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塑料模具设计与制造

《塑料模具设计与制造》教案

第一章塑料成形基础

1．1塑料概论

1．1．1、聚合物的分子结构

1．1．2塑料的组成及分类

1、塑料的组成

塑料以合成树脂为主要成分，它由合成树脂和根据不同的需要而增添的不同添加剂所组成。

（1）合成树脂

    合成树脂是塑料的基本成分，它决定塑料的类型和基本性能。

（2）填充剂（又称填料）：

     添加填充剂的目的是降低塑料中树脂的使用量，从而降低制品成本；其次是改善塑料

的加工性能和使用性能，填充剂在塑料中的含量一般控制在40%以下。

 （3）增塑剂：

    增塑剂的作用是提高塑料的可塑性和柔软性。

    （4）增强剂

    增强剂用于改善塑料制件的机械力学性能。

但增强剂的使用会带来流动性的下降，恶化

成型加工性，降低模具的寿命以及流动充型时会带来纤维状填料的定向问题。

    （5）稳定剂

    添加稳定剂的作用是提高塑料抵抗光、热、氧及霉菌等外界因素作用的能力，阻缓塑料

在成型或使用过程中的变质。

稳定剂的用量一般为塑料的0.3～0.5%。

   （6）润滑剂

    润滑剂对塑料的表面起润滑作用，

     （7）着色剂

     合成树脂的本色大都是白色半透明或无色透明的。

在工业生产中常利用着色剂来增加

塑料制品的色彩。

    对着色剂的要求是：

耐热、耐光，性能稳定，不分解、不变色、不与其它成分发生不良

化学反应，易扩散，着色力强，与树脂有良好的相溶性，不发生析出现象。

着色料添加量应＜2%。

   （8）固化剂

   在热固性塑料成型时，有时要加入一种可以使合成树脂完成交联反应而固化的物质。

    （9）其它辅助剂

根据塑料的成型特性与制品的使用要求，在塑料中添加的添加剂成分还有：

阻燃剂、发

泡剂、静电剂、导电剂、导磁剂、相容剂等。

2、塑料的分类

（1）按合成树脂的分子结构及其成型特性分类

    1）热塑性塑料这类塑料的合成树脂都是线型或带有支链型结构的聚合物，在一定的温

度下受热变软，成为可流动的熔体。

在此状态下具有可塑性可塑制成型制品，冷却后保持既

得的形状；如再加热，又可变软塑制成另一形状，如此可以反复进行。

    2）热固性塑料这类塑料的合成树脂是带有体型网状结构的聚合物，在加热之初，因

分子呈线型结构，具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形状的制品，但当继续加热温度达到

一定程度后，分子呈现网状结构，树脂变成了不熔的体型结构，此时即使再加热到接近分解

的温度，也不再软化。

（2）按塑料的性能及用途分类

1）通用塑料指产量大、成形性好、价格低、用途广，常作为非结构材料使用的塑料。

    2）工程塑料指具有优良的力学性能和较宽温度范围内的尺寸稳定性，同时还具有耐磨

、耐腐蚀、自润滑等综合性能，能在一定程度上代替金属作为工程结构材料使用的塑料。

3）增强塑料

   4）特殊塑料指具有某些特殊性能的塑料，这类塑料通常有高的耐热性或高的电绝缘

性及耐腐蚀性能。

1．1．3塑料的热力学性能

1．2塑料工艺性能

1．2．1热塑性塑料的工艺性能

1．收缩性

     1）塑料品种2）制品结构3）模具结构4）成型工艺

  2、流动性

    在塑料的模塑成型过程中，塑料熔体在一定的温度和压力下充填模具型腔的能力，称为

塑料的流动性。

    影响塑料流动性的因素主要有以下几方面：

（1）温度过

（2）压力 （3）模具结构

   3、相容性

    相容性是指两种或两种以上不同品种的聚合物，在熔融状态下不产生相分离现象的能力

。

塑料的相容性也称为共混性。

  4、吸湿性和热敏性

   吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度

 热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在较高温下受热时间稍长或料温过高时发生变色、

降解、分解的倾向。

1．2．1热固性塑料的工艺性能

1收缩率

同热塑性塑料一样，热固性塑料经成型冷却后也会发生收缩，其收缩率的计算方法与热塑性塑料相同。

产生收缩的原因主要有：

（1）热收缩

（2）结构变化引起的收缩

（3）弹性恢复

（4）塑性变形

2、流动性

将每一品种的塑料的流动性可分为三个不同的等级。

第一级的拉西格流动值为100～131mm，适用于压制无嵌件的、形状简单的一般厚度塑件。

第二级的拉西格流动值为131～150mm，用于压制中等复杂程度的塑件。

第三级的拉西格流动值为150～180mm，可用于压制结构复杂、型腔很深、嵌件较多的薄壁塑件或用于压注成型。

注塑成型时，一般要求热固性塑料的拉西格流动值大于200mm。

3、比容和压缩率

比容是指单位质量的松散塑料所占的体积，单位为cm3／g；压缩率是指塑料的体积与塑件的体积之比，其值恒大于1。

比容和压缩率都表示粉状或短纤维状塑料的松散性，它们都可用来确定模具加料室的大小。

4、 水分及挥发物含量

塑料中的水分及挥发物，一方面来自塑料自身，另一方面则来自压缩或压注过程中化学反应的副产物。

5、固化特性 

   聚合物的交联是指热固性塑料在成型过程中，其聚合物分子由线型结构转变为体形结构

的化学反应过程，通常也称为“固化”。

1．3常用塑料

  1、聚乙烯（PE）

（1）基本特性聚乙烯塑料由乙烯单体经聚合而成,是塑料工业中产量最大的品种。

按

聚合时采用的生产压力的高低可分为高压、中压和低压聚乙烯三种。

  高密度聚乙烯（HDPE）又称低压聚乙烯，具有较高的刚性、强度和硬度。

但柔韧性、透

明性较差。

    低密度聚乙烯（LDPE）又称高压聚乙烯具有较好的柔软性、耐寒性、耐冲击性，但耐热

、耐光、耐氧化能力差、易老化。

    聚乙烯无毒、无味、呈乳白色的蜡状半透明状，柔而韧，比水轻，有一定的机械强度，

但与其他塑料相比机械强度偏低、表面硬度差。

聚乙烯的绝缘性能优异，介电性能稳定；化

学稳定性好，能耐稀硫酸、稀硝酸及其他任何浓度的酸、碱、盐的侵蚀；除苯及汽油外，一

般不溶于有机溶剂；其透水气性能较差，而透氧气、二氧化碳及许多有机物质蒸气的性能好

聚乙烯的耐低温性能较好，在-60℃下仍具有较好的力学性能，但其使用温度不高，一般

LDPE的使用温度在80℃左右，HDPE的使用温度在100℃左右。

（2）主要用途高密度聚乙烯可用于制造塑料管、塑料板以及承载不高的零件，如齿轮

、轴承等；低密度聚乙烯常用于制作塑料薄膜、软管、塑料瓶以及电气工业的绝缘零件和包

覆电缆等。

（3）成型特点聚乙烯成型时，收缩率大，在流动方向与垂直方向上的收缩差异大，且

注射方向的收缩率大于垂直方向的收缩率，易产生变形和产生缩孔；冷却速度慢，必须充分

冷却；聚乙烯质软易脱模，制品有浅的侧凹时可强行脱模。

2、聚氯乙烯（PVC）

（1）基本特性聚氯乙烯是世界上产量最大的塑料品种之一：

硬聚氯乙烯不含或少含增

塑剂，有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击性能；软聚氯乙烯含有较多的增塑剂，柔软性、

断裂伸长率较好，但硬度、抗拉强度较低。

聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，可以用作低频

绝缘材料。

其化学稳定性也较好，但聚氯乙烯的热稳定性较差。

（2）主要用途由于聚氯乙烯的化学稳定性高，所以可用于防腐管道等；由于电气绝缘

性能优良而在电气、电子工业中用于制造插座、插头、开关、电缆；在日常生活中用于制造

凉鞋、雨衣、玩具、人造革等。

  （3）成型特点聚氯乙烯在成型温度下容易分解，所以必须加入产稳定剂和润滑剂，并

严格控制温度及熔料的滞留时间。

    3、聚丙烯（PP） 

（1）基本特性聚丙烯是由丙烯单体经聚合而成。

无味、无毒，外观似聚乙烯，呈白色

的蜡状半透明状，是通用塑料中最轻的聚合物，聚丙烯具有优良的耐热性、耐化学腐蚀性、

电性能和力学性能。

强度比聚乙烯好，特别是经定向后的聚丙烯具有极高的抗弯曲疲劳强度

可制作铰链。

聚丙烯可在107℃～121℃下长期使用，在无外力作用下，使用温度可达

150℃。

聚丙烯是通用塑料中唯一能在水中煮沸且在135℃蒸汽中消毒而不被破坏的塑料。

聚丙烯的低温特性不如聚乙烯， 

（2）主要用途聚丙烯可用作各种机械零件以及自带铰链的盖体合一的箱壳类制件。

  （3）成型特点注意成型温度 

   4、聚苯乙烯（PS） 

（1）基本特性聚苯乙烯是由苯乙烯聚合而成。

为无色、无味、无毒的透明塑料，易燃

烧，燃烧时带有很浓的黑烟，并有特殊气味。

聚苯乙烯具有优良的光学性能，易于着色，聚

苯乙烯具有良好的电学性能，尤其是高频绝缘性。

质地硬而脆，并具有较高的热膨胀系数。

（2）主要用途聚苯乙烯在工业上可制造仪器仪表零件、灯罩、透明模型、绝缘材料、

接线盒、电池盒等。

在日用品方面可用于制造包装材料、装饰材料、各种容器、玩具等。

   （3）成型特点流动性和成型性优良，成品率高，但易出现裂纹，成型制品的脱模斜度

不宜过小，顶出要均匀；由于热膨胀系数高，制品中不宜有嵌件，否则会因两者的热膨胀系

数相差太大而导致开裂。

宜用高料温、低注射压力成型并延长注射时间，以防止缩孔及变形

，但料温过高，容易出现银丝。

因流动性好，模具设计中大多采用点浇口形式。

5、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS） 

（1）基本特性ABS是由丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）共聚生成的三元共聚

物，具有良好的综合力学性能。

丙烯腈使ABS有较高的耐热性、耐化学腐蚀性及表面硬度；

丁二烯使ABS具有良好的弹韧性、冲击强度、耐寒性以及较高的抗拉强度；苯乙烯使ABS具有

良好的成型加工性、着色性和介电特性，使ABS制品的表面光洁。

   ABS无毒、无味、不透明，色泽微黄，可燃烧，有良好的机械强度和极好的抗冲击强度

，有一定的耐油性和稳定的化学性和电气性能。

（2）主要用途ABS广泛应用于家用电子电器、工业设备及日常生活用品等领域。

   （3）成型特点ABS在升温时粘度增高，所以成型压力较高，塑料上的脱模斜度宜稍大；

易吸水，成型加工前应进行干燥处理；易产生熔接痕。

   6、聚酰胺（PA） 

（1）基本特性聚酰胺又称尼龙（Nylon）， 

    尼龙树脂为无毒、无味，呈白色或淡黄色的结晶颗粒。

尼龙具有优良的力学性能，抗拉

、抗压、耐磨。

其抗冲击强度比一般塑料有显著提高，其中以尼龙6更优。

作为机械零件材

料，具有良好的消音效果和自润滑性能。

尼龙还具有良好的耐化学性、气体透过性、耐油性

和电性能。

但吸水性强、收缩率大，常常因吸水而引起尺寸的变化。

（2）主要用途尼龙由于具有较好的力学性能，在工业上广泛地用来制作轴承、齿轮、

等机械零件和降落伞、刷子、梳子、拉链、球拍等。

   （3）成型特点熔融粘度低、流动性好，容易产生飞边。

成型加工前必须进行干燥处理

；易吸潮，制品尺寸变化大；成型时排除的热量多，模具上应设计冷却均匀的冷却回路；熔

融状态的尼龙热稳定性较差，易发生降解使制品性能下降，因此不允许尼龙在高温料筒内停

留时间过长。

1．3．2热固性塑料

   1、酚醛塑料（PF） 

（1）基本特性酚醛脂本身很脆，呈琥珀玻璃态，刚性好，变形小，而热耐磨，能在

150℃～200℃的温度范围内长期使用，在水润滑条件下，有极低的摩擦系数。

其电绝缘性能

优良。

缺点是质脆，冲击强度差。

（2）主要用途用于制造齿轮、轴瓦、导向轮、轴承及电工结构材料和电气绝缘材料。

石

棉布层压塑料主要用于高温下工作的零件。

木质层压塑料适用于作水润滑冷却下的轴承及齿

轮等。

   （3）成型特点成型性能好，特别适用于压缩成型；模温对流动性影响较大，一般当温

度超过160℃时流动性迅速下降；硬化时放出大量热，厚壁大型制品易发生硬化不匀及过热

现象。

    2、环氧树脂，环氧树脂具有很强的粘结能力，是人们熟悉的（万能胶）的主要成分。

此外还耐化学药品、耐热，电气绝缘性能良好，收缩率小。

比酚醛树脂有较好的力学性能。

其缺点是耐气候性差、耐冲击性低，质地脆。

（2）主要用途环氧树脂可用作金属和非金属材料的粘合剂，用于封闭各种电子元件。

用环氧树脂配以石英粉等来浇铸各种模具。

还可以作为各种产品的防腐涂料。

   （3）成型特点流动性好，硬化速度快；用于浇注时，浇注前应加脱模剂，因环氧树脂

热刚性差，硬化收缩小，难于脱模；硬化时不析出任何副产物，成型时不需排气。

   3、氨基塑料 

    氨基塑料也是热固性塑料，由氨基化合物与醛类（主要是甲醛）经缩聚反应而得到，主

要包括脲－甲醛（UF）、三聚氰胺－甲醛等（MF）。

（1）基本特性及主要用途 

    脲－甲醛塑料经染色后具有各种鲜艳的色彩，外观光亮，部分透明，表面硬度较高，耐

电弧性能好，而矿物油，但耐水性较差，在水中长期浸泡后电气绝缘性能下降。

脲－甲醛大

量用于压制日用品及电气照明用设备的零件、电话机、收音机、钟表外壳、开关插座及电气

绝缘零件。

    三聚氰胺－甲醛可制成各种色彩，耐光、耐电弧、无毒，在-20℃～100℃的温度范围

内性能变化小，重量轻不易碎，能耐茶、咖啡等污染性强的物质。

三聚氰胺－甲醛主要用作

餐具、航空茶杯及电器开关、灭弧罩及防爆电器的配件。

（2）成型特点压注成型收缩率大；含水分及挥发物多，使用前需预热干燥，且成型时

有弱酸性分解及水分析出；流动性好，硬化速度快。

因此，预热及成型温度要适当，装料、

合模及加工速度要快；带嵌件的塑料易产生应力集中，尺寸稳定性差。

 1．4、塑料成形工艺

 1．4．1、注射工艺过程 

 一、注射模塑工艺过程 

    1、注射前的准备 

（1）原材料的检验与预处理 

（2）料筒的清洗 

   （3）加料 

   （4）嵌件的预热与安放。

    2、注射过程 

    1）充模将塑化好的塑料熔体在柱塞或螺杆的推挤下，经注射机喷嘴及模具浇注系统而

注入模具型腔并充满型腔，这一阶段称为充模。

    2）保压保压是自熔体充满模具型腔起到柱塞或螺杆开始回退止的这一阶段的施压过程

。

其目的除了防止模内熔体倒流外，更重要的是确保模内熔体冷却收缩时继续保持施压状态

以得到有效的熔料补充，确保所得制品形状完整而致密。

    3）倒流 

    4）浇口冻结后的冷却 

    5）脱模 

    3、制品的后处理：

退火和调湿处理。

   二、、注射成型的工艺参数 

    1、温度 

    在注射成型过程中，需要控制的温度主要有料筒温度、喷嘴温度和模具温度。

（1）料筒温度Tt

（2）喷嘴温度TZ

    喷嘴温度一般应略低于料筒前端的温度。

   （3）模具温度Tm

    模具温度通常由冷却介质（常用水）的温度与流量来控制，也有靠熔体注入模具自然升

温与自然散热达到平衡而保持一定的模温。

    2、压力 

    注射成型工艺过程中的压力，包括塑化压力和注射压力。

（1）塑化压力 

    塑化压力又称背压，是指螺杆式注射机在预塑物料时，螺杆前端塑化室内的熔体对螺

杆所产生的反压力。

该压力的大小可通过注射机液压系统中的溢流阀来调整。

（2）注射压力 

    3、时间（成型周期） 

    完成一次注射成型过程所需的时间称为成型周期。

1．4．2　压缩模塑工艺 

    1、压缩原理：

将粉状、粒状、纤维状或经预压的坯状塑料定量地加入处于成型温度下

的模具型腔中，然后闭模及加压加热，塑料在型腔内受热受压，熔融塑化并向型腔各部位充

填，待充分固化定型后，卸压启模即得模压制品。

    2、工艺过程：

加料－闭模－排气－固化－脱模－模具的清理 

    3、工艺参数：

压力、温度、时间 

 1．4．3、压注成形工艺

  1、压缩原理：

将粉状、粒状、纤维状或经预压的坯状塑料定量地加入闭合模的加料腔内，然后加热，塑料在型腔内受热受压，熔融塑化并向型腔各部位充填，待充分固化定型后，卸压启模即得模压制品。

    2、工艺过程：

闭模－加料－排气－固化－脱模－模具的清理 

    3、工艺参数：

压力、温度、时间 

1．4．4  挤出成形工艺 

    1、原理：

是借助于转动的螺杆，将料斗中粒状或粉状的塑料送入加热料筒中，料筒内

的塑料在受到料筒外的电加热和螺杆的剪切摩擦热的作用而逐渐熔融塑化成粘流态，与此同

时，塑料还受到螺杆的搅拌而均匀分散，并不断推向前进；最后，塑化均匀的熔体通过具有

一定形状的挤出模具并在定型、冷却、牵引和切断等一系列的辅助装置的作用下，成型为具

有一定截面形状的连续型材，如管材 

    2、挤出参数：

温度、压力、挤出速率、牵引速度

1．5、塑件设计 

1．5．1、塑件尺寸及其精度

1、塑件尺寸：

是指塑件的总体尺寸

2、塑件尺寸精度

1．5．2塑件表面精度

1．塑件表面粗糙度

一般来说，模具表面粗糙度要比塑件低1~2级

2、塑件表观质量：

是指塑件成形后的表观缺陷状态。

1．5．3塑件结构设计

1．5．3．1设计原则

1．5．3．2设计内容

  1．形状：

在满足使用要求的情况下尽可能易于成形

2、脱模斜度 

    脱模斜度一般依靠经验数据选取，通常情况下脱模斜度取30′～1°30′，最小为

15′～20′。

    3、壁厚 

    1、壁厚过小成型时流动阻力大，难以充满型腔。

壁厚过大，增加了冷却时间，产生气

泡、缩孔、凹陷等缺陷。

    2、同一制品零件的壁厚应尽可能一致。

    4、加强肋 

加强肋的形状和尺寸如图所示。

其高度h≤3t，脱模斜度a＝2°～3°，肋的顶部应

为圆角，肋的底部也必须用圆角R向周围壁部过渡。

R不应小于0.25t，肋的宽度b不应大于制

品壁厚t，否则制品的壁面将会产生凹陷，如图（b）所示，通常b可取制品壁厚的0.5mm左右。

 5、支承面及凸台

 通常采用的是底脚（三点或四点）支承或边框支承，凸台是用来增强孔或装配附件的凸出部分的。

6  、圆角 

    为了避免应力集中，均应采用过渡圆弧，一般外圆弧半径R1应取壁厚t的1.5倍，内圆角半径R取壁厚t的0.5倍。

  7、孔的设计 

8、螺纹设计

  9、标志及符号 

    采用“凹坑突字”。

第二章　塑料模具与设备

2．1塑料模具

2．1．1注射模

（1）成型零部件

（2）浇注系统（3）合模导向机构（4）侧向分型与侧向抽芯机构 

（5）推出机构（6）温度调节系统（7）排气系统（8）支撑零件 

2．1．2其它塑料模具

1．压缩模

组成：

（1）型腔

（2）加料腔（3）导向机构（4）侧向分型与侧向抽芯机构（5）推出机构

（6）加热系统

2．压注模

组成：

（1）成型零件

（2）加料装置（3）浇注系统（4）加热系统（5）排溢系统

（6）其它部分

3．挤出模

组成：

口模和定型模

2．2塑料成形设备

2．2．1注射机

  1、注射机的基本组成 

    根据注射成型过程，一般可将注射机分为以下几个部分。

（1）注射装置 

（2）锁模装置 

   （3）液压传动和电器控制 

   2、注射机的分类 

    注射机按外型特征可划分为如下三类：

立式、卧式、直角式三种。

   注射机也可以按塑料在料筒中的塑化方式分类，常用的有如下：

（1）柱塞式注射机 

（2）螺秆式注射机 

3、工作循环过程

螺杆预热

2．2．2其它塑料成形设备

1．压力机

上压式：

工作液缸位于上端，下部是固定工作台。

下压式：

工作液缸位于下端，操作不便，很少使用。

第三章单分型面注射模

3．1．1单分型面注射模工作过程、结构和组成

2．单分型面注射模的组成

成形零部件：

型腔型芯镶件

浇注系统：

主流道分流道浇口冷料穴

导向机构推出装置温度调节和排气系统结构零部件

3．工作过程：

模具闭合—模具锁紧—注射—保压—补塑—冷却—开模—取出塑件

3．1．2设计步骤

3．1．2．1设计前的准备工作

1）熟悉塑件

2）检查塑件的成型工艺性

3）明确注射机的型号和规格

3．1．2．2制定成型工艺卡

1）产品概况

2）产品所用的塑料概况

3）所选用的注射机的主要技术参数

4）注射成型条件

3．1．2．3注射模具结构设计步骤

1）确定型腔的数目

2）选择分型面

3）确定型腔的布置方案

4）确定浇注系统

5）确定脱模方式

6）确定调温系统

7）确定凹模和型芯的固定方式

8）确定排气形式

9）决定注射模的主要尺寸

10）选用标准模架

11）绘制模具的结构草图

12）校核模具与注射机有关尺寸

13）注射模结构设计的审查

14）绘制模具的装配图

15）绘制模具零件图

16）复核设计图样

3．2塑件在单分型面模具中的位置

3．2．1型腔数目有分布

1）型腔数目的确定

确定方法：

（1）根据生产效率和制件的精度要求确定型腔数目，然后定注射机。

（2）先定注射机型号，根据注射机技术参数确定型腔数目。

（3）根据锁模力

（4）根据注射量

2）型腔的分布

单型腔模具塑件在模具中的位置

（1） 型腔一般在模具中心

（2）塑件在定模（3）塑件在动模（4）塑件分别在动、定模

多型腔模具型腔的分布

平衡式排布非平衡式排布

3．3．2分型面的概念和设计

1、分型面的概念

分型面（动定模的结合处）

作用：

取出塑件和浇注系统凝料

2．形式

平面斜面阶梯面曲面

3．设计原则

①分型面要取在塑件的最大截面处②有利于塑件脱模③要满足塑件的精度要求（比如同心度、同轴度、平行度等等）④有利于满足塑件外观要求⑤尽量减少塑件在分型面上的投影面积⑥有利于模具的排气

3．3单分型面注射模普通浇注系统设计

1、浇注系统的组成

浇注系统：

模具中由注射机喷嘴到型腔之间的进料通道。

组成：

主流道、分流道、浇口、冷料穴

2、设计原则

（1）了解塑料的成形性能

（2）尽量避免或减少产生熔接痕

（3）有利于型腔中气体的排出

（4）防止型芯的变形和嵌件的位移

（5）尽量采用较短的流程充满型腔，

6）校核流动距离比

3．3．2主流道及分流道设计

1主流道设计

（1）主流道尺寸：

连接注射机喷嘴与分流道或型腔（单腔模）的进料通道。

是熔料进入型腔最先经过的部位。

主流道通常设计成圆锥形，锥角　＝2°~6°（一般取3°~6°，对流动性较差的可取3°~6°）。

内壁表面粗糙度一般为0.8为防止