注射模具中的应力集中问题及其估算方法

在型腔和支承板间去除物料时模板中将产生应力集中。因为布置有水道和推出孔，故注射模具中一般存在应力集中。孔周围的合成应力分布类似于图12.22所示。在这一例子中，孔边缘与板边缘的距离为1.5个孔的直径。100MPa的压力作用在顶面。导致最大等效应力为340MPa，即应力集中系数为3.4。

图12.22 孔周围的应力集中

如果将孔远离型腔，则应力集中也将减少。为了确定应力集中系数，需要对模具的多种几何结构进行有限元分析。图12.23所示为应力集中系数与型腔壁面到孔中心线距离的关系。应力集中系数K的一个确定方式为

式中，ϕ_hole是孔的直径；H_hole是型腔壁到孔中心线的距离。

图12.23中虚线为该方式所确定的线。处于型腔壁面附近的孔应力集中很显著。然而，即使孔与型腔壁距离很远应力集中系数也不会小于3。这可以解释为什么在成型过程中熔体压力很高时，即使冷却水通道到型腔壁距离很远，裂纹也是从冷却水通道处扩展的。因此高熔体压力下的成型模具应使用高疲劳极限的材料如A6、D2或H13制作。

图12.23 应力集中系数与距离的关系

例：一个薄壁成型充模压力为200MPa且型芯材料为H13。求直径为9.5mm的冷却水通道到型芯表面允许的最小距离。

H13材料的疲劳极限为760MPa。熔体压力形成的挤压应力为200MPa，允许的应力集中系数为

最小距离可以通过图12.23来估算或通过式（12.19）来计算H_hole，即

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实际上冷却水通道比推出孔所引起的应力集中问题更为明显。从冷却水通道扩展的裂纹将最终导致泄漏和引起制品质量问题。相比而言，从推出孔扩展的裂纹不会引起很严重的失效问题。原因是负载作用下推出孔的变形时，推杆可支承孔周围的板，因而减小了孔处的应力。因此，推出孔处的裂纹扩展将达到一个极限长度，在这一点型芯的弹性变形作用在推杆上从而防止了裂纹的进一步扩展。

例：用QC-7制作的母模在成型过程中承受的熔体压力为100MPa。模具设计者打算使用一个直径为4mm的推杆且在型腔侧壁和推杆间有0.5mm厚的铝层。估算应力水平并计算推出孔的变形。

从型腔侧壁到推杆中心的距离H_hole为2.5mm。应力集中系数K为

给定熔体压力为100MPa，推杆的等效应力约为530MPa。这一应力稍低于其屈服强度545MPa（见附录B），所以材料没有立即屈服。然而这一等效应力却远远高于疲劳极限166MPa，模具成型的疲劳极限是进行一百万次成型时不发生失效的极限应力。图12.5所示为疲劳失效曲线图，由其可见这一设计在成型1000次左右时就会失效。

为了计算推出孔的变形，应计算出接近推出孔处的挤压应力。一种方法是假定全部等效应力就为挤压应力。这一方法会使计算的孔的变形值过大，因为等效应力中还有一部分是剪切应力，所以它要大于挤压应力。根据这一假定，在相邻板处的应变为

推出孔处有变形的材料的长度与孔的直径相等，孔的变形量可以计算为

δ_hole=εϕ_hole=0.73%×4mm=0.03mm

这一变形量在间隙允许范围内且在推杆处可以用来排气。经过多次成型加工，这个孔将发生塑性变形从而约束推杆。为了证实这一结论，负载情况的有限元分析得出变形量实际上为0.10mm，如图12.24所示。

图12.24 接近型腔壁面处推出孔的变形

分析计算和模拟得出的结果存在较大差距的原因是接近型腔壁面处的孔在孔的上端发生了局部弯曲变形，如图12.24所示，这一点在分析计算中并没有考虑。如果加上0.01mm的移动线，结果显示孔左侧和右侧模板的垂直变形与前面分析计算得出的0.03mm非常接近。