高分子材料注射成型的設(shè)計制造、發(fā)展及運用

1、上海第二工業(yè)大學(xué)先進制造技術(shù)課程題目：高分子材料注射成型的設(shè)計制造、發(fā)展及運用姓名：沈頌陽目錄一、緒論··················P3二、高分子材料的基本認識··········P3三、注塑成型的原理以及構(gòu)造········

2、3;P5四、塑料模具基本構(gòu)造及設(shè)計·········P6五、注射模的設(shè)計要點及一些新的設(shè)計方法···P9六、注塑成型時常見的一些問題········P12七、注塑成型的未來發(fā)展和趨勢········P13高分子材料注射成型的設(shè)計制造及發(fā)展11機制01 沈頌陽 20112611269一、緒論對于這一題目，不少不是這類高分

3、子材料注射成型專業(yè)人士可能會相對陌生，所以在一開始我先做個簡單的介紹和引入。高分子材料對我們生活是息息相關(guān)的，可以說升入我們生活的每一個角落里。例如我們平時用的手機的外殼（見下圖）別看他們光鮮亮麗，那都是工程塑料的功勞，而工程材料就是高分子材料，既美觀又起到絕緣的作用。又如一般在化工廠在儲存化學(xué)原料時所用的儲料筒，那也是用高分子材料制作而成，利用其高密度的特點以及使用時間長，材料不易老化，不易使化學(xué)成分揮發(fā)的等特點，以達到儲存的目的。再如現(xiàn)在很多孩子玩的玩具講究的是安全，而高分子材料就具有很大的優(yōu)勢，因為其種類中就有像橡皮泥一樣材質(zhì)的品種，現(xiàn)在也大大采用這種材料加以利用。說了那么多想必大家對高

4、分子材料有了一些認識，說白了高分子材料對我們普通人而言最直觀的就是塑料了-一種從石油中提煉而來的原材料。我們再來聊聊注塑成型是怎么一回事吧。注塑，即是注入塑料的意思。成型，顧名思義即是形成樣子。通過注入塑料并最后得到我們所需要的產(chǎn)品，這就是注塑成型最明白不過的解釋了。二、高分子材料的基本認識在這里我們主要研究的是高分子材料中的塑料。一般我們把塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料，在整個注射成型的過程即加熱-融化-注射-成型的過程是物理反應(yīng)，只是改變了其形狀，并不改變其原子排列結(jié)構(gòu)，成型后的產(chǎn)品若不再使用可以在粉碎機里粉碎之后可再次利用成型產(chǎn)品。例如PVC、PP、PS、PC、PE等等

5、；而熱固性塑料，在整個注射成型的過程即加熱-融化-注射-成型的過程是化學(xué)反應(yīng)，使用后改變其原子排列結(jié)構(gòu)，也不具有回收利用的特性。例如PF，環(huán)氧樹脂等等。所以一般用在黑色金屬連接上，起到加固和固定的作用，在工程的粘接和連接的上使用十分廣泛，對那些不宜焊接連接的材料無疑是福音。接下來我會逐次介紹那些與我們生活息息相關(guān)的塑料品種。l 聚氯乙烯 PVC （通用塑料）實用指數(shù)：4星因為純聚氯乙烯樹脂（熱塑性塑料）不能直接使用，所以要添加適當(dāng)?shù)脑鏊軇⒎€(wěn)定劑、潤滑劑等材料來使用，因此可以分為硬聚氯乙烯和軟聚氯乙烯。硬聚氯乙烯，其機械強度頗高，堅韌，介電性能（在電場作用下，表現(xiàn)出對靜電能的儲蓄和損耗的性質(zhì)，

6、通常用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗來表示）、抗酸堿性能強等等的優(yōu)點。主要用來制造板材、片、管等等。我們經(jīng)常用的來代替老舊的水管的塑料水管就是用PVC制造。軟聚氯乙烯，質(zhì)感富有彈性，并更具有比橡膠更高的耐腐蝕性，能耐嚴寒，不易發(fā)生氧化反應(yīng)。常用于電線絕緣，包扎管道等等。l 聚苯乙烯 PS （通用塑料）實用指數(shù)：5星聚苯乙烯，熱塑性塑料，是工業(yè)化生產(chǎn)過程中最早出現(xiàn)的塑料品種之一，其成本低廉，促其大力發(fā)展。目前最理想的高頻絕緣材料就是聚苯乙烯，其吸水性小，化學(xué)性能穩(wěn)定，對一定的濃度的化學(xué)試劑都抵抗力，其透明性很好，透光率很高，光學(xué)性能僅次于PMMA（有機玻璃），以及擁有良好的著色性能。但也有很明顯的缺點，其耐

7、熱性不佳，耐磨性較差，質(zhì)地較差，因內(nèi)應(yīng)力易開裂。我們在使用時會添加別的添加劑來提高其耐脆性以及耐熱性，適合制造普通家庭中的電視機外殼以及收音機的外殼、高頻插座等等。l 聚乙烯 PE （通用塑料）實用指數(shù)：7星由于工業(yè)上對PE材料的使用率的不斷提高，如今PE的產(chǎn)量是所有工業(yè)塑之最，其手觸感似臘，故也稱高分子石蠟。聚乙烯按其聚合時所采用的壓力不同，可分為高壓、中壓和低壓聚乙烯。高壓聚乙烯的分子結(jié)構(gòu)不是單純的線型，并形成許多支鏈的樹枝狀分子，密度較低，分子量少。但其純度高，具有較好的柔軟性，耐沖擊性及透明性，成型加工性能也較好。中、低壓聚氯乙烯的分子結(jié)構(gòu)是支鏈很少的線性分子，密度大分子量大，耐熱性好

8、，機械性能好，吸水性好。試用于一些高精度的絕緣原件制作。l 三元共聚物 ABS （工程塑料）使用指數(shù)：6星三元共聚物是指丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體元素組成。具有良好的綜合性能。是目前運用最廣，產(chǎn)量最大的一種工程塑料。說道它，我們就不得不說說他的三個元素了，這三個元素在其中起到的作用也是不言而喻的。丙烯腈可以使ABS具有較高的強度和硬度，以及耐熱性能、耐化學(xué)腐蝕性；丁二烯可以使ABS具有彈性和較高的沖擊強度；苯乙烯可以使ABS具有優(yōu)良的介電性能和成型加工。而且我們可以根據(jù)不同性能的需要對這三種的原料的配比進行調(diào)整，以達到預(yù)期的目的。ABS在總的機械性能方面，具有質(zhì)硬、堅韌、剛性等特點。其塑件

9、表面可以進行電鍍加工。缺點：不耐熱，不透明，不耐燃等等。因此常常用于制造家用電器外殼、話筒、把手等等。l 聚碳酸酯 PC （工程塑料）使用指數(shù)：8星常用的聚碳酸酯是雙酚A型的，其合成方法有很多，主要有光氣化法和酯交換法這兩種。光氣化法樹脂的分子量比酯交換法樹脂的高，因而者的熔融溫度比后者的高。聚碳酸酯的機械性能優(yōu)良，具有特殊的堅韌和硬度，具有極強的抗沖擊性能、抗蠕變性能十分優(yōu)異，制件成型尺寸穩(wěn)定性好；其化學(xué)穩(wěn)定性好，耐熱且耐寒；其本身是無毒、無喂、無臭的，且不具備自燃性，這無疑是最安全的塑料，可以制作仿瓷餐具等等接觸人體的制件。在工業(yè)上也可以用作一些精度要求高的齒輪、軸承、凸輪等等的零件?？梢?/p>

10、說運用十分廣泛，在我們?nèi)粘Ｖ械难坨R片也是用這種塑料制作而成的。三、注塑成型的原理以及構(gòu)造塑料模具又稱注射成型（臺灣地區(qū)稱法）或者注塑成型，它是在金屬壓鑄法的啟示下發(fā)展起來的一種新的成型方法，由于它與醫(yī)用注射器工作原理基本相同，所以稱它為注射成型。而且這種方法主要是對于成型熱塑性塑料來說的。注塑模塑是通過注塑機來實現(xiàn)的。而注塑機的類型也各異，但其成型原理都大同小異，主要的作用有兩個：其一，加熱熔融塑料，使其達到粘流狀態(tài)；其二，對粘流態(tài)的塑料施加高壓，使其高速射入型腔內(nèi)。一般的的注塑機的類型分為兩種：分別是柱塞式注塑機和螺桿式注塑機。因為柱塞式注塑機的缺點太多，如速滑不均勻、注塑壓力損失太大、注塑

11、速度不均勻等。所以在次我們主要研究螺桿式注塑機（見上圖），接下來我們就來了解一下其工作原理。首先，將模板快速接近定模扳（應(yīng)遵從慢-快-慢速的原則），閉合后且確認無異物存在下，設(shè)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)為高壓鎖模，并保持油缸內(nèi)壓力。然后，將射臺前移到位：射臺前進到指定位置（噴嘴與模具的澆口套上的澆口緊貼）。再設(shè)定螺桿以多段速度，壓力和行程，將料筒前端的溶料（為保持塑料把熔融狀態(tài)外裝三個加熱器，為防止“流涎”現(xiàn)象，溫度設(shè)定以兩頭溫度稍低中間溫度高為主）注入模腔。之后按設(shè)定多種壓力和時間段，保持料筒的壓力，同時為冷卻水管內(nèi)流通水，以使模腔冷卻成型。接著模腔內(nèi)制品繼續(xù)冷卻，同時液力馬達驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)將塑料粒子前推，螺桿

12、在設(shè)定的背壓控制下后退，當(dāng)螺桿后退到預(yù)定位置，螺桿停止旋轉(zhuǎn)，注射油缸按設(shè)定松退，預(yù)料結(jié)束。最后射臺后退：預(yù)塑結(jié)束后，射臺后退到指定位置，人工開模，模扳后退到原位（以慢-快-慢速為速度原則），并在推出機構(gòu)的工作下，頂桿頂出制品。四、塑料模具基本構(gòu)造及設(shè)計既然現(xiàn)在大家對這整個高分子材料注塑成型的過程以及所用材料都有所了解，那我們現(xiàn)在就來說說這至關(guān)重要的部分塑料模具。一般來說我們使用的塑料模模具可以分為；1、單分型面注塑模；2、雙分型面注塑模；3、帶有活動鑲塊的注塑模；4、側(cè)向分型抽芯的塑料模；5、自動卸螺紋的注塑模；6、帶有定距分型拉緊機構(gòu)的注塑模；7、定模設(shè)置推出機構(gòu)的注塑模；8、熱流道注塑模。

13、在這里我會主要向大家介紹單、雙分型面注塑模，側(cè)向分型抽芯塑料膜，定距分型拉緊機構(gòu)塑料模和熱流道注塑模。n 單分型面注塑模它是注塑模中最簡單、最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，也稱兩板式（動、定模板）注塑模。單分型面注塑模只有一個分型面，所以對于一些結(jié)構(gòu)簡單需求量多的零件，更易于實現(xiàn)一模多腔的設(shè)計以及制造。其推出機構(gòu)也可以設(shè)計很多種款式，可以是推桿推出、推管推出、推板推出等等。下圖是一副標(biāo)準(zhǔn)的推桿推出的單分型面的注塑模，一模兩腔結(jié)構(gòu)，側(cè)澆口進料布局，上下都設(shè)有冷卻水管，可以看出該模具所制作的零件的產(chǎn)量不低。接下來我們來分析一下它的結(jié)構(gòu)上的優(yōu)缺點：優(yōu)點：1、布置成側(cè)澆口，可以是產(chǎn)品表面更加完整，對一些對產(chǎn)品外

14、觀很重視的產(chǎn)品這樣布局就顯示出它的有點了。2、對于型芯和型腔分別做了單獨的鑲塊，并對一些關(guān)鍵部位實行組合式加工拼接，這可以使加工更加便捷，對于一些買不起大型機床的廠家也可以制造出這類的零件，無形中節(jié)省了成本，又易提高了加工效率和精度。缺點：1、在上圖中未標(biāo)明有復(fù)位桿。2、如此布置流道，會形成大量的廢料，造成成本的增加。我再來說說整個注塑成型后的塑件脫模過程:當(dāng)動模和定模分開后，頂桿就頂起（9）下頂板，帶動上頂板（8）上的推桿以及（10）Z型拉料桿一起向上頂，使得塑件離開（13）型芯鑲塊，當(dāng)推出距離e后（e=塑件厚度+安全系數(shù)），由人工取下塑件。n 雙分型面注塑模雙分型面注塑模的結(jié)構(gòu)特征是有兩個

15、分型面，俗稱三板模，即是使用三塊板（上模板、流道板，型腔板）完成流道和注塑成型系統(tǒng)。（但有時兩塊板也能完成）常用于點交口澆注系統(tǒng)的模具，點交口的截面積較小，在分模時可以自動拉斷，所以（見圖2）一般分型面I主要是使?jié)沧⑾到y(tǒng)中的凝料；分型面II是使塑件脫模。 圖2是一副燈罩注塑模具結(jié)構(gòu)圖。我們來簡要分析一下它的優(yōu)缺點：優(yōu)點：1、使用二板模雙分型結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，節(jié)約成本。2、使用有定居拉桿作用的導(dǎo)柱，提高結(jié)構(gòu)的效率。3、分流道的盡頭設(shè)置冷料穴和拉料口，更易方便脫模。4、凸模制造采用鑲拼式制造方式，方便成型加工。缺點：冷卻水管布置的不均勻，容易使塑件的成型速度不一樣，表面上會留下溶接橫。三板模只

16、能使用點交口或者是潛伏式澆口。因為這樣的澆口可以自行拉斷，便于發(fā)揮三板模的優(yōu)勢。n 側(cè)向分型抽芯塑料膜1）斜導(dǎo)柱側(cè)向分型與抽芯注塑模當(dāng)塑件側(cè)壁有孔、凹槽或凸起時，其成型零件必須制成可側(cè)向移動的，否則塑件無法脫模。帶動側(cè)向成型零件進行側(cè)向移動的整個機構(gòu)稱為側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是一種比較常用的側(cè)向分型與抽芯的方法。主要成型那些側(cè)向的孔類零件。如下圖：采用斜契壓緊滑塊以起到固定的作用，限位釘起到定位作用，斜導(dǎo)柱的斜度確定了其抽芯的距離。這是一副典型的抽芯結(jié)構(gòu)圖。2）斜滑塊側(cè)向分型與抽芯注射?；瑝K側(cè)向分型與抽芯注射模是另外一種比較典型的側(cè)向分型的形式。其作用力由推出機構(gòu)來提供，動作由可傾斜移動

17、斜滑塊來完成，一般用于面積較大、抽芯距離較短的情況下使用。如下圖，通過推桿向上推出，使得兩塊滑塊向上移動，再帶動成型零件的推出，脫模。 n 定距分型拉緊機構(gòu)塑料模一般的模具設(shè)計都盡可能使塑件留在動模一側(cè)，便于脫模。但有時會遇到一些形狀比較特殊的塑件，開模時它們既可能依附著在動模一側(cè)，也可能附著在定模一側(cè)，為此需在動、定模兩側(cè)都設(shè)脫模機構(gòu)或者設(shè)計必要的拉料釘。同時對于一些雙分型面或多分型面的模具，常需要設(shè)計先使定模分型，然后使動、定模分型，最后用推出零件使塑件脫模，這一類機構(gòu)稱為順序脫模機構(gòu)，也叫定距分型拉緊機構(gòu)。五、注射模的設(shè)計要點及一些新的設(shè)計方法普通的的塑料模具從設(shè)計到制造，再到出產(chǎn)品檢驗

18、合格。這一系列復(fù)雜的過程，都是基于用戶對產(chǎn)品的要求來定的。大致是這樣一個過程：用戶找到廠家，說明要生產(chǎn)的產(chǎn)品的形狀構(gòu)造，廠家也對客戶給出一個初步的答復(fù)。這是初期談判。第二步，就是深入洽談，廠家對零件的成型工藝進行分析，并提出改進方案，若廠家同意 ，可以簽訂基本協(xié)議。接下來廠家經(jīng)過三維立體建模，制造出模型初樣，進行深入分析。然后進行塑料模具加工，裝配，打樣，出產(chǎn)品。最后對產(chǎn)品進行評估，檢驗，交付客戶產(chǎn)品。現(xiàn)在可以在設(shè)計產(chǎn)品前，先通過一些三維軟件來進行對顧客所需產(chǎn)品的三維建模。這些三維軟件可以是UG、Pro-E、CATIA以及SOLIDWORD等等的軟件。進入軟件后可以選擇對應(yīng)得模塊進行設(shè)計和加工

19、，也可以導(dǎo)出加工程序，便于進行數(shù)控機床的加工和運行。我們還可以在UG設(shè)計完之后，可以先進行快速的產(chǎn)品成型制造，通過3D打印技術(shù)，把產(chǎn)品打印加工出來，進行現(xiàn)場測量，計算出這種塑料的實際的收縮率再反過來對已經(jīng)設(shè)計好的尺寸進行修改，來保證塑料模加工好后產(chǎn)品的尺寸精度問題。以下是在模具設(shè)計時候或者之前我們可以運用軟件或者別的先進手段來進行輔助加工的實例：1，一般設(shè)計中最關(guān)鍵的莫過于對凸模和凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計。凸模的結(jié)構(gòu)類型有：整體式凹模、組合式凹模；凹模的結(jié)構(gòu)種類有：嵌入式凹模、鑲拼式組合凹模和瓣合式凹模等等。通過UG軟件來說，其塑料模的應(yīng)用模塊就十分的有用了。我們可以把我們要制作的產(chǎn)品通過軟件先建模出來

20、，再通過一系列的指標(biāo)參數(shù)按鈕，來對其的模板的厚度和大小進行定義等等。對于整體式的凸、凹模的零件來說，加工精度大大提高，裝配起來更加方便，更有效率。不易變形，成型的塑件的表面質(zhì)量好（但也僅限于一般外形簡單的制品零件）。但當(dāng)塑件形狀復(fù)雜時，其凹模部分的加工性能較差（采用一般機械加工）。對于組合式的凸、凹模來講，大大改善了加工性能，減少了熱處理后的變形這一情況，節(jié)約了模具鋼的材料（模具鋼的材料價格比一般的碳鋼貴），但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配起來，容易形成累計誤差，增加不確定性，塑件表面容易形成拼接痕，影響表面質(zhì)量。而且組合后整個凸?；虬寄５睦喂绦暂^差。俗話講得好，“好鋼不做釘?！彼哉彼芰夏ｄ摿嫌玫淖詈玫牡?/p>

21、方就是凸模和凹模了，因為這里不僅需要精度和耐腐蝕性，而且還需要高質(zhì)量表面粗糙度f?？梢赃@么講整副模具的結(jié)構(gòu)零件都是跟隨著凸模和凹模的關(guān)系走的，從而達到整副模具的和諧與緊湊。接下來我稍微介紹幾款模具鋼：u 3Cr2Mo (P20) 塑料模具鋼3Cr2Mo鋼是引進的美國塑料模具鋼常用鋼號，也是GB1299-85合金工具鋼技術(shù)條件中正式納入標(biāo)準(zhǔn)的唯一一種塑料模具鋼。該模具鋼的化學(xué)成分：含0.28%-0.40%的碳元素，0.20%-0.80%的硅元素，0.60%-1.00%的錳元素，1.40%-2.00%的鉻元素，0.30%-0.55%的鉬元素，以及小于0.03%的硫、磷元素。我們知道適當(dāng)?shù)牧蛄自乜?/p>

22、以提高加工性能，硅錳元素可以提高鋼材的綜合機械性能，鉬元素能夠提高鋼材的耐磨性能，所以我們的模具鋼也是一種優(yōu)質(zhì)的合金鋼。u 5CrNiMnMoVSCa (5NiSCa) 鋼5NiSCa鋼屬于易于切削高韌性塑料模具鋼，在預(yù)硬態(tài)（35-45HRC 即一般低碳鋼正火處理后的硬度）韌性和切削性能良好；鏡面拋光性能好，表面粗糙度低，可以達到Ra 0.2-0.1um，而且在反復(fù)使用過程中粗糙度保持的相當(dāng)好，綜合機械性能優(yōu)秀，可以制作型腔復(fù)雜的質(zhì)量要求高的塑料模。其實這種鋼材又俗稱“拋光鋼”，做一個很簡單的比較， 同時對45號鋼材與這種鋼材在相同時間內(nèi)，對相同大小的鋼材表面進行拋光，得出的結(jié)果是45號鋼沒有

23、達到預(yù)期的粗糙度，而5NiSCa鋼則輕松達到預(yù)期的粗糙度。通常情況下對于成型零件的表面質(zhì)量較高，我們就可以采用這類鋼材制作型腔，來達到所需粗糙度。u 0Cr16Ni4Cu3Nb (PCR) 耐蝕塑料模具鋼此類鋼材是屬于析出硬化不銹鋼。硬度為32-35HRC時可進行切削加工。適合在些具有腐蝕性的塑料（例如，聚氯乙烯PVC，加熱過程中會有Hcl氣體，此氣體有較強腐蝕性）成型加工時使用。2，為了加工和裝配的方便，模具結(jié)構(gòu)和零件的形狀應(yīng)力求簡單，便于模具工的加工和制造，也可以從工藝上節(jié)省加工的成本，例如可以在普通數(shù)控機床上加工的零件，就避免用加工成本更高的加工中心來實現(xiàn)同樣的加工。3，為確保產(chǎn)品質(zhì)量和

24、模具使用壽命，模具應(yīng)具有適當(dāng)?shù)木?、表面粗糙度、剛度和強度，模具的精度太高，使得加工成本過高，工人的工作時間增長，雖然延長了模具的使用壽命和提高了精度，但卻加大了零件加工的成本，實則是不可取的，所以要選用工藝適中的方法來加工。4，模具結(jié)構(gòu)的有關(guān)尺寸必須與所選用的注射機的相關(guān)參數(shù)相適應(yīng)，包括注射機的最大注射量、鎖模力、裝模部分的尺寸等。就好比多大的小孩穿多大的一副一樣。在設(shè)計一開始時，就要根據(jù)所要制造的零件，選取適合的模版大小，通過模版的大小，選取合適的模架，之后選好每一塊板的厚度，算出總的高度，選取適合的注塑機。這些過程都是不能前后對換的。5，根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特征，正確確定抽芯及推出機構(gòu)，且正確

25、設(shè)計模具的加熱或冷卻機構(gòu)，使制造好的模具適合工人操作和維修，模具還具有制造周期短，成本低廉的特點。 六、注塑成型時常見的一些問題在日常的注塑機加工中，經(jīng)常會出現(xiàn)很多注塑問題，接下來我也列舉一下注塑時存在的缺陷：Ø 注塑不滿即零件成型未到應(yīng)有輪廓?？赡艿脑蚴橇鞯阑驖部谔?，在一周期的計量單位內(nèi)，射出的熔融狀態(tài)的塑料不能充滿型腔；排氣不佳，在型腔內(nèi)氣體因不能及時排出，而占據(jù)型腔內(nèi)的容積；冷料穴太小，前鋒射入的塑料遇冷堵住了一些流道導(dǎo)致不能注入相當(dāng)?shù)娜莘e的塑料。當(dāng)然也有別的原因，注塑機的注射壓力過低，模溫過低導(dǎo)致塑料遇冷而流動不暢。Ø 飛邊即是塑件的邊緣產(chǎn)生一塊薄薄的塑料。產(chǎn)生的原因是模板變形，產(chǎn)生縫隙，從而導(dǎo)致飛邊；型腔和型芯配合尺寸有誤，導(dǎo)致配合的失誤；排氣槽過深；注塑機的鎖模力不夠，導(dǎo)致高壓注塑時，因壓力過高塑料從縫隙溢出。Ø 縮坑流道太細小，導(dǎo)致型腔填充不滿；塑料