《塑料成型工艺及模具设计》第一章 绪论.docx

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《塑料成型工艺及模具设计》第一章绪论

塑料成型工艺及模具设计

第一章绪论

§1、塑料材料

一、塑料的组成

1、树脂2、填充剂3、增塑剂4、着色剂5、润滑剂6、稳定剂

7、硬化剂8、发泡剂9其它（阻燃剂、防静电剂、防霉剂等）

二、塑料的分类

1、按树脂的分子结构和热性能分：

（1）热塑性塑料：

聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、有机玻璃、尼龙、聚风等（３００多种，常用３０多种）。

特性：

可回收

（2）热固性塑料：

当温度达到一定值后，分子变为体形结构，树脂变得既不熔融，也不溶解，形状固定下来不再变化，称为固化。

酚醛、脲醛。

特性：

不能回收再用。

2、按塑料性能及用途分类

（1）通用塑料：

指产量大、用途广、价格低的塑料。

（2）工程塑料：

在工程中作结构材料的塑料

主要有ABS、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC），聚苯醚（PPO）、聚砜（PSF）

（3）增强塑料：

玻璃钢，在塑料中加入纤维料作为增强材料。

（4）特殊用途塑料：

环氧塑料等。

三、塑料的性能和用途

（1）质量轻，密度为钢的1/6；

（2）比强度高；（3）耐腐蚀能力强；（4）绝缘性好；

（5）光学性能好；（6）多种防护性能（防水、防幅射、防光）

§2、塑料的可加工性

一、塑料的加工适应性图1—1

二、塑料的可挤压性

三、塑料的可模塑性图1—2

图1—2塑料可模塑性

§3、塑料的主要成型力法

一、注射成型（注塑成型）主要用热塑性塑料，也用于热固性塑料。

二、挤出成型（挤塑成型）　　　　主要用热塑性塑料

三、压缩成型（压制成型）　　　用于热固性塑料

四、中空成型（吹塑成型）　热塑性塑料

第二章塑料成型理论概论

§1、塑料的流变性

一、牛顿型流体

牛顿在研究低分好液体时发现切应力与剪切速率之间存在着如下关系。

μ—为比例常数称为牛顿粘度

（S-1）表示单位时间内的切应变，称为剪切速率。

此式说明，液层单位表面上所施加的切应力τ与液层间的速度梯度dv/dr成正比，为著名的牛顿粘性定律。

●真正属于牛顿型流体是气体，低分子化合物的液体。

二、非牛顿型流体

定温下在某段剪切速率的范围内，粘性流体所受的切应力与剪切速率具有指数函数的关系。

（n<1）

式中：

k与n对某一种粘性流体而言均为常数，k称为稠度，k值愈高，流体粘度愈大，n为牛顿指数，对于假塑性流体，n<1。

n值离整数1愈远，液体的非牛顿性越强。

三、影响粘度的因素

1、温度的影响

温度↗，粘度↙，图2—7

2、压力的影响

压力↗，粘度↙，图2—8

3、剪切速率的影响

剪切速率或切应力↗，粘度↙，图2—9

4、聚合物结构因素的影响图2—10

§2、塑料加工过程的物理和化学变化

一、聚合物的结晶

分为结晶形和无定形两类

聚合物的结晶是在一定的外界条件下发生的，具有结晶能力的聚合物即可结晶，也可以不结晶。

能够结晶的常用塑料有：

聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），尼龙（PA）等。

不易或不易结晶的常用塑料有：

聚苯乙烯（PS）、（ABS）、有机玻璃（PMMA）、聚砜（PSF）

结晶度——聚合物结晶的不完全性。

它是指聚合物内结晶组织的体积与聚合物总体积之比。

聚合物能否结晶重要条件是：

分子空间排列的规整性。

二、结晶度对塑料制品的影响

1、密度结晶度↗，分子链已排列成紧密而有序，分子间作用力↗，密度↗

2、力学性能结晶度↗，抗拉强度↗，钢度↗，冲击韧度下降↙

3、翘曲结晶度↗，体积↙，收缩↗，翘曲↗

4、光亮度　　结晶度↗，光亮度↗

三、影响结晶度的因素

1、温度聚合物的结晶条件，结晶度都取决于熔体温度和聚合物在熔融状态的停留时间。

当熔体温度较高时，注射成型时应采用较低度的模温和较短的注射时间。

2、压力和切应力

压力↗，结晶温度↗，即在较高于正常的熔化温度结晶。

熔体受很大切应力作用时导致微晶生成。

3、分子结构

聚合物分子结构越简单，越规则，则结晶越快，结晶程度越高。

4、添加剂

有的添加剂能促进结晶，有的阻碍结晶，在塑料件生产中，往往加入添加剂，起“成核剂”的作用，改善塑料件的性能。

四、聚合物取向

1、取向的概念

结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列叫做取向结构。

拉伸取向——由拉应力引起的，取向方位与应力作用方向一致。

流动取向——由切应力作用下沿着熔体流动方向形成的。

2、取向对塑件性能的影响

（1）对力学性能的影响

在取向轴平行方向的抗拉强度↗，与取向轴垂直方向抗拉强度↙。

（2）取向使塑料具有各向异性

除对力学性能影响外，在光学、热学，电学等性能方面均呈现出明显的各向异性。

*在塑料成型生产中，可以利用聚合物的取向来提高塑件的性能。

五、聚合物的降解

降解——指聚合物成型时在高温、氧应力及水分等作用下发生的化学分解反应。

降解的实质是聚合物分子结构发生变化。

降解种类：

（1）热降解聚合物因受高温的时间过长而引起的降解称为热降解。

（2）氧化降解聚合物经常与空气中的氧气接触，在化学链较弱的部位产生一种氧结构，从而导致降解。

（3）水降解当聚合物分子结构中含有容易被水解的碳——杂链基团或氧化基团时，在成型温度和压力下，这些基团很容易被聚合物中的水分子分解，这种现象为水降解。

（4）应力降解

在成型过程中，聚合物分子链在一定的应力作用下发生断裂而引起的降解称为应力降解。

六、聚合物的交联（硬化）

聚合物在加工过程中形成网状结构的称为交联。

采用压缩和压注等到成型方法来生产热固性塑料制品，就是典型的交联。

交联度不宜过高或过低度，过高会引起聚合物发脆、变色和起泡，交联度过低，聚合物机械强度，耐热性，电绝缘性等较差。

制品表面灰暗，易产生微裂纹，吸水量也大。

第三章塑料制品的设计原则

§1、制品的材料和几何形状

一、制品的选材

1、塑料的材料性能强度、刚度、韧性、冲击

2、塑料的物理性能温度、光、绝热、绝缘、（如聚本乙稀、聚碳酸酯、聚丙烯PP）

3、塑料的化学性能溶剂油、卫生程度

4、塑料的成型工艺性

见表3—1常用塑料特征一览表

二、成型工艺对制品几何形状的要求

1、脱模斜度一般取0.5。

见表3—2

2、制品壁厚壁厚应均匀，不同壁厚比不应超过1：

3，薄厚壁联接应缓慢过渡。

热塑性塑料制品的壁厚，一般在1～4mm。

壁厚↗易产生气泡和凹陷，也不易冷却。

表3—3热塑性制品的壁厚推荐值，热固性塑料制品的厚度一般在1～6mm之间，壁过厚既要增加塑压时间，制品内部又不易压实，壁过薄刚度差、易变形。

表3—4热固性塑料制品最小壁厚推荐值。

3、加强肋

增加刚度和强度，防止制品翘曲变形。

尺寸如图3—2

4、圆角

壁免应力集中，提高强度，改善熔体流动，便于脱模。

图3—5圆角半径大小图3—6孔间距与孔边距

5、孔

表3—5不同孔径所对应的孔间（边）距值

三、分模面的确定

在设计模具时首先需要确定分型面的位置，然后才能选择模具结构。

分模面的设计是否合理，对制品的质量，工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大的影响。

1、分型面的形状和方位

分型面的形状应尽可能简单，以便制品脱模和模具制造。

分型面可以是平面，阶梯面或曲面。

如图3—14所示。

根据分型面的不同方位，塑料制品可以全部在动模或全部在定模成型，还可在动、定模内同时成型。

根据制品形状，浇注系统，顶出机构以及制品质量要求等因素综合考虑。

2、分型面位置的选择原则

（1）应开设在制品断面轮廓最大的部位。

（2）分型面最好不选在制品光滑外表面或带圆弧的转角处。

（3）分型面应量选在能使制品留在动模内（3—17a）

（4）有同轴度要求的制品，应把要求同轴的部分放在分型面的同一侧。

（5）应将抽芯或分型距离长的一边放在动、定模开模的方向，将短的一边作为侧向分型的抽芯。

图3—18

（6）应将分型面设计料流的末端，以便于排气。

（3—19）见图3—253—2

§2金属嵌件的设计

一、金属嵌件的形式

二、金属嵌件的设计原则

1、尽可能采用圆形或对称形状，以保证收缩均匀。

2、嵌件圆周的壁厚应足够大。

3、嵌件部分的周边应有倒角，以减少应力集中。

4、嵌件必须可靠定位。

图3—27

三、尺寸精度与表面粗糙度

1、影响尺寸精度的因素

（1）模具成型部件的制造误差δz。

（2）模具成型部件表面磨损δc

（3）由收缩率波动引起的尺寸误差δs。

（4）模具配合间隙变化引起的误差δj。

（5）成型部件安装误差δa.

δ=（δz+δc+δs+δj+δa）≤Δ

Δ——制品规定的误差

δ——模具原因造成的总误差。

２、寸精度和公差的确定

塑料制品的无尺寸精度和公差国标

＊　　对无公差要求的自由尺寸，采用标准中的8级精度，压铸件12级，

见表3—10表3—11

＊　　孔类尺寸公差取正值，轴类尺寸的公差取负值，中心距尺寸公差取表中数值之半并冠以±号。

3、表面粗糙度的确定

（1）、型芯的表面粗糙度的级别高于型腔1—2级，（内孔没有要求）

（2）、表面粗糙度要求越高，越难加工，越易磨损。

（3）、为使制件外形美观，可对塑料制品进行表面装饰。

举例（压铸模不能有皮革纹）

第四章注射成型工艺

§1、热塑性塑料的工艺性能

一、塑料的成型收缩

设＝

实＝

设——塑料制品的计算收缩率；

实——塑料制品的实际收缩率

C——常温时的型腔尺寸；b——常温时的制品尺寸；

a——成型温度时的制品尺寸

选取原则：

（1）收缩率范围较小的塑料，取平均收缩率；

（2）收缩率大，根据壁厚确定收缩率，厚壁取大值，薄壁取小值。

（3）采用留有修模余量设计法，即内径取大值，外径取小值。

二、塑料的流动性

塑料的流动性是比较塑料成型加工难易的一项指标。

相对分子质量小，熔融指数高，螺旋线长度长，表现粘度小，流动比大则流动性好。

流动性好的有：

尼龙、聚乙烯，聚丙烯等。

流动性一般的有：

ABS、有机玻璃、聚甲醛。

流动性差的有：

聚碳酸酯，聚砜

三、塑料的结晶性

特点：

1、需加热到一定温度，才能达到软化状态。

2、结晶形塑料需冷却时间较长，放热多。

3、收缩率大，0.5～3.0%,其它0.4～0.6%

4、结晶度与冷却速度有关，应控制好模温。

5、各向异性显著，内应力大，易变形和翘曲。

四、塑料的其它工艺性能

热敏性、水敏性、应力敏感性，吸湿性等

§２　注射成型原理及工艺过程

一、注射成型原理

将粒状或粉状塑料从注射机的料斗送入高温的料筒内加热熔融，使其成为粘流态熔体，然后在注射机柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过喷嘴，注入模具型腔，经充分保压冷却后，开启模具便可从模具中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制品。

预热

清模

塑件脱模

注射成型工艺流程

二、工艺过程

1、成型前准备

（1）分析检验物料质量

（2）物料预热和干燥

（3）嵌件的预热

（4）料桶的清洗

（5）选脱模剂

2、注射成型过程

（1）注射充模——将塑料熔体注入模腔，至熔融物料充满模腔为止（从０到t１）为注射充模阶段。

压力变化为：

当熔体未注入模具型腔时，模腔内压力基本上为零，充满后，随熔体量迅速增加，模腔内压力也迅速上升。

到达t１时，压力达到最大值。

（2）保压补缩：

从熔体充满型腔时起至柱塞退回时为止（t１—t2）

熔体冷却收缩，柱塞继续缓慢向前移动，料筒内熔体注入型腔以补充收缩，其压力仍为最大值。

（3）倒流：

从柱塞开始后退时起至浇口处熔体冻结时为止（t2—t3）

由于柱塞后退，喷嘴处压力下降为零，所以模腔内压力比浇注系统流道内的高，导至熔体从模腔内倒流，从而使模腔内压力迅速下降，PS为浇口冻结时的压力。

等浇口已经冻结或在喷嘴中装有止逆阀，则倒流不存在，即不存在t2—t3之间的压力线而是虚线2。

（4）烧口冻结后的冷却

从浇口处塑料完全冻结到制品脱模取出时止t3—t4.

三、塑件的后处理

1、退火处理塑料件放在一定温度的烘箱或加热液体介质（水、油）中静置一段时间，然后缓慢冷却至室温，从而消除塑件的内应力。

2、调湿处理用于调整塑件含水量的后处理工序，在加热与保温条件下，使制品达到吸湿平衡，从而消除塑件的残余应力。

主要用于吸湿性强的聚酰胺等塑料。

§3、注射工艺的影响因素

一、温度的影响

1、料温的影响

原则是能够顺利地注射成型而又不引起塑料局部降解。

生产中除要严格控制料筒的最高温度外，还应控制塑料熔体在料筒中的停留时间。

图4—7

2、模温的影响

模温↙、冷却↗、粘度↗、压力损失↗图4—8

二、压力的影响

压力↙、熔体不能顺利充满型腔。

压力↗↗，造成制品溢料、变形，压力与温度是相互制约的。

图4—9

三、注射速度

注射速度↗、熔体速度↗、剪切作用↗，粘度↙，熔体温度因剪切发热而升高，有利充模。

过高引起制品局部过热或分解。

四、时间的影响

充模时间：

大型和厚壁制品充模时间１０S以上，小件2—10S；保压时间：

一般制品为10～100S；大型可适当延长。

§4常用塑料及其注射工艺

一、聚乙烯（PE）

高压聚乙烯（HDPE），常用来制造薄膜，日常用品，中、低压聚乙烯（M.LDPE）密度高，机械强度高。

刚性大，熔点也较高，外观为不透明乳白色。

1、工艺性

（１）为非牛顿型流体，结晶形聚合物，有明显的熔点，结晶度随温度的上升而下降。

（２）热氧化性能较差，温度超过50０C便有氧化的倾向，一般需加抗氧化剂。

（３）吸水性较低度（<0.01%）成型前可以不进行干燥处理。

（４）收缩率大，制品易翘曲变形。

（５）注射压力对流动性有很大影响。

2、成型工艺

（1）料筒温度160～220０C（低密度），高密度在108～2400C

（2）注射压力可在60～80MPa。

（3）在高剪切速度下存在熔体破裂的倾向，成型时宜选用中等注射速度。

（4）模温35～550C（低），高密度聚乙烯为60～700C.

（5）保压一般在10～30S之间，取决于浇口，制品形状和壁厚。

二、聚丙稀（PP）

聚丙稀由丙稀聚合而成，有着质轻、价廉、无毒、无味等特点，还具有耐腐蚀，耐温、强度高等优点，主要用于医药、食品、化工及日常生活中。

1、工艺特点

（1）、为结晶形聚合物、结晶度可达50%～70%，有明显的熔点（164～170０C）

（2）、热稳定好，分解温度可达300０C以上。

（3）、流动性比聚乙稀好。

（4）、成型收缩大，并且有各向异性。

（5）、折叠性能十分突出，常用来制作各种绞链制品。

2、成型工艺

（1）、料筒温度在200～2700C.

（2）、成型时选用较高的注射压力，以减少收缩的影响

（3）、模具温度在30～600C

三、聚苯乙烯（PS）

由苯乙烯聚合而成。

聚本乙烯是发现最早，研究较完善的一类塑料。

特点：

价廉、容易着色、透明、电绝缘性好，加工性能优良。

被广泛用于电子、化学、冷冻工业。

缺点：

脆性和耐热性差。

1、工艺特点：

（1）、属于定形聚合物，无明显熔点，热稳定性好，加热后约950C开始软化，120～1800C成为流体，3000C以上分解。

（2）、流动性较好，易于成型。

（3）、制品中内应力较大。

2、成型工艺：

（1）、料筒温度约为180～2150C，采用较高的成型温度有利于提高制品的透明度。

（2）、注射压力可在60～150MPa范围内选取。

（3）、为减少制品的内应力，应尽可能采用较低的注射温度。

（4）、模温约在50～600C左右。