶梯分型面、曲面分型面和瓣合分型面等，如图3-1所示。
图3-1 注射成型模具的分型面
a）平直分型面 b）倾斜分型面 c）阶梯分型面 d）曲面分型面 e）瓣合分型面
分型面一般选在塑料制品外形最大处，以保证制品在成型之后能脱出。
2. 型腔分布 在多型腔模具中，由于型腔的排布与浇注系统有密切的关系，型腔的排布应该使每个型腔都能通过浇注系统，从总压力中均等地分得所需的压力，以保证塑料熔体能同时均匀地充填每一个型腔，从而使每个型腔的制件质量均一稳定。
型腔的分布分为平衡式布置和非平衡式布置，如图3-2所示。平衡式布置的特点是，从主流道到各型腔浇口的分流道长度均相同，可实现各型腔均匀进料和达到同时充满型腔的目的。而非平衡式型腔分布，虽然不利于均衡进料，但可以明显缩短分流道的长度，节约制品的原材料。
（二）浇注系统
1. 主流道 主流道是从注射机喷嘴与模具浇口套接触处到分流道为止的一段流动通道，如图3-3所示。主流道是连接注射机喷嘴与模具的桥梁。
图3-2 各种流道分布形式
a～c）平衡式布置 d）～f）非平衡式布置
一般来说，对于使用流动性较好的塑料或制品较小时，主流道设计得比较小一些；而使用流动性较差的塑料或制品较大时，主流道应设计得大一些。为便于冷凝料顺利地从模具浇口套中脱出，主流道应为圆锥形，锥角为2°～6°，表面粗糙度Ra为0.8μm，如图3-4所示。
主流道大端出口处在对准分流道的部位应有圆角（见图3-5），使塑料在流动过程中容易改变方向，减少流动转向时的阻力，主流道的设计尺寸要求如图3-4所示。
图3-3 注射机喷嘴与模具浇口套
图3-4 主流道锥角尺寸
主流道长度应尽量短，原因在于这样做可节约塑料；压降损失小；料温下降少。
图3-5 主流道圆角
主流道注入处的R1应大于喷嘴的前端R2，R1=R2+（2～4）mm（见图3-6）。
图3-6 主流道注入口
主流道小端孔径应大于喷嘴前端孔径，D1=D2+（0.5～1）mm（见图3-7）。
图3-7 主流道小端孔径
浇口套和定位圈的连接形式如图3-8所示。
图3-8a为常用形式；图3-8b可用于大型模具。定位圈A面与定模板A面平齐，并与注射机固定模板贴实，有效地防止浇口套后退。图3-8c可减少主流道的长度，节省塑料原料，减少回料。如果分流道有方向性时可用销钉定位。图3-8d形式，如果浇口套与定模板配合不当可后退，因此尽量不采用。图3-8e为定位圈直径较小时，可和浇口套做成一体的形式。
图3-8 浇口套和定位圈的连接形式
a）常用形式 b）用于大型模具的形式 c）可减少回料的形式
d）尽量不用的形式 e）定位圈和浇口套一体化的形式
1—定位圈 2—浇口套 3—定模板 4—型腔固定板（浇口板） 5—定位销
2. 分流道 在多型腔模具中，必须开设分流道，分流道是主流道末端与浇口之间的一段塑料熔体的流动通道。分流道开设在分型面的两侧或任意一侧，它的截面形状应该尽量使其比表面积（流道表面积与其体积之比）小，以减少热量的损失。通常的分流道截面形状有圆形、梯形、U形、半圆形及矩形等几种形式（见图3-9）。这其中圆形的比表面最小，随着制造技术手段的提升与制造精度的提高，当前已经克服了以往分型面两侧形状不能对中吻合的弊端。因而，这种形式的分流道模具开始越来越广泛的使用。梯形截面分流道和U形截面分流道，加工制造较为容易，热量损失少，使用也较为广泛。半圆形分流道以及矩形分流道，热量损失和流动阻力都比较大，通常不采用。
图3-9 分流道截面形状
3. 浇口 浇口也称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。除直接浇口外，浇口一般是整个浇注系统中截面尺寸最小的部位，它通过截面积的突然变化，提高料流的速度，降低粘度，从而迅速均匀地充满型腔。对于非平衡式布置的型腔，还可以通过改变浇口的截面尺寸，来达到各个型腔均衡进料的目的。
常用的浇口形式有以下几种：
（1）直接浇口。直接浇口又称主流道浇口，塑料熔体由主流道的大端直接进入型腔，因而具有流动阻力小、流动路程短及补缩时间长等特点，如图3-10所示。由于注射压力直接作用在塑件上，故容易在进料处产生较大的残留应力而导致塑件变形。这种形式的浇口截面大，去除浇口较困难，去除后会留有较大的浇口痕迹，影响塑件的美观。这类浇口大多用于注射成型大中型、长流程、深型腔、筒形或壳形塑件，尤其适合于单型腔模具。
图3-10 直接浇口
（2）中心浇口。当筒类或壳类塑件的底部中心或接近于中心部位有通孔时，内浇口就开设在该孔口处，同时中心设置分流锥，这种类型的浇口称中心浇口，如图3-11所示。中心浇口实际上是直接浇口的一种特殊形式，它具有直接浇口的一系列优点，而又克服了易产生缩孔、变形等缺陷。
图3-11 中心浇口
（3）侧浇口。侧浇口一般开设在分型面上，塑料熔体从内侧或外侧充填模具型腔，其截面形状多为矩形，改变浇口的宽度与厚度可以调节熔体的剪切速率及浇口的冻结时间，如图3-12所示。它是应用较广泛的一种浇口形式，普遍用于中小塑件的多型腔模具。
图3-12 侧浇口的三种形式
（4）扇形浇口与平缝式浇口。扇形浇口是一种沿浇口方向宽度逐渐增加，厚度逐渐减小的呈扇形的侧浇口，常用于扁平而较薄的制品，如盖板、标卡和托盘类等，如图3-13a所示。采用扇形浇口，使塑料熔体在宽度方向上的流动得到更均匀的分配，制品内应力因之较小，还可避免流纹及取向应力所带来的不良影响，减少带入空气的可能性，但浇口痕迹较明显。
平缝式浇口的宽度很大，厚度很小，几何上成为一条窄缝，与特别开设的平行流道相连，如图3-13b所示。它使塑料通过平行流道与窄缝浇口得到均匀分配，以较低的线速度均匀地流入型腔，从而降低了制品的内应力，减少了取向而造成的翘曲变形。
图3-13 扇形浇口和平缝式浇口
a）扇形浇口 b）平缝式浇口
（5）点浇口。点浇口用于三板式模具，其三种形式如图3-14所示。它的优点：提高熔料的剪切速率，降低表观粘度，因此易充模；熔料流经点浇口时，因高速摩擦生热，使料温升高，粘度再次下降，流动性再次提高；能正确控制料缩时间，利于降低浇口附近的残留应力，因而提高了塑件的质量；缩短成型周期，提高产能；开模时，浇注系统凝料能自行切断和脱落，可实现自动化生产。
图3-14 点浇口的三种形式
点浇口必须采用双分型面模具结构，不适合高粘度和对剪切速率不敏感的塑料，厚壁塑件也不合适用点浇口，成型时需较高注射压力。
（6）潜伏浇口。潜伏浇口也称剪切浇口和隧道浇口，是点浇口的变异形式，如图3-15所示。
它的优点：具备点浇口的一切优点；模具结构简单，用两板模即可；浇口潜入分型面一侧，沿斜向进入型腔，开模时能自动剪断浇口凝料；浇口位置可设在塑件侧面、端面或背面的隐蔽处，使塑件表面无浇口痕迹。
图3-15 潜伏浇口
（三）侧向分型抽芯机构
1. 手动侧向分型抽芯机构 在推出塑件前或脱模后，用手工方法或手工工具，将活动的型芯或侧向成型镶块取出。手动抽芯机构的结构简单，但劳动强度大，生产效率低，仅适用于小型制品的小批量生产。
2. 机动侧向分型抽芯机构 机动侧向分型抽芯是利用注射机的开模力，通过传动机构改变运动方向，将侧向的活动型芯抽出。机动抽芯机构的结构比较复杂，但抽芯不需人工操作，抽拔力较大，具有灵活、方便、生产效率高、容易实现全自动操作、无需另外添置设备等优点，在生产中被广泛采用。
机动抽芯按结构形式可以分为斜销、弹簧、弯销、斜导槽、斜滑块、楔块、齿轮齿条等多种抽芯形式。在这里仅介绍目前适用最为广泛的几种形式。
（1）斜导柱侧向分型抽芯机构。斜导柱侧向分型抽芯机构是在开模力或推出力的作用下，斜导柱驱动侧型芯或侧向成型块完成侧向分型与抽芯动作。由于斜导柱侧向分型抽芯机构结构紧凑、动作可靠、制造方便，因此这类机构应用最为广泛。由于受到模具结构和抽芯力的限制，该机构一般用于抽拔力不大且抽芯距小于60mm的场合。
常用的斜导柱侧向分型抽芯机构如图3-16～图3-18所示。
（2）斜滑块侧向分型抽芯结构。若塑件的侧凹较浅，所需抽芯距不大，但侧凹的成型面积较大，因而需要较大的抽芯力时；或者由于模具结构的限制，不适宜采用其他侧抽芯形式时，则可采用斜滑块侧向分型抽芯机构。斜滑块侧向分型抽芯机构利用模具推出机构的推出力驱动斜滑块斜向运动，在塑件被推出脱模的同时，由斜滑块完成侧向分型抽芯动作。
图3-16 斜导柱和斜滑块分别在动定模两侧
1—推板 2—弹簧 3—滑块定位螺钉 4—定位板 5—抽芯滑块 6—锁紧楔
7—侧型芯 8—斜导柱 9—型芯 10—定模底板 11—斜滑块
12—斜导柱 13—型腔固定板
图3-17 斜导柱和斜滑块同在定模侧
1—抽芯滑块 2—斜导柱 3—型芯 4—推板 5—限位螺钉 6、7、8、9、12—顺序分型装置 10—型腔板 11—型芯固定板 13—复位杆
图3-19所示为一种典型的斜滑块侧向分型抽芯机构模具。
图3-18 内侧抽芯机构
a）立式
1—型芯镶块 2—内抽芯滑块 3—斜导柱
4—定位弹簧 5—一次分型弹簧 6—定距螺钉
b）卧式
1—型腔板 2—斜导柱 3—内抽芯滑块
4—型芯 5—推杆 6—型芯固定板
图3-19 斜滑块抽芯机构
1—导滑块 2—斜滑块 3—顶杆 4—定模型芯
5—动模型芯 6—定距螺钉 7—型芯固定板
（3）液压或气动侧向分型抽芯机构如图3-20所示。当塑件上的侧向有较深的孔时，侧向分型可以依靠液压传动或气压传动的机构抽出。由于一般注射机没有抽芯液压缸或气缸，因此需要另行设计液压或气压传动机构及抽芯系统。液压传动比气压传动平稳，且可得到较大的抽拔力和较长的抽芯距离，但由于模具结构和体积的限制，液压缸的尺寸往往不能太大。与机动抽芯不同，液压或气压抽芯是通过一套专用的控制系统来控制活塞的运动实现的，其抽芯动作可不受开模时间和推出时间的影响。
图3-20 液压及气动抽芯机构
a）液压抽芯机构 b）气动抽芯机构
三、热固性塑料注射成型模具
热固性塑料注射成型模具，其结构与热塑性塑料注射成型模具结构类似。图3-21所示为典型的热固性塑料注射成型模具。
图3-21 典型的热固性塑料注射成型模具
1—动模座板 2—推杆 3—推杆固定板 4—推板 5—主流道推杆
6—复位杆（推板导柱）7—支承螺钉 8—垫块 9—加热器安装孔 10—支承板
11—导柱 12—动模板 13—导套 14—定模板 15—定模座板 16—加热器安装孔
17—定位圈 18—浇口套 19—定模镶块 20—凸模
热固性塑料成型模具，一般包括成型部分、浇注系统、导向装置、顶出机构、加热装置等。
（一）热固性塑料成型模具的特点
热固性塑料成型模具虽然与热塑性塑料成型模具有类似的机构，但由于这两类塑料熔体在模具内的流动行为有较大的差别，使热固性塑料模具具有不同的特点。
（1）热固性塑料需要在成型模具内完成预塑化料的固化反应，并产生缩合水和低分子挥发物，其模具需要设置加热装置和良好的排气系统。
（2）热固性塑料熔体在固化之前，其熔体粘度比热塑性塑料熔体粘度低，更容易在模具分型面、成型零部件等处溢出，产生飞边。因此，要求模具各零部件有更高的精度和更小的缝隙。
（3）热固性塑料熔体充模时，模壁温度高于熔体温度，熔体不会产生冻结层，而且近模壁处的熔体流速高，速度梯度大，对模具成型表面形成较严重的磨蚀磨损。因此，对模具材料有特别要求。
（4）热固性塑料成型后硬而脆，制品收缩率小，脱模时易滞留在型腔的一侧。因此，要求型腔有较大的脱模斜度和适宜的顶出装置。
（5）热固性塑料成型模具的工作温度高于室温，由于材料的热膨胀系数不同，对室温下的模具装配间隙提出了更高的要求。
（6）已固化的热固性塑料不能重复使用，使制品的材料费用升高。采用热固性塑料的温（热）流道注射模等新技术，对降低制品成本有重大意义。
（二）热固性塑料注射成型模具的结构
1. 成型部分 包括分型面、型腔和排气槽等。
（1）分型面。热固性塑料注射成型模具，根据不同的成型制品，可以有一个分型面，也可以有多个分型面。图3-22所示为一种石棉短纤维填充酚醛塑料的双分型面注射模具。
热固性塑料注射成型的注射压力大，所需的锁模力大，若模具受力不均，容易产生溢料。因此，应减少分型面的实际接触面积。同时，分型面应镀硬铬，硬度应在40HRC以上，分型面不允许存在凹坑或孔，若有通孔，应镶填磨平。
图3-22 一模两腔双分型面注射模具
1—动模座板 2—推出板 3—推杆固定板 4—推板 5、14—热电偶 6、15—绝热层 7—动模垫板 8—导套 9—动模板 10—中间板 11—凸模 12—导柱 13—定模板 16—流道浇口套 17—主流道板 18—定位圈 19—拉料杆 20—拉尺 21—带肩定距螺钉 22—凹模 23—加热器
（2）型腔。型腔在分型面上的布置应使其投影面积的中心与注射机的闭模中心相重合，若无法重合，也要使两者偏心距尽可能地小，如图3-23所示。型腔和型芯都应经过热处理淬硬，表面硬度为40～57HRC。若热固性塑料组分中，含有无机矿物或玻璃粉时，表面硬度应为58～62HRC。
图3-23 热固性塑料注射模的型腔布置
（3）成型零件。热固性塑料熔体，在模具内受热后粘度下降，受高注射压力作用常会注入零部件的配合缝隙或镶块的拼缝内。因此，在成型零件设计时，与塑料熔体接触的零部件应尽量采用整体式结构。若模具需要安放嵌件，通常在模外将嵌件置于嵌件杆或嵌件套上，再整体装进模具内。图3-24所示为一种嵌件杆的形式。此外，嵌件杆与模具插孔的配合精度要求高（单边间隙为0.01～0.02mm）。加工时，应先打孔，再磨研成型杆，并抛光镀铬，保证多个嵌件杆在同一模内的互换性。
图3-24 嵌件杆
a）台肩式嵌件杆 b）锥面与圆柱组合嵌件杆
成型零件是在高温、腐蚀、磨损的工作条件下工作的，除要选择优质材料外，还要对成型零件表面进行表面处理，表面粗糙度值要小，并抛光，使其表面硬度达53～75HRC，镀铬层厚度约0.03～0.08mm。
（4）排气槽。热固性塑料在固化交联时，会排放出大量的气体，为保证模内能充分排气，应设计良好的排气系统。分型面上排气槽深度为0.03～0.05mm，必要时深度可达0.1～0.3mm，排气槽宽度约为3～10mm，排气槽的间隔约25mm，排气槽允许物料溢出，并与型腔表面有相同的表面粗糙度和硬度。此外，在近浇口的分流道就开始排气，排气槽的宽度等于分流道的宽度；在芯柱上也可开设排气孔；顶杆上也可磨出类似的导气平面。排气槽有多种形式，常用的排气槽如图3-25所示。
2. 浇注系统 根据热固性塑料成型的特点，要求塑料熔体在流动过程中受阻力要小，并适当地加温，以加快熔体进入型腔后的固化速度。
图3-25 排气槽的形式
a）分型面上的排气槽 b）排气芯柱 c）多孔烧结块排气
A—排气槽 B—排气孔 C—烧结块
（1）主流道。主流道的断面面积应小一些，以增加摩擦热，使流经主流道的熔体升温，粘度下降，减少浇注系统的“冷料”。一般，角式注射模的主流道采用圆柱形，卧式注射模的主流道采用圆锥形，主流道衬套的凹球面半径应大于喷嘴球面半径0.5mm左右，主流道锥角约为2°～4°。
（2）拉料杆。固化后的热固性塑料脆而硬，因此拉料杆（冷料穴）应防止料梗折断，制品变形。常用的拉料杆有球形头、乙形头、薄片头等几种，如图3-26所示。
图3-26 拉料杆的形式
a）球形头 b）乙形头 c）薄片头
（3）分流道。为使热量容易地向分流道内传递，要求分流道的比表面积取大值。分流道断面面积与熔体流动性、熔体温度、分流道的长度、流经分流道的熔体量有关。分流道截面的设计，大多采用梯形和半圆形。
分流道的分布通常采用平衡式排布。分流道长度应尽量短。主流道与分流道及各分流道的转向处，应取较大的转角半径。分流道的表面粗糙度Ra 在0.4μm以下，且表面应镀铬。
（4）浇口。固化的热固性塑料较脆，凝料容易去除，浇口长度可适当大一些。为防止熔体升温过快，粘度上升，造成充模困难，浇口可适当大一些。常用的浇口形式如图3-27所示。
图3-27 热固性塑料注射模具的浇口
a）直浇口 b）侧浇口 c）盘形浇口 d）外环形浇口
e）内环形浇口 f）扇形浇口 g）平缝形浇口
由于热固性塑料熔体对浇口的磨损较大，浇口除选用耐热耐磨的钢材或硬质合金制造并镀铬外，浇口部位最好做成可更换镶块。以便在大批量生产时，可更换浇口，延长模具的寿命。
3. 顶出机构 热塑性塑料成型模具中采用的各种顶出（推出）机构，在热固性塑料注射模具中同样适用。不过，在热固性塑料注射充模过程中，由于注射压力大，熔体粘度小，熔体容易注入0.02mm以上单边间隙内，形成飞边，使制品脱模困难，故热固性塑料注射模具为提高模具分型面闭模后的接触精度，尽量不采用推件或推件板的形式，而采用推杆形式。若要使用推板，则脱模行程要增大到足以使推板脱出型芯。
图3-28所示为一种热固性注塑模推杆形式。推杆的单边间隙在0.02mm以下（若间隙小于0.005mm时，常温下装配的模具，在工作温度下容易膨胀咬紧），推杆在推出位置时，幼模底部与推杆三棱段留足位置A，供飞边屑从槽中脱落。
4. 加热装置 热固性塑料注射模具的动模和定模，分别设置了加热元件和测温热电偶，独立地控制模具温度，使成型表面温差在±2.5℃之内。加热元件主要是电热棒、电热板。热固性塑料注射模也可采用过热水蒸气或热油循环加热。方法是在不同模板上钻一些长孔并使其合理分布，以获得均匀的热分布。
为防止模具向注射机两块模板传热，需分别设置绝热垫层。绝热层一般为石棉水泥板、环氧玻璃钢板等，一般安置在动模支承板和热铁板之间，并加设定位套筒。
图3-28 热固性塑料注射模的推杆
a）闭模位置 b）顶出位置