淺談注塑模具的計算

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1.引言

工業設計的目的，就是通過對產品的合理規劃，而使人們能更方便地使用它們，使其更好地發揮效力。在研究產品性能的基礎上，工業設計還通過合理的造型手段，使產品能夠具備富有時代精神，符合產品性能、與環境協調的產品形態，使人們得到美的享受。工業設計強調技術與藝術相結合，所以它是現代科學技術與現代文化藝術融合的產物。它不僅研究產品的形態美學問題，而且研究產品的實用性能和產品所引起的環境效應，使它們得到協調和統一，更好地發揮其效用。叢林法則(the law of the jungle)是自然界裏生物學方面的物競天擇、適者生存、優勝劣汰、弱肉強食的規律法則。激烈的市場競爭讓塑料製品在利用工業設計的同時，不得不引入叢林法則，正是工業設計和叢林法則促使塑料製品的外觀造型越來越複雜，而電腦技術的發展，特別是計算機輔助設計和製造使這一切複雜的設計造型都有了實現的可能性。

塑料製品的成型，絕大多數都離不開模具。近年來，計算機輔助設計和製造的發展，對塑料製品的設計和模具製造帶來了翻天覆地的變化。模具製造的技術已經由過去的以鉗工手工為主發展到以數控機牀加工為主，塑料產品的設計也從手工製圖發展到完全利用電腦繪圖，產品製圖的表現手法也由過去2D圖紙轉向3D數據為主，產品的造型也從過去的方形、三角形和圓形等規則形狀變化為複雜的空間曲面造型，這些變化都使得產品的外觀形狀越來越複雜，也給模具設計和製造帶來了極大的挑戰。因此要求我們的模具設計必須適應這種挑戰，與時俱進。

對於注塑模具的計算，模具專業教科書、技術資料、論文和設計手冊已經有很多公式和資料，在過去幾十年的歲月裏，這些公式在模具行業得到廣泛的應用，現在利用計算機輔助設計與製造的情況下，這些公式的侷限性也凸顯出來，因而有些傳統的模具設計計算公式在實際中已經失去使用價值，繼續使用某些公式可能會給模具設計專業的新生帶來困擾，本文旨在探討在模具設計的實踐中哪些內容需要計算，哪些內容不需要計算，如何選擇計算公式等問題。

2、注塑模具型腔尺寸的計算

2.1型腔尺寸計算的誤區

塑料被溶化後注入型腔，冷卻後脱模其尺寸會縮小，因此在模具設計時會考慮到收縮因素，加大型腔尺寸從而使塑料製品冷卻後能獲得我們所需要的尺寸。公式，把計算方式歸納為平均尺寸法和極限尺寸法兩類。事實上，上述的公式在實際的模具設計中根本無法使用，這些公式只能應用在圖1所示的形狀單純的簡單製品。因為現實的很多塑料製品是由多個複雜曲面組成的不規則的3D模型，在這些不規則製品中，很難找到尺寸並套用公式。另一方面，經過多年的發展，模具加工機牀的精度、刀具材料等都發生了很大的變化，數控技術得到廣泛的應用，現代的CNC機牀、慢走絲線切割和精密電火花加工機牀的加工精度已經達到微米級，在歐洲的模具設計資料中，取消類似的計算公式已經有20多年了，因此我們也要與時俱進。對於模具型腔的磨損，在現代模具設計中，不作為考慮的因素了。

如果型腔過度磨損，產品尺寸超出公差要求，則更換模仁或者重新設計製造模具。過去使用這些公式的背景是機牀精度不高或者加工不到位，一部分加工需要依靠手藝精良的鉗工來修配，這時採用保守的計算公式是十分必要的。

　　2.2 塑件收縮率計算的方法

前文已經述及，利用傳統的計算方法，已經很難適應模具設計工作了。在歐洲、美國和日本等工業發達國家，我國香港和台灣地區都是採用以下的簡化計算方法，經過多年的實踐表明，採用以下計算方法可以滿足實際需要。

塑件沒有尺寸公差要求(自由公差)時：

成型尺寸公差仍取塑件尺寸公差的1/2~1/3.

　2.3 加纖維塑件的型腔尺寸計算

加纖維塑件的各個方向收縮並不一致，而且數值相差較大，通常在塑膠流動方向收縮率較小，垂直於塑膠流動方向收縮率較大，這時採用表1和表2的公式更是無從下手，目前流行的3D設計軟件PRO/E和UG等軟件裏，可以在X,Y,Z三個方向設置不同的收縮率，較好地解決了這個問題。

　2.4.高精度尺寸的調整

高精度的尺寸，先將尺寸公差轉化成上下偏差值相等的公差，再按照上述計算方法，對高精度的部位按照後期可以減鋼的方法預留0.05的鋼料，方便試模後的修整。

　3、熱膨脹的計算

熔化樹脂流入澆口、流道、定模型腔，模具受到180～300℃左右高温樹脂所傳來的熱量, 通常温度上升時金屬發生熱膨脹, 因此，注塑成型模具的零部件也發生熱膨脹。對於熱膨脹對注塑模具性能的影響，很多模具教科書和設計手冊，沒有提供典型的案例。熱流道系統模具、大型模具、存在大型滑塊和多斜頂的模具以及高温成型的模具，熱膨脹對於上述四類模具來説，影響較大，高温的情形下，正常的模具運動間隙會縮小，因此熱膨脹會導致：影響導柱導套的配合、擦穿位的配合、側抽芯滑塊滑動不順暢、斜頂和滑塊容易卡滯、型芯尺寸脹大。

對於三維的具有各向異性的物質，有線膨脹係數和體膨脹係數之分。對於可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹係數可簡化定義為：單位温度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹係數。在模具設計中，通常採用線膨脹係數來計算熱膨脹的影響。

　4、流長比的計算

塑料的流長比是指塑料熔體流動的長度與壁厚的比值。塑料的流長比直接影響到塑料製品的進澆點數量和分佈情況，同時也會影響到塑料的壁厚。

對於所採用塑料的流長比，我們是要牢記的，有利於我們塑料模具報價和模具設計。LDPE的流長比是270;HDPE的流長比是230;PP的流長比是250;PS的流長比是210;ABS的.流長比是190;PC的流長比是90;PA的流長比是170;POM的流長比是150;PMMA的流長比是150.

不同的塑料的流長比都會不同，往往流長比越少的塑料，其流動性也就會越差。設計中小型模具時，一般不需要計算流長比，但是對於大型模具則不可忽視流長比的計算。

　5、型腔的強度計算

型腔在成型過程中受到塑料熔體的高壓作用，應具有足夠的強度和剛度，實踐表明，對於大型模具，特別是大深度型腔模具，剛度不足是主要矛盾，型腔尺寸應以滿足剛度條件為準。對於中小型模具，特別是小深度的型腔，強度不足是主要矛盾，但是小尺寸型腔的強度計算環節一般省略，模具設計者往往利用現有的經驗來進行設計，在實際中並不會出現任何問題。強度不足時，會使模具型腔破裂，因此，強度計算的條件是滿足受力狀態下的許用應力。而剛度不足，會導致型腔在受力狀態下尺寸擴大，其結果會使製品出現毛邊，尺寸超差甚至難以脱模。關於大型腔注塑模具的型腔深度計算，請參考相關模具設計手冊。

　6、鎖模力的計算

對於中小型模具，鎖模力一般憑經驗估計為主。大型模具應根據型腔內的壓強乘以水平投影面積計算出鎖模力，計算出的鎖模力應遠遠小於注塑機的額定鎖模力。對於注射量的計算也是如此。

　7、斜頂和行位行程的計算

斜頂的行程，對於簡單模具，一般是通過正切三角函數就可以計算出來的，對於複雜模具，斜頂的行程利用三角函數計算後，需要在3D軟件中模擬驗證。行位行程的計算，很多教科書都列出了公式，並舉了例題。在實際中，簡單模具的行位行程，可能不需要通過計算，一目瞭然，例如表3第一例。

一般列出了一種行位抽芯的特例，即形狀比較簡單的HALF抽芯。現實中很多的複雜行位的抽芯距離是很難列出公式計算的，而通過3D軟件移動模擬就可以很簡單的確定抽芯距。因此過多的使用計算公式可能會誤導初學者，到處查閲資料找計算公式。

　　8、脱螺紋模具的計算

對於脱螺紋模具的計算，計算傳動比、螺紋型芯轉動圈數等等都是必要的，參見相關手冊。

　　9、抽芯力、脱模力和頂出力的計算

抽芯力、脱模力和頂出力的計算相當複雜，現有的公式也很難準確的計算，只能通過經驗的積累，估計脱模力，並採取相應的對策。

　10、冷卻系統的計算

對於冷卻系統的計算。現在已經有很多的計算公式，但是在現實中，應用計算比較少，一般的簡單模具，製造週期都很短，模具設計的時間更短了，所以冷卻系統的計算大都是省略了，通過經驗類比解決。雖然不需要計算，但是雷諾數的計算、層流紊流等理論會給模具設計者提供思考的思路。

　11、總結

注塑模具的計算，對於大型模具和中小型模具來説，二者有着本質的區別。中小型模具通過經驗很容易解決，而大型模具，一旦設計失誤就會造成巨大損失，但是模具設計的計算，都必須建立在實踐的基礎上，模具是一門實踐遠遠大於理論的技術，模具技術來源於實踐。