5.4 成型零部件

直接与塑料接触构成塑件形状的零件称为成型零件，其中构成塑件外形的成型零件称为凹模，构成塑件内部形状的成型零件称为凸模（或型芯）。由于凹、凸模件直接与高温、高压的塑料接触，并且脱模时反复与塑件摩擦，因此，要求凹、凸模件具有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性，以及足够低的表面粗糙度。

5.4.1 成型零件结构设计

1.凹模结构

（1）整体式凹模 直接在选购的模架板上开挖型腔，如图5-39所示。其优点是加工成本低。但是，通常模架的模板材料为普通的中碳钢，用作凹模，使用寿命短。若选用好材料的模板制作整体凹模，则制造成本高。

通常，对于成型1万次以下塑件的模具或塑件精度要求低、形状简单的模具可采用整体式凹模。

图5-39 整体式凹模

图5-40 整体嵌入式凹模

（2）整体嵌入式凹模 将稍大于塑件外形（大一个足够强度的壁厚）的较好的材料（高碳钢或合金工具钢）制成凹模，再将此凹模嵌入模板中固定，如图5-40a、b、c、d所示。

其优点是“好钢用在了刀刃上”，既保证了凹模使用寿命，又不浪费价格昂贵的材料，并且凹模损坏后，维修、更换方便。

（3）局部镶拼式凹模 对于形状复杂或局部易损坏的凹模，将难以加工或易损坏的部分设计成镶件形式，嵌入型腔主体上，如图5-41a、b、c、d所示。

图5-41 局部镶拼式凹模

（4）四壁拼合式凹模架 对于大型的复杂凹模，可以采用将凹模四壁单独加工后镶入模套中，然后再和底板组合，如图5-42所示。

（5）螺纹型环 螺纹型环是用来成型塑件外螺纹的一类活动镶件，成型后随塑件一起脱模，在模外卸下。图5-43a所示为整体式螺纹型环，配合长度5～8mm，为了便于安装，其余部分制成3°～5°斜度，下端加工出四侧平面，便于用工具将其从塑件上拧下来。图5-43b为对开组合式型环，用于成型精度不高的粗牙螺纹。对开两半之间用销子定位，上部制出撬口，便于成型后在模外用工具将两对开块分开。

图5-42 四壁拼合式凹模

图5-43 螺纹型环

综上所述，凹模结构用的最多的是整体嵌入式和局部镶拼式。

2.凸模结构

整体式凸模浪费材料且切削加工量大，在当今的模具结构中几乎没有这种结构。凸模结构主要是整体嵌入式凸模和镶拼组合式凸模，如图5-44a、b、c、d和图5-45a、b、c所示。

图5-44 型芯的结构形式

图5-45 镶拼式组合型芯

3.小型芯

细小的凸模通常称为型芯，用于塑件孔或凹槽的成型。各种孔的成型方法如图5-46、图5-47、图5-48所示。

图5-46 小型芯组合

图5-47 中心距相近时多型小孔

图5-48 小型芯的固定方法

图5-49 活动型芯的安装形式

4.活动型芯

有时为了使模具简单，将螺纹型芯或安放螺纹型环嵌件用的型芯做成活动的镶件。这种形式的型芯成型前在模具中常以H8/f8配合活动放置，成型后随塑件一起在模外取出，如图5-49所示。

5.4.2 成型零件工作尺寸的计算

成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接构成塑件的尺寸。凹、凸模工作尺寸的精度直接影响塑件的精度。

1.影响工作尺寸的因素

（1）塑件收缩率的影响 由于塑料热胀冷缩的原因，成型冷却后的塑件尺寸小于模具型腔的尺寸。表5-6列出了部分热塑性塑料的标准成型收缩率。

表5-6 部分热塑性塑料的标准成型收缩率

（2）凹、凸模工作尺寸的制造公差 它直接影响塑件的尺寸公差。通常凹、凸模的制造公差取塑件公差的1/3～1/6，表面粗糙度取Ra值为0.8～0.4μm。

（3）凹、凸模使用过程中的磨损量及其他因素的影响 生产过程中的磨损以及修复会使得凸模尺寸变小，凹模的尺寸变大。

因此，成型大型塑件时，收缩率对塑件的尺寸影响较大；而成型小型塑件时，制造公差与磨损量对塑件的尺寸影响较大。常用塑件的收缩率通常在百分之几到千分之几之间。

2.凹、凸模的工作尺寸计算

通常，凹、凸模的工作尺寸根据塑料的收缩率，凹、凸模零件的制造公差和磨损量三个因素确定。

（1）凹模的工作尺寸 凹模是成型塑件外形的模具零件，其工作尺寸属包容尺寸，在使用过程中凹模的磨损会使包容尺寸逐渐增大。因此，为了使得模具的磨损留有修模的余地，以及装配的需要，在设计模具时，包容尺寸尽量取下限尺寸，尺寸公差取上偏差。具体计算公式如下：

凹模的径向尺寸计算公式为

L=[L_塑（1+k）-（3/4）Δ]^+δ₀ （5-2）

式中 L_塑——塑件外形公称尺寸；

k——塑料的平均收缩率；

Δ——塑件的尺寸公差；

δ——模具制造公差，取塑件相应尺寸公差的1/3～1/6。

凹模的深度尺寸计算公式为

H=[H_塑（1+k）-（2/3）Δ]^+δ₀ （5-3）

式中 H_塑——塑件高度方向的公称尺寸。

（2）凸模的工作尺寸 凸模是成型塑件外形的，其工作尺寸属被包容尺寸，在使用过程中凸模的磨损会使被包容尺寸逐渐减小。因此，为了使得模具的磨损留有修模的余地，以及装配的需要，在设计模具时，被包容尺寸尽量取上限尺寸，尺寸公差取下偏差。具体计算公式如下：

凸模的径向尺寸计算公式为

l=[l_塑（1+k）+（3/4）Δ]_-⁰δ （5-4）

式中 l_塑——塑件内形径向公称尺寸。

凸模的高度尺寸计算公式为h=[h_塑（1+k）+（2/3）Δ]_-⁰δ （5-5）

式中 h_塑——塑件深度方向的公称尺寸。

（3）模具中的位置尺寸（如孔的中心距尺寸）计算公式为

=C_塑（1+k）±δ/2 （5-6）

式中 C_塑——塑件位置尺寸。

（4）计算实例 如图5-50所示塑件结构尺寸及相应的模具型腔结构，塑件材料为聚丙烯，计算收缩率为1%～3%，求凹、凸模构成型腔的尺寸。

图5-50 塑件及相应的凹、凸模

解：塑料的平均收缩率为2%。

①凹模有关尺寸的计算：

径向尺寸

L=[L_塑（1+k）-（3/4）Δ]^+δ₀=[110×（1+0.02）-（3/4）×0.8）]₀^0.8×1/6=111.6^+0.13₀

深度尺寸

H=[H_塑（1+k）-（2/3）Δ]^+δ₀=[30×（1+0.02）-（2/3）×0.3）]₀^0.3×1/6=30.4^+0.05₀

②凸模有关尺寸的计算：

径向尺寸

l=[l_塑（1+k）+（3/4）Δ]_-δ⁰=[80×（1+0.02）+（3/4）×0.6]⁰_-0.6×1/6=82.05_-0.1⁰

高度尺寸

h=[h_塑（1+k）+（2/3）Δ]_-δ⁰=[15×（1+0.02）+（2/3）×0.2）]⁰_-0.2×1/5=15.43_-0.04⁰

型芯直径d=[d_塑（1+K）+（3/4）Δ]_-δ⁰=[8×（1+0.02）+（3/4）×0.1]⁰_-0.1×1/5=8.24_-0.02⁰

③模具型芯位置尺寸计算：

C=C_塑（1+k）±δ/2=30×（1+0.02）±（0.3×1/6）/2=30.6±0.025

3.螺纹型环和螺纹型芯的尺寸计算

（1）螺纹型环的尺寸计算

D_中=[D_塑中（1+k）-Δ]^+δ₀（5-7）

D_大=[D_塑大（1+k）-Δ]^+δ₀（5-8）

D_小=[D_塑小（1+k）-Δ]^+δ₀ （5-9）

式中 D_中——螺纹型环的中径尺寸；

D_大——螺纹型环的大径尺寸；

D_小——螺纹型环的小径尺寸；

D_塑中——塑件外螺纹的中径公称尺寸；

D_塑大——塑件外螺纹的大径公称尺寸；

D_塑小——塑件外螺纹的小径公称尺寸；

Δ——塑件外螺纹的中径公差；

δ——螺纹型环的制造公差值，对于中径，δ=Δ/5，对于大径和小径，δ=Δ/4。

（2）螺纹型芯的尺寸计算

d_中=[d_塑中（1+k）-Δ]_-δ⁰ （5-10）

d_大=[d_塑大（1+k）-Δ]_-δ⁰ （5-11）

d_小=[d_塑小（1+k）-Δ]_-δ⁰ （5-12）

式中 d_中——螺纹型芯的中径尺寸；

d_大——螺纹型芯的大径尺寸；

d_小——螺纹型芯的小径尺寸；

d_塑中——塑件内螺纹的中径公称尺寸；

d_塑大——塑件内螺纹的大径公称尺寸；

d_塑小——塑件内螺纹的小径公称尺寸；

Δ——塑件内螺纹的中径公差；

δ——螺纹型芯的制造公差值，对于中径，δ=Δ/5，对于大径和小径，δ=Δ/4。

（3）螺距工作尺寸计算

P=P_塑（1+k）±δ/2 （5-13）

式中 P_塑——塑料螺纹制件螺距的公称尺寸；

δ——螺距的制造公差值，见表5-7；

P——螺纹型环或螺纹型芯的螺距尺寸。

一般情况下，当螺纹牙数少于7～8牙时，可不进行螺距工作尺寸计算，而是靠螺纹的旋合间隙补偿。

表5-7 螺纹型芯或型环螺距的制造公差 （单位：mm）

5.4.3 型腔侧壁及底板厚度的计算

在注塑成型过程中，型腔承受塑料熔体的高压作用。因此，凹模与凹、凸模的底板必须具有足够的强度和刚度。如果凹模和底板的厚度过小，则强度、刚度会不足。强度不足会导致型腔产生塑性变形，甚至破裂；刚度不足将产生过大的弹性变形，并产生溢料间隙。表5-8列出了常用塑料的刚度条件[δ]值的允许范围。

表5-8 常用塑料[δ]值允许范围

模具型腔受力状况如图5-51所示。

图5-51 各种形式模具型腔受力分析

1.型腔侧壁的厚度计算

对型腔厚度分别作强度和刚度计算，图5-51a结构的强度、刚度为最差，取计算所得数值大者作为厚度设计依据，则这个厚度值也能够满足后两种情况。

若型腔为圆形，则刚度计算公式为

强度计算公式为

式中 S——型腔侧壁厚度（mm）；

r——型腔半径（mm）；

[σ]——模具材料的许用应力（MPa）；

p——型腔所受压力（MPa）；

E——模具材料的弹性模量（MPa），碳钢为2.1×10⁵MPa；

[δ]——刚度条件，即允许变形量（mm），由表5-8选取；

μ——模具材料的泊松比，碳钢为0.25。

若型腔为矩形（见图5-51b），则刚度计算公式为

强度计算公式为

a）零件

式中 S——矩形型腔长边侧壁厚度（mm）；

p——型腔所受压力（MPa）；

L——型腔长边长度（mm）；

a——型腔侧壁受压高度（mm）；

a′——型腔侧壁全高度（mm）；

[δ]——允许变形量（mm），由表5-8查得；

E——模具材料的弹性模量（MPa）；

[σ]——模具材料的许用应力（MPa）。

2.型腔底板厚度计算

通常凹、凸模下面有一底板能起到支承作用，在动模一侧的底板因其下面顶出机构的空间，故此底板应具有足够的强度与刚度，其厚度可根据下列公式计算。

若型腔为圆形（见图5-51a），则刚度计算公式为

强度计算公式为

若型腔为矩形（见图5-51b），则刚度计算公式为

强度计算公式为

若型腔压力通过型芯或型腔镶块传递到支承板上，如图5-52所示。

图5-52 支承板受力情况

在利用以上公式时将型腔压力换算成支承板上的压力p₁，即p₁=（A/A₁）p （5-22）

式中 p——型腔压力（MPa）；

p₁——支承板承受压力（MPa）；

A——型芯或镶块受压面积（mm²）；

A₁——型芯或镶块底面面积（mm²）。

由于注塑成型受温度、压力、塑料特性及塑件形状复杂程度等因素的影响，所以以上计算并不能完全真实地反映结果。通常模具设计中，型腔壁厚及支承板厚度不通过计算确定，而是凭经验确定的。表5-9、表5-10列举了一些经验数据供设计时参考。

表5-9 型腔侧壁厚度S的经验数据

注：型腔为整体式，L＞100mm时，表中值需乘以0.85～0.9。

表5-10 支承板厚度h的经验数据 （单位：mm）

注：当压力p＜29MPa，L≥1.5b时，取表中数值乘以1.25～1.35；当29MPa≤p＜49MPa，L≥1.5b时，取表中数值乘以1.5～1.6。