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塑料模具尺寸和收縮率
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，一般都推薦德國國家標(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℃，相對濕度為50±5%條件下測量出的相應(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?
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。下面對這些因素的影響作一介紹。
塑件形狀
對於成形件壁厚來說，一般由於厚壁的冷卻時(shí)間較長，因而收縮率也較 大，如圖1所示。 對一般塑件來說，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)距離來看，遠(yuǎn)離澆口部分的壓力損失大，因而該處的收縮率也比*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。
模具結(jié)構(gòu)
澆口形式對收縮率也有影響。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，模具溫度分布對收縮率的影響則更為明顯。
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。對於厚壁塑件來說，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)料不足則無法保持壓力，也會(huì)使收縮率增大。
注射壓力：注射壓力是對收縮率影響較大的因素，特別是充填結(jié)束後的保壓頁號(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。
注射速度：注射速度對收縮率的影響較小。但對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：通常模具溫度較高時(shí)收縮率也較大。但對於薄壁塑件，模具溫度高則熔料的流動(dòng)阻抗小，*]而收縮率反而較小。
成形周期：成形周期與收縮率無直接關(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
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，各國對塑料件的尺寸公差專門制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國也曾制訂了部級專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但大都無相應(yīng)的模具型腔的尺寸公差。德國國家標(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。
關(guān)於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.
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，一般都推薦德國國家標(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℃，相對濕度為50±5%條件下測量出的相應(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?
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。下面對這些因素的影響作一介紹。
塑件形狀
對於成形件壁厚來說，一般由於厚壁的冷卻時(shí)間較長，因而收縮率也較 大，如圖1所示。 對一般塑件來說，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)距離來看，遠(yuǎn)離澆口部分的壓力損失大，因而該處的收縮率也比*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。
模具結(jié)構(gòu)
澆口形式對收縮率也有影響。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，模具溫度分布對收縮率的影響則更為明顯。
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。對於厚壁塑件來說，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)料不足則無法保持壓力，也會(huì)使收縮率增大。
注射壓力：注射壓力是對收縮率影響較大的因素，特別是充填結(jié)束後的保壓頁號(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。
注射速度：注射速度對收縮率的影響較小。但對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：通常模具溫度較高時(shí)收縮率也較大。但對於薄壁塑件，模具溫度高則熔料的流動(dòng)阻抗小，*]而收縮率反而較小。
成形周期：成形周期與收縮率無直接關(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
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，各國對塑料件的尺寸公差專門制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國也曾制訂了部級專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但大都無相應(yīng)的模具型腔的尺寸公差。德國國家標(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。
關(guān)於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.
