环向应力分析及安全性评估：P20钢杯形模具设计

当型芯有用于冷却水通道或其他目的的空心部分时，侧壁必须承受熔体压力所引起的挤压作用。图12.26所示为负载的情况。

图12.26 受到熔体压力的型芯

熔体压力引起的挤压应力σ_hoop计算为

式中，p是熔体压力；ϕ_core是型芯的外径；h_core是型芯侧壁厚度。

为了避免侧壁中的挤压失效，环向应力必须低于材料的极限应力。这导致了下面的对侧壁厚度的限制，即

这一限制也可以用于确定型芯的最大内径ϕ_inner，即

假定熔体压力为150MPa，可以从P20钢制作的型芯得到设计型芯的一个大体准则。P20钢的疲劳极限约为450MPa，侧壁的厚度应满足

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型芯的最大内径为

实际上，模具设计者应根据成型过程中具体应用的最大熔体压力和疲劳极限来进行上面的分析。

例：假定型芯外径ϕ_core为60mm，侧壁厚度h_core为10mm，熔体压力为80MPa，计算杯形模具型芯的环向应力。如果型芯材料为铝QC-7，确定其最大内径。

根据上面的假定，环向应力为

这一应力是一个安全值，但也很大。如果型芯由铝QC-7制作，那么有两个负载可能决定型芯内径的允许值。第一，模具设计者应考虑80MPa熔体压力的循环作用，其疲劳极限为166MPa。这一关于疲劳失效的分析说明型芯内径应为

第二，模具设计者应考虑注射成型过程中熔体在最大压力时偶发过载情况。单次循环中过高的压力也能导致型芯的失效。为了检验这一情况，当熔体压力为200MPa时型芯应用屈服强度为545MPa的QC-7。这一关于屈服失效的分析说明型芯的内径应为

比较上面两种结果可知在过载情况下循环失效比屈服失效更为严重。当成型循环次数很多时，材料为QC-7的型芯的最大内径为31mm。