基于PROE的插座旋钮注射模设计.docx

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基于PROE的插座旋钮注射模设计

1塑件的工艺性分析

1.1制件的产品图

插座产品三维结构如图1-1所示，其二维图如图1-2所示。

图1-1插座三维示意图

图1-2插座二维图

塑料旋钮结构如图1-3所示。

图1-3旋钮三维图

1.2尺寸及精度

塑料制件的尺寸精度是指所获得的塑件与产品图中尺寸的符合程度。

影响塑件尺寸的精度很多，首先是模具的的制造精度，和模具的磨损程度，其次是塑料收缩率的波动以及成型时工艺条件的变化，塑件成型后的时效变化和模具的形状结构等。

因此，塑件的尺寸精度往往不高，应该在保证使用的前提下尽可能选用低精度等级。

根据定义图纸的要求公差为自由公差，结合塑料制件公差数值标准SJ137278，确定公差等级为4级，即一般精度标准。

1.3表面粗糙度

塑件的外观要求越高，表面粗糙度应越低。

这除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤，云纹等疵点来保证外，主要是取决于模具型腔表面粗糙度。

一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低1~2级。

由于此产品的外观要求不高，塑件的表面粗糙度定为Ra0.4μm。

1.4脱模斜度

塑件冷却时的收缩会使它包紧住模具型芯或型腔中凸起的部分，因此为方便制件从型芯后从型腔中取出，必须设计一定的脱模斜度。

根据常用的塑件脱模斜度表查询得，型腔的脱模斜度为1°，型芯的脱模斜度为30'。

1.5塑件壁厚

塑料制品应该有一定的厚度，这不仅是为了塑料制品本身在使用中有足够的强度和刚度，而且也是为了塑料在成型时有良好的流动状态。

塑件壁厚受使用要求、塑料材料性能、塑件几何尺寸以及成型工艺等众多因素的制约。

根据成型成型工艺的要求，应尽量使制件各部分壁厚均匀，避免有的部位太厚或者太薄，否则成型后会因收缩不均匀而使制品变形或产生缩孔，凹陷烧伤或者填充不足等缺陷。

由产品图反映出，两塑件壁厚均为5mm。

1.6圆角

塑件的边缘和边角带有圆角，可以增强塑件某部位或者整个塑件的机械强度从而改善成型时塑料在模腔内流动条件，也有利于塑件的顶出和脱模。

因此塑件除了使用上的要求采用尖角或者不能出现圆角外，应该尽量采用圆角特征。

塑件上采用还可以使模具成型零部件加强，排除成型零部件热处理或使用时可能产生的应力集中问题。

由塑件的产品图可知：

产品所有边缘均带有圆角特征，最大圆角特征R=5mm，最小圆角特征r=0.5mm。

1.7收缩率

对于插座及旋钮，材料为ABS，理论收缩率为5/1000，而实际与理论是有区别的。

按照要求我们取5/1000。

1.8ABS注射工艺参数

产品所用材料为ABS，其注射成形工艺参数如表1-1所示。

表1-1ABS注射工艺参数

2

Pro/E环境下的塑件的注射成型工艺性分析

2.1质量属性分析

利用Pro/E进行产品的质量属性分析如图2-1，图2-2所示，分析结果为：

插座的质量为59.6g，旋钮的质量为133g。

图2-1插座质量属性分析图

图2-2旋钮质量属性分析图

2.2厚度均匀性分析

利用Pro/E进行产品的厚度属性分析如图2-3，2-4所示。

图2-3插座厚度均匀性分析图

图2-4旋钮厚度均匀性分析图

由图2-3，图2-4分析可知，红色剖面表示超出厚度范围，黄色剖面表示符合厚度范围，浅蓝色剖面表示小于厚度范围,综合得出：

插座及旋钮的厚度均匀性满足成型条件。

2.3拔模斜度分析

利用Pro/E进行产品的拔模斜度分析如图2-5，2-6所示。

图2-5插座拔模斜度分析图

图2-6旋钮拔模斜度分析图

由图2-5，图2-6分析可知，插座及旋钮的内表面显示为紫红色，表明由此方向拔模没有干涉，满足拔模要求。

3

初选注射机及确定型腔数

3.1注射机的选用

注射机的选用包括两方面的内容：

一是确定注射机的型号，使塑件、塑料、注射模及注射工艺等所需要求的注射机的规格参数在所选注射机的规格参数范围之内；二是调整注射机的技术参数至所需要的参数。

根据产品尺寸和注射机技术规格初步选定注射机的型号为XS-ZY-250。

其技术规格为：

表3-1XS-ZY-250的技术规格

额定注射量（cm3）

250

螺杆（柱塞）直径（mm）

50

注射压力（MPa）

130

注射行程（mm）

160

注射时间（s）

2.0

螺杆转数（r/min）

25、31、39、

58、32、89

注射方式

螺杆式

顶出行程（mm）

90

顶出力（KN）

28

定位孔径（mm）

100

喷嘴移出量（mm）

20

喷嘴球半径（mm）

18

锁模力（kN）

1800

最大成型面积（cm2）

550、500

最大开（合）模行程（mm）

500

模具最大厚度（mm）

350

模具最小厚度（mm）

200

动、定模固定板尺寸（mm）

800X600

续表3-1

拉杆空间（mm）

448X370

合模方式

增压式

液压泵

流量（L/min）

180、12

压力（MPa）

6.5

电动机功率（kW）

18.5

螺杆驱动功率（kW）

5.5

加热功率（kW）

9.83

机器外形尺寸（mm）

4700X1000X1815

3.2确定型腔数

按注射机的最大注射量确定型腔数得：

n≤（KmN-m2）/m1（3-1）

式中K—注射机最大注射量的利用系数，一般取0.8；

mN—注射机允许的最大注射量（g或cm3）；

m2—浇注系统所需塑料质量或体积（g或cm3）；

m1—单个塑件的质量或体积（g或cm3）。

注射机的最大注射量为250cm3，浇注系统所需塑件体积为5.8cm3,插座

的体积为56.8cm3，旋钮的体积为127.4cm3。

则：

n≤（0.8×250-5.8）/（56.8+127.4）=1.054

由上式所的模腔数取1，即一模同时成型插座及旋钮。

4

PlasticAdvisor6.0环境下的塑件工艺仿真分析

4.1浇口开设仿真

利用PlasticAdvisor6.0进行产品的浇口开设仿真分析如图4-1，图4-2所示。

图4-1插座浇口开设仿真图

图4-2旋钮浇口开设仿真图

由图4-1，图4-2分析得，蓝色部位为最佳进浇口，红色部位为最差进浇口。

4.2填充状态仿真

利用PlasticAdvisor6.0进行产品的填充状态仿真分析如图4-3，图4-4所示。

图4-3插座填充状态仿真图

图4-4旋钮填充状态仿真图

根据最佳浇口开设仿真图，综合模具设计原则，选择上图黄色箭头处为进浇口，进行填充仿真分析。

由图4-3，图4-4可知，制件的颜色全部显绿色，说明填充状态良好。

4.3型腔温度场仿真

利用PlasticAdvisor6.0进行产品的型腔温度场仿真分析如图4-5，图4-6所示。

图4-5插座型腔温度场仿真图

图4-6旋钮型腔温度场仿真图

由图4-5，图4-6可见，进浇口处颜色偏红，表示此处温度较高，而远离进浇点处颜色由绿渐蓝，表示温度逐渐下降。

对于以上两制件，此效果已经较好的反应温度场分布较为合理，已经能够满足制件成型要求。

若要进一步完善填充效果，可以在进浇口处加强冷却，使温差减小。

4.4冷却水道仿真

利用PlasticAdvisor6.0进行产品的冷却水道仿真分析如图4-7，图4-8所示。

图4-7插座冷却水道仿真图

图4-8旋钮冷却水道仿真图

由图4-7，图4-8可见，在两制件上均未出现必须开设冷却水道的鲜红色带，因此可在出现黄色色带的部位选择性开设冷却水道。

4.5缩痕分析

利用PlasticAdvisor6.0进行产品的缩痕分析如图4-9，图4-10所示。

图4-9插座缩痕分析图

图4-10旋钮缩痕分析图

图4-9，图4-10可用以预测制件出现缩痕的位置，改善成型工艺。

4.6气泡分析

利用PlasticAdvisor6.0进行产品的气泡分析如图4-11，图4-12所示。

图4-11插座气泡分析图

图4-12旋钮气泡分析图

图4-11，图4-12可用以预测制件出现气泡的位置，改善成型工艺。

4.7制作报告分析书

利用PlasticAdvisor6.0制作产品报告分析书如图4-13，图4-14所示。

图4-13插座报告分析书

图4-14旋钮报告分析书

图4-13，图4-14为制件的报告分析书，通过报告分析书，可以很方便的查阅制件的工艺仿真数据。

5

模具结构设计

5.1确定型腔的排列方式及分型面的选择

5.1.1型腔的排列方式

本设计是在一次注射成型中，同时成型插座及旋钮两个制件，即模具需要两个型腔。

综合考虑浇注系统，模具结构的复杂程度等因素，采用如图5-1所示的型腔排列方式：

图5-1型腔排列方式图

5.1.2分型面选择

分型面是决定模具结构形式的重要因素，它与模具的整体结构和模具的制造工艺有密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动充填特征及塑件的脱模。

因此，分型面的选择是注射模设计中的一个关键。

由于塑件的径向结构比较简单，所以采用一个分型面。

当选择分型面的时候，一般要遵循以下几项原则：

.分型面应选在塑件外形最大轮廓处。

.确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模。

.保证塑件的精度要求。

.满足塑件的外观质量要求。

.便于模具加工制造。

.对成型面积的影响。

.对排气效果的影响。

.对侧向抽芯的影响。

综上所述，最佳的方案是将塑件的分型面选在其根部，即塑件的下方。

（示意图如下图5-2）

图5-2塑件分型面示意图

5.2浇注系统设计

浇注系统是指塑料熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内部流

经的通道。

浇注系统分为普通流道的浇注系统和热流道的浇注系统两大类。

浇

注系统的设计是注射模具设计的一个很重要的环节，它对获得优良性能和

理想外观的塑料制件以及最佳的成型效率有直接影响，是模具设计的关键环节

之一。

对浇注系统进行总体设计时，一般应遵循如下原则：

.了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动特性。

.采用短的流程，以减少热量与压力损失。

.浇注系统设计应有利于排气。

.防止型芯变形和嵌件位移。

.便于修整浇口以保证塑件外观质量。

.浇注系统应结合型腔布局同时考虑。

.流动距离比和流动面积比的校核。

5.2.1主流道设计

主流道是浇注系统中从注射机喷嘴与模具相接触的地方开始，到分流道为止的塑料熔体的流动通道。

按照设计要求，主流道的小端直径d比注射机喷嘴的直径大0.5mm~1mm；主流道球面半径SR比喷嘴球面半径大1mm~2mm；球面配合高度h大致为3mm~5mm；主流道锥角α为2º~6º；主流道长度尽量不大于60mm。

按照设计标准，选用的注射机的喷嘴直径为3mm，则注射模具的喷嘴直径为4mm；注射机喷嘴球面半径为18mm，则主流道球面半径为19mm。

球配合高度为4.4mm；主流道锥角为2º；主流道长度为100mm，主流道大端直径为7.5mm。

示意图如下图5-3

图5-3主流道示意图

5.2.2分流道设计

分流道是主流道与浇口之间的通道。

在多型腔的模具中分流道必不可少，而在单型腔的模具中，有时则可省去分流道。

在分流道的设计时应考虑尽量减小在流道内的压力损失和尽可能避免温度的降低，同时还要考虑减小流道的容积。

1）分流道的截面形状

常用的截面形状有圆形，梯形，U形和六角形等。

在流道设计中要减少在流道内压力损失，则希望流道的截面积大；要减少传热损失，又希望流道的截面积小。

因此，可以用流道截面积与周长的比值来表示流道的效率。

2）分流道的尺寸

因为各种塑料的流动性有差异，所以可以根据塑料的品种来粗略的估计分流道的直径。

分流道长度一般在8mm-30mm之间，一般根据型腔布置适当加长或缩短，但最短不应小于8mm，否则，会给试模合分割带来困难。

分流道就是主流道和浇口之间的进料通道。

其作用是通过流道截面及方向变化使熔料平稳地转换流向，并均匀分配给各个型腔。

综合模具制造工艺因素考虑，决定采用半圆形截面，其主要尺寸为：

R=4mm，长度为L=10mm。

分流道表面不要求太光洁，表面粗糙度取Ra1.25-2.5μm。

5.2.3浇口设计

浇口是连接流道与型腔之间的一段细短通道，它是浇注系统的关键组成部分。

浇口的形状、位置和尺寸对制品的质量影响很大。

浇口的作用主要有以下几点：

1.熔体充模后，首先在浇口处凝固，当注射机螺杆抽回时可防止熔体向流道回流。

2.熔体在流经狭窄的浇口时产生的摩擦热，使熔体升温，有助于充模。

3易于切除浇口尾料，二次加工方便。

4对于多型腔模具，用以平衡进料；对于多浇口单型腔模具，用于控制熔接痕的位置。

浇口的截面积通常为分流道的截面面积的0.03～0.09。

浇口截面积通常有矩形和圆形两种。

浇口长度约为0.5～2mm左右。

浇口具体尺寸一般根据经验确定，取其下限值，然后在试模是逐步修正。

在注塑模具中常用的浇口形式有如下几种：

直接浇口、点浇口、潜伏式浇口、侧浇口、重叠式浇口、扇形浇口、平缝式浇口、盘形浇口、圆环形浇口、轮辐式浇口与爪形浇口、护耳浇口。

浇口的开设的位置对制品的质量影响很大，在确定浇口的位置时应注意以下几点：

1.浇口应设在能使型腔的各个角落都可以同时填满的位置。

2.浇口应设置在制品壁厚较厚的部位，使熔体从厚断面流向薄断面，以利于补料。

3.浇口的部位应选在易于排除型腔内空气的位置。

4.浇口的位置应选在能避免制品表面产生熔合纹的部位。

当无法避免产生熔合纹的产生时，浇口的位置的选择应考虑到熔合纹产生的部位是否合适。

5.浇口的设置应避免引起熔体断裂的现象。

6.浇口应设置在不影响制品外观的部位。

7.不要在制品中承受弯曲载荷或冲击载荷的部位设置浇口，一般制品浇口附近的强度较差。

综上所述，本设计采用侧浇口。

由于本设计是同模生产出不同的塑件，故需对浇口尺寸加以调整，以达到浇注系统的平衡。

浇口尺寸的平衡调整可以通过粗略估算和试模来完成。

浇口平衡的计算可通过计算各个浇口的BGV值来判断或设计。

浇口平衡时，BGV值应符合下述要求：

相同塑件多型腔时，各浇口计算的BGV值必须相等；不同塑件多型腔，各浇口计算的BGV值必须与其塑件的充填量成正比。

不同塑件多型腔成型时的BGV值可用下式表示：

=

=

（5-1）

Wa,Wb---分别表示为a,b型腔的充填量（熔体质量或体积）；

AGa,AGb---分别表示a,b型腔的浇口截面积（mm2）;

LRa,LRb---分别为主流道中心到达a,b型腔的流动的长度；

LGa.LGb---分别为a,b型腔的浇口长度。

无论是相同塑件还是不同塑件的多型腔，一般在设计是取矩形浇口或圆形点浇口，浇口截面积AG与分流道的截面积AR的比值应取AG:

AR=0.07~0.09.矩形浇口的截面的宽度b与厚度t的比值常取b:

t=3:

1。

代入数据可得：

插座侧浇口尺寸为：

l=1mm,b=2.4mm,t=0.8mm

旋钮侧浇口尺寸为：

l=1mm,b=3.6mm,t=1.2mm

5.2.4冷料穴设计

冷料穴的作用是贮存因两次注射间隔而产生的冷料头以及熔体流动的前锋冷料，以防止熔体冷料进入型腔。

冷料穴一般设在主流道的末端，当分流道较长时，在分流道的末端有时也开设冷料穴。

冷料井位于主流道正对面的模板上，或是处于分流道末端。

其作用是捕集料流前锋的“冷料”，防止“冷料”进入型腔而影响塑件质量；开模时又能将主流道中的冷凝料拉出。

冷料井直径宜稍大于主流道大端直径，长度约为主流道大端直径。

1.底部带有推杆的冷料井：

这类冷料井的底部有一根推杆组成，推杆装于推杆固定板上，因此它常与推杆或推管脱模机构连用。

2.底部带有拉料杆的冷料井：

这类冷料井的底部由一根拉料杆构成，拉料杆装于型芯固定板上，因此它不能随脱模机构运动。

3.底部无杆的冷料井：

对于具有垂直分型面的注射模，冷料井置于左右两半模的中心线上，当开模是分型面左右分开，塑件和流道凝料一起取出，冷料井底部不必设置杆件。

4.分流道冷料穴：

当分流道较长时，可将分流道的尽头沿料流前进方向延长作为分流道冷料井。

以贮存前锋冷料，其长度为分流道直径的1.5～2倍。

该模具设计中需要设计冷料井，使用主流道底部带有拉料杆的冷料井。

5.3成型零件设计

模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件，包括凹模，型芯，镶块，成型杆和成型环等。

成型零件工作时，直接与塑件接触，承受塑件熔体的高压，料流的冲刷，脱模时与塑件之间还发生摩擦。

因此，成型零件要有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，此外，成型零件还要有合理的结构，有较高的强度，刚度和较好的耐磨性能。

设计成型零件时，应根据塑件的特性和塑件的结构及使用要求，确定型腔的总体结构，选择分型面和浇口位置，确定脱模方式、排气部位等，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构设计，计算成型零件的尺寸，对关键的成型零件进行强度和刚度校核。

5.3.1凹模结构设计

凹模是成型塑件外表面的主要零件。

由于所制造的塑件外型简单，所以采用整体式凹模，以减少加工工艺，以缩短模具制作时间。

（示例图如下图5-4，整体式凹模）

图5-4凹模结构示例图

5.3.2凸模结构设计

凸模是成型塑件内表面的零件。

为了便于加工型芯，减少模具钢材的应用，在一般模具中，凸模通常采用单独制造，再通过凸肩结构镶入模板中的结构。

（示例图如下图5-5）

图5-5凸模结构示例图

5.3.3成型零件工作尺寸的计算

确定了凹模和凸模的结构后，接下来就要根据塑件的尺寸和材料的收缩率确定凹模和凸模的工作尺寸。

在模具设计时，应根据塑件的尺寸及精度等级确定模具成型零件的工作尺寸及精度等级。

影响塑件尺寸精度的因素相当复杂，这些影响因素应作为确定成型零件工作尺寸的依据。

影响塑件尺寸精度的主要因素一般有塑件收缩率的影响；模具成型零件的制造误差；模具成型部件的磨损；模具安装配合的误差等等。

由此可见，由于影响因素太多，累积误差较大，因此塑件的尺寸精度往往较低。

但是在一般情况下收缩率的波动，模具制造公差和成型零件的磨损是影响尺寸精度的主要原因。

计算模具成型零件基本的公式为：

a=b+bs（5-2）

式中a——模具成型零件在常温下的实际尺寸；

b——塑件在常温下的实际尺寸；

s——塑料的计算收缩率。

查阅相关技术手册得：

ABS材料的为0.3%~0.8%。

由于塑件的尺寸较小，在平均收缩率的前提下，取塑件的收缩率为0.5%。

因为成型零件的制造公差约占塑件总公差的1/3~1/4，则取IT6为模具的制造公差。

5.3.4模具型腔侧壁和底板厚度的计算

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，尤其对于重要的精度要求高的或大型模具的型腔，更不能单纯凭经验来确定型腔侧壁和底板厚度。

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；而刚度计算条件由于模具的特殊性，应从以下三个方面来考虑：

1、模具成型过程中不发生溢料。

2、保证塑件尺寸精度。

3、保证塑件顺利脱模。

由于型腔的形状，结构形式是多种多样的，同时在成型过程中模具受力状态也很复杂，一些参数难以确定，因此对型腔壁厚作精确的力学计算几乎是不可能的。

只能从实用观点出发，对具体的情况进行分析，建立接近实际的力学模型，确定较为接近实际的计算参数，采用工程上常用的近似计算方法，以满足设计上的需要。

（一）、下凹模镶块型腔侧壁厚度及底板厚度计算

本模具型腔采用组合式矩形型腔来计算

（1）型腔壁厚度的计算

按刚度条件的计算式为:

（5-3）

式中s----型腔侧壁厚度（mm）

p----型腔内熔体的压力（MPa）

H1----承受熔体压力的侧壁高度（mm）

l----型腔侧壁长边长（mm）

E----钢的弹性模量，取2.06X

MPa

H----型腔侧壁总高度

按强度条件型腔侧壁的计算式为：

（5-4）

当p=50MPa,H1/H=4/5,[O]=160MPa时，侧壁长l刚度计算的分界尺寸为370mm,即当l>370mm时按刚度条件计算侧壁厚度，反之按强度条件计算侧壁厚度。

所设计的l＝180<370mm,则按强度条件计算，代入数据得

S=63.6mm

（2）底板厚度的计算

按刚度条件的计算式为：

（5-5）

式中h-----矩形底板（支承板）的厚度（mm）

B----底板总宽度（mm）

按强度条件的计算式为：

（5-6）

式中L----双脚间距

当p=50MPa,b/B＝1/2，[O]=0.05mm,[o]=160MPa时，强度与刚度计算的分界尺寸为L=108mm,即L>108mm时按刚度条件计算底板厚度，反之按强度条件计算底板厚度。

所设计的L＝60<108mm,则按强度条件计算，带入数据得：

H=20.5mm

根据计算，取H=25mm。

（二）、上凹模型腔侧壁厚度的计算

上凹模镶块型腔为矩形整体式型腔，根据矩形整体式侧壁厚度计算公式。

这里不做此计算，而是根据下凹模镶块的外形尺寸来确定。

5.4合模导向机构设计

导向机构是保证动定模或上下模合模时，正确定位和导向的零件。

合模导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种形式。

通常采用导柱导向定位。

导向机构的作用一般有：

1．定位作用模具闭合后，保证动定模或上下模位置正确，保证型腔的形状和尺寸精确；导向机构在模具装配过程中也起了定位作用，便于装配和调整。

2．导向作用合模时，首先是导向零件接触，引导动定模或上下模准确闭合，避免型芯先进入型腔造成成型零件损坏。

3．承受一定的侧向压力塑料熔体在充型过程中可能产生单向侧压力，或者由于成型设备精度低的影响，使导柱承受了一定的侧向压力，以保证模具的正常工作。

若侧压力很大时，不能单靠导柱来承担，需增设锥面定位机构。

导柱导向机构的主要零件是导柱和导套。

5.4.1导柱

1．导柱的结构形式。

由于所设计模具结构简单，所以设计为带头导柱。

带头导柱具有结构简单，加工方便等优点，主要用于简单模具。

小批量生产一般不需要用导套，而是导柱直接与模板中的必向孔配合。

生产批量大时，也可在模板中设置导套，导向孔磨损后，只需要换导套即可。

（其结构形式如图5-6所式）

图5-6导柱结构形式图

2．导柱结构的技术要求

（1）长度导柱导向部分的长度应比凸模端面的高度高出8~12mm，以避免出现在导柱未导正方向而型芯先进入开型腔。

（2）形状导柱前端应做成锥台形或半球形，以使导柱顺利地进入导向孔。

（3）材料导柱应具有硬而耐磨的表面，坚韧而不易折断的内芯，因此多采用粗糙度Ra为0.8m，导向部分表面粗糙度Ra为0.8~0.4m。

（4）数量及布置导柱应合理均布在模具分型面的四周，导柱中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具强度（导柱中心到模具边缘距离通常为导柱直径的1~1.5倍）。

为确保合模时只能按一个方向合模，导柱的布置可采用等直径导柱不对称布置或不等直径