模具尺寸和塑料收縮率到底是什么關(guān)系？

更新日期：2019-01-08 12:00:48

設(shè)計(jì)塑料模時(shí)，確定了模具結(jié)構(gòu)之後即可對(duì)模具的各部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，即確定各模板和零件的尺寸，型腔和型芯尺寸等。這時(shí)將涉及有關(guān)材料收縮率等主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。因而只有具體地掌握成形塑料的收縮率才能確定型腔各部分的尺寸。即使所選模具結(jié)構(gòu)正確，但所用參數(shù)不當(dāng)，就不可能生產(chǎn)出品質(zhì)合格的塑件。

一、塑料收縮率及其影響因素

熱塑性塑料的特性是在加熱後膨脹，冷卻後收縮，當(dāng)然加壓以後體積也將縮小。 在注塑成形過程中，首先將熔融塑料注射入模具型腔內(nèi)，充填結(jié)束後熔料冷卻固化，從模具中取出塑件時(shí)即出現(xiàn)收縮，此收縮稱為成形收縮。塑件從模具取出到穩(wěn)定這一段時(shí)間內(nèi)，尺寸仍會(huì)出現(xiàn)微小的變化，一種變化是繼續(xù)收縮，此收縮稱為後收縮。另一種變化是某些吸濕性塑料因吸濕而出現(xiàn)膨脹。

例如尼龍610含水量為3%時(shí)，尺寸增加量為2%;玻璃纖維增強(qiáng)尼龍66的含水量為40%時(shí)尺寸增加量為0.3%。但其中起主要作用的是成形收縮。目前確定各種塑料收縮率(成形收縮+後收縮)的方法，一般都推薦德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中DIN16901的規(guī)定。即以23℃±0.1℃時(shí)模具型腔尺寸與成形後放置24小時(shí)，在溫度為23℃，相對(duì)濕度為50±5%條件下測(cè)量出的相應(yīng)塑件尺寸之差算出。

收縮率S由下式表示： S={(D-M)/D}×100%(1)

其中：S-收縮率; D-模具尺寸; M-塑件尺寸。

如果按已知塑件尺寸和材料收縮率計(jì)算模具型腔則為 D=M/(1-S) 在模具設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般使用下式求模具尺寸：

D=M+MS(2)。

如果需實(shí)施較為精確的計(jì)算，則應(yīng)用下式： D=M+MS+MS2(3)

但在確定收縮率時(shí)，由於實(shí)際的收縮率要受眾多因素的影響也只能使用近似值，因而用式(2)計(jì)算型腔尺寸也基本上滿足要求。在制造模具時(shí)，型腔則按照下偏差加工，型芯則按上偏差加工，便於必要時(shí)可作適當(dāng)?shù)男拚?/span>

難於精確確定收縮率的主要原因，首先是因各種塑料的收縮率不是一個(gè)定值，而是一個(gè)范圍。因?yàn)椴煌S生產(chǎn)的同種材料的收縮率不相同，即使是一個(gè)工廠生產(chǎn)的不同批號(hào)同種材料的收縮率也不一樣。 因而各廠只能為用戶提供該廠所生產(chǎn)塑料的收縮率范圍。其次，在成形過程中的實(shí)際收縮率還受到塑件形狀，模具結(jié)構(gòu)和成形條件等因素的影響。

二、塑件形狀

對(duì)於成形件壁厚來(lái)說(shuō)，一般由於厚壁的冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，因而收縮率也較大，如圖1所示。 對(duì)一般塑件來(lái)說(shuō)，當(dāng)熔料流動(dòng)方向L尺寸與垂直於熔料流方向W尺寸的差異較大時(shí)，則收縮率差異也較大。從熔料流動(dòng)距離來(lái)看，遠(yuǎn)離澆口部分的壓力損失大，因而該處的收縮率也比靠近澆口部位大。因加強(qiáng)筋、孔、凸臺(tái)和雕刻等形狀具有收縮抗力，因而這些部位的收縮率較小。

三、模具結(jié)構(gòu)

澆口形式對(duì)收縮率也有影響。用小澆口時(shí)，因保壓結(jié)束之前澆口即固化而使塑件的收縮率增大。 注塑模中的冷卻回路結(jié)構(gòu)也是模具設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。冷卻回路設(shè)計(jì)得不適當(dāng)，則因塑件各處溫度不均衡而產(chǎn)生收縮差，其結(jié)果是使塑件尺寸超差或變形。在薄壁部分，模具溫度分布對(duì)收縮率的影響則更為明顯。

分型面及澆口

模具的分型面、澆口形式及尺寸等因素直接影響料流方向、密度分布、保壓補(bǔ)縮作用及成型時(shí)間。

采用直接澆口或大截面澆口可減少收縮，但各向異性大，沿料流方向收縮小，沿垂直料流方向收縮大;反之，當(dāng)澆口厚度較小時(shí)，澆口部分會(huì)過早凝結(jié)硬化，型腔內(nèi)的塑料收縮后得不到及時(shí)補(bǔ)充，收縮較大。

點(diǎn)澆口凝封快，在制件條件允許的情況下，可設(shè)多點(diǎn)澆口，可有效地延長(zhǎng)保壓時(shí)間和增大型腔壓力，使收縮率減小。

四、成形條件

料筒溫度：料筒溫度(塑料溫度)較高時(shí)，壓力傳遞較好而使收縮力減小。但用小澆口時(shí)，因澆口固化早而使收縮率仍較大。對(duì)於厚壁塑件來(lái)說(shuō)，即使料筒溫度較高，其收縮仍較大。
補(bǔ)料：在成形條件中，盡量減少補(bǔ)料以使塑件尺寸保持穩(wěn)定。但補(bǔ)料不足則無(wú)法保持壓力，也會(huì)使收縮率增大。

注射壓力：注射壓力是對(duì)收縮率影響較大的因素，特別是充填結(jié)束後的保壓頁(yè)號(hào)335壓力。在一般情況下，壓力較大的時(shí)因材料的密度大，收縮率就較小。

注射成型中壓力包括注射壓力、保壓壓力和模腔壓力等。這些因素均對(duì)塑件收縮行為有明顯的影響。

提高注射壓力能夠降低制品的收縮率。這是因?yàn)閴毫υ龃螅棺⑸渌俣忍岣撸淠＿^程加快后，一方面因塑料熔體的剪切發(fā)熱而提高了熔體溫度、減小了流動(dòng)阻力;另一方面還可以在熔體溫度尚高、流動(dòng)阻力較小的狀態(tài)下較早進(jìn)入保壓補(bǔ)料階段。尤其對(duì)于薄壁塑件和小澆口塑件，由于冷卻速度快，更應(yīng)該盡量縮短充模過程。

較高的保壓壓力和模腔壓力使型腔內(nèi)制品密實(shí)，收縮減小，尤其是保壓階段的壓力對(duì)制品的收縮率產(chǎn)生影響更大。這可解釋為熔融樹脂在成型壓力作用下受到壓縮，壓力越高，發(fā)生的壓縮量越大，壓力解除后的彈性恢復(fù)也越大，使得塑件塑件尺寸更加接近型腔尺寸，因此收縮量越小。

可是，即使是對(duì)于同一制品來(lái)說(shuō)，模腔內(nèi)樹脂的壓力在各部分并不一致;在注射壓力難以作用的部位和容易作用的部位，所受注射壓力也不一樣。此外,多型腔模具的各模腔所受壓力應(yīng)設(shè)計(jì)均勻，否則就會(huì)產(chǎn)生各模腔的制品收縮率不一致。

注射速度：注射速度對(duì)收縮率的影響較小。但對(duì)於薄壁塑件或澆口非常小，以及使用強(qiáng)化材料時(shí)，注射速度加快則收縮率小。

模具溫度：熱塑性塑料熔體注入型腔后，釋放大量的熱量而凝固，不同的塑料品種，需要模腔維持在一適當(dāng)溫度。在此溫度下，將最有利于塑件的成型，塑件成型效率最高，內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形最小。

模具溫度是控制制品冷卻定型的主要因素，它對(duì)成型收縮率的影響主要表現(xiàn)在澆口凍結(jié)后制品脫模之前這段過程。而在澆口凍結(jié)之前，模溫升高雖有增大熱收縮的趨勢(shì)，但也正是較高的模溫使得澆口凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致注射壓力和保壓力的影響增強(qiáng)，補(bǔ)縮作用和負(fù)收縮量均會(huì)增大。
所以，總收縮是兩種反向收縮綜合作用的結(jié)果，其數(shù)值不一定隨著模溫的升高而增大。如果澆口發(fā)生凍結(jié)，注射壓力和保壓壓力的影響將會(huì)消失，隨著模溫的升高，冷卻定型時(shí)間亦將延長(zhǎng)，故脫模后制品收縮率一般都會(huì)增大。

成形周期：成形周期與收縮率無(wú)直接關(guān)系。但需注意，當(dāng)加快成形周期時(shí)，模具溫度、熔料溫度等必然也發(fā)生變化，從而也影響收縮率的變化。在作材料試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)按照由所需產(chǎn)量決定的成形周期進(jìn)行成形，并對(duì)塑件尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)。用此模具進(jìn)行塑料收縮率試驗(yàn)的實(shí)例如下。
注射機(jī)：鎖模力70t，螺桿直徑Φ35mm，螺桿轉(zhuǎn)速80rpm。

成形條件：最高注射壓力178MPa，料筒溫度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，注射時(shí)間0.44～0.52s，保壓時(shí)間6.0s，冷卻時(shí)間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過D=M(1+S)公式計(jì)算基本尺寸之外，還有一個(gè)加工公差的問題。按照慣例，模具的加工公差為塑件公差的1/3。但由於塑料收縮率范圍和穩(wěn)定性各有差異，首先必須合理化確定不同塑料所成形塑件的尺寸公差。即由收縮率范圍較大或收縮率穩(wěn)定較差塑料成形塑件的尺寸公差應(yīng)取得大一些。否則就可能出現(xiàn)大量尺寸超差的廢品。 為此，各國(guó)對(duì)塑料件的尺寸公差專門制訂了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)也曾制訂了部級(jí)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但大都無(wú)相應(yīng)的模具型腔的尺寸公差。德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中專門制訂了塑件尺寸公差的DIN16901標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的模具型腔尺寸公差的DIN16749標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)在世界上具有較大的影響，因而可供塑料模具行業(yè)參考。

六、關(guān)于塑件的尺寸公差和允許偏差

為了合理地確定不同收縮特性材料所成形塑件的尺寸公差，讓標(biāo)準(zhǔn)引入了成形收縮差△VS這一概念。 △VS=VSR_VST(4)

式中： VS-成形收縮差 VSR-熔料流動(dòng)方向的成形收縮率 VST-與熔料流動(dòng)垂直方向的成形收縮率。

根據(jù)塑料△VS值，將各種塑料的收縮特性分為4個(gè)組。△VS值最小的組是高精度組，以此類推，△VS值最大的組為低精度組。 并按照基本尺寸編制了精密技術(shù)、110、120、130、140、150和160公差組。并規(guī)定，用收縮特性最穩(wěn)定的塑料成形塑件的尺寸公差可選用110、120和130組。用收縮特性中等穩(wěn)定的塑料成形塑件的尺寸公差選用120、130和140。如果用這類塑料成形塑件的尺寸公差選用110組時(shí)，即可能出大量尺寸超差塑件。用收縮特性較差的塑料成形塑件的尺寸公差選用130、140和150組。用收縮特性最差的塑料成形塑件的尺寸公差選用140、150和160組。 在使用此公差表時(shí)，還需注意以下各點(diǎn)。 表中的一般公差用於不注明公差的尺寸公差。直接標(biāo)注偏差的公差是用於對(duì)塑件尺寸標(biāo)注公差的公差帶。其上、下偏差可設(shè)計(jì)人員自行確定。例如公差帶為0.8mm，則可以選用以下各種上、下偏差構(gòu)成，0.0;-0.8;±0.4;-0.2;-0.5等。 每一公差組中均有A、B兩組公差值。其中A是由模具零件組合形成的尺寸，增加了模具零件對(duì)合處不密合所形成的錯(cuò)差。此增加值為0.2mm。其中B是直接由模具零件所決定的尺寸。 精密技術(shù)是專門設(shè)立的一組公差值，供具有高精度要求塑件使用。 在此用塑件公差之前，首先必須知道所使用的塑料適用哪幾個(gè)公差組。

七、模具的制造公差

德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)塑件公差制訂了相應(yīng)模具制造公差的標(biāo)準(zhǔn)DIN16749。該表中共設(shè)4種公差。不論何種材料的塑件，其中不注明尺寸公差尺寸的模具制造公差均使用序號(hào)1的公差。具體公差值由基本尺寸范圍確定。 不論何種材料塑件中等精度尺寸的模具制造公差為序號(hào)2的公差。不論何種材料塑件較高精度尺寸的模具制造公差為序號(hào)3的公差。精密技術(shù)相應(yīng)的模具制造公差為序號(hào)4的公差。

可以合理地確定各種材料塑件的合理公差和相應(yīng)的模具制造公差，這不僅給模具制造帶來(lái)方便，還可以減少?gòu)U品，提高經(jīng)濟(jì)效期益。