4.2 分型面和排气设计
注射模设计过程中，首先是合理确定分型面，往往是在模具结构设计的最后设置排气槽。排气系统主要利用分型面，排气槽大都开设在分型面上。在不能利用分型面排气时，必须熟知其他途径的排气设计。
4.2.1 分型面设计
在注射模具中，用于取出注塑件或浇注系统凝料的面通称为分型面。常见的取出注塑件的主分型面与开模方向垂直。主分型面将注射模分成定模和动模两部分，也有从主分型面取出并放回活动型芯，或放置嵌件。注射模有一个或多个分型面，还有采用与开模方向一致的侧向分型面。采用点浇口的双分型面的注射模，注塑件与浇道凝料分别从两个分型面中取出。分型面大都是平面，也有倾斜面、曲面或台阶面。
分型面的选择不仅关系到注塑件的正常成型和脱模，而且涉及模具结构与制造成本。在选择分型面时，应遵守以下原则。
（1）分型面应选择在注塑件的最大截面处 如图4-13a、图4-13c所示，否则，如图4-13b所示，无法脱模和加工型腔。无论注塑件以何方位布置型腔，都应将此作为首要原则。
（2）尽可能地将注塑件留在动模一侧 因为在动模一侧设置和制造脱模机构简便易行。为了让注塑件留在动模一侧，图4-14a将型芯设在动模的型芯上，薄壁注塑件对型芯产生有足够的包紧力；但是遇到厚壁塑件或者没有型芯，如图4-14b所示，可将注塑件型腔设在动模一侧的型腔里。
图4-13 分型面应选在注塑件的最大截面处
a）分型面在注塑件的最大截面处 b）最大截面在型腔内 c）箭头所指为分型面
（3）有利于保证塑件的尺寸精度 图4-15a为保证双联齿轮的齿廓与孔的同轴度，两齿轮型腔和型芯都设在动模一侧；若分设在动模与定模两侧，见图4-15b。会受到导柱与导套配合精度及它们磨损的影响。又如图4-16a所示，为了保证注塑件两台阶间距尺寸L的精度，应将两台阶面置于模具同一侧；否则如图4-16b布置，尺寸L精度受到分型面制造精度和锁模力的影响，会引起较大误差。
图4-14 注塑件应尽可能留在动模一侧
a）注塑件留在动模的型芯上 b）注塑件留在动模的型腔里
图4-15 有利于保证注塑件的同轴度
a）两齿轮都设在动模同一侧 b）两齿轮分别设在动模和定模两侧
（4）有利于保证注塑件的外观质量 分型面上型腔壁面稍有间隙，熔体就会在注塑件上产生飞边。飞边影响注塑件的外观质量。因此在光滑平整表面或圆弧曲面上，应尽量避免选择分型面，如图4-17a所示。而图4-17b的选择显然不当。
（5）考虑满足注塑件的使用要求 注塑件在模塑过程中，有一些很难避免的工艺缺陷，例如脱模斜度、分型面上的飞边以及顶杆与浇口痕迹等。在分型面设计时，应从使用角度避免这些工艺缺陷影响塑件功能。如图4-18b所示，塑件完全在动模一侧脱出，会使脱模斜度过大。图4-18a分别在动模、定模安排型腔，可减小脱模斜度。又如图4-19b上的注塑件轴需与圆孔支撑，或轴上传动零件的孔有配合要求，但分型面飞边痕迹会影响运转功能；若如图4-19a在有飞边两侧，留有与圆孔的单边间隙0.15～0.25mm，便不会影响其转动。
图4-16 有利于保证注塑件尺寸精度
a）两台阶置于动模一侧成型 b）两台阶由动模和定模分别成型
图4-17 有利于保证注塑件外观质量
a）圆弧曲面由型腔成型 b）圆弧曲面上设置分型面
图4-18 有利于减小注塑件的脱模斜度
a）分别在动模和定模脱模，脱模斜度小 b）在动模一侧脱出，脱模斜度大
图4-19 有利于保证塑料轴的转动功能
a）飞边处在有间隙孔中 b）转轴柱面上会有飞边
（6）注塑件在主分型面上的投影面积应小于所用注射机的成型面积 减小注塑件在合模平面上的投影面积，可减小所需锁模力。如图4-20所示的弯角板块类注塑件，图a的选择比图b为好。但是按图a布置后模具的闭合高度较大。
（7）长型芯应置于开模方向 当注塑件在相互垂直方向都需设置型芯时，如图4-21a所示，将较短型芯置于侧抽芯方向，有利于减小抽拔距，因为侧向分型抽芯机构的抽拔距较小；若按图4-21b布置，需要尺寸很大的斜导柱抽芯机构。
（8）有利于排气 应将分型面置于熔体充模流动的末端，如图4-22a所示；而图4-22b所示熔体溢料面与分型面垂直，熔体不能从分型面溢出。注塑件在压缩中成型，虽然翻边壁厚的尺寸精度高，但不能利用分型面排气。又如图4-23a所示，料流的末端气体可利用分型面排气；而图4-23b所示，气体会在型腔中积聚。
图4-20 有利于减小注塑件在合模平面上的投影面积
a）注塑件在分型面上的投影面积小 b）成型注塑件需较大的锁模力
图4-21 较长型芯应置于开模方向
a）长型芯设在开模方向 b）长型芯设在侧抽方向
图4-22 分型面应有利于排气
a）利用分型面排气 b）不能利用分型面排气
图4-23 料流的末端排气
a）利用分型面排气 b）气体在型腔中积聚
（9）应有利于简化模具结构 为此在安排制件在型腔中方位时，尽可能避免侧向分型或抽芯。特别是避免在定模部分侧向抽芯，如图4-24所示。图4-24a布置方位可避免侧向抽芯，模具结构比图4-24b简单。
（10）非平面分型面的选择，应有利于型腔加工和方便脱模 图4-25、图4-26和图4-27中的倾斜面、曲面和阶梯面分型面，用磨削加工使动模与定模密配是不可能的，常采用电火花对合加工。
图4-24 应有利于简化模具结构
a）模具简单 b）需侧向抽芯
图4-25a所示斜面分型时型腔加工方便。图4-26所示曲面分型时，孔的成型和壳体的脱模方便。图4-27a所示平面分型需侧向抽芯。图4-27b阶梯面分型需异形型芯成型孔，阶梯分型面加工困难。
图4-25 斜面分型
a）斜面分型使型腔加工方便 b）分型面加工方便
图4-26 曲面分型
图4-27 阶梯面分型
a）平面分型需侧向抽芯 b）阶梯面分型需异形型芯
设计非平面分型面时，应注意模具侧向的力平衡，如图4-27a那样。如图4-28b所示，由于型腔布置对开模方向的不对称，注射时动模与定模间存在侧向作用力，不利于开模和脱模。若由于注塑件的几何尺寸限制不能作图4-28a那样的平衡设计，则应设有粗壮的导柱并加装锥面斜面定位机构。
图4-28 非平面分型时模具侧向的力平衡
a）侧向作用力被平衡 b）动模与定模受到侧向作用力
注射模有些模板之间的分离运动，并没有注塑件或流道凝料取出。例如：动模上的推件板被脱模推杆顶离动模；定模上的脱卸板将主流道和分流道凝料推离定模。但都没有对注塑件或流道分型。对于一些特殊注塑件，分型面设计是困难的技术问题。由于涉及制品的几何尺寸精度和质量，分型面选择后应得到注塑件设计人员的认可。
4.2.2 排气设计
从某种角度而言，注射模也是一种置换装置。即塑料熔体注入模腔同时，必须置换出型腔内空气和从物料中逸出的挥发性气体。排气系统是注射模设计的重要组成部分。本节详细讨论该计算式的推导过程和物理条件，可供实用计算时参考。
1.排气设计
（1）排气不良的危害 排气和排气槽设计不合理，将会产生下述的弊病：
1）增加熔体充模流动的阻力，使型腔不能充满，会使注塑件棱边不清。
2）在制品上呈现明显可见的流动痕和熔合缝，其力学性能降低。
3）滞留气体使注塑件产生银纹、气孔、剥层等表面质量缺陷。
4）型腔内气体受到压缩后产生瞬时局部高温，使塑料熔体分解变色，甚至碳化烧焦。
5）由于排气不良，降低了充模速度，增长了注射成型周期。
越是薄壁制品、越是远离浇口的部位，排气槽的开设越重要。对于小型精密制品的注射成型也要重视排气设计，因为除了能避免制品的注射量不足和表面灼伤外，还可以消除各种缺陷。对于几何形状复杂的制件，模具上排气槽的开设在试射后确定。
（2）排气系统设计方法
1）利用分型面排气是最简便的方法，排气效果与分型面的接触精度有关。减少实际锁模面有利排气。利用模块结构，可减小锁模接触面，但锁模接触面的宽度不能低于15mm。
2）利用顶杆与孔的配合间隙排气，必要时对顶杆作些排气的结构措施，如图4-29所示。对于型腔的封闭死角，可增设推杆作排气用。推杆排气隙的长度为2～3mm，开设排气槽和沟。推杆与孔的配合长度不小于10mm，或为推杆直径的2～3倍。顶端利用推管同样也能排气，其排气结构如图4-30所示。型芯也被利用排气，其排气结构如图4-31所示。以上三图中图示单向间隙δ可为表4-1所列的常用排气槽高度h的一半。排气通道表面顺气流方向抛光，无锐角。
3）利用球状合金颗粒烧结块渗导排气，如图4-32所示。透气钢块应有足够的承压能力，设置在注塑件隐蔽处，并须开设排气通道。透气钢的透气效果与厚度成反比，钢块的排气方向厚度30～50mm。但透气钢块的强度和刚度较低，既要有足够截面的排气坑，又要有较好支承。图4-33a所示透气钢块的刚性差，透气途径长。改用图4-33b的高强度钢支承又作大面积透气。透气钢块的成型面和出气底面的精加工，只能用电火花成型。透气钢硬度为35～38HRC，可以机械切削加工。用脱模剂之类的液体涂在透气钢块的工作面上，从底面吹入压缩空气，检查气泡涌起。如果透气钢块阻塞，可以清洗后再用。将透气钢块加热至500℃，保持1h，冷却后浸入丙酮至少15min，然后用压缩空气吹出残渣。如效果不好，重复加热、溶渣和吹气。
4）在熔合缝位置开设冷料井，在贮留冷料前也滞留了少量气体。也有在锁模分型面上，挖贮气小坑，引留少量气体。
图4-29 兼排气的顶杆
图4-30 兼排气的推管
图4-31 兼排气的型芯
图4-32 烧结金属块渗导排气
图4-33 透气钢块的排气设计
a）排气效果差 b）排气坑效果好
5）可靠有效的方法，是在分型面上开设专用排气槽，如图4-34所示，尤其大型注射模必须如此。排气槽通常设在分型面的动模一侧，应开设在熔体最后充满的部位。图4-34为单个侧浇口的型腔，排气槽大致设在浇口对面。排气槽截面尺寸，既要有利于排气，又要不溢料。因此，对于黏度较低的塑料熔体应有较小的排气槽高度h，见表4-1。高压塑料熔体冲着排气隙口，熔体容易溢进排气槽。因而，熔料在排气槽隙口垂直流过时，排气槽高度h和排气隙δ容许稍大些。
排气槽流通截面S，应按所需排气量由式（4-26）确定，然后计算得排气槽宽度W和槽的数目。槽宽度W取2～6mm，优选了3.2～5mm。气流方向的排气槽长度L取1～2mm，一般不超过2mm。排气槽表面应顺气流方向进行抛光。排气槽后续的导气沟应适当增大，以减小排气阻力。其高度h′=0.8～1.6mm，单个宽度W′≥W=3.2～5mm。分型面上排气沟为梯形或半圆截面，优选梯形截面，以便于清除溢进的塑料。圆筒形注塑件，在采用中央浇口时，应在分型面的型腔周围均匀布置排气槽，并设置环形的导气沟。
6）对于大型模具，可利用镶拼的成型零件的缝隙排气。图4-35所示为点浇口设计的浇口套镶件排气间隙和环形导气沟。
图4-34 开设专用排气槽和导气沟
图4-35 绕口套镶件排气间隙和环形导气沟
1—浇口镶件 2—型腔板 3—推板 4—动模型芯 5—环形导气沟
表4-1 常用的排气槽高度
排气槽的表面、推杆和镶块的排气间隙，在注射生产时会留下塑料的残余物。污垢会堵塞排气截面。压缩空气可在每次开模时吹去污物。可动零件上的排气槽和排气隙有一定的自我清理能力。紧固型芯和镶块上的排气间隙上污物清理困难，要设计清理的通道，后续的排气沟的截面要足够大。
2.排气槽的截面尺寸计算
塑料熔体注射充模时，型腔内气体被压缩成气室，然后经排气口喷出。
（1）气体压缩 注射模排气过程的第一阶段，是充模的高温塑料熔体将型腔内气体驱赶压缩至死角，形成一个高温高压的气室。此阶段既不是等温过程，也不是绝热过程，而是气体动力学的多方过程理想气体的多方过程中，压力p和体积V的关系满足下式：
p·Vn=恒量 （4-10）
n称多方指数，n=1时为等温过程，n=γ=1.4时为绝热过程。此气室的状态是第二阶段排气槽喷排气体时的初始条件。许多设计理论，均按照临界的有效排气来计算排气槽的截面积。此气室的温度和压力，应根据注射工艺确定。此气室处于熔体料流的末端，压力p=20MPa，被压后气体温度T升高至300℃左右。此时气室中气体可能分解和烧焦塑料物料。有危害状态的多方指数为
式中 V0——包括浇注系统在内的型腔总体积；
p0——原型腔内具有的标准大气压（p0=0.1MPa）；
V——被压缩气室的体积，拟定为V0的1%。
被压气室的温度，由多方过程
得到
模内气体从20℃经压缩升温达311℃。若按系统不与外界交换热量的绝热过程计算，则被压气室温度还要高得多。介于等温和绝热过程之间的多方过程是符合注射充模实际的。这里存在误差，在形成气室前，模具中的排气槽是开放的。但由于气压低、充模快，先期被排出的气体不多，由上述假定推算的气室温度和压力比实际要偏大些。
（2）排气槽的喷射 推导的第二阶段，把排气槽视为喷气管。由于排气过程迅速，来不及与外界有明显的热量交换，因此作为绝热过程处理。有参量比热容比
γ=cp/cv （4-14）
式中，cp为定压比热容，cv是定容比热容，对于空气γ=1.4。根据气体动力学的流量函数所述，喷管的质量流量称为密流m′，单位截面积A的密流有
m′/A=ρv （4-15）
式中，v为喷管的排气流速，气体密度
ρ=ρ′/（RT′） （4-16）
又有喷管排气的音速公式，音速为
以上式（4-16）和式（4-17）中，气体常数R=287.04J/（kg·K）；T′为喷管中气体的热力学温度；p为喷管中气体的压力，代入式（4-15）后得
其中ν/a=M称为马赫数。前述T和p为第一阶段所生成气室的滞止温度和压力。此时气体的动能完全转化为热焓的滞止状态。根据能量守恒关系，它们与喷管中气体的温度T′和压力p′有以下关系
代入式（4-18）后，可得
在M给定的情况下，气体密流m′与滞止压力p成正比，与滞止温度T的平方根成反比。如果滞止的压力p给定，密流m′只是M数和γ、R的函数。
如果气流的M数达到1，出现临界密流，对应着喷管的临界面积A，有
用γ=1.4，R=287J/（kg·K）代入后，得排气槽截面积的计算式
密流m′用常温常压下型腔体积V0和空气密度ρ=1.16kg/m3代入，用注射充模时间t计算：
m′=m/t=ρV0/t （4-24）
再用气室的高温T=584K和高压p=20MPa=20×106 N/m2，代入式（4-22），得到排气槽截面积的设计计算式：
上式中A（m2或cm2）与V0（m3或cm3）的单位一致。为计算方便，型腔体积V0用cm3代入，截面A单位是mm2，于是有
式中 A——排气槽的截面积（mm2）；
V0——包括浇注系统的型腔体积（cm3）；
t——注射充模时间（s）。
式（4-26）计算关键是充模时间的正确估测。建议按第8章的表8-1注射机公称注射量与注射时间，根据模具实际型腔体积VO来确定t。
（3）计算修正 考虑到有些塑料品种的热分解温度高于或低于前假定TK=584K，可对式（4-25）进行气体温度的修正
于是物料分解温度TK修正的排气槽截面积的计算式为
当某种物料的热分解温度较低，TK小于584K时，则计算得到截面积A会略大些，以避免熔体被烧焦。同样，式（4-27）中的V0和A量纲是一致的。
对式（4-26）和式（4-27）的计算结果，常见的修正意见有：
1）当注射模有顶杆、分型面等其他排气通道时，截面积A可斟酌减小；
2）排气槽长期使用后有积垢，会减小有效截面积，A可略大些。
[例]有型腔体积V0=100cm3的模具开设排气槽。参考表8-1，取充模时间t=1.5s。求排气槽截面尺寸。
[解]由式（4-26）得排气槽面积
再由表4-1，按塑料物料取排气槽高度h=0.02mm，高度h的制造公差为±0.005mm。排气槽总宽度11.5mm，单个排气槽宽度4mm，需三个排气槽，排气方向的长度取1.5mm。
随着高速注射的发展，真空排气系统将被采用。在如图4-32所示的烧结金属块后侧，配以真空抽气。以上陈述的是热塑性塑料注射模的排气系统。热固性塑料注射模的排气系统更为重要。排出气体质量中需计入化学反应产生的气体质量。