模具與注塑工藝

陳志光

（夏新工程塑膠有限公司，廈門海滄，361022）

摘要：模具是注塑工藝的前提條件，行業(yè)中流傳著“三分工藝，七分模具”的說法，可見模具的重要性。其實模具與工藝是同等重要、缺一不可的，作為一個模具或者注塑行業(yè)的工程技術人員都必須充分的了解兩者之間的聯(lián)系，才能更好做好各自的工作。

關鍵詞：模具、流道、注塑工藝。

近幾十年中注塑加工行業(yè)，在我國的發(fā)展是非常的迅速。許多行業(yè)都涉及到塑膠件的使用，但是我國的注塑工業(yè)卻無法像國外一樣更加的系統(tǒng)和完善，主要的原因在于我國從事注塑加工的技術人員在理論方面不夠扎實，許多都是靠經(jīng)驗在工作。做為一個優(yōu)秀的工藝人員必須同時具備注塑、模具、設計、后加工等各方面知識，才能游刃有余的解決生產(chǎn)中遇到的各種問題，其中模具對于注塑工藝的影響尤其重要。接下來我將在文章中介紹：模具與注塑工藝的密切關系。

注塑行業(yè)當中流傳著“三分工藝，七分模具”的說法，那么我們不免想既然模具這么重要，但是模具所涉及的面這么廣，怎樣才能抓住模具的設計要點呢？其實了解模具的工程人員都知道，流道是模具的心臟。我們也將重點介紹澆道系統(tǒng)和注塑工藝的聯(lián)系。

流道系統(tǒng)(runner systems)將熔膠從豎澆道引導到模穴內(nèi)，要推動熔膠流過流道系統(tǒng)就需要額外的壓力。當熔膠流經(jīng)流道系統(tǒng)時，產(chǎn)生的剪切熱（摩擦熱）使熔膠溫度升高，有助于熔膠的流動。設計良好的流道系統(tǒng)有下列好處：

?可以決定最佳的模穴數(shù)目

?確定熔膠可以填飽模穴

?可以達成多模穴系統(tǒng)之平衡充填

?可以達成多澆口之模穴的平衡充填

?可以使廢料最少化

?使塑件頂出較容易

?達成能源使用效率最佳化

?可控制充填時間／保壓時間／成形周期時間

1. 模穴數(shù)目的決定：

模穴數(shù)目的多少取決于可應用的生產(chǎn)時間、射出機射出量的大小、所需之塑件品質、注塑機塑化能力、塑件形狀與尺寸，以及模具成本等因素。以下三組簡單的公式可以協(xié)助決定模穴數(shù)目，應選取三組公式所獲得之最小值作為設計模穴數(shù)目。

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(1) 產(chǎn)品數(shù)量　

　　假如塑件尺寸公差的要求不甚嚴格，而且需要大量的成品，則選擇多模穴較恰當。模穴數(shù)目取決于供應一定量塑件所需的時間（tm）、每批次的塑件數(shù)量（L）、生產(chǎn)一模塑件所需的時間（tc）、和淘汰因子（K），其中，

K =1/（1 -不良率） 模穴數(shù) = L × K × tc / tm

(2) 射出量

注塑機的射出量也是決定模穴數(shù)目的一個重要因素，取射出量能的80﹪為射出重量(S)，再除以塑件重量（W），即可計算出模穴數(shù)目。

模穴數(shù)目 =S / W

(3) 塑化能力

　　注塑機的塑化能力是影響模穴數(shù)目的另一個重要因素。將射出機的塑化能力（P）除以每分鐘估計的射出次數(shù)(X)和塑件重量(W)，即可計算出模穴數(shù)目。

　　模穴數(shù)目= P / ( X × W)

從以上三個公式可以看出，設計模具的時候需要充分考慮產(chǎn)品的交期及品質要求，如果交期較短應該盡量采用多模穴的生產(chǎn)，但是如果產(chǎn)品的品質要求高，由于重力或者流道阻力的不同每個模穴的流動性能都不一致，我們則應該考慮單模穴或者盡量少的模穴生產(chǎn)。另外我們應該充分的評估注塑設備的射出壓力大小以及最大儲料量，避免模具生產(chǎn)時注塑壓力不足造成縮水或者欠注等缺陷。更要避免由于模穴太多，注塑機射出量不夠而造成欠注。

2. 流道配置：

流道配置主要包含三方面：流道結構、流道尺寸、流道橫截面。

a.流道結構：

多模穴系統(tǒng)的基本流道配置方式有：標準流道系統(tǒng)（魚骨形）、H形流道系統(tǒng)（分枝形）、輻射流道系統(tǒng)（星形）。H形和幅射流道系統(tǒng)提供自然平衡，亦即從豎澆道到所有的模穴都有相同的流動距離和流道尺寸，所以各模穴都有相同的充填條件。至于魚骨形流道系統(tǒng)，雖然不是自然平衡，卻比自然平衡系統(tǒng)可以在相同的模具內(nèi)塞進更多模穴，造成最小的流道體和最低的模具加工成本。

b.流道尺寸：

流道的設計必須能夠方便可靠地讓塑件脫模，在射出成形的時候，流道不可以比塑件其它部分的截面更早凝固，這樣才能夠有效的進行保壓。

圖2.比圖1.的澆口更加的適合于成型，能夠讓產(chǎn)品的壓力分布更加均勻。

建議的流道的設計應該更加規(guī)范。不具有銳角的系統(tǒng)有助于塑料的流動，所以，應該將豎澆道根部設計成半徑r2的圓角。其它的設計規(guī)格如下列：（如圖3所示）

Dco ≧ t_max+ 1.5 (mm)

Ds ≧ Dn + 1.0 (mm)

α≧ 1° ~ 2°

tan(α) = (Dco– D) / 2L

圖3 流道底部的圓角可以改善熔膠的流動性能

c.流道截面：

常見的流道截面有：圓形流道、梯形流道、改良梯形流道（圓形與梯形之組合）、半圓形流道、長方形流道（如圖4.所示）。其中圓形澆口具有最佳的體積與表面積比值，也具有最小的壓力降和熱損失，但是卻必須在兩側模板都進行加工，而且合模時兩側的半圓也必須對齊，模具加工成本通常較高昂。相對地，梯形流道只在母模側加工，其效能也很好，梯形流道通常應用于三板模，因為三板模如果采用圓形流道時，可能無法順利脫模，而且模具可能在分模線造成圓形流道與模板滑動件之間的干涉。在選擇何種形式的流道截面，應該根據(jù)產(chǎn)品的要求，以及對于制造成本的綜合評估才能決定。

3. 流道直徑：

流道的直徑和長度會影響流動阻力。流動阻力愈大的流道，充填就會造成愈大的壓力降。加大流道直徑可以降低流動阻力，但是會耗用較多的樹脂材料，也需要更長的冷卻時間，才能頂出塑件。最佳化熔膠傳送系統(tǒng)，最初估算的流道直徑為：（表1.例舉了常用塑料的建議流道直徑）

其中，

D = 流道直徑(mm)；

W = 塑件重量(g)；

L =流道長度(mm)

表1 常用塑料（無填充料）的典型流道尺寸

4. 流道形式：

流道形式主要有：絕熱式、內(nèi)部加熱式、外部加熱式。如果更通俗的進行劃分，流道可以分為冷流道和熱流道。兩種流道系統(tǒng)在工藝的主要區(qū)別在于，冷流道在填充過程中熱量損失較大，所需的成型壓力比較大，另外冷料容易造成熔體破裂現(xiàn)象，在澆口處易形成氣痕等缺陷。熱流道對于熔體的熱量損失小，填充的過程流動長度也相對較短，成型過程中對于設備的壓力要求大大降低，同時可以降低澆口應力的形成。各種流道系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比如表2.所示。

表2. 各種流道系統(tǒng)的優(yōu)缺點

5. 流道平衡：

流道平衡通常可以分為：自然平衡和人工平衡兩種。在通常的情況下如果能夠采用自然平衡的就盡量采用自然平衡。讓熔膠平衡地流入模穴是高品質塑件的先決條件，改變流道的尺寸與長度就可以達成自然平衡的流道。如過無法達成自然平衡之流道系統(tǒng)，可以改用人工平衡流道系統(tǒng)，經(jīng)由改變澆口尺寸獲得相似的平衡充填，但是會顯著地影響澆口的冷凝時間。

另外，人工平衡流道系統(tǒng)有可能因為塑料差異就射出不同品質的塑件，所以需要更嚴謹?shù)乜刂瞥尚螚l件。只要成形件稍有變化，充填模式就可能改變，造成不平衡的充填，這也是我們在工藝調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)品不穩(wěn)定的主要原因。

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6. 澆口設計：

設計恰當?shù)臐部诳梢跃鶆蜓杆佟我环较虻貍魉腿勰z以充填模穴，并且獲得適當?shù)哪虝r間來冷卻塑件。澆口應該設置在非功能區(qū)、非外觀區(qū)等適當位置。澆口最好設置在塑件的最厚部位，讓塑料從厚區(qū)流向薄區(qū)，有助于獲得良好的流動路徑和保壓路徑。同時澆口位置應設置在塑件中央，可以使熔膠流動到塑件的各個極端位置都有相同的流動長度。

不恰當?shù)臐部谖恢贸Ｔ斐梢幌盗袉栴}，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性。澆口的位置必須讓模穴內(nèi)的氣體在射出成形時排到模具外，否則將會造成短射、包風、燒焦痕跡、或是在澆口處貯積高壓力。澆口位置與尺寸的設計也應該要避免噴射流現(xiàn)象，加大澆口或者改善澆口位置使熔膠沖擊模壁，可以改善噴射流現(xiàn)象。對稱的塑件應使用對稱的澆口，以維持對稱性。假如流動路徑不對稱，會使塑件的部份區(qū)域先完成充填、保壓、冷卻，最后造成不均勻的收縮和翹曲。假如選擇的澆口位置無法避免讓塑件產(chǎn)生縫合線或熔合線，應該將澆口移到非功能區(qū)、非外觀區(qū)等位置。

　　澆口凝固時間是模穴進行保壓的最終有效時間。太小的澆口使得最后凝固的部位發(fā)生在塑件內(nèi)部，而不是發(fā)生在澆口，甚至澆口可能在解除保壓之后才凝固，使熔膠從塑件逆流到流道系統(tǒng)。我們必須通過良好的澆口設計來防止熔膠逆流。設計初期應該使用較小尺寸的澆口，必要時，還可以將澆口加大。澆口長度短越好，以減少澆口區(qū)的壓力降，適當澆口長度從 1~1.5mm。

　添加纖維的塑料需要使用較大的澆口，以防止通過澆口的纖維斷裂。潛式澆口和針狀澆口從等小尺寸的澆口可能損傷添加纖維，邊緣澆口等能夠產(chǎn)生均勻充填模式的澆口可以使纖維均勻的分布在塑件中。表3.例舉了常見澆口的形式。

表3. 常見澆口形式

澆口的形式多種多樣，在此就不在一一例舉了，但是我們在日常工作中應該根據(jù)實際需要進行合理的應用澆。比如產(chǎn)品外觀要求比較高，我們可以采用一些抗沖擊型澆口，來消除氣痕等外觀缺陷，另外如果需要全自動生產(chǎn)并且要求降低人工數(shù)量，則可以自動去除式的澆口。當然還有一些熱流道澆口、閥式澆口等特殊澆口，我們應該根據(jù)實際情況進行設定。

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7. 其他系統(tǒng)：

前面我們提到流道系統(tǒng)是模具的心臟，但是一套良好模具光有心臟是不夠的。除了流系統(tǒng)外，我還需要考慮模具的結構、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)，這些系統(tǒng)也和注塑工藝息息相關。

a. 模具結構：模具結構設計的面是非常的廣，在此就不在做太多講述。但是主要的原則是設計出的產(chǎn)品必須有較廣的工藝范圍，把一些外觀缺陷留在非外觀面，模具結果必須能夠適合于成型。

b. 冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)主要涉及水路的合理安排。我們在工藝調(diào)試中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)品容易翹曲變形，或者有殘留應力容易開裂。這些工藝問題都和水路排布有關，當水路排布不足，產(chǎn)品冷卻不充分，就很容易產(chǎn)生變形，影響產(chǎn)品的裝配及尺寸。另外冷卻不均勻容易殘留內(nèi)應力，導致產(chǎn)品在使用中應力開裂，大大降低了產(chǎn)品的性能。

c. 頂出系統(tǒng)：頂出形式可以分為，頂針頂出、推板頂出、油缸頂出等，但是主要的作用就是將成型的產(chǎn)品頂出脫離模具。頂出系統(tǒng)，如果設置不合理，常會造成產(chǎn)品頂出變形，頂裂、拉傷等缺陷。頂出系統(tǒng)的設置原則是：產(chǎn)品頂出均勻，在抱緊力最大的位置安排頂針。

8. 結論：

模具與工藝是密不可分的，只有充分的了解兩種技術之間的關系，才能更好提高各自領域的技術水平。模具的流道系統(tǒng)、結構、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)等，都是注塑工藝流程的先決條件，許多工藝異常都與這幾大系統(tǒng)中的缺陷有聯(lián)系，只有排除模具遺留的隱患，才能調(diào)出穩(wěn)定的注塑工藝條件。

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