5-3-3 成型零部件的强度与刚度计算
5-3-3-1 成型零部件强度、刚度计算考虑的要素
塑料模具型腔在成型过程中受到熔体的高压作用，应具有足够的强度和刚度。如果型腔侧壁和底板厚度过小，可能因强度不够而产生塑性变形甚至破坏；也可能因刚度不足而产生挠曲变形，导致溢料和出现飞边，降低塑料件尺寸精度并影响顺利脱模。因此，应通过强度和刚度计算来确定型腔壁厚，尤其是对于精度要求高的或大型的模具型腔，更不能单纯的凭经验来确定型腔的侧壁和底板的厚度。
模具型腔壁厚的计算，应以最大压力为准。而最大压力是在注射时，熔体充满型腔的瞬间产生，随着塑料的冷却和浇口的冻结，型腔内压力逐渐降低，在开模时接近常压。理论分析和生产实践表明，大尺寸模具型腔刚度不足是主要矛盾，型腔壁厚应以满足刚度条件为准；而对于小尺寸的模具型腔，在发生大的弹性变形前，其内应力往往超过了模具材料的许用应力，因此强度不够是主要矛盾，因此，设计型腔壁厚应以满足强度条件为准。如：组合式圆形型腔，当型腔压力P=49MPa，型腔允许变形量［δ］=0.05mm。型腔材料许用拉应力［σ］=157MPa时，随型腔基本尺寸增大，分别按强度条件和刚度条件计算，则壁厚与半径的关系见表5-3-3,图5-3-18。
表5-3-3 组合圆形型腔壁厚与半径的关系 （mm）
型腔半径
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20
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50
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86
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100
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130
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140
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按强度算的壁厚
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13
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31.5
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54
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63
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76
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88
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按刚度算的壁厚
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2.1
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15
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54
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85
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149
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280
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图5-3-18 组合圆形型腔壁厚与半径的关系图
型腔壁厚的强度计算条件是型腔在各种受力形式下的应力值不得超过模具材料的许用应力，即：σmax≤[σ]；型腔壁厚的刚度计算条件应使型腔弹性变形不超过允许变形量，即：δmax ≤[δ]。
一 塑件成型过程中不产生溢料
当高压熔体注入型腔时，模具型腔的某些配合面产生间隙，间隙过大则出现溢料，如图5-3-19所示。这时应根据塑料的粘度特性，在不产生溢料的前提下，将允许的最大间隙值〔δ〕作为型腔的刚度条件。各种塑料的最大不溢料间隙值表5-3-4。
图5-3-19
表5-3-4 不发生溢料的间隙值 （mm）
粘度特性
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塑料品种举例
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允许变形值[δ]
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低粘度塑料
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尼龙(PA)、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚甲醛（POM）
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≤0.025~0.04
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中粘度塑料
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聚苯乙烯(PS)、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
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≤0.05
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高粘度塑料
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聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSF）、聚苯醛（PPO）
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≤0.06~0.08
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二 保证塑件的尺寸精度
某些塑件个别部位的尺寸常要求比较高的精度，这就要求模具型腔应具有很好的刚性，以保证塑料熔体注入型腔时不产生过大的弹性变形。此时，型腔的允许变形量〔δ〕由塑件尺寸和公差值来确定。由塑件尺寸精度确定的刚度条件可用表6.5所列的经验公式计算出来。例如：塑件尺寸在200~500mm范围内，其三级和五级精度的公差分别为0.50~1.10mm和1.00~2.20mm，因此，其刚度条件分别为〔δ〕=0.050~0.069mm。
表5-3-55 保证塑件尺寸精度的〔δ〕值 （mm）
塑件尺寸
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经验公式〔δ〕
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＜10
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Δi/3
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＞10~50
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Δi/[3（1+Δi）]
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＞50~200
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Δi/[5（1+Δi）]
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＞200~500
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Δi/[10（1+Δi）]
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＞500~1000
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Δi/[15（1+Δi）]
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＞1000~2000
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Δi/[20（1+Δi）]
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注：i 为塑件精度等级；Δi 为塑件尺寸公差值。
三 保证塑件顺利脱模
如果型腔刚度不足，在熔体高压作用下会产生过大的弹性变形，当变形量超过塑件的收缩率时，塑件周边将被型腔紧紧包住而难以脱模，强制顶出易使塑件划伤或破裂，因此，型腔的允许弹性变形量应小于塑件壁厚的收缩值，即：
〔δ〕< δS （5-3-21）
式中：〔δ〕——保证塑件顺利脱模的型腔允许弹性变形量；
δ——塑件壁厚（mm）；
S——塑件的收缩率。
在一般情况下，因塑料的收缩率较大，型腔的弹性变形量不会超过塑料冷却时的收缩值。因此，型腔的刚度要求主要由不溢料和塑件精度来决定的。当塑件某一尺寸同时有几项要求时，应以其中最苛刻的条件作为刚度设计的依据。
型腔尺寸以强度和刚度计算的分界值取决于型腔的形状、结构、模具材料的许用应力、型腔允许的弹性变形量以及型腔内熔体的最大压力。在以上诸因素一定的条件下，以强度计算所需要的壁厚和以刚度计算所需要的壁厚相等时的型腔内尺寸即为强度计算和刚度计算的分界值。在分界值不知道的情况下，应分别按强度条件和刚度条件算出壁厚，取其中较大值作为模具型腔的壁厚。
