洪慎章

(上海交通大学塑性成形技术与装备研究院，上海 200030)

洪慎章上海交通大学教授，曾任上海交通大学锻压教研室副主任，上海模具技术研究所教研室主任，中国锻压学会模具学术委员会委员。1952年考入浙江大学机械系金工专业学习，1953年被选派为留苏预备生在北京外国语学院学习，1960年毕业于原苏联列宁格勒加里宁工学院机械系锻压专业，获技术科学副博士学位。长期从事塑性成形加工教学及科研工作，主要研究方向为材料近净成形的各种新技术及成形过程数字化控制。1987年获中国船舶工业总公司科技进步三等奖。在国内外技术期刊上发表论文400多篇，编著及参编出版著作45本。关于塑料方面成型已出版了15本。

（接上期）

6.6 其他注塑模

6.6.1 结构发泡注塑成型

6.6.1.1 结构发泡成型工艺的实质及优缺点

结构发泡注塑成型是把结构发泡塑料注射入型腔，将氮气或发泡剂加入聚合物熔体，形成聚合物与气体的混合熔体。注入模具型腔后其气体膨胀，使熔体发泡而充满型腔。接触低温模壁的熔体中气体破裂，在型腔中发泡膨大，形成表层致密、内部呈微孔泡沫结构的塑件。其工艺系统中有结构发泡塑料、结构发泡注塑机、结构发泡注塑模等。

结构发泡塑料又称低发泡塑料、硬质发泡体或合成木材。所谓结构发泡塑件就是指发泡倍数为1～2倍，在塑料中加入发泡剂，采用特殊要求的注塑机、模具和成型工艺所成型的塑件。

常用的注射结构发泡制品的材料有聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺和ABS等。此外，含玻璃纤维的聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺等，可用于制造增强的结构发泡塑料件。

与普通注塑一样，结构发泡塑件注塑成功与否主要取决于合适的注射速度（注塑时问）、注射压力、注射温度（熔体温度）、型腔温度以及模具结构等。除此之外，相关的因素是发泡剂的性质、发泡剂在熔体中分散的程度、发泡孔的最终尺寸及分布的均匀程度、气泡的增长过程、增长速率等，因为这些因素都将影响到皮层和心部的结构状态，最终会影响到塑件的力学性能。

泡孔的形成过程大致分为三个阶段:泡孔的形成→泡孔的增大→泡孔的结合或稳定（见图352）。

图352 泡孔形成阶段

结构发泡注塑模有以下几种:

（1）高压法结构发泡注塑模包括两种类型。

a.木纹化模塑法结构发泡注塑模。将塑料完全充满型腔，发泡率极低，一般为1.1～1.2。用一般的注塑机稍加改进即可。模具设计和工艺要求比较复杂，如配合不当，不能得到良好的木质纹理塑件。

b.二次开模法结构发泡注塑模。要求注塑机设有二次移动模板的机构，当熔融塑料注满型腔后，瞬间移动模板，模具开模一小段距离，使心层发泡，得到低发泡塑件，发泡率可调节。

（2）低压法结构发泡注塑模 塑料以高速高压注入整个型腔容积的75%～80%，靠塑料在型腔内发泡而充满型腔。低压法要求注塑机喷嘴带有阀门并能够密封，才能达到较好的效果，低压法成型的塑件泡孔均匀，但是表面粗糙。

（3）双组分（夹心）注塑法结构发泡注塑模单组分发泡注塑（高压法、低压法）尽管可以节省20%～30%的塑料，但是对于大型塑件价格还是很高。而采用双组分时塑件内心可以掺用下角料、填料、废料、纸、碳酸钙等，这样可以大大降低成本。此类注塑模的结构有相继注塑法结构发泡注塑模、同心流道注塑法结构发泡注塑模。

结构发泡塑件的优点:①表面平整无凹陷和挠曲，无内应力；②具有一定的刚度和强度，外观近似木材，与木材相比具有耐潮湿、成型加工简便等优点；③相对密度小，比一般塑料的密度小15%～50%。

因此，在国外，结构发泡塑件广泛地应用于家具、汽车、电器部件、建材、仪表外壳、工艺品框架、乐器和包装箱等方面。

结构发泡塑件的缺点:①表面粗糙；②颜色不鲜艳。为了得到理想的结构发泡塑件常需进行表面处理，如涂漆等。

6.6.1.2 模具设计要点

结构发泡注塑模具的总体结构，与一般注塑模具并无显著差别。但此类模具设计时，有以下几方面必须考虑:

（1）主流道。主流道应整体开设在主流道衬套内，并且比一般注塑模主流道的锥度大6°～7°，小端直径比注塑机喷嘴孔径大0.7～1.0 mm，最大长度不超过60 mm。出口端向分流道接口处，应有较大的过渡圆角，常取出口端的半径。这种粗而短又有圆角过渡的主流道设计，有利于快速充模。.

（2）分流道。分流道采用比塑料件壁厚大的圆形或梯形分流道，以尽可能减少熔体的压力损失和热散失。分流道直径应在10～20 mm范围内选取，视塑料件体积和充模速率而定。

（3）浇口。最好采用直接浇口或侧浇口。潜伏式浇口和其他小浇口，只限于小型塑料件。浇口断面尺寸不能太小，以免妨碍高速充模。但分流道直径为20 mm时，浇口直径不得小于6.5 mm，从分流道向浇口过渡应有4.5～5.0 mm的大圆弧，以减小浇口对料流的节流作用。浇口长度应尽可能短，一般在1.5～3.0 mm之间。浇口断面尺寸随塑料件壁厚增加而增大，一般在塑料件壁厚的0.3～0.5倍范围内选取。对于表面易产生卷曲形纹理的发泡塑料件，其浇口位置的选择应尽可能使充模流动呈平行分布，为此，采用平缝侧浇口或多点侧浇口。通常浇口应开设在塑料件壁最厚部位，并使熔料流至型腔最远处各点的距离大致相同。此外，浇口的开设，应使塑料件的受载荷部位不形成熔合缝和卷入空气。

（4）型腔排气。结构泡沫注塑模的排气系统具有特别重要的意义。这不仅由于型腔容积大，而且还由于发泡剂分解释放大量残余气体。因此，这类模具须有更大的排气通道。沿着型腔的分型面的周边应均匀分布排气槽，它们之间相距50 mm。排气槽高度0.07～0.08 mm，必要时个别排气槽高度可增至0.25～0.30 mm，排气槽宽度12 mm左右，气流方向的排气槽长度可达6 mm。

（5）模具温度。均匀且可控的模温，有利于获得良好的泡孔结构和均匀的皮层。由于结构泡沫件的厚度大，流道粗大，因此冷却系统设计要提高冷却效率。如采用导热性能较好的铍铜模具，可保证冷却介质在管道内处于湍流状态。

6.6.2 共注塑成型（多色注塑成型）

共注塑成型是使用具有两个或两个以上注塑系统的注塑机，将不同品种或不同色泽的塑料同时或先后注塑进入一个或几个模具的成型方法，有多色多模的清色（分层）注塑成型、多色单模的的清色（分层）注塑成型、多色单模的混色注塑成型。

6.6.2.1 多色多模的清色（分层）注塑成型及模具

在一台注塑机上装有多副模具和多套注塑装置进行注塑，如双色双模的双清色注塑成型就是一种多色多模的清色注塑成型。双色双模的双清色注塑成型利用双色注塑机上的回转模具台，在一次注射头注射一次形成第一层，再到二次注射头注射一次形成第二层，最终得到双清色塑件。两次注射时型腔大小不一，且均是充满。不同品色的熔料之间的界面结合情况受到熔体温度、模具温度、注射压力、保压时间等因素的影响。

图353所示为双色注塑成型的设备，两个注射系统（机筒）和两副模具共用一个合模系统。模具的定模安装在机床固定板上，动模安装在机床回转板6上。两副模具的型芯相同且具有两根互相垂直的对称轴，型腔一大一小。其中一个注射系统2向小型腔模内注入A种塑料注塑成型后，开模，回转板转动180°，将已成型的A种塑料零件（包在型芯上）作为嵌件送到大型腔所在的另外一个注射系统4的工作位置上。合模后注射系统4向大型腔模内注入B种塑料，对嵌件包覆或半包覆，经过注射、保压和冷却定型后脱模。用这种形式可以生产分色明显的混合塑料件。

图353 双色注塑成型设备

双色双模方式的注塑模的设计要考虑一下几个方面：

（1）成型部分。成型部分设计与通用型注塑模基本相同，不同的是要考虑两个位置上注塑的凸模一致，凹模部分腔体大小不同，而且能与两个凸模都起配合得很好。一般这种模成型的塑件较小。

（2）浇注系统。由于是双色注塑，浇注系统分一次注射的浇注系统和二次注射的浇注系统，分别来自两个注塑装置。

（3）脱模机构。由于双清色塑件只在二次注射结束后才脱出，所以在一次注射位置的脱模机构不起作用。对于水平旋转的注塑机，脱模推出可用注塑机的顶出机构。而对于垂直旋转的注塑机，由于不能用注塑机的顶出机构，可用在回转台上设置液压推出的机构。

（4）模体。由于这种成型方法特殊，两副模具导向装置的尺寸、精度一定要一致。对于水平旋转的注塑机，模具的闭合高度要一致，两副模具的中心应在同一回转半径上，且相差180°；对于垂直回转的注塑机，两副模具要在同一条轴线上。

图354所示为按键双色注塑模结构。模具整体结构以模具中心为原点上下左右对称，只是字符嵌件型芯型腔与按键母体型芯型腔大小不同，流道也不对称。模具上分布有4个定模导柱、2个回转板导柱。整副模具采用1模12个字符嵌件和1模12个按键的布局（见图 355）。

图354 按键双色注塑模结构

字符嵌件模具工作过程:字符嵌件型腔为第一型腔，按键母体型腔为第二型腔，合模第一次注射后，模具垂直上方的第一型腔的12个腔内注射了白色字符嵌件。模具水平下方的第二型腔的12个按键母体腔在第一模时注射无字符的深色塑料按键，从第二模开始才注射深色塑料，将字符嵌件包封而成为带字符的按键。

开模时动模部分后退，I-I分型面首先分开。因为第一型腔成型字符嵌件部分，其浇口设计成潜伏浇口，此时潜伏浇口即与12个字符嵌件切断分离，但字符嵌件仍保留在动模部分中回转板13、14的型腔上，流道凝料由球形拉料杆15拉向动模一侧。第二型腔的浇口设计成侧浇口形式，成型的按键母体留在按键型芯26上，流道凝料由倒锥形冷料穴和球形拉料杆27拉向动模一侧。动模后退到使回转板全部脱离定模板上的导柱25后，动模继续后退，此时II-II分型面分开。依靠机床开合模机构推动螺旋轴3沿轴线向前移动一段距离，使回转板脱离回转板导柱28和按键型芯，同时使成型字符嵌件的流道凝料及成型按键母体的流道凝料从球形拉料杆15、27上脱落，按键母体也从按键型芯上脱落。倒锥形冷料穴中的凝料在弹簧的作用下推出冷料穴，此时回转板起推件板的作用。动模继续后退，机床开合模机构继续推动螺旋轴前进。此时螺旋轴在导滑销的作用下，一边沿轴线向前移动，一边绕轴线旋转180°后，将第一型腔成型的字符嵌件旋转输送到第二型腔所在位置，第一次注射结束。

图355 按键双色注塑模型腔布局

第二次注射过程是:合模，定模将回转板压向动模，由于第二型腔尺寸大于第一型腔尺寸，通过回转板从第一型腔输送过来的字符嵌件套入第二型腔中。定模导柱首先导入动模导套，然后回转板导套导入动模上的回转板导柱，回转板上的24个型孔导入动模上的24个型芯，螺旋轴上的导滑销迫使螺旋轴在合模过程中沿轴向作直线运动而不发生旋转运动。合模后第一次注塑成型的12个字符嵌件由按键型芯正确压入按键型腔中的成型位置，然后进行第二次注射。

6.6.2.2 多色单模的清色（分层）注塑成型及模具

在一台注塑机上装有一副注塑模和多副注塑装置进行注塑。如双色单模的双层注塑成型就是一种多色单模的分层注塑成型，它利用交叉分配喷嘴，分配式注入两种材料。这两种塑料由于注入型腔的顺序有先后，所以在型腔中分层凝固而形成双层塑件。

双组分的结构发泡注塑成型就是一种双色单模的双层注塑成型。第一次注射留出第二次注射充模的空间，即第一次不充满，第二次充满。

如图356所示，在三机筒中盛三种不同的物料，通过分配喷嘴，可成型内、中、外不同物料的制件，也可成型同种物料不同颜色花纹制件。

双层注塑模与通用型注塑模并没有什么大的不同，它是用一副模具得到双层的塑件。之所以能得到双层（双清色）的塑件，只是利用交叉分配喷嘴，分配式注射入两种材料。双组分的结构发泡注塑成型（夹芯注塑）也属于一种双层注塑成型。第一次注射留出第二次注射充填的空间，即第一次不充满，第二次充满。

图356 三注射头单模位注塑机

在设计此类模具时，还要考虑以下几个特殊方面:

（1）成型部分。由于某些塑料在注塑成型过程中，易产生挥发性气体，对腔体表面会产生腐蚀作用，所以要对型腔表面进行一些防护或强化处理，但模具的型腔结构比较简单。

（2）浇注系统。要考虑与分配喷嘴的可靠连接。

（3）排溢系统。由于型腔中的气体会对成型产生很多不良影响，故需在模具上设置排溢系统。

6.6.2.3 多色单模的混色注塑成型及模具

在一台注塑机上装有一副注塑模和多套注塑装置。几套注塑装置按比例同时注入熔料并在混色喷嘴中进行混合，而后注入型腔成型。图357(a)所示的形式是在流道中设置了多孔板；图357(b)所示形式是将流道加工成弯曲状，以限制塑料流动，使它产生高度剪切的混合作用，从而达到颜料与塑料均匀混合的作用。

图357 混色喷嘴

同双层注塑模（双色单模）一样，混色注塑模与通用型注塑模并没有什么大的不同。它是用一副模具得到混色的塑件，之所以能得到混色塑件，是因为利用混色喷嘴将多种颜料（或品种）的熔融塑料混合注入型腔中成型。

在设计此类模具时，要考虑的特殊方面如下所述:

（1）成型部分，应对型腔表面进行一些防护或强化处理。

（2）浇注系统，应和混色喷嘴可靠连接。

（3）模具应设置排溢系统。

6.6.3 单色多模注塑成型

在一台注塑机上安装有多副注塑模和单一注塑装置，通过各副模具的运动或注塑装置的运动，依次对每副模具进行充填并成型。

单色多模注塑机是一种多工位的注塑机，它的注塑装置、合模装置与一般卧式注塑机相似，而合模装置采用了转盘式的结构（水平旋转、垂直旋转、直线运动）。

图358所示为水平旋转的转盘式注塑机。旋转台上可以装几副模具，随着旋转台的定时控制间断旋转，依次与注塑装置的喷嘴相接触，接受注射后转一角度，离开喷嘴进行冷却，然后再转一角度，启模取件。

图358 多模水平旋转式注塑机

图359所示是单色多模的立式旋转装置。其特点是转盘的轴线与注塑装置的轴线和安装基面垂直。图360所示是模具转盘不动，而注射座绕转盘中心旋转的注塑机，在每一个模位上可完成注射保压程序。

这种注塑机的主要优点是:可以充分利用注塑装置的塑化效率，并使成型周期大大缩短，特别适用于大批量的塑件生产。其缺点是:锁模力较小，在注射压力大的情况下，塑件容易产生溢边。

单个模具的总体结构与一般注塑模相同，但这种成型方法在注塑机的合模装置之间有多个注塑模。在设计时还要考虑以下一些特点:

图359 多模位立式旋转装置

图360 多模位注射头旋转装置

（1）成型部分。在合模装置之间的多副注塑模可以是同种塑件的注塑模，也可以是不同品种塑件的注塑模。应尽量使各个模位的塑件质量和投影面积相近，以使各个模位的受力和注塑量均衡。另外，这种注塑成型的塑件一般较小。在每一个模位，注塑模都有单独的动模和定模部分。

（2）浇注系统。每一个模位的注塑模均有自己的浇注系统，轮到注射充模时，其都要与注塑机喷嘴接触。

（3）脱模机构。对于每一个模位的模具都有自己的脱模机构。当注塑机喷嘴不动、注塑模在旋转或运动时，注塑模位的模具完成注塑成型后，转到或运动到下一个模位而进行脱模。合模装置的开模行程要满足脱出并取出塑件和浇注系统的空间要求。开模时，合模装置间所有模位模具的动定模都要分开。在注塑机喷嘴转动或运动，而注塑模不动的情况下，在喷嘴转到或运动到下一个模位时，刚完成注塑成型的注塑模进行脱模。

（4）模体。对于水平旋转的注塑机，各副模具的中心应在喷嘴中心所在的回转半径上，且模位之间的相位角均等。对于立式旋转的注塑机，各副模具的中心应在同一回转半径上，且模位之间的相位角均等；另外，喷嘴应能与模具很好地接触，喷嘴中心线应与模具中心线在一条直线上。对于注射头旋转的注塑机，注射间的回转中心应在各模位的注塑模所在圆的圆心上，各注塑模应以等圆心角布置。

6.6.4 叠层式注塑成型

叠层式模具相当于将多副模具叠放组合在一起。这种模具往往需要有一个较长的主流道来输送熔体到模具中部。叠层式模具最适于成型大型扁平制件、小型多腔薄壁制件和需大批量生产的制件。最初的叠层式模具因使用普通流道，每次注射都要去除流道，不能实现自动化生产，因而应用较少。当叠层式模具应用了热流道技术后，其应用才得到了较大的提高。

叠层式热流道模具的主流道设置在模具的中心部分。由于叠层式模具型腔有多个分型面，这意味着需要有一个机构使这些分型面能同时分型。与常规模具相比，这种模具锁模力只提高了5%～10%，但产量增加了90%～95%，可以极大地提高设备利用率和生产效率，节约成本。此外，由于模具制造要求基本上与常规模具相同，主要是将两副或多副型腔组合在一副模具中，所以模具制造周期可缩短5%～10%。因此，尽管这种模具的加工技术要求较高，同时对注塑机的开模行程要求也较大，但在工业上的应用前景较好。

6.6.4.1 模具结构

图361所示是在一般注塑机上使用的叠层式注塑模结构形式。它是将两副或多副常规注塑模组合在一起，并加上热流道系统。该模具有3个主要组成部分，即中间部分、动模部分及定模部分。中间部分由装有热流道和向两侧供料的进料口的两块模板构成。在动模和定模部分都设置有推出装置，用机械、液压或气压等动力实现制件脱模。延伸式喷嘴外侧可用电阻丝加热。

热流道系统通过模具的定模板部分进行延伸，当模具闭合时与注塑机喷嘴相连接。这一因素在安排型腔的排列时应考虑进去，推出零件决不能穿过热流道伸展区域。模具部分安装在动模板上，在脱模过程中，中间板沿注塑机轴向运动，将延伸部分同喷嘴脱开。流道的延伸部分必须足够长，这样在开模过程中，可避免因熔料泄漏黏于导柱、导套而影响模具的运转。

6.6.4.2 热流道系统

图361 叠层式注塑模

叠层式模具的热流道系统主要由喷嘴、歧管、热流道板（集流板）、加热装置等组成。喷嘴的形式有多种，常用的喷嘴有开式喷嘴、鱼雷梭式喷嘴和针阀式喷嘴。在使用开式喷嘴时往往会引起流延，除了在塑件表面造成疵点外，成型塑件的性能也会因此而降低，形成的冷料甚至可能堵塞浇口。通常新式机器都具有熔体减压（在模具打开之前注塑机螺杆后退）功能，或在热流道歧管的浇口衬套里设有一个膨胀腔来解决这个问题。然而必须注意的是，减压总是要保持在最低限度，以免在主流道、流道系统或浇口附近吸入空气。因此，叠式热流道系统一般多采用阀式热喷嘴。

6.6.4.3 温控系统

叠层式热流道模具中的温控系统包括加热系统和冷却系统。加热系统的作用是保持流道中的塑料呈熔融状态，冷却系统的作用则是完成塑料和模具之间的热量交换。

加热系统中温度不能过低或过高。温度过低，塑料会在流道中形成较厚的固化层，影响实现连续注射；温度过高，可能导致塑料分解变色，在塑件上形成缺陷乃至报废。因此应严格控温，特别是新型高分子材料不断出现，温控要求的敏感度越来越高。设计冷却回路时，应考虑塑件的形状，冷却介质种类、温度、流速及冷却管道的布置等因素。

6.6.4.4 开模机构

叠层式模具在开模时，不仅动模部分移动，中间部分也同时移动，即应同时打开两个分型面，并由两侧的推出机构使塑件脱模。目前，叠层式模具的开模方式一般是由铰接杠杆或齿条驱动来同步开模，也可使用液压系统（见图362）。采用杠杆传动装置的模具运动平稳，中间板和推出机构的运动能在较长时间内加速，受力较小且磨损少。齿条开模机构在模具的两边各有一根齿条，两根齿条与安装在中间部分的齿轮相啮合，通过导轨及齿条控制系统使模具在两个分型面同时开启。与液压驱动和铰接杠杆驱动相比，齿轮齿条驱动机构性能较好，也较经济，但用铰接杠杆移动模具的灵活性则更大。采用液压辅助开模更易控制开模时间，但结构较大。

图362 叠层式注塑模联锁机构

叠层式模具在开合模过程中需要平稳而有效的支撑。有效的支撑方式有导柱支撑、上吊式横梁支撑、下导轨架支撑3种，支撑的种类应按模具结构来确定。用导柱及上横梁支撑有一定的作用，但是模具中央部分重量可能将导柱或横梁压弯，从而使分型面不能充分对齐。因此，这种支撑常会产生相当的定量偏斜，使模量不能充分对齐，以及分型面不完全准确闭合。用下支撑方式可以提供良好的支撑，但这需要横梁有很好的地基支撑。

用于直角式注塑机的叠层式模具，类似于在一般注塑机上使用的叠层式注塑模结构形式。由于这种注塑机垂直于模具安装方向进料，因而进料系统较为简单，只要将从侧向进料系统进入的熔料注入相对方向的型腔即可。不过这时模具有3个分型面，即图362中的型腔板（中间流道板）3沿中间分开，增加一个分型面。