模具尺寸和塑料收缩率经典介绍！

凌凌厉

核心提示：设计塑料模时，确定了模具结构之後即可对模具的各部分进行详细设计，即确定各模板和零件的尺寸，型腔和型芯尺寸等。这时将涉及有关材料收缩率等主要的设计参数。因而只有具体地掌握成形塑料的收缩率才能确定型腔各部分的尺寸。即使所选模具结构正确，但所用参数不当，就不可能生产出品质合格的塑件。
设计塑料模时，确定了模具结构之後即可对模具的各部分进行详细设计，即确定各模板和零件的尺寸，型腔和型芯尺寸等。这时将涉及有关材料收缩率等主要的设计参数。因而只有具体地掌握成形塑料的收缩率才能确定型腔各部分的尺寸。即使所选模具结构正确，但所用参数不当，就不可能生产出品质合格的塑件。

    一、塑料收缩率及其影响因素

    热塑性塑料的特性是在加热後膨胀，冷却後收缩，当然加压以後体积也将缩小。在注塑成形过程中，首先将熔融塑料注射入模具型腔内，充填结束後熔料冷却固化，从模具中取出塑件时即出现收缩，此收缩称为成形收缩。塑件从模具取出到稳定这一段时间内，尺寸仍会出现微小的变化，一种变化是继续收缩，此收缩称为後收缩。另一种变化是某些吸湿性塑料因吸湿而出现膨胀。

    例如尼龙610含水量为3%时，尺寸增加量为2%;玻璃纤维增强尼龙66的含水量为40%时尺寸增加量为0.3%。但其中起主要作用的是成形收缩。目前确定各种塑料收缩率(成形收缩+後收缩)的方法，一般都推荐德国国家标准中DIN16901的规定。即以23℃±0.1℃时模具型腔尺寸与成形後放置24小时，在温度为23℃，相对湿度为50±5%条件下测量出的相应塑件尺寸之差算出。

    收缩率S由下式表示：S={(D-M)/D}×100%(1)

    其中：S-收缩率;D-模具尺寸;M-塑件尺寸。

    如果按已知塑件尺寸和材料收缩率计算模具型腔则为D=M/(1-S)在模具设计中为了简化计算，一般使用下式求模具尺寸：

    D=M+MS(2)

    如果需实施较为精确的计算，则应用下式：D=M+MS+MS2(3)

    但在确定收缩率时，由於实际的收缩率要受众多因素的影响也只能使用近似值，因而用式(2)计算型腔尺寸也基本上满足要求。在制造模具时，型腔则按照下偏差加工，型芯则按上偏差加工，便於必要时可作适当的修整。

    难於精确确定收缩率的主要原因，首先是因各种塑料的收缩率不是一个定值，而是一个范围。因为不同工厂生产的同种材料的收缩率不相同，即使是一个工厂生产的不同批号同种材料的收缩率也不一样。因而各厂只能为用户提供该厂所生产塑料的收缩率范围。其次，在成形过程中的实际收缩率还受到塑件形状，模具结构和成形条件等因素的影响。下面对这些因素的影响作一介绍。

    二、塑件形状

    对於成形件壁厚来说，一般由於厚壁的冷却时间较长，因而收缩率也较大，如图1所示。对一般塑件来说，当熔料流动方向L尺寸与垂直於熔料流方向W尺寸的差异较大时，则收缩率差异也较大。从熔料流动距离来看，远离浇口部分的压力损失大，因而该处的收缩率也比靠近浇口部位大。因加强筋、孔、凸台和雕刻等形状具有收缩抗力，因而这些部位的收缩率较小。

    三、模具结构

    浇口形式对收缩率也有影响。用小浇口时，因保压结束之前浇口即固化而使塑件的收缩率增大。注塑模中的冷却回路结构也是模具设计中的一个关键。冷却回路设计得不适当，则因塑件各处温度不均衡而产生收缩差，其结果是使塑件尺寸超差或变形。在薄壁部分，模具温度分布对收缩率的影响则更为明显。

    分型面及浇口

    模具的分型面、浇口形式及尺寸等因素直接影响料流方向、密度分布、保压补缩作用及成型时间。

    采用直接浇口或大截面浇口可减少收缩,但各向异性大,沿料流方向收缩小,沿垂直料流方向收缩大;反之,当浇口厚度较小时,浇口部分会过早凝结硬化,型腔内的塑料收缩后得不到及时补充,收缩较大。

    点浇口凝封快,在制件条件允许的情况下,可设多点浇口,可有效地延长保压时间和增大型腔压力,使收缩率减小。

    四、成形条件

    料筒温度：料筒温度(塑料温度)较高时，压力传递较好而使收缩力减小。但用小浇口时，因浇口固化早而使收缩率仍较大。对於厚壁塑件来说，即使料筒温度较高，其收缩仍较大。

    补料：在成形条件中，尽量减少补料以使塑件尺寸保持稳定。但补料不足则无法保持压力，也会使收缩率增大。

    注射压力：注射压力是对收缩率影响较大的因素，特别是充填结束後的保压页号335压力。在一般情况下，压力较大的时因材料的密度大，收缩率就较小。

    注射成型中压力包括注射压力、保压压力和模腔压力等。这些因素均对塑件收缩行为有明显的影响。

    提高注射压力能够降低制品的收缩率。这是因为压力增大,使注射速度提高,充模过程加快后,一方面因塑料熔体的剪切发热而提高了熔体温度、减小了流动阻力;另一方面还可以在熔体温度尚高、流动阻力较小的状态下较早进入保压补料阶段。尤其对于薄壁塑件和小浇口塑件,由于冷却速度快,更应该尽量缩短充模过程。

    较高的保压压力和模腔压力使型腔内制品密实,收缩减小,尤其是保压阶段的压力对制品的收缩率产生影响更大。这可解释为熔融树脂在成型压力作用下受到压缩,压力越高,发生的压缩量越大,压力解除后的弹性恢复也越大,使得塑件塑件尺寸更加接近型腔尺寸,因此收缩量越小。

    可是,即使是对于同一制品来说,模腔内树脂的压力在各部分并不一致;在注射压力难以作用的部位和容易作用的部位,所受注射压力也不一样。此外,多型腔模具的各模腔所受压力应设计均匀,否则就会产生各模腔的制品收缩率不一致。

    注射速度：注射速度对收缩率的影响较小。但对於薄壁塑件或浇口非常小，以及使用强化材料时，注射速度加快则收缩率小。

    模具温度：热塑性塑料熔体注入型腔后,释放大量的热量而凝固,不同的塑料品种,需要模腔维持在一适当温度。在此温度下,将最有利于塑件的成型,塑件成型效率最高,内应力和翘曲变形最小。

    模具温度是控制制品冷却定型的主要因素,它对成型收缩率的影响主要表现在浇口冻结后制品脱模之前这段过程。而在浇口冻结之前,模温升高虽有增大热收缩的趋势,但也正是较高的模温使得浇口冻结时间延长,导致注射压力和保压力的影响增强,补缩作用和负收缩量均会增大。

    所以,总收缩是两种反向收缩综合作用的结果,其数值不一定随着模温的升高而增大。
如果浇口发生冻结,注射压力和保压压力的影响将会消失,随着模温的升高,冷却定型时间亦将延长,故脱模后制品收缩率一般都会增大。

    成形周期：成形周期与收缩率无直接关系。但需注意，当加快成形周期时，模具温度、熔料温度等必然也发生变化，从而也影响收缩率的变化。在作材料试验时，应按照由所需产量决定的成形周期进行成形，并对塑件尺寸进行检验。用此模具进行塑料收缩率试验的实例如下。注射机：锁模力70t螺杆直径Φ35mm螺杆转速80rpm成形条件：最高注射压力178MPa料筒温度230(225-230-220-210)℃240(235-240-230-220)℃250(245-250-240-230)℃260(225-260-250-240)℃注射速度57cm3/s注射时间0.44～0.52s保压时间6.0s冷却时间15.0s

    五、模具尺寸和制造公差

    模具型腔和型芯的加工尺寸除了通过D=M(1+S)公式计算基本尺寸之外，还有一个加工公差的问题。按照惯例，模具的加工公差为塑件公差的1/3。但由於塑料收缩率范围和稳定性各有差异，首先必须合理化确定不同塑料所成形塑件的尺寸公差。即由收缩率范围较大或收缩率稳定较差塑料成形塑件的尺寸公差应取得大一些。否则就可能出现大量尺寸超差的废品。为此，各国对塑料件的尺寸公差专门制订了国家标准或行业标准。中国也曾制订了部级专业标准。但大都无相应的模具型腔的尺寸公差。德国国家标准中专门制订了塑件尺寸公差的DIN16901标准及相应的模具型腔尺寸公差的DIN16749标准。此标准在世界上具有较大的影响，因而可供塑料模具行业参考。

    六、关於塑件的尺寸公差和允许偏差

    为了合理地确定不同收缩特性材料所成形塑件的尺寸公差，让标准引入了成形收缩差△VS这一概念。△VS=VSR_VST(4)

    式中：VS-成形收缩差VSR-熔料流动方向的成形收缩率VST-与熔料流动垂直方向的成形收缩率。

    根据塑料△VS值，将各种塑料的收缩特性分为4个组。△VS值最小的组是高精度组，以此类推，△VS值最大的组为低精度组。并按照基本尺寸编制了精密技术、110、120、130、140、150和160公差组。并规定，用收缩特性最稳定的塑料成形塑件的尺寸公差可选用110、120和130组。用收缩特性中等稳定的塑料成形塑件的尺寸公差选用120、130和140。如果用这类塑料成形塑件的尺寸公差选用110组时，即可能出大量尺寸超差塑件。用收缩特性较差的塑料成形塑件的尺寸公差选用130、140和150组。用收缩特性最差的塑料成形塑件的尺寸公差选用140、150和160组。在使用此公差表时，还需注意以下各点。表中的一般公差用於不注明公差的尺寸公差。直接标注偏差的公差是用於对塑件尺寸标注公差的公差带。其上、下偏差可设计人员自行确定。例如公差带为0.8mm，则可以选用以下各种上、下偏差构成。0.0;-0.8;±0.4;-0.2;-0.5等。每一公差组中均有A、B两组公差值。其中A是由模具零件组合形成的尺寸，增加了模具零件对合处不密合所形成的错差。此增加值为0.2mm。其中B是直接由模具零件所决定的尺寸。精密技术是专门设立的一组公差值，供具有高精度要求塑件使用。在此用塑件公差之前，首先必须知道所使用的塑料适用哪几个公差组。

    七、模具的制造公差

    德国国家标准针对塑件公差制订了相应模具制造公差的标准DIN16749。该表中共设4种公差。不论何种材料的塑件，其中不注明尺寸公差尺寸的模具制造公差均使用序号1的公差。具体公差值由基本尺寸范围确定。不论何种材料塑件中等精度尺寸的模具制造公差为序号2的公差。不论何种材料塑件较高精度尺寸的模具制造公差为序号3的公差。精密技术相应的模具制造公差为序号4的公差。

    可以合理地确定各种材料塑件的合理公差和相应的模具制造公差，这不仅给模具制造带来方便，还可以减少废品，提高经济效期益。