《模具設(shè)計(jì)》課件第6章

第六章塑料成型工藝6.1塑料的種類(lèi)

6.2塑料制件的結(jié)構(gòu)工藝性

6.3塑料成型設(shè)備

6.4塑料模具材料

習(xí)題

6.1塑

料

的

種

類(lèi)6.1.1塑料及其類(lèi)型塑料的主要成分是樹(shù)脂,無(wú)論是天然樹(shù)脂(如松香、瀝青、琥珀、蟲(chóng)膠等)還是合成樹(shù)脂(酚醛樹(shù)脂、氨基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯等),它們都屬于高分子聚合物,簡(jiǎn)稱(chēng)高聚物。按制造方法,塑料可分為聚合樹(shù)脂塑料和縮聚樹(shù)脂塑料兩類(lèi);按成型性能,塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類(lèi),前者主要由聚合樹(shù)脂制成,后者大多以縮聚樹(shù)脂為主。常用塑料名稱(chēng)及英文代號(hào)如表6-1所示。此外,按用途,塑料還可分為通用塑料、工程塑料和特殊用途塑料等。

表6-1常用塑料名稱(chēng)及英文代號(hào)

6.1.2熱塑性塑料的工藝特性

1.收縮性在熔融狀態(tài)下一定量塑料的體積總比其固態(tài)下的體積大,說(shuō)明塑料經(jīng)成型冷卻后發(fā)生了體積收縮,塑料的這種性質(zhì)稱(chēng)為收縮性。收縮性的大小以收縮率表示,即單位長(zhǎng)度塑件收縮量的百分?jǐn)?shù)。由于成型模具材料與塑料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同,因此塑件的實(shí)際收縮率和計(jì)算收縮率也不相同。

計(jì)算收縮率表示室溫時(shí)模具尺寸與塑件尺寸的差別,在普通中、小型模具成型零件尺寸計(jì)算時(shí),計(jì)算收縮率與實(shí)際收縮率相差很小,常采用計(jì)算收縮率;而實(shí)際收縮率則表示模具或塑件在成型溫度時(shí)的尺寸與塑件在室溫時(shí)的尺寸之間的差別,實(shí)際收縮率表示塑料實(shí)際所發(fā)生的收縮,在大型、精密模具成型零件尺寸計(jì)算時(shí)常采用。塑件收縮的形式除由于熱脹冷縮、塑件脫模時(shí)的彈性恢復(fù)、塑性變形等原因產(chǎn)生的尺寸線(xiàn)性收縮外,還會(huì)按塑件形狀、料流方向及成型工藝參數(shù)的不同產(chǎn)生收縮方向性。另外,塑件脫模后殘余應(yīng)力的緩慢釋放和必要的后處理工藝也會(huì)使塑件產(chǎn)生后收縮。

2.流動(dòng)性

塑料的流動(dòng)性是指在成型過(guò)程中,塑料熔體在一定的溫度與壓力作用下充填模腔的能力。塑料流動(dòng)性的好壞,在很大程度上影響成型工藝的許多參數(shù),如成型溫度、壓力、周期、模具澆注系統(tǒng)的尺寸及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)等。在決定零件大小與壁厚時(shí),也要考慮流動(dòng)性的影響。

流動(dòng)性主要取決于分子組成、相對(duì)分子質(zhì)量大小及其結(jié)構(gòu)。只有線(xiàn)形分子結(jié)構(gòu)而沒(méi)有或很少有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物流動(dòng)性好。合物中加入填料會(huì)降低樹(shù)脂的流動(dòng)性,加入增塑劑、潤(rùn)滑劑可以提高流動(dòng)性。流動(dòng)性差的塑料,在注射成型時(shí)不易充填模腔,易產(chǎn)生缺料,在塑料熔體的會(huì)合處不能很好地熔接而產(chǎn)生熔接痕。這些缺陷甚至?xí)?dǎo)致零件報(bào)廢。反之,若材料流動(dòng)性太好,注射時(shí)容易產(chǎn)生流涎,造成塑件在分型面、活動(dòng)成型零件、推桿等處的溢料飛邊,因此,成型過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)選擇與控制材料的流動(dòng)性,以獲得滿(mǎn)意的塑料制件。

熱塑性塑料的流動(dòng)性分為三類(lèi):流動(dòng)性好的,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸纖維素等;流動(dòng)性中等的,如改性聚苯乙烯、ABS、AS、有機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)、聚甲醛、氯化聚醚等;流動(dòng)性差的,如聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。通常料溫高,則流動(dòng)性大。但不同塑料也各有差異,聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、有機(jī)玻璃、ABS、AS、聚碳酸酯、醋酸纖維等塑料的流動(dòng)性隨溫度變化的影響較大;而聚乙烯、聚甲醛的流動(dòng)性受溫度變化的影響較小。

如果注射壓力增大,則熔料受剪切作用大,流動(dòng)性也增大,聚乙烯、聚甲醛等尤為敏感。另外，澆注系統(tǒng)的形式、尺寸、布置,包括型腔表面粗糙度、澆道截面厚度、型腔形式、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及熔料的流動(dòng)阻力等因素都直接影響塑料熔體的流動(dòng)性。總之,凡促使熔料溫度降低、流動(dòng)阻力增加的,流動(dòng)性就會(huì)降低。

3.相容性相容性又俗稱(chēng)為共混性,是指兩種或兩種以上不同品種的塑料,在熔融狀態(tài)不產(chǎn)生相分離現(xiàn)象的能力。如果兩種塑料不相容,則混熔時(shí)制件會(huì)出現(xiàn)分層、脫皮等表面缺陷。不同塑料的相容性與其分子結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系,分子結(jié)構(gòu)相似者較易相容,例如高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯彼此之間的混熔等。分子結(jié)構(gòu)不同時(shí)較難相容,例如聚乙烯和聚苯乙烯之間的混熔。通過(guò)塑料的這一性質(zhì),可以得到類(lèi)似共聚物的綜合性能,這是改進(jìn)塑料性能的重要途徑之一,例如聚碳酸酯和ABS塑料相容,就能改善聚碳酸酯的工藝性。

4.吸濕性

吸濕性是指塑料對(duì)水分的親疏程度。據(jù)此塑料大致可以分為兩類(lèi):一類(lèi)是具有吸濕或黏附水分傾向的塑料,例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚砜等;另一類(lèi)是吸濕或黏附水分極小的材料,如聚乙烯、聚丙烯等。具有吸濕或黏附水分的塑料,當(dāng)水分含量超過(guò)一定的限度時(shí),由于在成型加工過(guò)程中,水分在成型機(jī)械的高溫料筒中變成氣體,促使塑料高溫水解,導(dǎo)致塑料降解,因此使成型后的塑件出現(xiàn)氣泡、銀絲與斑紋等缺陷。可見(jiàn),塑料在加工成型前,一般都經(jīng)過(guò)干燥,使水分含量在0.5％～0.2％以下。并要在加工過(guò)程中繼續(xù)保溫,以免重新吸潮。

5.熱敏性某些熱穩(wěn)定性差的塑料,在高溫下受熱時(shí)間較長(zhǎng)、澆口截面過(guò)小或剪切作用大時(shí),料溫增高就易發(fā)生變色、降解、分解的傾向,塑料的這種特性稱(chēng)為熱敏性。如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等就具有熱敏性。熱敏性塑料在分解時(shí)產(chǎn)生單體、氣體、固體等副產(chǎn)物,分解產(chǎn)物有時(shí)對(duì)人體、設(shè)備、模具等有刺激、腐蝕作用或毒性,有的分解物往往又是促使塑料分解的催化劑(如聚氯乙烯的分解物為氯化氫)。為防止熱敏性塑料在成型過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱分解現(xiàn)象,可采取在塑料中加入穩(wěn)定劑、合理選擇設(shè)備、合理控制成型溫度和成型周期、及時(shí)清理設(shè)備中的分解物等措施。另外,還可采取模具表面鍍鋁、合理設(shè)計(jì)模具的澆注系統(tǒng)等措施。

6.1.3熱固性塑料的工藝特性

1.收縮率熱固性塑料也具有因成型加工而引起的尺寸減小現(xiàn)象。計(jì)算方法與熱塑性塑料收縮率相同。收縮率的影響因素有原材料、模具結(jié)構(gòu)或成型方法及成型工藝條件等。塑料中樹(shù)脂和填料的種類(lèi)及含量,直接影響收縮率的大小。當(dāng)在固化反應(yīng)中樹(shù)脂放出的低相對(duì)分子質(zhì)量揮發(fā)物較多時(shí),收縮率較大，反之收縮率小;在同類(lèi)塑料中,填料含量多時(shí)收縮率小,無(wú)機(jī)填料比有機(jī)填料所得的塑料件收縮小。

凡有利于提高成型壓力、增大塑料充模流動(dòng)性、使塑件密實(shí)的模具結(jié)構(gòu),均能減少制件的收縮率,例如用壓縮或壓注成型的塑件比注射成型的塑件收縮率小;凡能使塑件密實(shí),成型前使低分子揮發(fā)物溢出的工藝因素,都能減少制件收縮率,例如成型前對(duì)酚醛塑料的預(yù)熱、加壓等可降低制件收縮率。

2.流動(dòng)性

流動(dòng)性的意義與熱塑性塑料流動(dòng)性類(lèi)同,每一品種的塑料分為三個(gè)不同等級(jí)的流動(dòng)性:流動(dòng)性較差的,適用于壓制無(wú)嵌件、形狀簡(jiǎn)單、厚度一般的塑件;流動(dòng)性中等的,用于壓制中等復(fù)雜程度的塑件;流動(dòng)性好的,可用于壓制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔很深、嵌件較多的薄壁塑件,或用于壓注成型。流動(dòng)性過(guò)大,容易造成溢料過(guò)多、填充不密實(shí)、塑件組織疏松、樹(shù)脂與填料分頭聚積、因易粘模而使脫模困難?？梢?jiàn),必須根據(jù)塑件要求、成型工藝及成型條件選擇塑料的流動(dòng)性。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)流動(dòng)性來(lái)考慮澆注系統(tǒng)、分型面及進(jìn)料方向等。

3.比容和壓縮率

比容和壓縮率都表示粉狀或短纖維狀塑料的松散性。單位質(zhì)量中松散塑料所占的體積稱(chēng)為比容(cm3/g),壓縮率是塑料的體積與塑件的體積之比,其值恒大于1?？捎帽热莺蛪嚎s率來(lái)確定模具加料室的大小。比容和壓縮率較大,要求模具加料室尺寸要大,從而使模具體積增大,操作不便,浪費(fèi)鋼材,不利于加熱;同時(shí),使塑料內(nèi)充氣增多,排氣困難,成型周期變長(zhǎng),生產(chǎn)率降低。比容和壓縮率小,使壓錠和壓縮、壓注容易,壓錠質(zhì)量也較準(zhǔn)確,但是,比容太小,則影響塑料的松散性,以容積法裝料時(shí)造成塑件質(zhì)量不準(zhǔn)確。

4.硬化速度

熱固性塑料樹(shù)脂分子完成交聯(lián)反應(yīng),由線(xiàn)形結(jié)構(gòu)變成體形結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為硬化。硬化速度通常以塑料試樣硬化1mm厚度所需的秒數(shù)來(lái)表示,此值越小時(shí),硬化速度就越快。影響硬化速度的因素有塑料品種、塑件形狀、壁厚、成型溫度及是否預(yù)熱、預(yù)壓等。通常,采用壓錠、預(yù)熱、提高成型溫度、增長(zhǎng)加壓時(shí)間等,都能顯著加快硬化速度。另外,硬化速度還必須與成型方法的要求相適合。如壓注或注射成型時(shí)要求在塑化、填充時(shí)化學(xué)反應(yīng)慢,硬化慢,以保持長(zhǎng)時(shí)間的流動(dòng)狀態(tài),但當(dāng)充滿(mǎn)型腔后,應(yīng)在高溫、高壓下快速硬化。硬化速度慢的塑料,會(huì)使成型周期變長(zhǎng),產(chǎn)率降低;硬化速度快的塑料,則不能成型大型復(fù)雜的塑件。

5.水分與揮發(fā)物含量

塑料中的水分及揮發(fā)物來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面:其一是塑料在制造中未能全部除凈水分,或在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中,由于包裝或運(yùn)輸條件不當(dāng)而吸收水分;其二是來(lái)自壓縮或壓注過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物。塑料中水分及揮發(fā)物的含量,在很大程度上直接影響塑件的物理、力學(xué)和介電性能。塑料中水分及揮發(fā)物的含量大,在成型時(shí)產(chǎn)生內(nèi)壓,促使氣泡產(chǎn)生或以?xún)?nèi)應(yīng)力的形式暫存于塑料中,一旦壓力除去后便會(huì)使塑件發(fā)生變形,降低其機(jī)械強(qiáng)度。

壓制時(shí),由于溫度和壓力的作用,有大多數(shù)水分及揮發(fā)物逸出。在逸出前,這些水分和揮發(fā)物占據(jù)著一定的體積,嚴(yán)重地阻礙化學(xué)反應(yīng)有效進(jìn)行,造成冷卻后塑件的組織疏松;當(dāng)揮發(fā)物氣體逸出時(shí),會(huì)割裂塑件,使塑件產(chǎn)生龜裂,機(jī)械強(qiáng)度和介電性能降低。過(guò)多的水分及揮發(fā)物含量,使塑料流動(dòng)性過(guò)大,容易溢料,成型周期長(zhǎng),收縮率增大,塑件容易發(fā)生翹曲、波紋及光澤不好等現(xiàn)象。反之,塑料中水分及揮發(fā)物的含量不足,會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性不良,成型困難,不利于壓錠。水分及揮發(fā)物在成型時(shí)變成的氣體,必須排出模外,有的氣體對(duì)模具有腐蝕作用,對(duì)人體也有刺激作用。為此,在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)這種特征有所了解,并采取相應(yīng)措施。

6.2塑料制件的結(jié)構(gòu)工藝性

塑件結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循的原則如下:

(1)在保證使用性能、物理與力學(xué)性能、電性能、耐化學(xué)腐蝕性能和耐熱性能等的前提下,力求壁厚均勻,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。

(2)在設(shè)計(jì)塑件時(shí),考慮其成型模具的總體結(jié)構(gòu),使模具型腔易于制造、裝配和修模,抽芯和推出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。

(3)考慮原料的流動(dòng)性、收縮率等成型工藝性的同時(shí),進(jìn)行塑件設(shè)計(jì)。

(4)對(duì)外觀要求較高的塑件,應(yīng)先通過(guò)造型,而后逐步繪制圖樣。塑料制件結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括:尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形狀、壁厚、斜度、加強(qiáng)筋、支承面、圓角、孔、螺紋、齒輪、嵌件、文字、符號(hào)及標(biāo)記等。

6.2.1塑料制件的尺寸和精度塑件尺寸的大小主要取決于塑料品種的流動(dòng)性。在一定的設(shè)備和工藝條件下,流動(dòng)性好的塑料可以成型較大尺寸的塑件;反之,成型出的塑件尺寸較小。另外,塑件外形尺寸還受成型設(shè)備的限制。從能源、模具制造成本和成型工藝條件出發(fā),在滿(mǎn)足塑件使用要求的前提下,應(yīng)將塑件設(shè)計(jì)得盡量緊湊、尺寸小巧一些。

塑件的尺寸精度是指所獲得的塑件尺寸與產(chǎn)品圖中設(shè)計(jì)尺寸的符合程度,即所獲得塑件尺寸的準(zhǔn)確度。影響塑件尺寸精度的因素很多,首先是模具的制造精度和模具的磨損程度,其次是塑料收縮率的波動(dòng)以及成型時(shí)工藝條件的變化,塑件成型后的時(shí)效變化和脫模斜度及模具的結(jié)構(gòu)形狀等。為降低模具制造成本和便于模具生產(chǎn)制造,在滿(mǎn)足塑件使用要求的前提下應(yīng)盡量把塑件尺寸精度設(shè)計(jì)得低一些。塑件的精度等級(jí)分為八個(gè)等級(jí),其中1、2級(jí)為精密技術(shù)級(jí),只有在特殊要求下使用。7、8級(jí)的精度太低,一般不用,常用的是3～6級(jí)。未注公差尺寸通常為8級(jí)精度。

6.2.2塑料制件的表面質(zhì)量塑料制件的表面質(zhì)量包括表面粗糙度和表觀質(zhì)量。塑件表面粗糙度主要與模具型腔表面的粗糙度有關(guān)。目前,注射成型塑件的表面粗糙度通常為Ra0.02～1.25μm,模腔表壁的表面粗糙度應(yīng)為塑件的一半,取Ra0.01～0.63μm。塑件的表觀質(zhì)量指的是塑件成型后的表觀缺陷狀態(tài),常見(jiàn)的如缺料、溢料、飛邊、凹陷、氣孔、熔接痕、銀紋、斑紋、翹曲與收縮、尺寸不穩(wěn)定等。其與塑件成型工藝條件、塑件成型原材料的選擇、模具總體設(shè)計(jì)等多種因素有關(guān)。

6.2.3形狀塑件的內(nèi)外表面形狀應(yīng)盡可能保證有利于成型。側(cè)抽芯或瓣合凹?；蛲鼓Ｊ鼓＞呓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本提高,并且還會(huì)在分型面上留下飛邊,增加塑件的修整量,可見(jiàn)塑件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免側(cè)向凹凸,若有側(cè)向凹凸,則在保證塑件使用要求的前提下,適當(dāng)改變塑料制件的結(jié)構(gòu),以簡(jiǎn)化模具的結(jié)構(gòu)。塑件內(nèi)側(cè)凹較淺并允許帶有圓角時(shí),則可以采取強(qiáng)制脫模的方法使塑件從凸模上脫下,但此時(shí)塑件在脫模溫度下應(yīng)具有足夠的彈性,以使塑件在強(qiáng)制脫下時(shí)不會(huì)變形,例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等能適應(yīng)這種情況。多數(shù)情況下塑件的側(cè)向凹凸不可能強(qiáng)制脫模,應(yīng)采用側(cè)向分型抽芯結(jié)構(gòu)的模具。

6.2.4脫模斜度由于黏附作用,塑件緊貼在凹模型腔內(nèi),另外,塑料制件冷卻后產(chǎn)生收縮,會(huì)緊緊包在凸?；虺尚托托旧?。為了便于脫模,防止塑件表面在脫模時(shí)劃傷、擦毛等。在設(shè)計(jì)時(shí)塑件表面沿脫模方向應(yīng)具有合理的脫模斜度。影響塑件脫模斜度的因素有塑件的性質(zhì)、收縮率、摩擦因數(shù)、塑件壁厚和幾何形狀等。硬質(zhì)塑料比軟質(zhì)塑料脫模斜度大;成型孔較多或形狀較復(fù)雜的塑件取較大的脫模斜度;塑件高度較大、孔較深時(shí),則脫模斜度取小值;壁厚增加,內(nèi)孔對(duì)型芯的包緊力大,脫模斜度應(yīng)大些。為了在開(kāi)模時(shí)讓塑件留在凹模內(nèi)或型芯上,有時(shí)有意將該邊斜度減小或?qū)⑿边叿糯蟆?/p>

表6-2常用塑件的脫模斜度

6.2.5壁厚在脫模時(shí),壁厚承受著脫模推力,并且要滿(mǎn)足使用時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求,因此,塑件應(yīng)有一定的厚度。壁厚應(yīng)設(shè)計(jì)合理,壁厚太薄會(huì)增加塑料熔體充滿(mǎn)型腔時(shí)的流動(dòng)阻力,出現(xiàn)缺料現(xiàn)象;壁厚太大會(huì)在塑件內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、外部產(chǎn)生凹陷,并增加成本;壁厚不均勻造成塑件各部分收縮不一致,導(dǎo)致塑件翹曲、縮孔、裂紋甚至開(kāi)裂,因此在可能的條件下應(yīng)使壁厚盡量均勻一致。如果結(jié)構(gòu)要求必須有不同壁厚時(shí),其比例不應(yīng)超過(guò)1∶3,且應(yīng)采用適當(dāng)?shù)男揎棸霃揭詼p緩厚薄過(guò)渡部分的突然變化。塑件的壁厚一般為1～4mm。大型塑件的壁厚可達(dá)8mm。熱固性與熱塑性塑件壁厚常用值見(jiàn)表6-3和表6-4。表6-3熱固性塑件的壁厚

表6-4熱塑性塑件的最小壁厚和推薦壁厚

6.2.6加強(qiáng)筋加強(qiáng)筋的主要作用是增加塑件的強(qiáng)度和剛度,避免塑件翹曲變形,而不增加壁厚。合理布置加強(qiáng)筋還起著改善充模流動(dòng)性、減少內(nèi)應(yīng)力、避免氣孔、縮孔和凹陷等缺陷的作用。加強(qiáng)筋的厚度應(yīng)小于塑件壁厚,并與壁圓弧過(guò)渡。若t為塑件壁厚,則:加強(qiáng)筋高度L＝(1～3)t,筋條寬A＝(1／4～1)t,筋根過(guò)渡圓角R＝(1／8～1／4)t,收縮角α＝2°～5°;筋端部圓角r＝t/8。當(dāng)t≤2mm,取A=t,加強(qiáng)筋端部不應(yīng)與塑件支承面平齊,而應(yīng)縮進(jìn)0.5mm以上。6.2.7支承面與凸臺(tái)塑件的支承面應(yīng)充分保證其穩(wěn)定性,不宜以塑件的整個(gè)底面作支承面,因?yàn)樗芗杂新N曲或變形就會(huì)使底面不平。通常采用凸緣或凸臺(tái)作為支承面。凸臺(tái)是用來(lái)增強(qiáng)孔或裝配附件的凸出部分的。設(shè)計(jì)時(shí),凸臺(tái)應(yīng)當(dāng)盡可能位于邊角部位,其幾何尺寸應(yīng)小,高度不應(yīng)超過(guò)其直徑的兩倍,并應(yīng)具有足夠的脫模斜度。設(shè)計(jì)固定用的凸臺(tái)時(shí),除應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度以承受緊固時(shí)的作用力外,在轉(zhuǎn)折處還不應(yīng)有突變,連接面應(yīng)局部接觸。

6.2.8圓角對(duì)于塑件來(lái)說(shuō),除使用要求需要采用尖角之外,其余所有內(nèi)外表面轉(zhuǎn)彎處都應(yīng)盡可能采用圓角過(guò)渡,以減少應(yīng)力集中度,并且還能增加塑件強(qiáng)度,提高塑件在型腔中的流動(dòng)性,同時(shí)比較美觀,模具型腔也不易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形。但是,采用圓角會(huì)使鉗工勞動(dòng)量增大,使凹模型腔加工復(fù)雜化。圓角半徑的大小主要取決于塑件的壁厚,通常,內(nèi)壁圓角半徑應(yīng)是壁厚的一半,而外壁圓角半徑可為壁厚的1.5倍,一般圓角半徑大于0.5mm。壁厚不等的轉(zhuǎn)角可按平均壁厚確定內(nèi)、外圓角半徑。

6.2.9孔的設(shè)計(jì)塑件上的孔通常有通孔、盲孔、異型孔(形狀復(fù)雜的孔)。理論上講,這些孔均能用一定的型芯成型。孔與孔邊緣之間的距離應(yīng)大于孔徑。表6-5所示為熱固性塑料制件的孔與孔之間、孔與壁之間所應(yīng)留有足夠的距離。

表6-5熱固性塑料制件孔間距、孔邊距與孔徑的關(guān)系

為防止型芯彎曲,孔深不宜太大。通常,注射成型或壓注成型時(shí),孔深度應(yīng)不超過(guò)孔徑的4倍;壓縮成型時(shí),孔深應(yīng)不超過(guò)孔徑的2.5倍;當(dāng)孔徑較小深度又太大時(shí),只能在成型后用機(jī)械加工的方法加工孔。當(dāng)成型帶有側(cè)孔或側(cè)凹的塑件時(shí),模具必須設(shè)置側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)或采用瓣合式結(jié)構(gòu),這使模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。可見(jiàn),在不影響制件使用要求的前提下,應(yīng)盡量避免塑件側(cè)孔或側(cè)凹結(jié)構(gòu)。

6.2.10嵌件設(shè)計(jì)嵌件是指塑件內(nèi)部鑲嵌的金屬、玻璃、木材、纖維、橡膠或已成型的塑件。使用嵌件可提高塑件的強(qiáng)度,滿(mǎn)足塑件導(dǎo)電、導(dǎo)磁、耐磨和裝配連接等特定的要求。另一方面,嵌件的設(shè)置往往增加模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,延長(zhǎng)成型周期,增加制造成本,并且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。金屬是常用的嵌件材料,嵌件形式繁多。

對(duì)帶有嵌件的塑件,通常先設(shè)計(jì)嵌件,然后再設(shè)計(jì)塑件。由于金屬與塑件冷卻時(shí)的收縮值相差較大,使周?chē)乃芰洗嬖诤艽蟮膬?nèi)應(yīng)力,設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成塑件的開(kāi)裂,所以應(yīng)優(yōu)先選用與塑料收縮率相近的金屬嵌件,或保證嵌件周?chē)乃芰蠈佑凶銐虻暮穸?。為避免出現(xiàn)豉泡或裂紋,嵌件頂部的塑料也應(yīng)有足夠的厚度。嵌件不應(yīng)帶有尖角,以減少應(yīng)力集中度。對(duì)于大嵌件通常進(jìn)行預(yù)熱,使其溫度達(dá)到接近塑料溫度。同時(shí)嵌件上盡量不要有穿通的孔以免塑料擠入孔內(nèi)。

嵌件的形狀應(yīng)保證嵌件與塑件之間具有牢固的連接以防受力脫出,并滿(mǎn)足成型要求。成型時(shí)要將嵌件先放在模具中固定,以使嵌件鑲嵌在塑件中,然后注入塑料熔體加以成型,亦可把嵌件在塑料預(yù)壓時(shí)放在塑料中,然后模塑成型,但首先必須對(duì)嵌件進(jìn)行可靠的定位,保證其尺寸精度。當(dāng)細(xì)長(zhǎng)桿狀嵌件或嵌件過(guò)長(zhǎng)時(shí),為防止嵌件彎曲應(yīng)在模具內(nèi)設(shè)支柱。成型時(shí)為了使嵌件在塑料內(nèi)牢固地固定,其嵌件表面可加工成溝槽、滾花,或制成各種特殊形狀。

6.2.11標(biāo)記符號(hào)為滿(mǎn)足裝潢或某些特殊要求,有時(shí)需要塑件上帶有文字或圖案標(biāo)記的符號(hào)。符號(hào)應(yīng)放在分型面的平行方向上,并有適當(dāng)?shù)拿撃Ｐ倍取?/p>

6.2.12表面彩飾塑件的表面彩飾,增加了產(chǎn)品外觀的美感,同時(shí)可以掩蓋塑件表面在成型過(guò)程中產(chǎn)生的疵點(diǎn)、銀紋缺陷,如收音機(jī)外殼采用皮革紋裝飾。表面彩飾常用凹槽紋、皮革紋、菱形紋、蘆飾紋、木紋、水果皮紋等。目前常用表面彩飾方法有彩印、膠印、絲印、噴鍍漆等。

6.3塑料成型設(shè)備

6.3.1注射成型工藝

1.注射成型工藝過(guò)程注射成型的原理如圖6-1所示。在注射成型的整個(gè)周期中,有以下幾個(gè)動(dòng)作;

(1)計(jì)量:為了成型一定大小的塑件,必須使用一定量的顆粒狀塑料。

(2)塑化:為了將塑料充入模腔,就必須使之成熔融狀態(tài),而流動(dòng)充入模腔。

(3)注射充模:為了將熔融塑料充入模腔,需要對(duì)熔融塑料施加注射壓力。

(4)保壓增密(預(yù)冷卻):熔融塑料充滿(mǎn)型腔后,并向模腔內(nèi)補(bǔ)充因制品冷卻收縮而所需的物料。

(5)制品冷卻:保壓結(jié)束后,制品即開(kāi)始進(jìn)入正式冷卻定型階段。

(6)開(kāi)模:制品冷卻定型后,注射機(jī)的合模裝置帶動(dòng)模具動(dòng)模部分與定模部分分離,即開(kāi)模。

(7)頂件:注射機(jī)的頂出機(jī)構(gòu)頂出塑件。

(8)取件:通過(guò)人力或機(jī)械手取出塑件和澆注系統(tǒng)冷凝料等。

(9)閉模(鎖模):通過(guò)注射機(jī)的合模裝置閉合并鎖緊模具(在安全門(mén)合上后進(jìn)行)。

(10)注射座前移與后退:在注射成型的過(guò)程中,有時(shí)需要讓注射座前移或后退。如果注射座在整個(gè)工作循環(huán)中始終處于與模具噴嘴接觸狀態(tài)的加料計(jì)量方式,就叫固定加料法;如果塑料的加料計(jì)量是在注射座后退之前完成的,就叫前加料法;如果塑料的加料計(jì)量是在注射座后退之后進(jìn)行的,就叫后加料法。

圖6-1螺桿式注射機(jī)注射模塑原理圖

2.注射成型特點(diǎn)與應(yīng)用注射成型也稱(chēng)注塑成型,是一種重要的熱塑性塑料成型方法。注射成型具有對(duì)各種塑料的適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、成型周期短、生產(chǎn)效率高、制品精度高、生產(chǎn)條件較好、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)、便于改善模具工作條件等諸多優(yōu)點(diǎn),能一次成型空間幾何形狀非常復(fù)雜、尺寸精確、帶有金屬或非金屬嵌件的塑料制件,廣泛地用于塑料制件的生產(chǎn)中。在整個(gè)塑料制品生產(chǎn)行業(yè)中,占有非常重要的地位,其產(chǎn)品占目前塑料制件生產(chǎn)的30％左右。全世界每年生產(chǎn)的注射模數(shù)量約占所有塑料成型模具數(shù)量的50％。

目前,注射成型工藝發(fā)展很快,除了少數(shù)幾種塑料外,幾乎所有的塑料都可采用注射成型。熱固性塑料注射成型也得到成功應(yīng)用,具有效率高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)。注射成型方法在生產(chǎn)通用塑料制品的同時(shí),也是一種十分重要的工程塑料成型方法,目前工程塑料制品中,80％以上都采用注射成型方法生產(chǎn)。另一方面,注射成型的設(shè)備價(jià)格及模具制造費(fèi)用較高,不適于單件及批量較小的塑件的生產(chǎn)。

6.3.2注射成型工藝參數(shù)的選擇與控制注射成型工藝的核心問(wèn)題,就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔體,并將塑料熔體注射到型腔中去,在控制條件下冷卻定型,使塑件達(dá)到所要求的質(zhì)量。一般說(shuō)來(lái),影響注射成型工藝的有三大工藝條件,即壓力、時(shí)間和溫度。此外還有用料量與合模力等問(wèn)題。

1.壓力注射模塑過(guò)程中的壓力直接影響塑料的塑化和塑件質(zhì)量,其包括塑化壓力和注射壓力。

1)塑化壓力塑化壓力又稱(chēng)背壓,是指采用螺桿式注射機(jī)時(shí),在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)后退時(shí)螺桿頭部熔料所受到的壓力。其大小可以通過(guò)液壓系統(tǒng)中的溢流閥來(lái)調(diào)整。注射成型時(shí),塑化壓力的大小因螺桿的設(shè)計(jì)、塑件質(zhì)量的要求以及塑料的種類(lèi)等的不同而異。但這些條件和螺桿的轉(zhuǎn)速都不變時(shí),增加塑化壓力將提高熔體的溫度,使熔體的溫度均勻、色料的混合均勻并排出熔體中的氣體。另一方面,增加塑化壓力會(huì)降低塑化速率，延長(zhǎng)成型周期,甚至可能導(dǎo)致塑料的降解。通常情況下,在保證塑件質(zhì)量的前提下塑化壓力越低越好,其具體數(shù)值隨所用塑料的品種而異,但通常不超過(guò)6MPa。注射聚甲醛時(shí),塑化壓力較高(即熔體溫度較高),會(huì)使塑件的表面質(zhì)量提高,但也可能使塑料變色、塑化速率降低和流動(dòng)性下降;對(duì)聚酰胺來(lái)說(shuō),塑化壓力必須降低,否則因?yàn)槁輻U中逆流和漏流增加,塑化速率將很快降低?？梢?jiàn),應(yīng)采用提高料筒溫度的方法來(lái)增加料溫,而不采用增加塑化壓力的辦法。聚乙烯的熱穩(wěn)定性較高,提高塑化壓力不會(huì)有降解的危險(xiǎn),這有利于混料和混色,但這會(huì)降低塑化速率。

2)注射壓力注射機(jī)的注射壓力是指螺桿(或柱塞)軸向移動(dòng)時(shí),其頭部對(duì)塑料熔體所施加的壓力。其作用是克服塑料熔體從料筒流向型腔的流動(dòng)阻力,給予熔體一定的充型速率以及對(duì)熔體進(jìn)行壓實(shí)等。在注射機(jī)上常用表壓指示注射壓力的大小,注射壓力一般在40～130MPa之間。

影響注射壓力的因素十分復(fù)雜,有注射機(jī)的類(lèi)型、塑料的品種、模具澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸與表面粗糙度、模具溫度、塑件的壁厚及流程的大小等。在其它條件相同的情況下,由于塑料在柱塞式注射機(jī)料筒內(nèi)的壓力損耗比螺桿式的大,因此柱塞式注射機(jī)作用的注射壓力應(yīng)比螺桿式的大。決定塑料流動(dòng)阻力的另一因素是塑料與模具澆注系統(tǒng)及型腔之間的摩擦系數(shù)和熔融黏度,同一種塑料的摩擦系數(shù)和熔融黏度隨所用料筒溫度和模具溫度而變動(dòng),其值越大,注射壓力應(yīng)越高。另外,注射壓力還與是否加潤(rùn)滑劑有關(guān)。

為保證塑件的質(zhì)量,通常對(duì)熔融塑料在噴嘴處的噴出速度,即注射速度有一定的要求,而注射壓力直接影響了注射速度的大小。就機(jī)械強(qiáng)度和收縮率而言,每一種塑件都有其最佳注射速度范圍,這一數(shù)值與很多因素有關(guān),其中最主要的影響因素是塑件的壁厚。厚壁的塑件用低的注射速度,反之則相反。

型腔充滿(mǎn)后,注射壓力對(duì)模內(nèi)熔料起壓實(shí)作用。在生產(chǎn)中,壓實(shí)時(shí)的壓力等于或小于注射時(shí)所用的注射壓力。如果注射和壓實(shí)時(shí)的壓力相等,則往往可以使塑件的收縮率減小,并且它們的尺寸穩(wěn)定性較好。缺點(diǎn)是會(huì)造成脫膜時(shí)的殘余壓力過(guò)大和成型周期過(guò)長(zhǎng)。就結(jié)晶型塑料而論,由于壓實(shí)壓力大時(shí)可以提高塑料的熔點(diǎn),因此成型周期不一定增長(zhǎng),可以提前脫模。例如聚甲醛的壓力加大到50MPa時(shí),其熔點(diǎn)可提高90℃。

2.時(shí)間成型周期是指完成一次注射成型過(guò)程所需的時(shí)間,它包括注射時(shí)間、模內(nèi)冷卻時(shí)間和其它時(shí)間。注射時(shí)間由充模時(shí)間(柱塞或螺桿前進(jìn)時(shí)間)和保壓時(shí)間(柱塞或螺桿停留在前進(jìn)位置的時(shí)間)組成;模內(nèi)冷卻時(shí)間包含柱塞后撤或螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)后退的時(shí)間;其它時(shí)間指進(jìn)行開(kāi)模、脫模、噴涂脫模劑、安放嵌件和合模等操作時(shí)所用的時(shí)間。

成型周期直接影響了勞動(dòng)生產(chǎn)率和注射機(jī)使用效率。注射成型時(shí),在保證質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡量縮短成型周期中各個(gè)階段的相關(guān)時(shí)間。在整個(gè)成型周期中,以注射時(shí)間和冷卻時(shí)間最重要,其對(duì)塑件的質(zhì)量有決定性的影響。注射時(shí)間中的充模時(shí)間一般為3～5s,其大小與充模速率成反比;注射時(shí)間中的保壓時(shí)間是對(duì)型腔內(nèi)塑料的壓實(shí)時(shí)間,在整個(gè)注射時(shí)間內(nèi)所占的比例較大,通常為20～25s,特厚塑件可高達(dá)5～10min。在澆口凍結(jié)前,保壓時(shí)間的多少影響了塑件密度和尺寸精度。保壓時(shí)間的長(zhǎng)短與塑件的結(jié)構(gòu)尺寸、料溫、模溫以及主流道和澆口的大小等有關(guān)。如果主流道和澆口的尺寸合理、工藝條件正常,通常以塑件收縮率波動(dòng)范圍最小的壓實(shí)時(shí)間為最佳值。

冷卻時(shí)間主要取決于塑件的厚度、塑料的熱性能和結(jié)晶性能以及模具溫度等。冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)以脫模時(shí)塑件不引起變形為原則,一般在30～120s之間。冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不僅延長(zhǎng)生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)效率,對(duì)復(fù)雜塑件還造成脫模困難。成型周期中的其它時(shí)間則與生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化和自動(dòng)化的程度等有關(guān)。

3.溫度

1)模具溫度模具溫度直接影響了塑料熔體的充型能力以及塑件的內(nèi)在性能與外觀質(zhì)量。模具溫度取決于塑件的尺寸及其結(jié)構(gòu)與性能要求、塑料結(jié)晶性以及熔料溫度、注射速度、注射壓力、模具周期等其它工藝條件。

模具溫度一般通過(guò)冷卻系統(tǒng)來(lái)控制,在特殊情況下,可采用電阻加熱圈和加熱棒對(duì)模具加熱等來(lái)保持定溫,也有靠熔料注入模具自然升溫和自然散熱達(dá)到平衡而保持一定的模溫。模具溫度必須低于塑料的玻璃化溫度Tg或熱變形溫度,以保證制品有較高的形狀和尺寸精度,避免制品脫模后發(fā)生較大的翹曲變形。無(wú)定形塑料熔體注入模腔后,并不發(fā)生相變,隨著溫度的不斷降低而固化。模溫主要影響熔料的黏度及充型速率。在保證充型順利的前提下,采用低模溫是可取的,這樣可以縮短冷卻時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。因此成型聚苯乙烯、醋酸纖維等熔融黏度較低或中等的無(wú)定形塑料時(shí),模具的溫度常偏低;反之,對(duì)于聚砜、聚碳酸酯、聚苯醚等熔融黏度高的塑料,則必須采取較高的模溫,通常聚砜為130～150℃,聚碳酸酯為90～120℃,聚苯醚為110～130℃。對(duì)于軟化點(diǎn)較高的塑料,提高模溫可以調(diào)整制件的冷卻速率使其均勻一致,以防因溫差過(guò)大而使制件產(chǎn)生凹痕、內(nèi)應(yīng)力和裂紋等缺陷。

2)料筒溫度料筒溫度的選擇與各種塑料的特性有關(guān),每一種塑料都具有不同的黏流態(tài)溫度Tf(對(duì)結(jié)晶型塑料即為熔點(diǎn)Tm),為了保證塑料熔體的正常流動(dòng),不使物料發(fā)生變質(zhì)分解,料筒最合適的溫度范圍應(yīng)在黏流態(tài)溫度Tf和分解溫度Td之間。螺桿式注射機(jī)的塑化過(guò)程與柱塞式注射機(jī)不同,選擇料筒溫度時(shí)也不同,前者選擇的溫度應(yīng)比柱塞式注射機(jī)約低10～20℃。另外,還應(yīng)結(jié)合塑件及模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇料筒溫度。薄壁塑件的型腔比較狹窄,熔體注入的阻力大,冷卻快,料筒溫度應(yīng)選擇高一些,以便順利充型;反之,注射厚壁塑件時(shí),料筒溫度可降低一些。對(duì)于熔體充模流程曲折較多或較長(zhǎng),或成型形狀復(fù)雜及帶有嵌件的塑件,料筒溫度也應(yīng)該選擇高一些。為使塑料溫度平穩(wěn)地上升以達(dá)到均勻塑化的目的,料筒溫度的分布,通常是從料斗一側(cè)(后端)起至噴嘴(前端)止逐步升高的。但當(dāng)原料含濕量偏高時(shí),也可適當(dāng)提高后端溫度。因螺桿注射機(jī)的剪切摩擦熱有助于塑化,為防止塑料的過(guò)熱分解,其前段的溫度不妨略低于中段。

3)噴嘴溫度為防止熔料在直通式噴嘴口發(fā)生“流涎”現(xiàn)象,噴嘴溫度通常略低于料筒的最高溫度。噴嘴低溫產(chǎn)生的影響可以從塑料注射時(shí)所發(fā)生的摩擦熱得到一定的補(bǔ)償。噴嘴溫度過(guò)低,將會(huì)造成熔料的早凝而將噴嘴堵死,或者早凝料注入模腔而影響塑件的質(zhì)量。料筒和噴嘴溫度還與其它工藝條件有一定關(guān)系。當(dāng)注射壓力較低時(shí),應(yīng)適當(dāng)提高料筒溫度,以保證塑料流動(dòng);反之,若料筒溫度偏低就需較高的注射壓力。通常在成型前通過(guò)“對(duì)空注射法”或“塑件的直觀分析法”來(lái)進(jìn)行選擇調(diào)整,以便從中確定最佳的料筒和噴嘴溫度。

6.3.3注射成型工藝參數(shù)與模具的關(guān)系

1.注射部分的選用

(1)大注射量的校核:

K利G公≥G件+G廢

(6-1)式中:G公為注射機(jī)公稱(chēng)質(zhì)量注射量(g);K利為注射機(jī)最大注射量的利用系數(shù),一般取0.75～0.85;G件為塑件的質(zhì)量(g);G廢為澆注系統(tǒng)等廢料的質(zhì)量(g)。

(2)注射壓力的校核：

p公≥p注

(6-2)式中:p公為注射機(jī)的最大注射壓力(Pa);

p注為塑件成型所需的實(shí)際注射壓力(Pa)。

(3)注射速率的校核:根據(jù)塑件成型要求,注射機(jī)最大注射速率應(yīng)大于所需要的注射速率。

(4)成型周期、時(shí)間的校核:應(yīng)滿(mǎn)足塑件成型的時(shí)間要求。

(5)加料方式的選擇:根據(jù)需要選用前加料法、后加料法或固定加料法之一。

(6)料筒溫度與噴嘴溫度:應(yīng)滿(mǎn)足塑化溫度要求。

(7)噴嘴及螺桿的匹配:根據(jù)塑料品種和注射成型的特點(diǎn)與要求選擇。開(kāi)式噴嘴用于聚碳酸脂、硬聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、聚砜、聚苯醚、ABS、ACS、氟塑料、聚苯乙烯、聚乙烯、纖維素塑料、酚醛塑料等。關(guān)式噴嘴用于尼龍、滌綸、泡沫塑料等。漸變型螺桿用于硬聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚砜、ABS。突變型螺桿用于聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、尼龍、滌綸、含氟塑料。

(8)噴嘴前端的孔徑和球: