1.引言
工业设计的目的，就是通过对产品的合理规划，而使人们能更方便地使用它们，使其更好地发挥效力。在研究产品性能的基础上，工业设计还通过合理的造型手段，使产品能够具备富有时代精神，符合产品性能、与环境协调的产品形态，使人们得到美的享受。工业设计强调技术与艺术相结合，所以它是现代科学技术与现代文化艺术融合的产物。它不仅研究产品的形态美学问题，而且研究产品的实用性能和产品所引起的环境效应，使它们得到协调和统一，更好地发挥其效用。丛林法则（the law of the jungle）是自然界里生物学方面的物竞天择、适者生存、优胜劣汰、弱肉强食的规律法则。激烈的市场竞争让塑料制品在利用工业设计的同时，不得不引入丛林法则，正是工业设计和丛林法则促使塑料制品的外观造型越来越复杂，而电脑技术的发展，特别是计算机辅助设计和制造使这一切复杂的设计造型都有了实现的可能性。
塑料制品的成型，绝大多数都离不开模具。近年来，计算机辅助设计和制造的发展，对塑料制品的设计和模具制造带来了翻天覆地的变化。模具制造的技术已经由过去的以钳工手工为主发展到以数控机床加工为主，塑料产品的设计也从手工制图发展到完全利用电脑绘图，产品制图的表现手法也由过去2D图纸转向3D数据为主，产品的造型也从过去的方形、三角形和圆形等规则形状变化为复杂的空间曲面造型，这些变化都使得产品的外观形状越来越复杂，也给模具设计和制造带来了极大的挑战。因此要求我们的模具设计必须适应这种挑战，与时俱进。
对于注塑模具的计算，模具专业教科书、技术资料、论文和设计手册已经有很多公式和资料，在过去几十年的岁月里，这些公式在模具行业得到广泛的应用，现在利用计算机辅助设计与制造的情况下，这些公式的局限性也凸显出来，因而有些传统的模具设计计算公式在实际中已经失去使用价值，继续使用某些公式可能会给模具设计专业的新生带来困扰，本文旨在探讨在模具设计的实践中哪些内容需要计算，哪些内容不需要计算，如何选择计算公式等问题。
2 注塑模具型腔尺寸的计算
2.1 型腔尺寸计算的误区
塑料被溶化后注入型腔，冷却后脱模其尺寸会缩小，因此在模具设计时会考虑到收缩因素，加大型腔尺寸从而使塑料制品冷却后能获得我们所需要的尺寸。模具设计手册和模具专业教科书都给出了表1和表2的计算。
表1 传统的型腔尺寸计算公式
表1 传统的型腔尺寸计算公式 (续)
表2 传统的螺纹型环和型芯尺寸计算公式
表2 传统的螺纹型环和型芯尺寸计算公式 (续)
公式，把计算方式归纳为平均尺寸法和极限尺寸法两类。事实上，上述的公式在实际的模具设计中根本无法使用，这些公式只能应用在图1所示的形状单纯的简单制品。因为现实的很多塑料制品是由多个复杂曲面组成的不规则的3D模型，见图2，在这些不规则制品中，很难找到尺寸并套用公式。另一方面，经过多年的发展，模具加工机床的精度、刀具材料等都发生了很大的变化，数控技术得到广泛的应用，现代的CNC机床、慢走丝线切割和精密电火花加工机床的加工精度已经达到微米级，在欧洲的模具设计资料中，取消类似的计算公式已经有20多年了，因此我们也要与时俱进。对于模具型腔的磨损，在现代模具设计中，不作为考虑的因素了。
图1 规则形状的简单制品
如果型腔过度磨损，产品尺寸超出公差要求，则更换模仁或者重新设计制造模具。过去使用这些公式的背景是机床精度不高或者加工不到位，一部分加工需要依靠手艺精良的钳工来修配，这时采用保守的计算公式是十分必要的。
图1 打印机支架
2.2 塑胶收缩率计算的方法
前文已经述及，利用传统的计算方法，已经很难适应模具设计工作了。在欧洲、美国和日本等工业发达国家，我国香港和台湾地区都是采用以下的简化计算方法，经过多年的实践表明，采用以下计算方法可以满足实际需要。
（1）塑件没有尺寸公差要求（自由公差）时：成型尺寸公差仍取塑件尺寸公差的1/2~1/3.
2.3 成品缩水的精密计算.
选择以下方法计算成品的缩水率:模具数=成品数/1-缩水率
以上计算方法在大尺寸成品或缩水率大的时候, 与其他的计算方法就会有明显的差异, 这种计算方法的精度较高。
2.4 加纤维塑件的型腔尺寸计算
加纤维塑件的各个方向收缩并不一致，而且数值相差较大，通常在塑胶流动方向收缩率较小，垂直于塑胶流动方向收缩率较大，这时采用表1和表2的公式更是无从下手，目前流行的3D设计软件PRO/E和UG等软件里，可以在X,Y,Z三个方向设置不同的收缩率，较好地解决了这个问题。
2.5高精度尺寸的调整
高精度的尺寸，先将尺寸公差转化成上下偏差值相等的公差，再按照上述计算方法，对高精度的部位按照后期可以减钢的方法预留0.05的钢料，方便试模后的修整。
3. 热膨胀的计算
熔化树脂流入浇口、流道、定模型腔，模具受到180～300℃左右高温树脂所传来的热量, 通常温度上升时金属发生热膨胀,因此，注塑成型模具的零部件也发生热膨胀。对于热膨胀对注塑模具性能的影响，很多模具教科书和设计手册，没有提供典型的案例。热流道系统模具、大型模具、存在大型滑块和多斜顶的模具以及高温成型的模具，热膨胀对于上述四类模具来说，影响较大，高温的情形下，正常的模具运动间隙会缩小，因此热膨胀会导致：影响导柱导套的配合、擦穿位的配合、侧抽芯滑块滑动不顺畅、斜顶和滑块容易卡滞、型芯尺寸胀大。
对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。在模具设计中，通常采用线膨胀系数来计算热膨胀的影响。
膨胀量与温升的关系如下：
表3 模具材料从室温升到290℃时的线膨胀系数k
4.流长比的计算
塑料的流长比是指塑料熔体流动的长度与壁厚的比值。塑料的流长比直接影响到塑料制品的进浇点数量和分布情况，同时也会影响到塑料的壁厚。
对于所采用塑料的流长比，我们是要牢记的，有利于我们塑料模具报价和模具设计。LDPE的流长比是270；HDPE的流长比是230；PP的流长比是250；PS的流畅比是210；ABS的流长比是190；PC的流长比是90；PA的流长比是170；POM的流长比是150；PMMA的流长比是150.
不同的塑料的流长比都会不同，往往流长比越少的塑料，其流动性也就会越差。设计中小型模具时，一般不需要计算流长比，但是对于大型模具则不可忽视流长比的计算。
5. 型腔的强度计算
型腔在成型过程中受到塑料熔体的高压作用，应具有足够的强度和刚度，实践表明，对于大型模具，特别是大深度型腔模具，刚度不足是主要矛盾，型腔尺寸应以满足刚度条件为准。对于中小型模具，特别是小深度的型腔，强度不足是主要矛盾，但是小尺寸型腔的强度计算环节一般省略，模具设计者往往利用现有的经验来进行设计，在实际中并不会出现任何问题。强度不足时，会使模具型腔破裂，因此，强度计算的条件是满足受力状态下的许用应力。而刚度不足，会导致型腔在受力状态下尺寸扩大，其结果会使制品出现毛边，尺寸超差甚至难以脱模。关于大型腔注塑模具的型腔深度计算，请参考相关模具设计手册。
6. 锁模力的计算
对于中小型模具，锁模力一般凭经验估计为主。大型模具应根据型腔内的压强乘以水平投影面积计算出锁模力，计算出的锁模力应远远小于注塑机的额定锁模力。对于注射量的计算也是如此。
7. 斜顶和行位行程的计算
斜顶的行程，对于简单模具，一般是通过正切三角函数就可以计算出来的，对于复杂模具，斜顶的行程利用三角函数计算后，需要在3D软件中模拟验证。行位行程的计算，很多教科书都列出了公式，并举了例题，参见表3。在实际中，简单模具的行位行程，可能不需要通过计算，一目了然，例如表3第一例。
表3后面3例都是列出了一种行位抽芯的特例，即形状比较简单的HALF抽芯。现实中很多的复杂行位的抽芯距离是很难列出公式计算的，而通过3D软件移动模拟就可以很简单的确定抽芯距。因此过多的使用计算公式可能会误导初学者，到处查阅资料找计算公式。
表3 侧向抽芯距的计算
8. 脱螺纹模具的计算
对于脱螺纹模具的计算，计算传动比、螺纹型芯转动圈数等等都是必要的，参见相关手册。
9. 抽芯力、脱模力和顶出力的计算
芯力、脱模力和顶出力的计算相当复杂，现有的公式也很难准确的计算，只能通过经验的积累，估计脱模力，并采取相应的对策。
10. 冷却系统的计算
对于冷却系统的计算。现在已经有很多的计算公式，但是在现实中，应用计算比较少，一般的简单模具，制造周期都很短，模具设计的时间更短了，所以冷却系统的计算大都是省略了，通过经验类比解决。虽然不需要计算，但是雷诺数的计算、层流紊流等理论会给模具设计者提供思考的思路。
11. 总结
注塑模具的计算，对于大型模具和中小型模具来说，二者有着本质的区别。中小型模具通过经验很容易解决，而大型模具，一旦设计失误就会造成巨大损失，但是模具设计的计算，都必须建立在实践的基础上，模具是一门实践远远大于理论的技术，模具技术来源于实践。
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