1.1.2 模具设计阶段

除了前面介绍的利用3D打印机技术制作产品以外，几乎所有的塑胶产品都需要利用注射成型技术（模具）来制造。

1.注射成型模具

塑料注射成型是塑料加工中最普遍采用的方法，该方法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料，制得的塑料制品数量之大是其他成型方法望尘莫及的。作为注射成型加工的主要工具之一的注塑模具，在质量精度、制造周期以及注射成型过程中的生产效率等方面的水平高低，直接影响产品的质量、产量、成本及更新速度，同时也决定着企业在市场竞争中的反应能力。常见的注射模具典型结构如图1-22所示。

注射成型模具主要由以下几个部分构成。

● 成型零件：直接与塑料接触构成塑件形状的零件称为成型零件，包括型芯、型腔、螺纹型芯、螺纹型环、镶件等。其中构成塑件外形的成型零件称为型腔，构成塑件内部形状的成型零件称为型芯，如图1-23所示。

● 浇注：将熔融塑料由注射机喷嘴引向型腔的通道。通常，浇注由主流道、分流道、浇口和冷料穴4个部分组成，如图1-24所示。

● 分型与抽芯机构：当塑料制品上有侧孔或侧凹时，开模推出塑料制品以前，必须先进行侧向分型，将侧型芯从塑料制品中抽出，塑料制品才能顺利脱模，例如斜导柱、滑块、锲紧块等，如图1-25所示。

● 导向零件：导向零件是引导动模和推杆固定板运动，保证各运动零件之间相互位置的准确度的零件，如导柱、导套等，如图1-26所示。

● 推出机构：在开模过程中将塑料制品及浇注凝料推出或拉出的装置，如推杆、推管、推杆固定板、推件板等，如图1-27所示。

● 加热和冷却装置：为满足注射成型工艺对模具温度的要求，模具上需设有加热和冷却装置。加热时在模具内部或周围安装加热元件，冷却时在模具内部开设冷却通道，如图1-28所示。

● 排气：在注射过程中，为将型腔内的空气及塑料制品在受热和冷凝过程中产生的气体排除而开设的气流通道。排气通常是在分型面处开设排气槽，有的也可利用活动零件的配合间隙排气，如图1-29所示。

● 模架：主要起到装配、定位和连接的作用，包括定模板、动模板、垫块、支承板、定位环、销钉、螺钉等，如图1-30所示。

2.产品设计要求及修改建议

（1）肉厚要求

在设计制件时，制件的厚度应符合各处均匀的原则。决定肉厚的尺寸及形状需考虑制件的构造强度、脱模强度等因素，如图1-31所示。

（2）脱模斜度要求

为了在模具开模时能够使制件顺利取出，从而避免损坏，制件设计时应考虑增加脱模斜度。脱模角度一般取0.5的整倍数，如0.5、1、1.5、2等。通常，制件的外观脱模角度较大，更便于成型后脱模，在不影响其性能的情况下，一般应取较大脱模角度，如5～10°，如图1-32所示。

（3）BOSS柱（支柱）处理

支柱可以突出胶料壁厚，用以装配产品、隔开对象及支撑承托其他零件。空心的支柱可以用来嵌入镶件、收紧螺丝等。这些应用均要有足够强度支持压力而不至于破裂。

为避免在拧上螺丝时弹出打滑的情况，支柱的出模角一般会以支柱顶部的平面为中性面，而且角度一般为0.5°～1.0°。支柱的高度超过15.0mm的时候，为加强支柱的强度，可在支柱连上些加强筋，作结构加强之用。支柱需要穿过PCB的时候，同样在支柱连上些加强筋，而且将加强筋的顶部设计成平台形式，作承托PCB之用，而平台的平面与丝筒项的平面必须要有2.0～3.0mm，如图1-33所示。

为了防止制件的BOSS部位弹出缩水，应做防缩水结构，即“火山口”，如图1-34所示。

3.模具设计注意事项

合理的模具设计主要体现在以下几个方面：所成型的塑料制品的质量；外观质量与尺寸稳定性；加工制造时方便、迅速、简练，节省资金、人力，留有更正、改良余地；使用时安全、可靠、便于维修；在注射成型时有较短的成型周期；较长使用寿命；具有合理的模具制造工艺性。

设计人员在模具设计时应注意以下重要事项。

● 模具设计开始时应多考虑几种方案，衡量每种方案的优缺点，并从中优选一种最佳设计方案。对于T型模，亦应认真对待。由于时间与认识上的原因，当时认为合理的设计，经过生产实践一定会有可改进之处。

● 在交出设计方案后，要与工厂多沟通，了解加工过程及制造使用中的情况。每套模具都应有一个分析经验、总结得失的过程，这样才能不断提高模具的设计水平。

● 设计时多参考过去所设计的类似图纸，吸取其经验与教训。

● 模具设计部门应视为一个整体，不允许设计成员各自为政，特别是在模具设计总体结构方面，一定要统一风格。

4.利用CAD软件设计模具

常见的用于模具结构设计的计算机辅助设计软件有Creo、UG、SolidWorks、Mastercam、CATIA等。模具设计的步骤如下。

（1）分析产品。主要是分析产品的结构、脱模性、厚度、最佳浇口位置、填充分析、冷却分析等，若发现产品有不利于模具设计的情况，与产品结构设计师商量后进行修改。图1-35所示为利用Mastercam软件对产品进行的脱模性分析，即更改产品的脱模方向。

（2）分型线设计。分型线是型腔与型芯的分隔线。它在模具设计初期阶段有着非常重要的指导作用——只有合理地找出分型线才能正确分模。产品的模具分型线如图1-36所示。

（3）分型面设计。模具上用以取出制品与浇注凝料的、分离型腔与型芯的接触表面称为分型面。在制品的设计阶段，应考虑成型时分型面的形状和位置。模具分型面如图1-37所示。

（4）成型零件设计。构成模具模腔的零件统称为成型零件，主要包括型腔、型芯、各种镶块、成型杆和成型环。图1-38所示为模具的整体式成型零件。

（5）模架设计。模架（沿海地区或称为“模胚”）一般采用标准模架和标准配件，这对缩短制造周期、降低制造成本是有利的。模架有国际标准和国家标准，符号国家标准的龙记模架结构如图1-39所示。

（6）浇注设计。浇注是指塑料熔体从注塑机喷嘴出来后到达模腔前在模具中所流经的通道。普通浇注由主流道、分流道、浇口、冷料穴几部分组成，图1-40所示为卧式注塑模的普通浇注。

（7）侧向分型机构设计。因某些特殊要求，在塑件无法避免其侧壁内外表面弹出凸凹形状时，模具就需要采取特殊的手段对所成形的制品进行脱模。因为这些侧孔、侧凹或凸台与开模方向不一致，所以在脱模之前必须先抽出侧向成形零件，否则不能脱模。这种带有侧向成形零件移动的机构我们称之为侧向分型与抽芯机构。图1-41所示为模具四面侧向分型的滑块机构设计。

（8）冷却设计。模具冷却的设计与使用的冷却介质、冷却方法有关。注塑模可用水、压缩空气和冷凝水冷却，其中使用水冷却最为广泛，因为水的热容量大、传热系数大、成本低。冷却组件包括冷却水路、水管接头、分流片、堵头等。图1-42所示为模具冷却设计图。

（9）顶出。成型模具必须有一套准确、可靠的脱模机构，以便在每个循环中将制件从型腔内或型芯上自动脱出模具外，脱出制件的机构称为脱模机构或顶出机构（也叫模具顶出）。常见的顶出形式有顶杆顶出和斜向顶出，如图1-43所示。

（10）拆电极。作为数控编程师，一定要会拆镶块和拆电极。拆镶块，可以降低模具数控加工的成本。拆出来的镶块可以用普通机床、线切割机床完成加工。如果不拆，那么就可能要应用电极加工方式，电极加工成本是很高的。就算不用电极加工，对于数控机床来说也会增加加工时间。图1-44所示为拆镶块的示意图。

有时候为了保证产品的外观质量，例如手机外壳，不允许有接缝产生。因此必须利用电极加工，此时就需要拆电极。图1-45所示为模具的型芯零件与型芯电极。