4　會屬模具

　　金屬模具主要是鋼模具，其次有鋁、銅、鋅等合金模具。

　　4.1　鋼模具

　　熱壓成型、離心成型、移模成型、注射成型、拉擠成型等工藝都需用鋼制模具，但各種成型方法所用的模具不同。在熱壓工藝中采用預混料熱壓和采用片狀模塑料或團狀模塑料熱壓，所用的模具也有區別。以下著重介紹熱壓成型所用模具。
　　熱壓成型用鋼模具的質量好壞對生產影響極大。此種模具成本也高，約占生產總成本的25％左右。在模具的設計與制造技術上都較復雜。以下就模具材料、模具尺寸、加熱方法、成型壓力、表面粗糙度、尺寸精確度、剪切邊類型、導引軌、脫模方法等方面技術要點加以敘述。
　　(1)模具材料　模具材料的選擇取決于生產批量大小、生產運轉時間長短、模件大小、表面狀態要求、加熱方法以及制品材料組成等各方面因素。對材料性能的要求主要有強度、堅韌性、硬度、耐磨性、尺寸穩定性、可加工性、可焊接性以及磨光性等。常用的鋼材品種如下。
　?、偾蚰T鐵　球墨鑄鐵易于澆鑄成型，有一定的強度，比其他鋼材成本低，易于火焰淬火，也可以退火和加工。澆鑄時洛氏硬度約為40，淬火后可達50或60。其缺點是有一定的表面孔隙率。
　?、阱戜摗″戜摽梢詽茶T、鍛打、退火與熱處理，邊緣可以火焰淬火，表面狀態良好，成本比球墨鑄鐵高，但比預硬化鋼或工具鋼低。適于制作大多數模具。
　?、垲A硬化鋼　預硬化鋼為板狀或棒狀，洛氏硬度30～35?？捎糜诟鞣N特定形式模具，加工后不需另外處理，價格中等。
　?、苷痄摗≌痄撘撞僮鳎梢澡T、鍛、后加工，易于熱處理及退火。常用洛氏硬度為55或60的正火鋼。
　?、萦痛慊痄摗∮痛慊痄摓楣ぞ咪?，可制得優良的模具，因熱處理時易開裂，故使用受限。
　　在模塑料模壓生產中，常使用預硬化鋼做模具。一般先考慮鑄鋼，特別是模腔深時，用鑄鋼易于加工，可降低成本，但其使用壽命及表面狀態不如鍛鋼。模具的溢出邊需表面淬火，以防止變形，淬火可延長模具使用壽命。
　　(2)模具尺寸與構形　模具尺寸與構形對模具材料的選用及設計工作影響較大。如系大型模具或復雜的模具則必須用球墨鑄鐵制造，并需帶有蒸汽加熱系統與模具形成整體。對于較小型的模具就可用鋼條塊等加工成型，用鉆孔打出蒸汽通路或用加熱板加熱。
　　(3)加熱方法　加熱方法取決于制品材料、所需性能及工廠條件。使用多的是蒸汽加熱、電加熱和循環液體加熱。對于預混料成型，加熱溫度為120℃左右。對于模塑料成型，加熱溫度為135～155℃。
　　蒸汽加熱有兩種方法。模具較淺時，熱傳導性好，可用蒸汽加熱板，將模具固緊在加熱板上進行傳熱；模具較大或構形較復雜時，需做整體加熱模具，在模具內部開蒸汽通路，模具溫度均勻，效果良好。整體模具的制法是在澆鑄時先放進蒸汽通路的型芯，鑄后取出；或澆鑄成開啟式模體，留出蒸汽空腔，再裝配密封。圖13-6即為其一例。模腔深度超過150mm時，可聯合采用模芯通路與加熱板兩種方法，使蒸汽通路串聯進行加熱，保證兩者溫度一致。用蒸汽加熱成本低，溫度穩定而且均勻，但附件不易搬動，適用于一次固定及不常更換模具的情況。

　　電加熱設備簡單，操作方便，易于調節。一般采用電熱管插入模具孔中進行加熱。電熱管離模具表面至少25mm。缺點是加熱溫度不夠均勻，費用較高。電熱也可用作模具的輔助電源，調節模具的溫度分布。
　　其他可用油、高壓熱水等作加熱介質，方法同蒸汽加熱。
　　(4)成型壓力　實際模壓時，材料對模具表面的壓力是很難準確測量的。一般具備1.4～2.1MPa的壓力已足夠使上模與下模合攏，并使材料流到模腔各處。但實際上，當樹脂混合料流到各處充滿模腔井進行固化時，已有少量溢出物夾在溢出間隙中，因而實際施加于模具表面的壓力將是溢出物所形成的料環對模具的壓力。合模時這種壓力一般為0.35MPa左右，對模具來說，其值很小，不會損壞模具。對于模塑料要求壓力高些，一般為1.4～7.0MPa。
　　(5)表面粗糙度　模具的表面粗糙度直接影響制品的表面粗糙度，因此模具表面必須高度磨光。大部分模具要用250號磨料反復細磨。要求更高時，用650號磨料細磨。后一次細磨要順合模方向細磨，使不可見的缺陷平行于合模方向，不致阻礙制品脫模。然后用軟皮擦光。模具表面不良會造成粘模，使脫模困難，因而往往要求鍍鉻以延長模具的使用壽命。鍍鉻厚度可達0.025～0.05mm。
　　(6)尺寸精確度　如對模具的尺寸精度提高時，模具成本將按指數關系上升。模具成本中材料只占總成本的5％～10％，主要是加工成本。因而要根據實際制品性能的需要，恰當地確定制品的尺寸精確度及模具的尺寸公差。在設計模具時，還要事先考慮樹脂混合物的固化收縮以及模具的冷熱伸縮。在模塑料加工中，一般考慮線收縮率為2％～3％。在壓制低輪廓制品，成型溫度為150℃時，可取收縮率為1.2％。對于其他玻璃纖維預混料模壓件，其收縮率
依玻璃纖維含量不同而不同，一般由模具中脫出后線收縮率為0.05％～0.1％。
　　(7)剪切邊類型　上、下兩個半模合攏時，要求其位置準確，制品尺寸精確，多余材料能溢出，模腔內的空氣能夠排出而樹脂又能保留在模腔中，而且擠出于模腔之外的纖維能自行切除。如何達到這樣高度的要求是模具設計中的一個重要技巧。為解決這些問題，需要設計好模具上的一條環形的擠壓邊緣。其名稱有多種，如“剪切邊”、“夾出邊”、“溢出邊”等。
　　對于這一模邊的設計有多種形式。按多余樹脂混合物溢出時走水平方向或垂直方向不同，可分為水平式和垂直式兩類。在垂直式中又有全垂直式和半垂直式。以下分別舉例說明。
　?、俸唵蔚乃滓绯鍪侥＿?，以圖13-7為例。適用于薄壁低容量的預混料制品，如杯狀、碗狀制品。這種模邊設計簡單，對模腔中加料量要求不嚴，在合模時能自由排出多余的材料，可循環自動操作，溢出料可從部件上切除。

　?、诤唵蔚拇怪币绯鍪侥＿?，以圖13-8為例。該設計的主要優點是模壓全部加在模面上，可有效地將樹脂混合料加壓到大深度，制品具有優良的力學性能與電氣性能。但要求加料量十分準確：加料不足即造成廢品；加料過多則余料易溢出，影響制品的尺寸精確度。故加料量允許誤差范圍小，規定為±1％。
　?、鬯揭绯龃怪笔侥＿叄詧D13-9為例。該設計為垂直溢出型的改進，保留了垂直加壓深度大的優點，又增加了水平溢出環形腔。其定位除外定位塊外，還有內臺階式定位環。溢出材料形成環狀，易于脫模。這種方法也適用于多模腔模具，其合模間隙短，以圖13-10為例。

　?、艽怪币绯?、半垂直式模邊。模腔有3°～5°錐度，合模時壓力大，允許溢出2％～5％，加料量準確度要求略低。其例見圖13-11。

　?、荽怪币绯龃怪笔侥＿?，見圖13-12。多余材料沿垂直方向溢出，陽模垂直向下壓時對材料限制少，但到后1～1.2mm時為完全垂直運動。這種設計雖允許加料量有所波動，但要求合模導引要好，否則模具運行稍有偏移時可能造成模具損壞。
　?、匏揭绯霭氪怪笔侥＿叄湟焕妶D13-13。該設計為上述各種模邊設計的改進方案。有內、外兩層定位，水平溢出利用45°倒角貯存多余材料，形成環狀余料，便于脫模。合模時可提供較好的正向壓力。對加料量的準確度要求不太嚴格。

　　模邊的設計及加工精確度對模壓工藝影響很大，合模時模邊要能使模具密封，將溢出的混合料去除，又產生一定剪切作用，將制品邊緣突出部分修整好，同時又允許模具內有一定“呼吸”能力，使腔內殘存空氣得以排出。如間隙太大，則對纖維的剪切效果差，結果將纖維壓碎，堵塞開口，上下模不能合攏。如間隙太小，模具易被溢出物封死，腔內樹脂不能適當流動，且分配不均勻，壓機不能下降到位，使部件超厚。一般間隙控制在0.05～0.08mm為宜。
　　在模塑料壓制中要求采用半垂直溢出式模邊，使模塑料接受較大的正壓力，保持足夠的流動性。水平溢出式模邊很少用，因溢出物不易清除干凈，妨礙合模。在不能設計垂直溢出式時，則設定位塊高2～6mm。溢出間隙一般為0.05～0.13mm，不可超過。圖13-14為片狀模塑料所用模具的一例。
　　關于合模定位，大多采用外定位塊，定位與密封兩個動作要配合好并留有一定間隙，使多余樹脂料可以排出。
　　(8)導軌　模具上、下動作的導軌必須有極高的剛度和硬度，可以抵抗除垂直方向外其他任何方向來的力。導軌一般為圓形，但長方形導軌定位更為準確，可減少剪切邊的磨耗。導軌必須能保證上、下模具中心線對正，使模具得到準確定位，其位置示例見圖13-15。

　　(9)脫模方法　制品固化后脫模是否順利，對生產周期的長短關系很大，脫模不良將顯著延長生產周期，降低生產效率。故模具設計時要充分考慮有利于脫模的措施。
　　在SMC模塑料與BMC模塑料系統中常采用頂出裝置幫助脫模。頂出裝置在模具開模后，即把制件由上模或下模中頂出。模具中含有頂出銷子，由液壓傳動裝置、氣動閥以及機械裝置等帶動動作。圖13-15為頂出裝置一例。液壓系統可為壓機整體的一部分，固定在臺板上．也可以單獨地附加在模具上，效果相同。小型模具常用一個簡單的鏈傳動系統，由運動中的臺板帶動動作。
　　模塑料制品所用頂出銷比較特殊，能使空氣由銷下排出，并使溢出料落入一個小坑，小坑位于銷釘下方2～2.5倍直徑處。大直徑的銷釘可設計成蘑菇狀，以改善制品的受力情況，特別是低收縮率制品，熱強度較低，應加注意。圖13-16為各種頂出銷的形狀。

　　模腔壁的錐度對脫模影響很大，其傾斜一般不超過3°，但具體傾斜度取決于模腔深度及表面狀況。模腔深度與傾角的關系見表13-3。表面粗糙或有紋理時傾角應加大，一般表面紋理深0.02mm即需增大傾角1°。

　　在預成型件的模壓工藝中，常不用頂出銷脫模。因聚酯樹脂的黏度不大，流動性大，易滲透進頂出銷周圍的細小間隙中，固化時樹脂即凝結在間隙中阻滯脫模。模具有一定錐度，脫模就不成問題。必要時可在模具中開一個小的空氣通路，有金屬塞子在模壓時塞住通路，使之密封；在脫模時可將壓縮空氣通入，幫助脫模。也可將壓縮空氣通過扁平嘴吹入模具與制品表面的間隙，使之分離。
　　除熱壓工藝外，用于其他成型方法的模具各有不同特點。
　　用于離心成型的模具大多為圓筒形，用工具鋼制成并鍍鉻，可有錐度，也可用頂出方法脫模。模具必須以中心軸為準達到動態平衡，防止旋轉時沖擊軸承。
　　用于移模成型或注射成型的模具可為單腔或多腔，與熱塑性塑料注射所用模具大體相似，但要求硬度、剛度更高些，不易變形。模具材料一般用工具鋼并鍍鉻(厚度0.07mm左右)。由于熱固性樹脂的黏度比熱塑性樹脂高，故模具入口與流動彎角等處應設計成彎弧形，減少流動阻力。喂料口做成流線型，入口要適當加大。模腔位置要安排遠些，使注射口到各腔之間距離相同。注射口邊緣略大于注射嘴，并有2°錐度。模腔要有排氣口，使空氣順利排出，防止潛伏空氣造成孔隙。如果在隱凹處不能開出氣口時，則注射前要抽真空，模腔中只要有相當低的真空度即很有效。然后用較高速度注射，即可獲得電好的制品。
　　拉擠成型所用模具要用硬質工具鋼制作，并鍍鉻。模具有兩種：一種是纖維從浸漬槽浸樹脂后被拉引通過模具；另一種是模具中帶有注射嘴，使纖維在模具中能浸漬樹脂。需根據制品構形特點設計合用的模具。
　　4.2　鋁、銅、鋅等合金模具
　　在短期使用或特定類型的模具中，有時用鋁合金、鋅合金、硅青銅合金等材料或低碳鋼制作模具。采用這類軟質金屬制造模具時，可以澆鑄成相當準確的尺寸，且易于加工。模具質量輕、成本低，耐化學腐蝕。鋁的熱膨脹系數與玻璃鋼相近，有利于制品的尺寸精確性。
　　鋁-銅-鋅合金(AL4％，Cu 3％，Zn 93％)專門用于高流動性的預混料中，其壓縮強度低、表面硬度低、孔隙率大、剪切邊易磨損、模腔表面易磨耗，故適于批量不太大、使用壽命不長的模具。
　　硅青銅合金的成本與壽命在鑄鋁與鑄鋼之間，比鋼軟，易加工。但銅有阻滯樹脂固化的作用，故需鍍較厚的鉻才能使用。其模具表面質量好，使用壽命長。
　　其他還有用樹脂混合料襯托的鎳殼模具，其使用壽命與鋼模相似，但成本低，可用于樹脂的注射成型工藝。
　　除上述各類模具外，還有蠟模具、水溶性模具、熱熔件塑料模具以及可膨脹的氣袋模具等，可制作纖維纏繞球體、簡體等制品。纏繞結束后，使樹脂固化，模具就可以取出。還可采用裝配式中空芯軸或有蠟層的芯軸，樹脂固化后即可取出。