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模具与注塑工艺 陈志光 （夏新工程塑胶有限公司，厦门海沧，361022）
摘要：模具是注塑工艺的前提条件，行业中流传着“三分工艺，七分模具”的说法，可见模具的重要性。其实模具与工艺是同等重要、缺一不可的，作为一个模具或者注塑行业的工程技术人员都必须充分的了解两者之间的联系，才能更好做好各自的工作。
关键词：模具、流道、注塑工艺。 近几十年中注塑加工行业，在我国的发展是非常的迅速。许多行业都涉及到塑胶件的使用，但是我国的注塑工业却无法像国外一样更加的系统和完善，主要的原因在于我国从事注塑加工的技术人员在理论方面不够扎实，许多都是靠经验在工作。做为一个优秀的工艺人员必须同时具备注塑、模具、设计、后加工等各方面知识，才能游刃有余的解决生产中遇到的各种问题，其中模具对于注塑工艺的影响尤其重要。接下来我将在文章中介绍：模具与注塑工艺的密切关系。 注塑行业当中流传着“三分工艺，七分模具”的说法，那么我们不免想既然模具这么重要，但是模具所涉及的面这么广，怎样才能抓住模具的设计要点呢？其实了解模具的工程人员都知道，流道是模具的心脏。我们也将重点介绍浇道系统和注塑工艺的联系。 流道系统(runner systems)将熔胶从竖浇道引导到模穴内，要推动熔胶流过流道系统就需要额外的压力。当熔胶流经流道系统时，产生的剪切热（摩擦热）使熔胶温度升高，有助于熔胶的流动。设计良好的流道系统有下列好处：
可以决定最佳的模穴数目 确定熔胶可以填饱模穴 可以达成多模穴系统之平衡充填 可以达成多浇口之模穴的平衡充填 可以使废料最少化 使塑件顶出较容易 达成能源使用效率最佳化 可控制充填时间／保压时间／成形周期时间
1. 模穴数目的决定： 模穴数目的多少取决于可应用的生产时间、射出机射出量的大小、所需之塑件品质、注塑机塑化能力、塑件形状与尺寸，以及模具成本等因素。以下三组简单的公式可以协助决定模穴数目，应选取三组公式所获得之最小值作为设计模穴数目。
(1) 产品数量
假如塑件尺寸公差的要求不甚严格，而且需要大量的成品，则选择多模穴较恰当。模穴数目取决于供应一定量塑件所需的时间（tm）、每批次的塑件数量（L）、生产一模塑件所需的时间（tc）、和淘汰因子（K），其中，
K =1/（1 -不良率） 模穴数 = L × K × tc / tm
(2) 射出量
注塑机的射出量也是决定模穴数目的一个重要因素，取射出量能的80﹪为射出重量(S)，再除以塑件重量（W），即可计算出模穴数目。 模穴数目 =S / W
(3) 塑化能力
注塑机的塑化能力是影响模穴数目的另一个重要因素。将射出机的塑化能力（P）除以每分钟估计的射出次数(X)和塑件重量(W)，即可计算出模穴数目。
模穴数目= P / ( X × W)
从以上三个公式可以看出，设计模具的时候需要充分考虑产品的交期及品质要求，如果交期较短应该尽量采用多模穴的生产，但是如果产品的品质要求高，由于重力或者流道阻力的不同每个模穴的流动性能都不一致，我们则应该考虑单模穴或者尽量少的模穴生产。另外我们应该充分的评估注塑设备的射出压力大小以及最大储料量，避免模具生产时注塑压力不足造成缩水或者欠注等缺陷。更要避免由于模穴太多，注塑机射出量不够而造成欠注。
2. 流道配置： 流道配置主要包含三方面：流道结构、流道尺寸、流道横截面。 a.流道结构： 多模穴系统的基本流道配置方式有：标准流道系统（鱼骨形）、H形流道系统（分枝形）、辐射流道系统（星形）。H形和幅射流道系统提供自然平衡，亦即从竖浇道到所有的模穴都有相同的流动距离和流道尺寸，所以各模穴都有相同的充填条件。至于鱼骨形流道系统，虽然不是自然平衡，却比自然平衡系统可以在相同的模具内塞进更多模穴，造成最小的流道体和最低的模具加工成本。 b.流道尺寸： 流道的设计必须能够方便可靠地让塑件脱模，在射出成形的时候，流道不可以比塑件其它部分的截面更早凝固，这样才能够有效的进行保压。 图2.比图1.的浇口更加的适合于成型，能够让产品的压力分布更加均匀。 建议的流道的设计应该更加规范。不具有锐角的系统有助于塑料的流动，所以，应该将竖浇道根部设计成半径r2的圆角。其它的设计规格如下列：（如图3所示）
Dco ≧ tmax+ 1.5 (mm) Ds ≧ Dn + 1.0 (mm) α≧ 1° ~ 2° tan(α) = (Dco– D) / 2L 图3 流道底部的圆角可以改善熔胶的流动性能 c.流道截面： 常见的流道截面有：圆形流道、梯形流道、改良梯形流道（圆形与梯形之组合）、半圆形流道、长方形流道（如图4.所示）。其中圆形浇口具有最佳的体积与表面积比值，也具有最小的压力降和热损失，但是却必须在两侧模板都进行加工，而且合模时两侧的半圆也必须对齐，模具加工成本通常较高昂。相对地，梯形流道只在母模侧加工，其效能也很好，梯形流道通常应用于三板模，因为三板模如果采用圆形流道时，可能无法顺利脱模，而且模具可能在分模线造成圆形流道与模板滑动件之间的干涉。在选择何种形式的流道截面，应该根据产品的要求，以及对于制造成本的综合评估才能决定。 3. 流道直径： 流道的直径和长度会影响流动阻力。流动阻力愈大的流道，充填就会造成愈大的压力降。加大流道直径可以降低流动阻力，但是会耗用较多的树脂材料，也需要更长的冷却时间，才能顶出塑件。最佳化熔胶传送系统，最初估算的流道直径为：（表1.例举了常用塑料的建议流道直径）
其中， D = 流道直径(mm)； W = 塑件重量(g)； L =流道长度(mm)
表1 常用塑料（无填充料）的典型流道尺寸
4. 流道形式： 流道形式主要有：绝热式、内部加热式、外部加热式。如果更通俗的进行划分，流道可以分为冷流道和热流道。两种流道系统在工艺的主要区别在于，冷流道在填充过程中热量损失较大，所需的成型压力比较大，另外冷料容易造成熔体破裂现象，在浇口处易形成气痕等缺陷。热流道对于熔体的热量损失小，填充的过程流动长度也相对较短，成型过程中对于设备的压力要求大大降低，同时可以降低浇口应力的形成。各种流道系统的优缺点对比如表2.所示。 表2. 各种流道系统的优缺点
5. 流道平衡： 流道平衡通常可以分为：自然平衡和人工平衡两种。在通常的情况下如果能够采用自然平衡的就尽量采用自然平衡。让熔胶平衡地流入模穴是高品质塑件的先决条件，改变流道的尺寸与长度就可以达成自然平衡的流道。如过无法达成自然平衡之流道系统，可以改用人工平衡流道系统，经由改变浇口尺寸获得相似的平衡充填，但是会显著地影响浇口的冷凝时间。 另外，人工平衡流道系统有可能因为塑料差异就射出不同品质的塑件，所以需要更严谨地控制成形条件。只要成形件稍有变化，充填模式就可能改变，造成不平衡的充填，这也是我们在工艺调试中，发现很多产品不稳定的主要原因。 高分子论坛注塑模具微信群，请加群主：18666186648
6. 浇口设计： 设计恰当的浇口可以均匀迅速、单一方向地传送熔胶以充填模穴，并且获得适当的凝固时间来冷却塑件。浇口应该设置在非功能区、非外观区等适当位置。浇口最好设置在塑件的最厚部位，让塑料从厚区流向薄区，有助于获得良好的流动路径和保压路径。同时浇口位置应设置在塑件中央，可以使熔胶流动到塑件的各个极端位置都有相同的流动长度。 不恰当的浇口位置常造成一系列问题，影响生产效率和产品稳定性。浇口的位置必须让模穴内的气体在射出成形时排到模具外，否则将会造成短射、包风、烧焦痕迹、或是在浇口处贮积高压力。浇口位置与尺寸的设计也应该要避免喷射流现象，加大浇口或者改善浇口位置使熔胶冲击模壁，可以改善喷射流现象。对称的塑件应使用对称的浇口，以维持对称性。假如流动路径不对称，会使塑件的部份区域先完成充填、保压、冷却，最后造成不均匀的收缩和翘曲。假如选择的浇口位置无法避免让塑件产生缝合线或熔合线，应该将浇口移到非功能区、非外观区等位置。 浇口凝固时间是模穴进行保压的最终有效时间。太小的浇口使得最后凝固的部位发生在塑件内部，而不是发生在浇口，甚至浇口可能在解除保压之后才凝固，使熔胶从塑件逆流到流道系统。我们必须通过良好的浇口设计来防止熔胶逆流。设计初期应该使用较小尺寸的浇口，必要时，还可以将浇口加大。浇口长度短越好，以减少浇口区的压力降，适当浇口长度从 1~1.5mm。 添加纤维的塑料需要使用较大的浇口，以防止通过浇口的纤维断裂。潜式浇口和针状浇口从等小尺寸的浇口可能损伤添加纤维，边缘浇口等能够产生均匀充填模式的浇口可以使纤维均匀的分布在塑件中。表3.例举了常见浇口的形式。
表3. 常见浇口形式 浇口的形式多种多样，在此就不在一一例举了，但是我们在日常工作中应该根据实际需要进行合理的应用浇。比如产品外观要求比较高，我们可以采用一些抗冲击型浇口，来消除气痕等外观缺陷，另外如果需要全自动生产并且要求降低人工数量，则可以自动去除式的浇口。当然还有一些热流道浇口、阀式浇口等特殊浇口，我们应该根据实际情况进行设定。
7. 其他系统： 前面我们提到流道系统是模具的心脏，但是一套良好模具光有心脏是不够的。除了流系统外，我还需要考虑模具的结构、冷却系统、顶出系统，这些系统也和注塑工艺息息相关。 a. 模具结构：模具结构设计的面是非常的广，在此就不在做太多讲述。但是主要的原则是设计出的产品必须有较广的工艺范围，把一些外观缺陷留在非外观面，模具结果必须能够适合于成型。
b. 冷却系统：冷却系统主要涉及水路的合理安排。我们在工艺调试中经常会发现很多产品容易翘曲变形，或者有残留应力容易开裂。这些工艺问题都和水路排布有关，当水路排布不足，产品冷却不充分，就很容易产生变形，影响产品的装配及尺寸。另外冷却不均匀容易残留内应力，导致产品在使用中应力开裂，大大降低了产品的性能。
c. 顶出系统：顶出形式可以分为，顶针顶出、推板顶出、油缸顶出等，但是主要的作用就是将成型的产品顶出脱离模具。顶出系统，如果设置不合理，常会造成产品顶出变形，顶裂、拉伤等缺陷。顶出系统的设置原则是：产品顶出均匀，在抱紧力最大的位置安排顶针。
8. 结论： 模具与工艺是密不可分的，只有充分的了解两种技术之间的关系，才能更好提高各自领域的技术水平。模具的流道系统、结构、冷却系统、顶出系统等，都是注塑工艺流程的先决条件，许多工艺异常都与这几大系统中的缺陷有联系，只有排除模具遗留的隐患，才能调出稳定的注塑工艺条件。
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