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1、塑料成型基础第5章 塑料成形基础5.1 塑料及塑料模的基本概念塑料是以相对分子量较高的合成树脂为主要成分，加入其它添加剂，可在一定温度和压力下塑化成形的高分子合成材料。塑料是近代科学技术，特别是化学化工科技发展的产物。现代生活中，小到日常生活用品，大到建筑材料、交通工具、生产设备以及尖端科技领域，到处都有塑料的身影。5.1.1 塑料的分类及性能塑料的品种很多，我们可以按其组成、性质和用途等对它们进行分类。 5.1.1.1 依据其热性能进行分类按照热性能，塑料可以分为热塑性塑料和热固性塑料两类。热塑性塑料是线性和支链型聚合物。塑料加工时，原料受热后逐渐变软而熔融，借助压力的作用可制成一定形状的制

2、品。塑料受热熔融，冷却后凝固，再次加热又可软化熔融，重新制成产品，这一过程可以反复进行多次，而材料的化学结构基本上不起变化，这一类塑料称之为热塑性塑料。常用的热塑性塑料有：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。热固性塑料是在一定温度下能变成粘稠状态，但是经过一定时间加热塑制成形后，不会因再度加热而软化熔融。这是因为在成形过程中聚合物分子之间发生了化学反应，形成了交联网状结构，使之成为不熔的固态，所以只能塑制一次，这类塑料称为热固性塑料。常用的热固性塑料有：酚醛树脂、环氧树脂、有机硅塑料等。5.1.1.2 依据其用途进行分类按用途不同，塑料可以分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。一般把价格低、产量

3、大、用途广而受力不大的，常用于制造日用品的塑料称为通用塑料。例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛、聚苯乙烯等等。把机械强度高、刚性大的，常用于取代钢铁或有色金属材料制造机械零件或工程结构受力件的塑料称为工程塑料。例如：聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚酮等等。另外，将一些具有特殊功能的塑料，称为特种塑料。例如：导电的聚乙炔、耐高温的聚芳砜等。随着聚合物合成技术的发展，塑料可以通过采取各种措施来改进性能和增加强度，从而制成新颖的塑料品种。5.1.2 塑料成形方法及塑料的种类5.1.2.1 塑料的成形方法1.注射成形 注射成形技术是根据压铸原理发展起来的,是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一。注射成形是

4、间歇操作，成形周期短，生产效率高，产品种类繁多，生产灵活。其制品已占塑料制品总产量的30%以上。注射成形的工艺原理是将颗粒状塑料原料置于塑料注射成形机内并加热熔化，通过压力作用注射到模具内定型，经过一段时间冷却后取出制品。2.吹塑成形 吹塑成形是目前塑料成形生产的主要方法，它包括挤出吹塑，如吹塑薄膜；中空吹塑，如吹塑中空的塑料容器等。3.热成形 塑料的热成形是将热塑性塑料的片状材料加热至软化，使其处于热弹性状态，然后通过压力在模具中成为制品。塑料的热成形工艺主要有：差压成形、覆盖成形、柱塞助压成形等。另外，塑料成形方法还有挤塑成形、压缩成形和压注成形等。5.1.2.2 塑料的种类常用的塑料有以

5、下一些种类：1.聚乙烯（PE） 聚乙烯是目前国内外产量最大的塑料，优点是质轻、价廉和电绝缘性能好。2.聚丙烯（PP） 聚丙烯除了具有聚乙烯同样的质轻、价廉和电绝缘性能好的优点之外，其机械性能和耐热性比聚乙烯要好得多。缺点是耐寒和耐氧化性较差。3.聚氯乙烯(PVC) 聚氯乙烯的机械性能良好，耐化学腐蚀和耐候性较好，缺点是耐热性不好。聚氯乙烯适用于多种成形工艺，产量大而价廉，是重要的塑料品种。4.聚苯乙烯(PS) 聚苯乙烯主要优点是质轻、透明、易染色，成形工艺性好，应用广泛。缺点是韧性较差、不耐寒、不耐热。5.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃，具有良好的综合性能，尤其是光

6、学性能非常好。缺点是硬度小、耐磨性及耐热性差、吸湿性大、易脆裂。6.聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯其透光率与有机玻璃相近，而机械性能要好得多，尤其是韧性较突出，抗蠕变性能也较好。缺点是制品易开裂。7.聚酰胺(PA) 聚酰胺就是尼龙或锦纶，大多为乳白色热塑性塑料。其机械性能优越，在弹性模量、强度等方面较突出。抗震性较好，震动时发出的噪声低。8.氯化聚醚(CPT) 氯化聚醚又称盼通塑料。常用于注射和挤出成形，是优良的耐腐蚀性材料。9.聚苯醚(PPO) 聚苯醚的抗拉强度高、韧性好。主要通过注射和挤出成形，应用于机械、化工、医药、电器、电子及国防工业等尖端技术上面。10.聚甲醛(POM) 聚甲醛的机械性能

7、较好，在机电、汽车、仪表、精密仪器等方面常用来代替有色金属和合金。11.聚砜(PSF) 聚砜有很高的机械性能和抗蠕变性能、其电性能、耐寒性和耐热性均较好。12.聚四氟乙烯(PTFE) 聚四氟乙烯硬度、刚性等比其它塑料差，但耐热性和耐寒性均较好。化学稳定性好，很难被腐蚀，故又称塑料王。13.聚氨酯(PU) 聚氨酯的主要制品是软、硬泡沫塑料。14.丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS) ABS塑料具有良好的综合性能，特别是韧性、耐热耐寒性均较好。主要用于注射和挤出的制品。15.酚醛树脂(PF) 是典型的热固性塑料，俗称电木。是第一种人工合成的树脂，其机械性能、尺寸稳定性较好。此外，常用塑料还有脲醛树脂、

8、环氧树脂、涤纶和不饱和聚酯等。5.1.3 塑料的特性塑料具有质轻、电绝缘性能好、耐蚀性好、易加工成形等特性。塑料的品种很多，不同品种的塑料具有不同的特性，所以人们形象地比喻塑料有“金属一样的坚牢，棉花一样的轻盈，玻璃一样的透明，钢一样的韧性，橡皮一样的弹性，海绵一样的疏松，云母一样的绝缘”。当然，不是每一种塑料都同时具备上述所有的特性。现将塑料的主要特性分述如下：1.质地较轻 塑料一般都比较轻，它的密度一般在(0.92.3)103kg/m3，约为铝的1/2，钢的1/3。塑料的密度与其中填料的种类和数量有关。而泡沫塑科由于其内部具有无数微小的气孔，所以其相对密度很低。塑料是有机材料，其吸水性较无

9、机材料差，但优于木材。2.机械性能优良 塑料品种不同，其机械性能差别很大，例如：有些品种是刚性材料，如聚苯乙烯、酚醛塑料等，有些品种则是柔性材料，如高压聚乙烯、软聚氯乙烯等。同一品种的塑料因分子结构的不同或是否加有增塑剂，可能形成刚性材料，也可能形成柔性材料。具有气孔的泡沫塑料强度远低于模具塑料的强度，因此其强度也与密度高低有关。线型高聚物经拉伸取向后，其抗拉强度大为提高，所以在制造过程中经过拉伸取向处理的产品，例如纤维、薄膜其抗拉强度远高于未经拉伸取向处理的产品。模具塑料的强度高于其它非金属材料而低于金属材料，但是增强塑料的机械性能则可以与金属相比较。塑料的弹性模量和硬度低于金属。与玻璃、陶

10、瓷等硅酸盐材料比较，塑料的硬度差，但它是韧性材料，而玻璃、陶瓷的脆性却很大。有些工程塑料具备优越的机械强度和耐磨性能，它们完全可以代替金属制造机械零件。3.耐腐蚀性好 塑料的耐化学腐蚀性优于金属和木材。一般塑料对酸、碱等普通化学药品均有抗腐蚀能力。高聚物的化学结构、所含功能团的性质、填料的种类以及是否有增塑剂等因素对于塑料耐化学腐蚀性能具有重要影响。用无机物为填料时，可增加塑料的耐化学腐蚀性，如用石棉作填料制成石棉酚醛塑料可做盛装浓盐酸和硝酸的化工设备。 4.优良的电绝缘性能 一般的塑料是不良导体，因此其重要用途之一是用作绝缘材料，因为塑料具有优良的电绝缘性能。塑料可以制成电线包被层和薄膜，由

11、于塑料的介质常数较低，介质损耗较小，因此电能的损耗也小，适合用作高频或超高频绝缘材料，广泛用于电力工业、发电机、电动机、变压器和各种电气开关等设备。对近代高频技术，如雷达和电视技术的发展也起了重大作用。5.良好的消声和隔热作用 塑料具有良好的消声和隔热作用。在机器上使用塑料齿轮和轴承，可以减少噪音，提高运转速度。泡沫塑料可用作隔音、隔热或保温材料，有些强度高的塑料如酚醛、有机树脂等制成的硬质泡沫塑料，可用于超音速飞机及火箭中的雷达罩和隔热夹心结构等。6.优良的耐磨性能和良好的自润滑性能 塑料的摩擦系数很小，用它制造的摩擦零件能在无润滑剂的情况下有效地工作，耐磨性很好。7.某些塑料还具有一些特殊

12、性能 有机玻璃的透光性超过了普通无机玻璃，而且质轻、耐冲击、不易碎；离子变换树脂可以使矿物水净化、海水淡化、提取有色金属、稀有金属和放射性元素等；另外，感光树脂还可代替一般卤化银做感光材料；有些塑料加入导电性填料可做成导电塑料。塑料的优点是许多材料所不能比拟的，但它也有一些缺点，主要是耐热性差，温度升高后，强度很快下降；导热性也比较差，受热时膨胀系数较大，容易变形；热塑性塑料在载荷作用下会发生蠕变；在日光、大气、高温等的作用下会发生老化等。塑料的收缩率是我们不可忽视的一个问题，由于塑料在冷却时的收缩，塑件的尺寸往往小于模具型腔对其的约束尺寸。所用塑料的种类不同，其收缩率大小不同，而由于塑件的结

13、构形状等一些因素的影响，在塑件各个方向上的收缩率也可能不同，这样收缩率对塑件最终尺寸的影响是复杂多变的，这样就要求我们在实际工作中要综合考虑收缩率，用加大模具型腔尺寸的方法来加以修正。常用塑料的收缩率见表5.1。表5.1 几种常用塑料的收缩率材 料收缩率 (%)材 料收缩率 (%)聚乙烯(低密度)聚乙烯(高密度)聚 丙 烯聚 碳 酸 脂1.221.53.51.220.50.8聚苯乙烯及及改性尼龙6聚氯乙烯ABS0.50.80.520.60.80.3 0.85.2 塑件的结构工艺性5.2.1 塑件的尺寸、尺寸公差和表面质量5.2.1.1 塑件的尺寸及尺寸公差。塑件的尺寸一般指总体尺寸，该尺寸受到

14、塑料流动性的制约而不能过大，同时注射机的注射量、锁模力和模板尺寸等都会影响到塑件的尺寸。塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图样的符合程度，即所获塑件尺寸的准确度。塑料的收缩率，成形工艺条件，模具成形零件的制造精度、装配精度以及磨损等因素都会影响到塑件的尺寸精度。塑件的尺寸公差可依据GB/T 144861993工程塑料模塑料件尺寸公差标准确定，见表5.2。该标准将塑件分为7个精度等级，其中MT1级精度要求最高，一般不采用。表5.2中只列出了公差值，基本尺寸的上、下偏差可根据工程的实际需要分配，此表还分别给出了不受模具活动部分影响的尺寸公差值（A行数据）和受模具活动部分影响的尺寸公差值（B行

15、数据）。另外，对于塑件上孔的公差可采用基准孔，可取表中数值并赋予“”号，而对于塑件上轴的公差可采用基准轴，可取表中数值并赋予“”号。在塑件材料和工艺条件一定的情况下，应当参考表5.3中要求，合理地选用精度等级。5.2.1.2 塑件的表面质量评价塑件表面质量的主要技术指标是表面粗糙度。塑件的表面质量要求越高，其表面粗糙度数值就越低。在成形时从工艺上要尽量避免出现云纹、冷疤等瑕疵，除此之外塑件的表面质量主要是由模具型腔表面粗糙度决定。模具型腔粗糙度在数值上一般要比塑件的要求低12级，即模具型腔表面精度要高于塑件。模具在使用过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度不断加大，所以应随时进行抛磨修理。透明塑件

16、要求各处的表面粗糙度相同，而不透明塑件则根据具体情况决定型腔和型芯表面粗糙度。塑件的表面粗糙度可依据GB/T 14234-1993塑料件表面粗糙度标准选取，见表5.4。塑件表面粗糙度一般推荐取值在Ra0.23.2m之间。表5.2 工程塑料模塑料件尺寸公差（GB/T 144861993）5.2.2 塑件的几何形状在设计塑件时，其几何要素的设计和选取是否合理对于塑件的制造和使用具有重要影响。5.2.2.1 塑件的壁厚应当合理且均匀如图5.1所示，塑件的壁厚应当适宜且均匀。壁厚过小，成形时熔体流动阻力大，充模困难，脱模时易造成塑件损坏；而壁厚过大，不但耗费材料，而且充模及冷却时间也长，生产效率低，塑

17、件易产生气泡、缩孔、凹痕、变形等缺陷。塑件的壁厚一般推荐在15mm之间选取，热塑性塑料塑件壁厚可适当减小，但不应小于0.25mm。壁厚如果不均匀，会因冷却或固化速度不均导致收缩不匀，使塑件产生缩孔或凹痕，同时由于内应力的存在，使产品翘曲，严重的会产生开裂。表5.3常用模塑材料塑件公差等级和选用（GB/T 144861993）材料代号模 塑 材 料公 差 等 级标 注 公 差 尺 寸未注公差尺寸高精度一般精度ABS丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物MT2MT3MT5AS丙烯腈苯乙烯共聚物MT2MT3MT5CA醋酸纤维素塑料MT3MT4MT6EP环氧树酯MT2MT3MT5PA尼龙类塑料无填料填充MT3MT4

18、MT6玻璃纤维填充MT2MT3MT5PBTP聚对苯二甲酸丁二醇酯无填料填充MT3MT4MT6玻璃纤维填充MT2MT3MT5PC聚碳酸酯MT2MT3MT5PDAP聚邻苯二甲酸二丙烯酯MT2MT3MT5PE聚乙烯MT5MT6MT7PESU聚醚砜MT2MT3MT5PETP聚对苯二甲酸乙二醇酯无填料填充MT3MT4MT6玻璃纤维填充MT2MT3MT5PF酚醛塑料MT2MT3MT5MT3MT4MT6PMMA聚甲基丙烯酸甲酯MT2MT3MT5POM聚甲醛MT3MT4MT6MT4MT5MT7PP聚丙烯MT3MT4MT6MT2MT3MT5MT2MT3MT5PPO聚苯醚MT2MT3MT5PPS聚苯硫醚MT2MT

19、3MT5PS聚苯乙烯MT2MT3MT5PSU聚砜MT2MT3MT5RPVC硬质聚氯乙烯(无强塑剂)MT2MT3MT5SPVC软质聚氯乙烯MT5MT6MT7VF/MF氨基塑料和氨基酚醛塑料无机填料填充MT2MT3MT5有机填料填亢MT3MT4MT6表5.4注射成形不同材料所能达到的表面粗糙度（GB/T 142341993）材料Ra值参数范围/m0.0250.0500.1000.2000.400.801.603.206.3012.5025热塑性塑料PMMAABSAS聚碳酸脂聚苯乙烯聚丙烯尼龙聚乙烯聚甲醛聚砜聚氯乙烯氯苯醚氯化聚醚PBT热固性塑料氨基塑料酚醛塑料嘧胺塑料5.2.2.2 要有圆角过渡塑

20、件结构上没有特殊要求时，各表面之间的转角应尽可能以半径不小于0.51mm的圆角过渡，避免出现直角或尖角。而在模具分型面处、型芯与型腔结合处、以及其它有特殊要求的地方除外。图5.1 塑件的壁厚(a)壁厚不合理 (b) 壁厚合理5.2.2.3 必要时设计加强肋加强肋的作用是在不增加塑件壁厚的条件下提高塑件的刚度，顺着塑料充模流动方向的加强肋还可以减小充模阻力。设计加强肋时，要尽量使材料在各个部位分布均匀，避免因局部集中而产生气泡、缩孔等缺陷，如图5.2所示。图5.2 塑件上的加强肋 图5.3 塑件上的脱模斜度(a)结构不合理 (b)结构合理5.2.2.4 合理布置塑件上的孔塑件上的孔要尽量开设在不

21、减小塑件本身强度和刚度的位置，孔的形状、大小要考虑模具制造的工艺性，孔深不能太大，过小的孔则不宜做出，应在脱模后另行加工。孔与孔之间，孔与边缘之间要留有足够的壁厚。5.2.2.5 应设计脱模斜度在塑件脱模过程中为了避免擦伤和拉毛，塑件上平行于脱模方向的表面一般应具有合理的脱模斜度，如图5.3所示。塑件内孔的脱模斜度常取40130，外形取2045，尺寸精度要求高的塑件应控制在公差范围之内。脱模斜度的取向原则是：对于塑件内表面（如内孔）是以小端为基准（即保证基本尺寸），斜度向扩大方向取；塑件外表面则应以大端为基准，斜度向缩小方向取。5.2.3 塑料螺纹和齿轮5.2.3.1 塑料螺纹1.塑料螺纹的设

22、计塑件上的螺纹可以在模塑时直接成形，也可以成形后再用机械加工的办法。在经常拆卸和受力较大的地方还应该采用金属螺纹嵌件。塑件上的螺纹一般选用较大尺寸的螺牙，否则将影响螺纹部分的使用强度。用模具成形的模制螺纹精度不高，一般低于GB3级，螺纹外径不能小于2mm。塑料螺纹的强度约为钢制螺纹的1/101/5，而且螺牙的正确性较差。两个互相配合的带螺纹塑件，如果材料、成形方法相同，则一般问题不大。如果模具的螺纹螺距未加上收缩率，则塑料螺纹与金属螺纹的旋合长度就不能太长，一般不大于螺纹直径的1.5倍，否则会因收缩率不同而产生互相干涉，造成附加内应力，使联结强度降低。螺纹的成形方法有以下几种：(1)采用成形杆

23、或成形环在成形后从制品上拧下来；(2)外螺纹采用瓣合模成形，此法工作效率高，但精度低，还有可能带来难以除掉的飞边；图5.5 塑件内螺纹的形状(a)错误 (b)正确图5.4 能强制脱出的圆牙内螺纹(3)要求不高的内螺纹（如瓶盖上的螺纹）用软塑料成形时，可强制脱模，而不必从型芯上拧下，这时螺牙断面最好设计得浅一些，且呈圆形或梯形断面，如图5.4所示。为了防止螺孔最外圈的螺纹崩裂或变形，应使内螺纹开始端有一台阶孔，孔深0.20.8mm，并且螺纹牙应逐渐凸起，如图5.5所示。同样塑件的外螺纹开始端也应下降0.2mm以上，末端不宜延长到与垂直底面相接触，否则易使脆性塑料发生断裂，如图5.6所示。另外，螺

24、纹的始端和末端均不应突然开始和结束，而应设计有过渡部分。在同一螺纹型芯（或型环）上有前后两段螺纹时，应使两段螺纹旋向相同，螺距相等，如图5.7(a)所示，否则将无法把塑件从螺纹型芯（或型环）上拧下来。当螺距不等或旋向不同时，就要采用两段型芯（或型环）组合在一起，成形后分段拧下来，如图5.7(b)所示。图5.7 两段同轴螺纹的设计图5.6 塑件外螺纹的形状(a)错误 (b)正确螺纹型芯或型环要脱离塑件，必须相对塑件作回转运动。如果螺纹型芯或型环在转动时塑件跟着一起转，则螺纹型芯或型环是脱离不了塑件的，因此塑件必须止动。为此，塑件的外形或端面上必须带有防止转动的花纹或图案，如图5.8所示。图5.8

25、 塑件外形或端面上带有防止转动的花纹或图案5.2.3.2 塑料齿轮塑料齿轮由于质轻、价廉，传动噪声小，不需后加工，生产工序少，强度和刚度接近于金属材料，可以代替有色金属和合金，因此，它在工业上的应用正在逐步扩大，现已广泛应用于机械、仪表、电讯、家用电器、玩具产品和各种记时装置中。由于成形塑料齿轮的模具有其特殊性，因而塑料齿轮形成了一种特殊类型的注射模。1.材料的选用齿轮材料的选用应综合考虑其使用性能、工艺性能和经济性能，常用的是聚甲醛(POM)，该材料具有优异的综合性能，强度、刚性高，抗冲击、耐疲劳、抗蠕变性能较好，自润滑性能优良，摩擦系数小且耐磨性能好，吸水倾向小，产品尺寸稳定，适用于制造各

26、种齿轮、传动零件或减摩零件等。2.工艺要求(1)温度 注射过程中的温度主要是指熔化温度和模具温度，因为两者都对整个注射过程有重要影响。要想同时有较高的充模速度，又能保持塑件的特性，就需要有适当的熔化温度。模温控制塑料的充填速度、塑件冷却时间和塑件的结晶度。模温越高，充模速度越快。模具温度是对齿轮成形周期及塑件质量有决定性影响的参数，对POM材料而言，成形齿轮的模温控制在90120。注射压力也是对塑料充填起决定性作用的因素，而注射压力与塑料温度、模具温度又是相互制约的，在生产中要找到它们的最佳组合点。(2)模具结构及制造 目前，大多数注射成形齿轮的模数在1mm以下，为防止齿轮变形和收缩，齿轮宽度

27、在23mm左右。模具结构上，成形齿轮注射模采用均匀分布的3点浇口，这样一方面可以保证齿轮的精度，另一方面可以去除浇口废料。齿轮采用顶杆顶出，型芯采用镶件结构。在设计齿轮模具型腔时，要正确掌握齿轮各参数的收缩状况，如果计算收缩率和实际收缩率有较大差距，则需重新制造型腔。型腔的加工精度是保证塑料齿轮精度的主要手段，可采用加工精度较高的精密线切割加工。对单个零件的加工精度，要注意检测零件的尺寸公差和形位公差。3.成形齿轮的主要缺陷及对策生产实践表明，成形齿轮的缺陷主要在于模具的设计、制造精度和磨损程度等方面，成形齿轮的缺陷容易导致齿轮传动的噪声、磨损加剧、效率降低甚至传动系统的卡死现象。下面就注射成

28、形齿轮过程中产生的主要缺陷及其原因与对策简述如下：(1)塑件不满塑件不满就是制品没有完全成形，导致这种缺陷的主要原因有：注射温度不合适。一是塑料温度低，塑料流动性差；二是模具的温度低，流过的塑料很快冷却到失去流动性，以致不能完全填满模具型腔的各个角落；三是注射压力不够；四是生产周期过短，料温来不及跟上，影响充模成形。模具设计不合理。一是模具本身结构复杂，浇口数目不足或形式不当；二是型腔内排气措施不力，这种原因导致制件不满的现象是常见的，消除这种缺陷应开设有效的排气孔道，选择合理的浇口位置使空气容易排出，必要时将型腔的某个局部制成镶配件，使空气从镶配件缝隙逸出。模具浇注系统有缺陷。一是流道太小、

29、太簿或太长，增加了流体的阻力；二是流道、浇口有杂质、异物、塑料碳化物堵塞所致；三是流道、浇口粗糙有伤痕，光洁度不足，影响物料流动。(2)产生飞边飞边又称溢边、毛刺、披锋等，大多发生在模具的分型面上，导致该缺陷的主要原因有：模具分型面精度差。模具分型面上粘有凸出异物、活动模板变形等；模具设计和流道设置不合理。一是在不影响塑件完整性前提下，流道应设置在质量对称中心上，避免出现偏向性流动；二是塑料在熔融状态下具有很高的流动性和贯穿能力，容易进入活动的或固定的缝隙，要求模具的设计制造精度较高；注射机的锁模力不足。注射成形时，由于机械上的缺陷，致使锁模力不足或不恒定，也会产生飞边；另一方面由于模具本身平行度不好，也会导致锁模不紧密而产生飞边；注射工艺条件差。一是塑料充模时过