6.2.2 模具设计要点
许多重要设计步骤，如模具的强度和刚度计算等，与热塑性塑料注塑模相同或相似，这里从简。
1.模具设计过程
图6-15所示是一模八腔的酚醛塑料注塑模。因制件太小和飞边过多，如采用压制模生产则效率太低，现用单分型面的结构和侧浇口。因为过细的流道容易被推出杆推破并破裂，浇注系统的用料只能多些。
（1）型腔数目确定 应以保证足够大的锁模力，防止分型面上出现飞边来确定型腔数。型腔数目为
式中 n——由锁模力决定的型腔数；
F——注塑机的锁模力（N）；
pc——型腔内塑料熔体的压力（MPa）；
A′——流道和浇口在分型面上的投影面积（mm2）；
A——每个制件在分型面上的投影面积（mm2）。
图6-15 一模八腔酚醛塑料注塑模
1—推出杆 2、9—导柱 3—动模支撑板 4—加热器 5—动模板 6、12—热电偶 7、25—导套 8—定模板 10—定模座板 11、21—绝热板 13、18—加热块 14—定位圈 15—绝热空气隙 16—定模镶件 17—动模镶件 19—支撑销 20—定位套筒 22—推出固定板 23—动模座板 24—推出板
根据经验，酚醛塑料成型时型腔压力pc为30～40MPa，氨基塑料pc为40～60MPa，不饱和聚酯pc为10～20MPa。
还需校核塑料熔体在机筒中的存留时间tb，使tb不得超过熔体状态的维持时间。目前，该允许维持时间[tb]=4～6min，即
式中 tb——熔体在机筒中的存留时间（min）；
t——注塑成型周期（min）；
mb——塑料在机筒中（包括螺杆槽中）的存料总量（g）；
mg——每次注射用量（g）。
因此，每次实际注射量mg为注射后机筒中存料mb的0.7～0.8倍较为合适。倘若注射量mg过少，会造成塑料件上有过早固化硬块，甚至必须经常对空喷射，以防止塑料在机筒中固化。
（2）嵌件和安装 热固性塑料制件中若要安放嵌件，首先要防止熔体钻料，其次要求安装快速。因此，通常在模外将嵌件装在嵌件杆或嵌件套上，然后整体装入。
防止钻料方法，其一是采用台肩式嵌件杆，如图6-16a所示。该台肩有时也制成锥面并与圆柱组合，如图6-16b所示。金属嵌件旋入嵌件杆后置于模内，还要防止嵌件杆与嵌件接触端面间被钻料。其二是提高嵌件杆和模具上插孔的配合精度，它们之间单边间隙在0.01～0.02mm之间。应先加上孔，然后配磨和配研成型杆，再镀铬抛光，并保证多个嵌件杆的互换性。
图6-16 嵌件与嵌件杆
（3）分型面设计 为增大锁模力以减薄甚至避免飞边，应减小分型面的实际接触面积，如图6-15所示。一般在型腔周围的10～20mm之外部分削去0.5～1mm。但也需注意到过大锁模力会使型腔塌陷。分型面上作用40～70MPa锁模压力为好，流动性好的物料应取其大值进行验算。
分型面硬度应在40HRC以上，避免飞边碎屑过快损伤分型面。对分型面镀铬处理，可减小飞边的黏附力。
分型面上不允许存在任何孔和凹坑，否则会造成飞边清理困难。应将模板上螺孔等设计成不通孔。若有通孔，也应将其镶填磨平。
（4）成型零件设计 成型零件工作尺寸的计算方法与热塑性塑料注塑模具相同。但在确定成型收缩率时，应注意到热固性塑料注塑收缩率的离散性较大，如酚醛塑料注塑收缩率为0.7%～1.2%。此外，在计算型腔深度尺寸时，要计入分型面上毛边厚度0.05～0.1mm，即将计算的模具型腔尺寸减去毛边值。
成型零件设计应尽量避免镶拼结构，以免熔体钻模。整体镶嵌式型腔常被采用。型腔表面粗糙度Ra应在0.20μm以下。
型腔和型芯一般都应经过热处理淬硬。表面硬度为40～45HRC的析出硬化钢SM2和PMS用于高精度的中小型模具。为了提高耐磨性，也常用合金工具钢9Mn2V、5CrMnMo、9CrWMn，其表面硬度为53～57HRC。含有矿石粉或玻璃纤维等硬质填料时，要求其表面硬度为58～62HRC。成型零件常用镀硬铬后抛光来降低表面粗糙度，提高耐磨性并防腐和防锈，延长模具使用寿命。镀铬层厚度在0.03～0.08mm之间。
（5）脱模机构设计 由于热固性塑料熔体有0.02mm以上单边间隙，就会钻模产生飞边，给脱模机构设计带来很大难度，所以应尽量避免采用推管和推板脱模元件。推管的内外柱面均有间隙配合。推板与型芯的配合间隙有时很难均匀一致，在高温下的实际间隙很难控制。倘若要使用推板，则脱模行程要增大到足以使推板脱出型芯。这样，便于清除飞边及碎片。
采用推杆比较容易使单边间隙达到0.01～0.02mm的要求。0.03mm以下间隙会产生极薄一层半透明的飞边，尚不妨碍相对滑动。但间隙小于0.005mm时，在约160℃左右模温下易产生配合面的胀咬故障。如图6-17a所示，在推杆的中间滑动段制成三棱带，可减小与高温孔壁的摩擦面。棱带应有足够长度和精度，每棱应有1.5mm的支承接触宽度。又见图6-17b，推杆在推出位置，动模底面与推杆三棱段应留有足够位置A，以允许碎屑从槽中自由脱落，而上部圆柱段要全部推出塑料件成型面。这种推杆直径通常大于5mm。棱带数可视直径增大而增多。
图6-17 热固性注塑模推杆
a）闭模位置 b）推出位置
（6）排气系统设计 热固性塑料注塑模不但要排出型腔中的空气，还要排出固化反应所产生的挥发性气体，因此，排气量大。在浇口前的分流道就应该开始排气。排气槽宽度就等于分流道宽度，在分型面上深度取0.12mm左右。一般在型腔四周均应当排气，在料流末端更应保证排气畅通。分型面上排气槽宽度3～8mm，深度0.06～0.18mm，如图6-18a所示，排气槽相互间隔至少25mm。排气槽允许物料溢出，并有与型腔表面相同的表面粗糙度和硬度。但遇到小型板件，排气量又不大，则用约深度0.06mm的浅排气槽，使飞边去除容易。也可以在芯柱上开设排气隙，如图6-18b所示。在芯柱外圆上磨出3个或4个深0.05～0.075mm的平面，然后经中心引气孔导出气体。在大多数场合，顶杆上也磨出类似的几个导气平面。加工时需注意，磨痕应沿着轴线方向，排气面端角上要磨出0.12mm左右的倒角。这样在有飞边形成时会粘连在制件上。最后一种有效的可靠方法是利用多孔的烧结块，如图6-18c所示。
图6-18 排气系统设计
a）分型面上排气槽 b）排气芯柱c）多孔烧结块排气
A—排气槽 B—排气孔 C—烧结块
（7）加热和绝热考虑 热固性塑料注塑模加热系统使用最多的是电热棒，也有用电热板的。其加热功率应该根据两绝热板之间的模具总质量计算。也有一个专用经验公式，即
P=0.2V （6-3）
式中 P——加热器功率（W）；
V——被加热模具体积（cm3）。
如图6-15所示，动模和定模分别设置测温热电偶，以自动控制模具温度，使成型表面温差在±2.5℃之内。表6-1为部分热固性塑料注塑成型模具温度提供了参考。
表6-1 部分热固性塑料注塑模模温 （单位：℃）
为防止高温模具向注塑机的两块模板传热，需设置两个绝热垫层，常用石棉水泥板或环氧玻璃钢板等。如图6-15所示，绝热层设置在动模支承板和垫铁之间，需加设定位套筒，也有将绝热层设置在动模底板和注塑机动模板之间的。
2.浇注系统设计
在设计时，应注意采用由热固性塑料注塑工艺特点而获得的经验数据。
（1）主流道 热固性塑料注塑成型时，物料在机筒内没有加热到足够高温度，因此，要求主流道有较大传热面积，而且热固性注塑机的喷嘴口径较大，锥角α应为1°～2°。主流道内壁的表面粗糙度Ra≤0.8μm。
图6-19 常用拉斜杆形式
a）球形头 b）Z形头 c）薄片头
由于热固性塑料有脆硬特性，因此拉料的“冷料”井应防止物料折断。图6-19a所示球形拉料头，d=d1+2mm。d与d1之差过小则无拉料作用，若过大会不能脱模或破裂。图6-19b所示Z形拉料头，最薄处不得小于4mm，尖角处应设有r=1mm的圆角。图6-19c所示薄片式拉料头，在圆柱杆头铣四条斜边，最薄处不得小于0.8mm，斜片长约10mm，使薄片具有弹性。
（2）分流道 圆形截面的比表面积最大，有利于传热固化，但实际上分流道设计大多采用梯形和半圆形。分流道断面面积与物料流动性、物料温度和分流道长度等因素有关，但主要取决于流经分流道的物料量。对于酚醛类塑料，分流道截面积可按下式估算：
Ar=amr+20mm2 （6-4）
式中 Ar——分流道截面积（mm2）；
a——系数，取0.26mm2/g；
mr——流经分流道的塑料量（g）。
也可按图6-20的曲线1估算。生产中梯形截面厚度，对于中小型塑料件可取2～4mm；对于较大塑料件可取4～8mm。
图6-20 酚醛塑料的分流道和浇口断面积、流过物料体积的关系
1—分流道 2—浇口
为了减小物料流动阻力，主流道与分流道、各分流道转向处，都应取较大的转角半径。转角半径应不小于分流道直径或宽度。分流道的表面粗糙度Ra在0.4μm以下，并镀铬。
（3）浇口 如图6-21～图6-23所示，热固性塑料注塑模的浇口形式有直浇口、侧浇口、盘形浇口、外环形浇口、内环形浇口、扇形浇口、平缝形浇口、点浇口和潜伏式浇口等。物料流经浇口时摩擦磨损大，固化了的浇口凝料质脆易断，故与热塑性塑料注射的浇口有所差异。下面介绍其中三种：
1）侧浇口。侧浇口长度为0.8～1.5mm。宽度应比分流道稍窄，中小制件为2～4mm，大制件为4～8mm。其深度是浇口截面积的修模调节尺寸，根据经验常取0.5mm左右。对于纤维填料取0.8～1.0mm，或取塑料件壁厚的1/2左右。对酚醛塑料的侧浇口截面积，可参考图6-20中的线2。
图6-21 热固性塑料注塑模的浇口类型
a）直浇口 b）侧浇口 c）盘形浇口 d）外环形浇口 e）内环形浇口 f）扇形浇口 g）平缝形浇口
图6-22 热固性塑料注塑的点浇口
2）点浇口。填料粒度大的热固性塑料不能用点浇口。点浇口处磨损剧烈，直径比热塑性塑料模大得多，常取d=1.2～2.5mm，可根据塑料件大小和壁厚选取。浇口形式见图6-22a、b。浇口带有锥度可减小摩擦。
3）潜伏式浇口。倘若采用点浇口就要用如图6-24所示的三板模结构，而潜伏式浇口可简化模具。该种浇口成功设计取决于浇口位置、浇口的两个角度、推杆位置、塑料件在脱模温度下是否具有柔性。如图6-23所示，浇口中心线与开模方向的夹角α为25°～30°较适宜。浇口本身锥角在25°～35°为好。推杆距浇口太近，推出时浇口凝料不能产生充分的挠曲，易剪切折断；但推杆太远，则固化浇口没有足够的推出力。
图6-23 热固性塑料注塑模的潜伏式浇口
1—镶块 2—推杆
浇口部位最好做成可换镶块。特别在大批量生产时，镶件的镀铬层磨去后，可重新镀铬或更新镶件。也可以考虑用硬质合金制造镶块，寿命可提高数倍。
图6-24中制件为模具注射石棉短纤维充填的酚醛环刷。该制件尺寸精度要求高，型腔的脱模斜度很小，采用盘形浇口有利于纤维的充模和分布。在用一模四腔的压制模成型时，成型周期达2.75min。改为一模四腔注塑模，由于破裂线很难控制，现为一模二件。采用三板模结构，拉尺被仔细设计，让动模板与中间板首先分离并剪断盘形浇口。第二次分型时，塑料件中心引导流道的固化物不被咬合或破碎。这样可实现自动生产，注塑周期为58s。
图6-24 一模二腔石棉短纤维充填酚醛塑料的双分型面注塑模
1—动模座板 2—推出板 3—推杆固定板 4—推杆 5、14—热电偶 6、15—绝热层 7—动模垫板 8—导套 9—动模板 10—中间板 11—凸模 12—导柱 13—定模固定板 16—流道浇口套 17—主流道环 18—定位圈 19—拉料杆 20—拉尺 21—带肩定距螺钉 22—凹模 23—加热器