4　会属模具

　　金属模具主要是钢模具，其次有铝、铜、锌等合金模具。

　　4.1　钢模具

　　热压成型、离心成型、移模成型、注射成型、拉挤成型等工艺都需用钢制模具，但各种成型方法所用的模具不同。在热压工艺中采用预混料热压和采用片状模塑料或团状模塑料热压，所用的模具也有区别。以下着重介绍热压成型所用模具。
　　热压成型用钢模具的质量好坏对生产影响极大。此种模具成本也高，约占生产总成本的25％左右。在模具的设计与制造技术上都较复杂。以下就模具材料、模具尺寸、加热方法、成型压力、表面粗糙度、尺寸精确度、剪切边类型、导引轨、脱模方法等方面技术要点加以叙述。
　　(1)模具材料　模具材料的选择取决于生产批量大小、生产运转时间长短、模件大小、表面状态要求、加热方法以及制品材料组成等各方面因素。对材料性能的要求主要有强度、坚韧性、硬度、耐磨性、尺寸稳定性、可加工性、可焊接性以及磨光性等。常用的钢材品种如下。
　　①球墨铸铁　球墨铸铁易于浇铸成型，有一定的强度，比其他钢材成本低，易于火焰淬火，也可以退火和加工。浇铸时洛氏硬度约为40，淬火后可达50或60。其缺点是有一定的表面孔隙率。
　　②锻钢　锻钢可以浇铸、锻打、退火与热处理，边缘可以火焰淬火，表面状态良好，成本比球墨铸铁高，但比预硬化钢或工具钢低。适于制作大多数模具。
　　③预硬化钢　预硬化钢为板状或棒状，洛氏硬度30～35。可用于各种特定形式模具，加工后不需另外处理，价格中等。
　　④正火钢　正火钢易操作，可以铸、锻、后加工，易于热处理及退火。常用洛氏硬度为55或60的正火钢。
　　⑤油淬火钢　油淬火钢为工具钢，可制得优良的模具，因热处理时易开裂，故使用受限。
　　在模塑料模压生产中，常使用预硬化钢做模具。一般先考虑铸钢，特别是模腔深时，用铸钢易于加工，可降低成本，但其使用寿命及表面状态不如锻钢。模具的溢出边需表面淬火，以防止变形，淬火可延长模具使用寿命。
　　(2)模具尺寸与构形　模具尺寸与构形对模具材料的选用及设计工作影响较大。如系大型模具或复杂的模具则必须用球墨铸铁制造，并需带有蒸汽加热系统与模具形成整体。对于较小型的模具就可用钢条块等加工成型，用钻孔打出蒸汽通路或用加热板加热。
　　(3)加热方法　加热方法取决于制品材料、所需性能及工厂条件。使用多的是蒸汽加热、电加热和循环液体加热。对于预混料成型，加热温度为120℃左右。对于模塑料成型，加热温度为135～155℃。
　　蒸汽加热有两种方法。模具较浅时，热传导性好，可用蒸汽加热板，将模具固紧在加热板上进行传热；模具较大或构形较复杂时，需做整体加热模具，在模具内部开蒸汽通路，模具温度均匀，效果良好。整体模具的制法是在浇铸时先放进蒸汽通路的型芯，铸后取出；或浇铸成开启式模体，留出蒸汽空腔，再装配密封。图13-6即为其一例。模腔深度超过150mm时，可联合采用模芯通路与加热板两种方法，使蒸汽通路串联进行加热，保证两者温度一致。用蒸汽加热成本低，温度稳定而且均匀，但附件不易搬动，适用于一次固定及不常更换模具的情况。

　　电加热设备简单，操作方便，易于调节。一般采用电热管插入模具孔中进行加热。电热管离模具表面至少25mm。缺点是加热温度不够均匀，费用较高。电热也可用作模具的辅助电源，调节模具的温度分布。
　　其他可用油、高压热水等作加热介质，方法同蒸汽加热。
　　(4)成型压力　实际模压时，材料对模具表面的压力是很难准确测量的。一般具备1.4～2.1MPa的压力已足够使上模与下模合拢，并使材料流到模腔各处。但实际上，当树脂混合料流到各处充满模腔井进行固化时，已有少量溢出物夹在溢出间隙中，因而实际施加于模具表面的压力将是溢出物所形成的料环对模具的压力。合模时这种压力一般为0.35MPa左右，对模具来说，其值很小，不会损坏模具。对于模塑料要求压力高些，一般为1.4～7.0MPa。
　　(5)表面粗糙度　模具的表面粗糙度直接影响制品的表面粗糙度，因此模具表面必须高度磨光。大部分模具要用250号磨料反复细磨。要求更高时，用650号磨料细磨。后一次细磨要顺合模方向细磨，使不可见的缺陷平行于合模方向，不致阻碍制品脱模。然后用软皮擦光。模具表面不良会造成粘模，使脱模困难，因而往往要求镀铬以延长模具的使用寿命。镀铬厚度可达0.025～0.05mm。
　　(6)尺寸精确度　如对模具的尺寸精度提高时，模具成本将按指数关系上升。模具成本中材料只占总成本的5％～10％，主要是加工成本。因而要根据实际制品性能的需要，恰当地确定制品的尺寸精确度及模具的尺寸公差。在设计模具时，还要事先考虑树脂混合物的固化收缩以及模具的冷热伸缩。在模塑料加工中，一般考虑线收缩率为2％～3％。在压制低轮廓制品，成型温度为150℃时，可取收缩率为1.2％。对于其他玻璃纤维预混料模压件，其收缩率
依玻璃纤维含量不同而不同，一般由模具中脱出后线收缩率为0.05％～0.1％。
　　(7)剪切边类型　上、下两个半模合拢时，要求其位置准确，制品尺寸精确，多余材料能溢出，模腔内的空气能够排出而树脂又能保留在模腔中，而且挤出于模腔之外的纤维能自行切除。如何达到这样高度的要求是模具设计中的一个重要技巧。为解决这些问题，需要设计好模具上的一条环形的挤压边缘。其名称有多种，如“剪切边”、“夹出边”、“溢出边”等。
　　对于这一模边的设计有多种形式。按多余树脂混合物溢出时走水平方向或垂直方向不同，可分为水平式和垂直式两类。在垂直式中又有全垂直式和半垂直式。以下分别举例说明。
　　①简单的水甲溢出式模边，以图13-7为例。适用于薄壁低容量的预混料制品，如杯状、碗状制品。这种模边设计简单，对模腔中加料量要求不严，在合模时能自由排出多余的材料，可循环自动操作，溢出料可从部件上切除。

　　②简单的垂直溢出式模边，以图13-8为例。该设计的主要优点是模压全部加在模面上，可有效地将树脂混合料加压到大深度，制品具有优良的力学性能与电气性能。但要求加料量十分准确：加料不足即造成废品；加料过多则余料易溢出，影响制品的尺寸精确度。故加料量允许误差范围小，规定为±1％。
　　③水平溢出垂直式模边，以图13-9为例。该设计为垂直溢出型的改进，保留了垂直加压深度大的优点，又增加了水平溢出环形腔。其定位除外定位块外，还有内台阶式定位环。溢出材料形成环状，易于脱模。这种方法也适用于多模腔模具，其合模间隙短，以图13-10为例。

　　④垂直溢出、半垂直式模边。模腔有3°～5°锥度，合模时压力大，允许溢出2％～5％，加料量准确度要求略低。其例见图13-11。

　　⑤垂直溢出垂直式模边，见图13-12。多余材料沿垂直方向溢出，阳模垂直向下压时对材料限制少，但到后1～1.2mm时为完全垂直运动。这种设计虽允许加料量有所波动，但要求合模导引要好，否则模具运行稍有偏移时可能造成模具损坏。
　　⑥水平溢出半垂直式模边，其一例见图13-13。该设计为上述各种模边设计的改进方案。有内、外两层定位，水平溢出利用45°倒角贮存多余材料，形成环状余料，便于脱模。合模时可提供较好的正向压力。对加料量的准确度要求不太严格。

　　模边的设计及加工精确度对模压工艺影响很大，合模时模边要能使模具密封，将溢出的混合料去除，又产生一定剪切作用，将制品边缘突出部分修整好，同时又允许模具内有一定“呼吸”能力，使腔内残存空气得以排出。如间隙太大，则对纤维的剪切效果差，结果将纤维压碎，堵塞开口，上下模不能合拢。如间隙太小，模具易被溢出物封死，腔内树脂不能适当流动，且分配不均匀，压机不能下降到位，使部件超厚。一般间隙控制在0.05～0.08mm为宜。
　　在模塑料压制中要求采用半垂直溢出式模边，使模塑料接受较大的正压力，保持足够的流动性。水平溢出式模边很少用，因溢出物不易清除干净，妨碍合模。在不能设计垂直溢出式时，则设定位块高2～6mm。溢出间隙一般为0.05～0.13mm，不可超过。图13-14为片状模塑料所用模具的一例。
　　关于合模定位，大多采用外定位块，定位与密封两个动作要配合好并留有一定间隙，使多余树脂料可以排出。
　　(8)导轨　模具上、下动作的导轨必须有极高的刚度和硬度，可以抵抗除垂直方向外其他任何方向来的力。导轨一般为圆形，但长方形导轨定位更为准确，可减少剪切边的磨耗。导轨必须能保证上、下模具中心线对正，使模具得到准确定位，其位置示例见图13-15。

　　(9)脱模方法　制品固化后脱模是否顺利，对生产周期的长短关系很大，脱模不良将显著延长生产周期，降低生产效率。故模具设计时要充分考虑有利于脱模的措施。
　　在SMC模塑料与BMC模塑料系统中常采用顶出装置帮助脱模。顶出装置在模具开模后，即把制件由上模或下模中顶出。模具中含有顶出销子，由液压传动装置、气动阀以及机械装置等带动动作。图13-15为顶出装置一例。液压系统可为压机整体的一部分，固定在台板上．也可以单独地附加在模具上，效果相同。小型模具常用一个简单的链传动系统，由运动中的台板带动动作。
　　模塑料制品所用顶出销比较特殊，能使空气由销下排出，并使溢出料落入一个小坑，小坑位于销钉下方2～2.5倍直径处。大直径的销钉可设计成蘑菇状，以改善制品的受力情况，特别是低收缩率制品，热强度较低，应加注意。图13-16为各种顶出销的形状。

　　模腔壁的锥度对脱模影响很大，其倾斜一般不超过3°，但具体倾斜度取决于模腔深度及表面状况。模腔深度与倾角的关系见表13-3。表面粗糙或有纹理时倾角应加大，一般表面纹理深0.02mm即需增大倾角1°。

　　在预成型件的模压工艺中，常不用顶出销脱模。因聚酯树脂的黏度不大，流动性大，易渗透进顶出销周围的细小间隙中，固化时树脂即凝结在间隙中阻滞脱模。模具有一定锥度，脱模就不成问题。必要时可在模具中开一个小的空气通路，有金属塞子在模压时塞住通路，使之密封；在脱模时可将压缩空气通入，帮助脱模。也可将压缩空气通过扁平嘴吹入模具与制品表面的间隙，使之分离。
　　除热压工艺外，用于其他成型方法的模具各有不同特点。
　　用于离心成型的模具大多为圆筒形，用工具钢制成并镀铬，可有锥度，也可用顶出方法脱模。模具必须以中心轴为准达到动态平衡，防止旋转时冲击轴承。
　　用于移模成型或注射成型的模具可为单腔或多腔，与热塑性塑料注射所用模具大体相似，但要求硬度、刚度更高些，不易变形。模具材料一般用工具钢并镀铬(厚度0.07mm左右)。由于热固性树脂的黏度比热塑性树脂高，故模具入口与流动弯角等处应设计成弯弧形，减少流动阻力。喂料口做成流线型，入口要适当加大。模腔位置要安排远些，使注射口到各腔之间距离相同。注射口边缘略大于注射嘴，并有2°锥度。模腔要有排气口，使空气顺利排出，防止潜伏空气造成孔隙。如果在隐凹处不能开出气口时，则注射前要抽真空，模腔中只要有相当低的真空度即很有效。然后用较高速度注射，即可获得电好的制品。
　　拉挤成型所用模具要用硬质工具钢制作，并镀铬。模具有两种：一种是纤维从浸渍槽浸树脂后被拉引通过模具；另一种是模具中带有注射嘴，使纤维在模具中能浸渍树脂。需根据制品构形特点设计合用的模具。
　　4.2　铝、铜、锌等合金模具
　　在短期使用或特定类型的模具中，有时用铝合金、锌合金、硅青铜合金等材料或低碳钢制作模具。采用这类软质金属制造模具时，可以浇铸成相当准确的尺寸，且易于加工。模具质量轻、成本低，耐化学腐蚀。铝的热膨胀系数与玻璃钢相近，有利于制品的尺寸精确性。
　　铝-铜-锌合金(AL4％，Cu 3％，Zn 93％)专门用于高流动性的预混料中，其压缩强度低、表面硬度低、孔隙率大、剪切边易磨损、模腔表面易磨耗，故适于批量不太大、使用寿命不长的模具。
　　硅青铜合金的成本与寿命在铸铝与铸钢之间，比钢软，易加工。但铜有阻滞树脂固化的作用，故需镀较厚的铬才能使用。其模具表面质量好，使用寿命长。
　　其他还有用树脂混合料衬托的镍壳模具，其使用寿命与钢模相似，但成本低，可用于树脂的注射成型工艺。
　　除上述各类模具外，还有蜡模具、水溶性模具、热熔件塑料模具以及可膨胀的气袋模具等，可制作纤维缠绕球体、简体等制品。缠绕结束后，使树脂固化，模具就可以取出。还可采用装配式中空芯轴或有蜡层的芯轴，树脂固化后即可取出。