精密注射模成型零件的设计指南

精密注射模成型零件的设计包括成型零件尺寸计算和成型零件结构两部分。成型零件尺寸计算得正确与否直接影响到精密塑件的尺寸及精度，而成型零件的结构合理性则影响到成型零件的制造工艺和精度，二者对最终精密塑件的精度有重要的影响，模具设计时应予以注意。

1.精密注射模成型零件尺寸计算

精密注射模型腔、型芯尺寸及公差的确定应充分考虑模具制造公差要求、塑料成型收缩率的波动、使用磨损量等的影响以及修模的需要。与普通注射模成型零件尺寸计算方法不同，精密注射模成型零件尺寸计算采用的不是平均值计算法，而是极限值计算法，即用于成型零件尺寸计算的参数值均选取极限值（如极限制造公差、极限收缩率、极限磨损量等）。精密注射模成型零件尺寸计算示例如图4-15所示。

在精密注射模成型零件尺寸计算之前，应对塑件的尺寸公差标注格式进行规范，具体规定如图4-15所示，精密塑件外形和高度尺寸的偏差按基轴制标注；精密塑件内形及深度尺寸偏差按基孔制标注；中心距尺寸偏差按对称偏差标注。如果精密塑件尺寸偏差的标注不符合上述规定，应先进行尺寸等效变换后，再代入相应的成型零件尺寸计算公式，计算成型零件的尺寸。

（1）型腔径向尺寸 精密注射模型腔径向尺寸可按下式计算：

图4-15 精密注射模成型零件尺寸计算示例

a）型腔尺寸 b）精密塑件尺寸 c）型芯尺寸

式中，L_M为型腔径向尺寸；L_s为塑件外形径向尺寸；S_max为塑件最大成型收缩率；Δ为塑件径向尺寸公差；δ_z为模具制造公差。

求得型腔径向尺寸后，应校核制品出现最大尺寸时（即型腔径向按最大尺寸制造，磨损到规定的极限值，且按最小收缩率时），L_s是否合格，尺寸校核公式为：

L_smax=L_M+δz+δ_c-S_minL_s≤Ls （4-3）

式中，L_smax为塑件外形最大径向尺寸；δ_c为模具磨损量；S_min为塑件最小成型收缩率；其他参量同前。

若满足式（4-3）的要求，则可按式（4-2）计算所得的尺寸加工型腔，所生产的塑件的尺寸会在其公差范围内，且偏小。这有利于延长模具的寿命，且给修模带来方便（因型腔修大容易，修小难）。

（2）型芯径向尺寸 精密注射模型芯径向尺寸可按下式计算：

式中，l_M为型芯径向尺寸；l_s为塑件内形径向尺寸；其他参量同前。

求得型芯尺寸之后，也应校核当制品出现最小尺寸时（即型芯径向按最小尺寸制造，磨损到规定的极限值，且按最大收缩率时）l_s是否合格，尺寸校核公式为：

l_smin=l_M-（δz+δ_c）-S_maxl_s≥l_s （4-5）

式中，l_smin为塑件内形最小径向尺寸；其他参量同前。

若满足式（4-5）的要求，则可按式（4-4）计算所得的尺寸加工型芯，所生产的塑件的尺寸会在其公差范围内，且偏大。这也有利于延长模具寿命和便于修模（因型芯修小容易，变大难）。

无论是型腔还是型芯的径向尺寸，只有满足式（4-6）的要求，才有可能校核合格，即式（4-6）为型腔或型芯径向尺寸校核合格的必要条件。

（S_max-S_min）L_s+δ_z+δ_c≤Δ （4-6）

（3）型腔深度尺寸 精密注射模型腔深度尺寸可按下式计算：

式中，H_M为型腔深度尺寸；H_s为塑件高度尺寸；其他参量同前。

求得的型腔深度尺寸也需要校核，当型腔深度按下极限尺寸制造，收缩率最大时，所得制品最小高度是否合格，尺寸校核公式为：

H_smin=H_M-S_maxH_s+Δ≥Hs （4-8）

若满足式（4-8）的要求，则可按式（4-7）计算所得尺寸加工型腔，所生产的塑件高度尺寸会在其公差范围内，且偏大。这有利于延长模具的寿命，且给修模带来方便（因型腔深度修浅容易，修深难）。

（4）型芯高度尺寸

1）当型芯结构为台阶式固定，修磨固定板平面较为方便时，型芯高度尺寸可按下式计算：

式中，h_M为型芯成型部分的高度尺寸；h_s为塑件内形深度尺寸；其他参量同前。

此时应校核当型芯高度按上极限尺寸制造，收缩率最小时，所得塑件孔的最大深度是否合格，尺寸校核公式为：

h_smax=h_M-S_minh_s-Δ≤h_s （4-10）

若满足式（4-10）的要求，则可按式（4-9）计算所得的尺寸加工型芯，所生产的塑件孔深会在其公差范围内，且偏小，这种型芯尺寸设定也有利于修模。

2）当型芯为整体式结构，修磨型芯端面比较方便时，型芯高度尺寸可按下式计算：

求得型芯高度尺寸后，需校核当型芯高度按下极限尺寸制造，成型收缩率最大时，所得塑件孔的最小深度是否合格，尺寸校核公式为：

h_smin=h_M-δ_z-S_maxh_s≥h_s （4-12）

若满足式（4-12）的要求，则可按式（4-11）计算所得的尺寸加工型芯，所生产的塑件孔深会在其公差范围内，且偏大，该尺寸设定有利于修模。

不论型芯高度或型腔深度，只有满足式（4-13）的要求，才有可能校核合格，即式（4-13）为型芯高度或型腔深度尺寸校核合格的必要条件。

（S_max-S_min）H_s+δ_z≤Δ （4-13）

由式（4-6）和式（4-13）可知，当塑件公差值较小，塑料收缩率波动较大，模具制造公差又较大时，则校核可能不合格，即不能满足塑件的公差要求。此时应提高模具加工精度，选用收缩率波动小的塑料原料，这就是精密塑件成型时对模具精度和塑料原料有较高要求的原因。

（5）型芯（或成型孔）中心距尺寸精密注射模型芯（或型孔）的中心距尺寸经推导可知，按极限值法和平均值法计算的结果是一样的，因此中心距尺寸可按下式计算：

C_M=（C_s+C_sS_cp）±δ_z／2 （4-14）

式中，C_M为型芯（或型孔）的中心距尺寸；C_s为塑件上孔（或凸台）的中心距尺寸；S_cp为塑件的平均成型收缩率；δ_z为模具制造公差。

中心距尺寸计算后，还应校核其出现最大和最小中心距时，塑件尺寸是否合格，校核公式为：

式中，δ_j为两型芯（或型孔）可能发生的最大偏移量，δ_j=（δ_j1+δ_j2）／2；δ_j1、δ_j2为型芯1和型芯2可能发生的偏移量；Δ为塑件中心距公差；其他参量同前。

精密塑料制品往往要求在加上脱模斜度后，其型腔或型芯大小端尺寸及公差都应在规定的公差范围内，以满足制品配合的需要。此时型腔小端尺寸按式（4-2）计算，型腔大端尺寸应按下式计算：

而型芯大端尺寸可按式（4-4）计算，型芯小端尺寸应按下式计算：

式（4-17）和式（4-18）中通常取Δ／4，如果需要加大脱模斜度则可取Δ／2。

精密注射模成型零件制造公差δ_z取塑件公差的1／3（即Δ／3）以下；模具其他结构零件的公差为普通塑料注射模的1／2以下。

2.精密注射模成型零件结构设计

精密塑料制品的尺寸精度受模具装配精度的影响较大，而精密模具的装配精度又取决于镶块和模体的嵌入精度、固定部分和活动部分的位置接合精度两方面。精密注射模的成型零件为了便于加工和保证精度，采取的方法是将型腔和型芯分解为多个小镶块，再嵌入模体，因此，成型镶块的嵌入精度显得十分重要。为了提高固定部分与活动部分的位置接合精度，通常可采用图4-16所示的楔面锁合法对正结构，楔面的斜角一般可取10°～20°。

（1）精密注射模镶拼结构的必要性 在精密塑件上常有侧面凹槽等微细结构，其成型零件结构必须采用镶拼形式，以方便塑件的脱模和成型零件的加工。对于线圈骨架类精密制品必须采用瓣合模具结构，而接插件、继电器壳圆角等部分的成型零件需用精密磨床（进给量0.005mm）加工，通常采用成型磨削法才能加工出其局部形状。

精密注射模的型芯除杆类零件外，一般均用铣床和雕刻机进行加工，再用电火花或精密磨削加工，因此，将成型零件设计成镶拼结构，使用分解加工的方法对保证加工精度最为有利，如图4-17所示。由于型腔体和型芯具有一定的强度和耐磨性，以及较高的精度要求，到目前为止，精密磨削加工是保证模具成型零件加工高精度最为有效的方法之一，但它仅限于平面或圆弧面的加工，型腔和型芯必须分解加工才能满足加工工艺要求。

图4-16 楔面锁合法对正结构

1—型腔底部镶块 2、5—型腔侧壁镶块 3—型芯镶块 4—精密塑件 6—衬片 7—型芯固定镶块

图4-17 精密注射模成型零件镶拼结构

a）矩形件镶拼结构 b）盒形件镶拼结构（装配状态） c）盒形件镶拼结构（分解状态）

（2）精密注射模镶拼结构的特点 与整体结构的模具相比，镶拼模具结构具有如下优点：

1）可根据模具使用部位的不同要求，选择合适的模具材料。如塑件局部成型表面要求达到镜面时，可选择镜面加工性能良好的模具材料制成镶块，镜面加工性能的优劣除模具材料因素外，还与抛光加工的因素有关，制成镶块更容易抛光。对于需要高耐磨性和耐蚀性的部位，则可选择耐磨性和耐蚀性良好的模具材料。另外，根据使用部位的不同要求（如强度和韧性等要求），可规定不同的热处理条件，以提高易产生变形部位的韧性。

2）镶拼结构不仅方便加工，容易磨削和研磨，还可提高零件的工作精度。如图4-18所示，采用镶拼结构的分解加工，可通过研磨来提高槽距P、槽宽H的加工尺寸精度。

图4-18所示的成型零件，其整体式结构和镶拼结构使用的加工方法有所区别，不同的加工方法获得的尺寸精度也不同，见表4-6。

图4-18 成型零件分解加工方法

a）整体结构 b）镶拼结构

表4-6 不同加工方法获得的矩形槽尺寸精度 （单位：mm）

3）分解加工零件的件数增多，同时可以增加机械加工量，相对于电加工而言可提高生产率。

4）镶拼结构的模具零件尺寸容易测量和控制，可进一步提高加工精度。

5）镶块沿制品的脱模方向容易磨削，对脱模斜度小或无脱模斜度的模具更为有利。(www.xing528.com)

6）对于排气困难的不通孔，镶拼结构容易加工排气槽，不易产生充不满的现象。

7）镶拼结构可以提高零件加工精度和零件互换性，容易维护。

另一方面，镶拼模具结构也会带来一些不利因素，具体有：

1）镶块的件数会增加。如果成型零件分解得过于零碎，反而会提高模具的制造成本。零件数的增加必须均衡地提高各零件的加工精度，否则模具总体精度会受影响。由于型腔和型芯的分解、组装，增加了维修保养难度。

2）分解的成型零件镶块尺寸小，拼接面增多，难以开设冷却介质通道，对成型区的模具温度控制不利，也不易缩短成型周期。

3）镶拼结构的模块加工方法较单一，限制了模具零件的加工。

（3）型腔、型芯镶拼结构的设计 精密注射模的型腔和型芯镶拼结构的分解，直接影响了模具的质量和加工难度，模具设计过程中应合理分割镶块，重点考虑如下几个方面：镶拼结构首先应考虑制品的形状、尺寸和功能；其次应考虑型腔和型芯的刚性问题，应保证分解后的型腔、型芯镶块在组装后具有足够的刚度；从模具制造出发，还必须照顾到加工技术和组装问题。

型腔和型芯的镶拼结构设计原则：

1）按制品的形状和功能进行镶拼。因镶拼零件的接缝会在制品表面出现分型线，故拼接缝应选在不影响外观的位置上。镶拼零件有时还可能产生几微米的“台阶”，如果该表面起着某种功能作用时，则台阶的位置就应避开该表面。拼接缝若恰巧位于制品的高低差面上，则该部位变成尖棱，成型时会产生飞边，此时应考虑以不妨碍制品的功能为宜。另外拼接线不应位于塑件易产生应力的部位，否则会因应力集中而导致塑件破损。

2）按型腔和型芯加工技术进行镶拼。因镶块的加工依赖于精密成形磨削，因此，镶块的拼接结构应按适宜进行成形磨削的要求来设计。对于形状复杂的型腔和型芯，分割细一些，使各零件由简单的圆弧和平直面构成，容易采用磨削或研磨加工，零件的尺寸一致性好。分割时应尽可能使各块零件的形状相同，因为形状不同则加工时必须改变机床的加工条件，既费时又影响精度。加工技术除加工方法外，还包括工人的技术水平，应根据这些不同因素改变镶块的设计方案。

如图4-19所示，型芯采用不同的拼接方式，对模具的加工精度要求也不同。图4-19a所示为平拼结构，属常用的拼接方法，但这种拼接法累积误差大，必须提高每个零件的加工精度；在加工技术水平不高时，可改用图4-19b、c所示的结构，可减小累积误差。

图4-19 型芯的拼接结构

a）平拼结构 b）堆叠结构 c）梳形镶嵌拼接结构

3）镶拼结构应不易产生变形。为提高镶块的性能，通常需要热处理，应尽量设计成不易变形的形状，如图4-20所示（图中箭头为镶块变形的方向，加长的部分待镶块加工后沿双点画线位置切除）。

4）镶拼结构应有利于排气槽的开设。对于窄而深的不通孔，最好使排气槽不弯折，采取直接镶拼到型芯下端的结构为好（图4-17b、c）。

5）应尽可能将模具设计标准化。所谓标准化就是对具有相同形状的部位加以强制性的限制。塑件上形状差别很小的部位，对其镶入部分的形状和尺寸要加以统一，并应尽量使用标准组合，这有利于防止出现加工差错，实现加工程序和加工方法的标准化。因此，标准化是提高加工效率的基础。

图4-20 镶拼结构的改进

a）不合理 b）合理

6）镶拼结构应便于维修。对于容易磨损或破损的部位，应尽量设计成便于更换的镶拼结构。例如对玻璃纤维增强塑料，由于浇口部分极易磨损，因此在该处应镶入高耐磨合金的镶块。对极细的或极薄的型芯，可以把它与其相邻型芯加工成整体形式，并在材料选用和淬火硬度等方面采取措施防止型芯破损。如果必须使用单独的拼块，则应避免角部的应力集中。

7）镶拼结构应便于装配和拆卸。模具经常需要进行装拆，因而必须便于分解和组装，并具有便于恢复原有精度的结构形式。当镶块数量多时，应考虑分步拼装，不应使拆卸和组装程序繁琐，同时易保证尺寸精度。当型腔、型芯的零件分别组合在一起嵌入各自的模框中，则必须使型腔和型芯的中心相一致。根据拼块的形状、间距和位置，可考虑使用圆柱销对型腔和型芯进行定位，销孔需用夹具准确地进行磨削加工。

8）其他需要注意的事项。根据实际需要不宜将拼块分得过小，如果拼块过小，则会降低其使用强度，增加加工工时。因此只要在加工精度允许的范围内，应尽量采用磨削和电加工并用的方法进行加工。另外，拼块数量越多，累积误差也越大，因而随着拼块数量的增加，就不得不提高单个拼块的加工精度，从而增加了模具制造的难度和成本。

（4）镶拼模套的结构精密注射模由于成型镶块尺寸小，数量多，为维持镶拼零件的尺寸精度，并保证型腔和型芯的相对位置，需要使用模套将镶块紧固在一起，再将其镶入模板的型孔中。

固定成型镶块的模套结构如图4-21所示，最常用的模套结构是框形结构，其型腔镶块依靠楔块（图4-21a中的件2）紧固，楔块的斜角可取1°～3°，装配后楔面对型腔镶块有预紧作用。框形模套除要承受成型压力外，还需承受楔块的预紧作用力，故应增大模套尺寸，以提高其强度。

由于小型框形模套容易变形，框的内表面也不便磨削，不易保证镶块的位置精度，在无法采用大尺寸模套时，可采用槽形模套结构，它可省去楔铁插拼结构，模套拼块上的定位止口不仅能提供精确的模套尺寸，还能对模套起增强刚度的作用。如果镶块数量过多，加在各镶块上的成型压力可能造成壁面应力过大，此时，最好不采用槽形模套，而采用框形模套。

图4-21 模套结构

a）框形结构 b）槽形结构

1—模套 2—楔块 3～7、9～13—型腔镶块 8—槽形模套主拼块 14—槽形模套侧拼块 15—垫块

（5）成型零件整体式结构设计 精密注射模的成型零件是否采用镶拼结构，应考虑精密塑件的形状、加工方法、模具刚度、模具大小、塑件的脱模等因素。使用镶拼结构的目的是为了将复杂形状转化为简单形状，因此，其加工方法以磨削为主，以电火花、线切割加工为辅。若采用整体式成型零件，则其加工方法以电火花加工为主，以铣削、磨削和线切割加工为辅。

1）塑件形状是模具成型零件结构设计的主要依据，如图4-22所示。当塑件的棱角部位为90°（图4-22a），即要求具有锐棱时，最好采用镶拼式模具结构；当塑件的底部有过渡圆角时（图4-22b），不易磨削加工，可改为电火花加工，则模具成型零件结构用整体式比较有利。

图4-22 成型零件结构

a）镶拼式结构 b）整体式结构

1、2、4—型腔镶块 3、6—型芯镶块 5—型腔整体镶块 7、8—垫块

2）高精度整体式成型零件的设计包括电极设计、排气结构、接缝、公差控制等部分。

①电极设计。整体式结构使用电火花加工，电极整体式结构不易实现高精度加工，多数情况采用组合电极结构。如图4-23所示，采用整体式电极要求精度高，电极尽可能没有接缝，但在不易高精度加工的区域，或模具型腔纵深方向的台阶部分要求有尖棱时，则多采用镶拼电极进行加工。

②排气结构。成型零件整体式结构最大的缺点就是排气不良，排气结构如图4-24所示。为解决排气问题，通常可利用型芯镶块或型腔局部镶块接缝间隙排气；在排气极端困难时可增设专门的工艺孔或排气镶块（图4-13b）。

③接缝。在高精度整体式成型镶块模具中，常会遇到插接、平接和嵌入等接缝问题。如图4-25a所示，小型芯的端面与大型芯端面平接，接缝精度主要受小型芯垂直度影响，模具制造时可预留修模量，依靠研修小型芯端面来提高其平接精度。图4-25b所示的定模圆形型芯与动模矩形型芯有Z字形面接触，两水平面为平接状态，而斜面为插接状态，此时两型芯的接缝精度不仅受型芯垂直度的影响，还受动、定模合模精度的影响。因此，精密注射模在考虑镶件的嵌入时，不仅要考虑嵌入的接缝精度，还要考虑模具的合模精度，对于整体式结构，要达到高精度，这点是不容忽视的。

图4-23 电极结构

1—电极A 2—电极B 3—电极C 4—成型镶块

为了提高精密注射模动、定模的合模精度，通常模具的合模导向除采用导柱、导套配合外，还应增设锥面定位或圆柱导正销定位，也可用标准矩形或圆锥形精密定位锁定位，如图4-26所示。由于矩形精密定位锁只能约束XY平面上某个方向的自由度，因此，在分型面上每个方向（X或Y方向）必须同时安装一对矩形精密定位锁，才能达到精确定位的要求。圆锥形精密定位锁的配合面为圆锥面，可同时约束XY平面的两个方向，所以在分型面上只安装一对圆锥形精密定位锁，即可达到动、定模精确定位的要求。有时为了更进一步提高动、定模的合模精度，同时方便动、定模镶块的模外研配，往往在动、定模成型镶块的四个角上增设精密定位锁扣，以提高动、定模镶块的合模定位精度，如图4-27所示。

图4-24 排气结构

a）整体式型腔型芯镶块排气方式 b）组合式型腔局部镶块排气方式

图4-25 接缝关系

a）平接结构 b）平接与插接结构

1—小型芯 2—大型芯 3、4—型腔 5—圆形型芯 6—矩形型芯

图4-26 标准精密定位锁类型

a）侧装式矩形定位锁 b）正装式矩形定位锁 c）双层侧装式矩形定位锁 d）圆锥形定位锁

④公差。镶拼模具镶块的加工公差通常规定为精密塑件尺寸公差的1／6～1／7，而整体式模具的加工公差约为精密塑件尺寸公差的1／5。这是因为镶拼式模具由多个镶拼零件组成，累积误差会更大，零件本身的尺寸公差会影响塑件的尺寸，故镶拼零件的加工公差应控制得更严格。

3.精密注射模刚、强度结构的设计

精密注射模在成型时，要承受设备锁模力和熔体外胀力的作用，这会引起模具的变形，导致塑件精度的降低。在模具受力变形的同时，注射机锁模机构也会发生变形，为了获得精密塑件，在设计模具结构时必须考虑注射机和模具的弹性变形问题。从变形规律来看，精密注射成型塑件的精度随锁模力和注射压力的变化而变化，而整体式模具的受力变形量比镶拼式模具小。

精密注射模具的强度、刚度计算可以参照普通注射模结构，只是允许的变形量更小，要求更严格。通常提高精密注射模具强度、刚度最有效的方法是采用增强结构设计。

1）精密注射模型腔的增强。通常采用锥面或斜面增强结构，如图4-28所示。

图4-27 镶块上设置精密定位锁扣的形式

1—动模镶块 2、3—小型芯

图4-28 精密模型腔的增强结构

a）浅框形型腔的增强 b）深框形型腔的增强（a₂=a₁／8）

2）型芯固定板的增强。型芯固定板的增强可采用斜楔增强结构，如图4-29所示。

3）模具支承板的增强。精密模具要求支承板的挠曲变形量很小，而又不允许把支承板设计得过厚，有研究表明，当支承板厚度达到40mm时，采用继续增加板厚度的方法来减少其挠曲变形量的作用已极其微弱。因此，对于两垫块之间距离较大的模具，采用增设支承柱的方法来加强支承板的强度和刚度更加有效。支承柱的数量取决于支承柱允许的压缩量，此压缩量等于支承柱的超高量（与垫块高度相比较）和型腔、型芯之间分型面允许的间隙值之和，支承柱的超高量以不使接触面产生塑性变形为限，一般取0.02～0.05mm。支承柱的数量一般为2～6根，直径为ϕ20～ϕ60mm。

4）接触面的增强。型腔和型芯之间的分型面会因压力作用产生压缩变形，加上受压部分的挠曲变形而形成间隙，这不仅会使精密塑件产生飞边和毛刺，对塑件尺寸精度也有不良影响，因而也需要用支承柱来减小变形，改善分型面的密合程度。

5）型芯的增强。型芯因受侧面进料的压力，以及保压时模具内压力分布不均匀等因素的影响，容易造成型芯倾斜，导致塑件壁厚不均匀和尺寸超差，并会在脱模时产生侧壁的刮伤现象，因此，必须使型芯具有足够的强度。

精密注射模型芯的增强结构如图4-30所示，其中，L为型芯的悬臂长度，主要提高型芯的强度和刚度，可采取端部增加导正支承部分来增强（图4-30b、e），其强度比未加支承型芯要提高许多倍。矩形型芯镶块还可采取图4-30d所示的结构，增设单边支点以缩短L的长度，从而提高型芯的强度和刚度。

图4-29 型芯固定板的增强

1—型腔 2—塑件 3—楔紧镶块 4—型芯固定板 5—型芯 6—支承板

图4-30 精密注射模型芯的增强结构

a）圆形型芯未增强 b）圆形型芯端部导正增强 c）矩形型芯未增强 d）矩形型芯单边支点增强 e）矩形型芯端部导正增强