內容目錄
1. 射出成型過程中型腔承受的力學負荷分析
在塑膠射出成型過程中，模具型腔從合模、射出、保壓到開模的各階段，必須承受多種形式的力學負荷，特別是在射出與保壓階段，高壓塑膠熔體對型腔造成強烈的沖擊。因此，型腔設計必須具備足夠的強度與剛性，以確保模具壽命與成型品質。主要承受的應力類型如下(圖1)。
- (a) 合模時的壓應力：模具兩半合模時，型腔需承受由合模力所產生的壓縮應力。
- (b) 射出壓力：熔融塑膠注入型腔時產生的流動壓力，是整個過程中最具挑戰性的應力來源。
- (c) 保壓壓力：在澆口尚未封閉前的瞬間，為防止縮水所施加的高壓力，同樣對型腔造成重大負荷。
- (d) 開模時的拉應力：模具分開時，塑膠件與型腔之間的附著力可能導致拉應力產生。
其中，[射出壓力]與[保壓壓力]是影響型腔結構最主要的因素，並在射出過程中總在變化。在這些壓力的作用下，當型腔的剛度不足時，往往會產生彈性變形，導致型腔向外膨脹，它將直接影響塑件的品質和尺寸精度，並產生毛邊。當塑膠冷卻收縮時，隨著壓力的下降，型腔將會彈性回復，當型腔的彈性變形恢復量大於塑件壁厚的收縮量時，將壓緊塑件，引起塑件頂出困難，甚至使塑件留在型腔中。
如果型腔強度不足時，會產生塑性變形，即引起型腔的永久變形，特別嚴重的會使型腔破裂，釀成事故。所以在模具設計時要首先考慮使型腔的壁厚和底板厚度都有足夠的強度和剛度，以保證型腔在射出過程中不產生超過規定限度的彈性變形。因此型腔壁厚和底板厚度的計算和選擇是十分重要的。在確定型腔壁厚和底板厚度時，應分別從強度和剛度兩方面來計算，相互校驗後取其大值。
2. 型腔剛度和強度的技術參數
在進行型腔剛度和強度的計算時，有幾個重要的技術參數，現先做介紹。
(2-1) 型腔內壁的單位平均壓力P
射出模型腔內壁所受到的單位平均壓力根據塑件材料或塑件形狀的不同而不同。一般說來，只有射出機機筒(料管)壓力的25%~50%，所以除個別情況外，型腔內壁所受到的單位平均壓力都在19.6~49MPa 的範圍內。因此，應根據具體情況合理地選取。
(2-2) 不產生溢料的[σ]值
在射出過程中，型腔彈性變形是必然存在的，只是或多或少的問題。為防止過量的彈性變形，必須有一個允許變形的限度，即引入型腔的許用變形量[δ]概念，即塑膠最大的不溢料間隙。許用變形量[δ]應滿足以下兩個條件。
- (a) 型腔的變形量應不使其產生毛邊現象。
- (b) 型腔的變形量應小於塑件壁厚的收縮量，即(圖2)。
(2-3) 型腔所選用的鋼材的許用應力[σ]
鋼材的許用應力也是一個重要參數。由於鋼材品種的不同和熱處理方法的不同，它們的許用應力也不相同。一般地，未經淬硬的鋼材的許用應力取[σ]=78.4~98MPa，對淬硬到 HRc53~58的鋼材，取[σ]=137.2~156.8MPa。
3. 組合式圓形型腔
圓形型腔是指內外壁橫斷面都是圓形。組合式圓形型腔的受力和變形情況如(圖3)所示，它的側壁和底部均受到衝擊壓力。
(3-1) 型腔側壁厚度的計算
下面對剛度和強度分別計算。
(3-1-1) 按剛度條件計算
當熔融塑膠的射出壓力作用在型腔側壁時，內半經r趨向於向外部變形，因此型腔側壁和底板之間產生縱向間隙δ。當其間隙超過規定的範圍時，就會產生溢料現象。其壁厚S按(圖4-1)公式計算。
(3-1-2) 按強度條件計算
強度計算公式如(圖4-2)所示。
(3-2) 底板厚度的計算
(3-2-1) 按剛度條件計算
剛度計算公式如(圖5-1)所示。
(3-2-2) 按強度條件計算
強度計算公式如(圖5-2)所示。
4. 整體式圓形型腔
整體式圓形型腔的受力和變形情況如(圖6-1)。
(4-1) 型腔側壁厚度的計算
整體式圓形型腔的壁厚是以組合式圓形型腔壁厚計算的基礎進行計算的。由於它在側壁變形時受到腔底的約束，在一定高度範圍內，半徑的變形量較小，越接近腔底愈小。在側壁和腔底的交界處A處，其變形量趨向於零。而端部受其約束較小，其受力情況與組合式圓形型腔相似，所以在通常情況下，整體式圓形型腔按強度條件計算的壁厚，可按照組合式圓形型腔的公式(圖4-2)計算。按剛度條件計算時，其側壁厚度如(圖6-2)所示。
(4-2) 型腔腔底厚度的計算
按剛度條件計算參考(圖7-1)；按強度條件計算參考(圖7-2)。
5. 組合式矩形型腔
組合式矩形型腔的受力和變形情況如(圖8)所示。
(5-1) 型腔側壁厚度的計算
按剛度條件計算參考(圖9-1)；按強度條件計算參考(圖9-2)。
(5-2) 底板厚度的計算
按剛度條件計算參考(圖10-1)；按強度條件計算參考(圖10-2)。
6. 整體式矩形型腔
整體式矩形型腔受力變形情況如(圖11)所示。
(6-1) 型腔側壁厚度的計算
整體式矩形型腔可視為三邊固定，一邊自由，受到均布載荷的平板。當其側壁受到單位射出壓力的作用時，其最大變形量發生在自由邊的中點。當H=(0.25~0.3)時，型腔側壁厚度如(圖12)所示。
(6-2) 型腔腔底的厚度的計算
按剛度條件計算參考(圖13-1)；按強度條件計算參考(圖13-2)。
7. 計算實例
(7-1) 組合式圓形型腔計算實例
有一組合式圓形型腔，其型腔內半徑r=85mm，型腔的許用變形量[δ]=0.05mm，熔料進入腔的平均單位壓力p=49MPa，型腔材料的許用應力[σ]=156.8MPa。求其型腔的側壁厚和底板厚度。求解及計算說明參考(圖A-1) (圖A-2)。
從計算結果看，按剛度和強度計算的型腔側壁厚基本相等，取S=53.8mm；按剛度和強度分別計算的底板厚度取其大值，即 H=56.23mm。
(7-2) 組合式矩形型腔計算實例
有一組合式矩形型腔，內腔長度為ι1=340 mm，e=220 mm，型腔深度ι2= 68 mm，型腔側壁總高ｈ1=100 mm，模體支架間距L=200 mm，支承板長度ι=600 mm，熔料進入型腔的平均單位壓力P=49 MPa，型腔材料的許用變形量[δ]= 0.05 mm。求其型腔的側壁厚和底板厚度。求解及計算說明參考(圖B-1) (圖B-2)。
從以上計算結果看，按剛度和強度分別計算的型腔壁厚基本相等，取 S= 110.8mm；底板的厚度取其大值 H=87.11mm。
從以上兩個計算實例的計算結果看，在計算型腔側壁厚度時，按剛度條件和 強度條件分別計算其結果基本相等，這是一個偶然的現象。為說明問題，現將在以上同等條件下，在組合式圓形型腔內半徑或矩形型腔的長邊長度發生變化時， 用剛度條件與用強度條件計算出的型腔側壁厚S剛、S強分別列出(表1)和(表2)做一比較(圖14)。
從以上兩表的比較狀況可以看出，當圓形型腔內半徑r=86 mm 和矩形型腔的長邊ι1=370 mm時，按剛度條件和強度條件分別計算出來的側壁厚度相等；左右各點的計算差異則逐漸遞增。為此，我們把r=86 mm和ι1=370 mm 作為臨界尺寸。為了簡化計算程式，當r<86 mm或ι1<370 mm時，只按強度條件計算 就同時滿足其剛度條件；當r<86 mm或ι1<370 mm時，只按剛度條件計算也可同時滿足其強度條件。
☆ 其他參考資料及文章
★ 【射出模具分型面及分模面設計指南】(按圖超連結)
★ 【射出模具成型零件設計指南】(按圖超連結)
