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作者:王华山 等编著

出版社:化学工业出版社

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注射成型技术及实例

注射成型技术及实例试读:

前言

塑料注射成型加工相关的技术在科技飞速发展的潮流中也在不断提升,主要表现在注塑新材料层出不穷、注射成型工艺不断更新和提升、注塑模具设计与加工水平不断提升、用于注塑生产的注塑机的功能越来越强,这些都在客观上要求生产注塑制品的操作人员和注塑技术人员更加深入的掌握注塑制品生产的各种基本理论和技能。

实践表明,现代注塑从业人员必须能够制订塑料成型工艺、管理维护注射成型设备;熟悉模具设计、加工、维护过程,了解材料及工艺对注塑制品的影响等。本书根据这些需求,分别从注塑制品的设计原则、注塑制品的常用原材料的特点与选择、注射成型设备结构组成与操作、注射成型模具的结构设计要素与制品质量的关系、注射成型工艺要点及制品质量缺陷与控制等几个方面进行了简明的叙述;在材料方面,本书对常用环保助剂品种及发展进行了归纳,如绿色增塑剂、环保抗氧剂等。

塑料注射成型是一门实践性非常强的学科,本书在编写过程中,编者注重理论与实际相结合。尽管注塑技术日新月异,新材料、新工艺层出不穷,但读者如能够全面掌握注塑相关基础知识,考虑相互联系的各种因素,系统地对生产中可能遇到的注塑质量问题进行分析并加以解决,就可以不断提高注塑制品的品质。

本书适用于工厂技术人员及技术工人参考,可作为企业培训用书,也又可用作注塑从业人员自学教材及大专院校注塑成型技术通识教育教材。

本书由王华山等编著。第1章、第3章、第6章由王华山编写整理,第2章、第4章、第5章由陈编写整理,第7章由高雨茁编写整理。编写过程中参考了相关专业书籍、专业杂志等珍贵资料,主要的文献均已列入本书最后的参考文献,在此一并表示感谢。

由于编者水平和经验的限制,本书中难免存在不当之处,敬请读者提出并指正。编者2014.10第1章 塑料注塑制品的发展概况1.1 概述1.1.1 注射成型工艺简介

塑料是通过制造成各种制品来实现其使用价值的。塑料的主要成型方法有挤出成型、注射成型、吹塑成型、压延成型等,其中注射成型因可以生产较为复杂的制品,在塑料的成型中一直占有极其重要的位置,是热塑性塑料制件成型最主要的一种方法。

注塑也称注射成型或注射模塑,是利用注射成型机将粒状或粉状的塑料原料熔融后使其快速进入温度较低的模具内冷却固化形成与模腔形状一致的塑料制品的加工过程。目前,几乎所有的热塑性塑料都有相应的注射品种。注射成型工艺可制备不同形状、尺寸、质量、满足各种使用要求的工程制件(如结构件、传动件、外观件、光学件等)和日用件。近年来,注射成型已成功地用来成型某些热固性塑料,更显其应用之广泛。

从注射成型的定义可以看出,注射成型由成型前的准备(选配干燥的原料、清洗料筒等)、注射过程和制件后处理三阶段组成,如图1-1所示。三个阶段的具体情况是:首先,将粉、粒状物料从注射机料斗送入高温的料筒内加热熔融塑化,使其达到塑化均匀变为黏流态熔体;然后,在螺杆(或柱塞)的高压推动下以很大的流速通过料筒前端的喷嘴并注射进入温度较低的闭合模具中,经过一段时间的保压、冷却定型后,开启模具便可从型腔中顶出具有一定形状和尺寸的制件;最后,为使制件质量稳定可靠,需经检验和后处理。图1-1 注射成型生产工艺过程

注射成型工艺的特点是:

①成型周期短;随着制件的形状、大小、厚度不同以及注塑机的类型、物料品种和成型工艺条件等不同,周期为几秒钟至几分钟不等。

②能一次成型外形复杂、尺寸精度高、表面质量好、带有金属或非金属嵌件的制件;制品的大小由钟表齿轮到汽车保险杠,品种之多是其它任何塑料成型方法都无法比拟的。

③能适应各种塑料的成型,除聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯等极少数品种外,几乎所有的热塑性塑料(通用塑料、纤维增强塑料、工程塑料)、热固性塑料和弹性体都能用这种方法方便地成型制品。

④成型过程自动化程度高,生产率高,其成型过程的合模、加料、塑化、注射、开模和制品顶出等全部操作均由注射机自动完成。

⑤模具的磨损小、体积不大,便于装卸。

总体来说,注射成型的优点很多,是较为优异的塑料成型加工方法之一。1.1.2 注塑制品的特点

注塑制品是通过注射成型方法生产出来的塑料制品。与其它塑料成型方法所生产的制品相比较,注塑制品的特点主要体现在可成型原料种类多、制品的结构及外形复杂、精度高、应用范围广泛等方面。

(1)注射制品的可选用的材料种类较其它成型方法多 塑料有热固性塑料和热塑性塑料之分。几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型的方法生产,热固性塑料也因为注塑设备水平和工艺水平的提高而可以用注射成型的方法生产。随着化学工业的发展,人们通过利用新的合成工艺或多种材料共混复合的方法,开发了非常多的新型塑料材料;而这之中的绝大部分都可以用注射成型的方法生产。比如ABS经共混改性后有几十个品种,其中绝大部分都可用于注射成型。其它非注射成型工艺所能生产的塑料品种要少得多。

(2)注塑制品外形和结构复杂,可以带有金属或非金属嵌件 注塑制品是与模具外形相一致的制品,由于模具的外形可以很复杂,所以采用注射成型技术可制造形状非常复杂的热塑性或热固性塑料制品。这些制品可以批量生产而且很少需要二次修整。例如在注塑制品上直接成型孔洞、凸台和扣梁等组装性零件是常见的做法,这种整体设计技术大大简化甚至避免了二次组装工序。带有金属或非金属嵌件可以提升注塑制品的性能。

(3)注塑制品精度高 在精密成型、超精密成型注塑机未出现的情况下,注塑制品的精度就比用其它成型方法得到的塑料制品精度要高;随着精密成型、超精密成型注塑机的出现,塑料制品的尺寸精度范围可以达到0.01~0.001mm,而超精密成型则可以达到0.001~0.0001mm。当然这也与塑料材料有关,由于大多数塑料具有收缩的特性,所以要达到较高的精度要求,就要求塑料的收缩特性较为均匀。

(4)注塑制品的应用非常广泛,一些特殊功能可以根据使用场合而设计 注塑制品广泛应用在国防、交通运输业、建筑材料、农业、科教卫生和日常生活用品中,用注塑机成型的塑料制品的量接近整个塑料制品总质量的1/4。在一些特定的场合,比如用在电器元件的注塑制品通常要求制品具有防静电、能屏蔽电磁波等功能,人们就可以利用不同的树脂为基料,通过添加炭黑、金属氧化物、金属微粒、导电有机物等复合而得到所需要的功能。有些制品要求具有组合功能,人们可以通过结构上的复合而得到所期望的功能。比如多色注射成型的化妆品盒子,两种色彩的搭配比喷涂的效果更使人感到新奇。1.1.3 注塑制品的应用

注塑制品随着所用注塑材料的不同,可以具有人们所需要的各种优良的使用性能,这使注塑制品已广泛应用于农业、建筑业、汽车、航空航天、电子电器、医疗卫生及物流包装等各个领域。由于各个行业的相互交融,一些注塑制品在各个行业的应用并不具有特异性,其作用可能相同。如电子仪器的外壳在仪表行业当然是不可或缺,但在各个行业都可能应用,所以本书只就使用注塑制品最多的几个行业中的常见或相对特殊一些的注塑制品的功能要求、选材及生产等进行简单的叙述。1.1.3.1 农业方面

塑料在农业中的应用主要以薄膜为主。但随着农业现代化发展的要求,在实际应用中,注塑制品的用量也很大。如手动喷雾器部件、农机的连接与联运部件、挤乳机的活动部件、排灌水泵壳、进出水阀座、自动浇水的旋转喷头、套管等。

农机用塑料一般为尼龙,另外就是聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、ABS、聚氨酯、有机玻璃等,制品的精度要求同其它机械产品基本一致。而对于大多数非农机用农用塑料制品一般使用聚乙烯、聚氯乙烯、ABS等,其制品精度要求一般不高。当然,随着厂家占领市场的欲望的提升,农用制品的质量比过去有了很大的改进,几乎与其它行业的注塑制品的质量不相上下。1.1.3.2 建筑方面

目前,我国有较大规模的硬PVC管材生产企业近1000家,行业生产能力达到每年1000万吨;到2013年,塑料管道的应用量约1210万吨。现在,塑料门窗型材每年也达到220万吨,市场占有率超过了50%。再加上高分子防水材料、装饰装修材料、各种保温材料及其它建筑用塑料制品,总需求量非常大。由此可见,塑料在建筑方面的应用总量很大。对于其中注塑制品来说,也将占有较大的份额。在建筑行业,注塑制品主要作为一些其它建筑材料的辅件而存在。一般要使用注塑制品辅件的建材有:给排水管系统的管件、槽系统配件、电气系统、塑料门窗配件、装修装饰注塑件、家具连接件等。其中以给排水管件用量最大。

塑料给水系统,一般用材料为无毒硬聚氯乙烯和聚乙烯。

对于硬聚氯乙烯注塑管件要注意其毒性,我国有相应的国家标准GB10002.2—88对此进行了规定。标准规定。

①不得使水产生气味、味道和变色。

②铅的萃取值第一次小于1.0mg/L,第三次小于0.3mg/L;锡的萃取值第一次小于1.0mg/L,第三次小于0.02mg/L;镉的三次萃取值每次都要不大于0.01mg/L;汞的三次萃取值每次都要不大于0.001mg/L;氯乙烯单体的含量不大于1.0mg/L。

③所用原料中的氯乙烯单体含量应小于5.0mg/L,所用助剂应能确保管件长期卫生性能。

所以在通常情况下,硬PVC给水管要从原料和生产工艺等多方面控制管件的质量。原料而言,因为PVC的分解温度比其黏流温度要高,所以必须加入增塑剂,在此过程中要注意尽量少用或不用含铅、镉、锡、汞的增塑剂;加工中应尽量使用较低的成型温度,并保证熔料在料筒内加热的时间较短,以免PVC分解放出过多的氯乙烯单体。

由于聚乙烯较软,所以对于聚乙烯管件,由于聚乙烯通常作为金属管件的共注塑材料,从而使卫生性要求不涉及聚乙烯本身。

相对而言,塑料排水系统管件对卫生性要求相对低些。生产原料也只有硬PVC。图1-2是卫生间合流制管路示意图。图中除了直管1~7为挤塑成型之外,其余的都为注塑件。由此可见在给排水管系统中,注塑管件数量占有很大的比重。图1-2 卫生间合流制管路示意图1.1.3.3 汽车工业

试验表明,汽车质量的轻重与汽车的能耗有着直接的关系,在相同情况下,轿车的质量每减轻100kg,每百公里的燃油消耗将减少0.4~1L,汽车的自身质量每减少10%,燃油的消耗可降低6%~8%,同时汽车的废气排放也有明显降低。由于汽车轻量化对节能增效的卓越贡献,国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量,因此各种新型轻量化材料的开发与应用已成为汽车材料的应用研究热点。塑料及其复合材料是当前最重要的汽车轻质材料,它不仅可减轻零部件约40%的质量,而且还可以使生产成本降低40%左右,近年来,国际上非常重视新型车用塑料材料与配件的开发,塑料在汽车中的用量也迅速上升。数据显示,目前国外发达地区车用塑料已占塑料总消耗量的7%~11%。总之,汽车使用塑料件已越来越广泛。在所有汽车用塑料制品中,注塑制品的品种是最多的。

由于汽车用材料的特殊性,车用塑料配件对原料的要求很高,在其加工性、冲击性、强度等方面都有特殊要求。由于高温高强度和低温耐冲击韧性是汽车安全的要求,而这两种性能所希望的外部条件却对立,如高强度则需较低温度,而高的冲击韧性则希望较高的温度环境,所以选择材料时要加以综合考虑。

通常所用的材料有聚甲醛、聚砜、尼龙、聚酯、ABS、聚芳醚酮类塑料、改性聚丙烯、聚乙烯等。其中聚甲醛在汽车工业中的应用量最大,改性聚丙烯的用量有上升趋势。

聚甲醛不仅能代替锌、铜、铝等有色金属,而且还能取代铸铁件和钢冲压件。用聚甲醛制作的汽车零件具有减少润滑点、耐磨、便于维修、简化结构、提高效率、降低成本、节约铜材等良好效果。例如用聚甲醛代替铜制作汽车上的半轴、行星齿轮垫等不但节约了铜,且提高了使用寿命。在汽车发动机燃料油系统,可用聚甲醛制造散热器水管阀门、散热器箱盖、冷却液的备用箱、水阀体、燃料油箱盖、水泵叶轮、汽化器壳体、油门踏板等零部件;还可用来制造加热器风扇、控制杆、各式开关、齿轮外壳、轴承支架、调节器手柄、制动器及洗涤泵等零部件。

表1-1是某汽车常用注塑件及其所用材料一览表。表1-1 汽车常用注塑件及其所用材料表续表注:由于各种型号的汽车其部件构成不同,所采用的材料不一定相同。本表只是某国产型号汽车所用注塑件及材料一般情况以说明注塑件在汽车中的应用情况。1.1.3.4 电气工业

注塑制品在电子电气领域的应用极为广泛,其作用主要有两个方面:一方面是作为电气绝缘部件;另一方面方面作为结构支撑部件。如电位计的外部底座﹑按钮式开关﹑可控硅的绝缘体﹑电动工具马达的绝缘体﹑打印机﹑送风机﹑继电器等的线圈骨架等。通常作为电气结构材料的注塑制品更多一些。

由于电气工业制品往往会产生热量,所以在选择用于注塑电气工业制品的材料时,除了要注意其强度和绝缘性以外,还要注意其耐热性。绝缘材料在使用时按其长期使用温度不同而分级。中国国家标准GB11021—89《电气绝缘的耐热性评定和分级》对耐热等级进行了划分,见表1-2。在对电气工业制品的注塑件进行材料选择时要充分考虑这个标准。表1-2 GB11021—89规定的电气绝缘的耐热性等级1.1.3.5 电子工业

电子工业的发展是现代社会发展的重要标志,在此基础上发展起来的通信、计算机产业正以惊人的速度高速发展。电子工业的发展,除了微电子技术的发展以外,还有其它许多相关领域的发展与提高。注塑技术及制品在电子工业的发展中也起到了很大的作用。在绝大多数电子品中,都采用了注塑制品为其提供了很多的功能,如保护性壳体、支架、绝缘部件以及功能化部件。

制造电子设备的各种元器件的材料除了机械强度、耐温、易成型等基本要求外,对电性能的要求因用途不同而差异很大。电子工业中大量的塑料用作绝缘材料,希望在高温、高频下的绝缘电阻高、介电性能稳定;对有电磁波发射的电子设备既要不让电磁波射向周围环境,又要阻隔外界电磁波对电子设备正常工作的干扰,所以需要一种有一定导电性的塑料来传导和屏蔽电磁波。

塑料的优点是质轻、易加工,但是高分子化合物均有不导电性,若能从组成或分子结构上作改进赋予良好的导电性,则使用塑料将使电子设备轻巧。赋予塑料导电性是延伸塑料功能而成为新颖材料方法。另外,用一定磁场强度的磁性塑料能代替天然的磁铁,也是电子工业所追求的新材料。因此把具有绝缘、屏蔽、导电、导磁功能的塑料在电子工业中的应用进行罗列和分析,对材料的开发者是一种促进,对材料的使用者是一种互通和借鉴。不过,具有上述功能材料的发展是不平衡的,诸如导电、导磁塑料尚处起步发展阶段。

在选择电子产品的各种注塑部件的材料时,要根据电子制品的特征要求进行选择。如光盘因为要求透光且不易变形,所以选择透明度较高的PC或PMMA;而对于制作移动电话机的塑料要求高强度、耐热、具电磁屏蔽特性、尺寸稳定且外观好,所以通常采用ABS、PPO、PC工程塑料合金与碳纤维或玻璃纤维的复合塑料制作其各种部件和机壳。当然在一个电子产品中有多个注塑件时,所用材料不一定相同。

表1-3所列为某品牌台式PC机所用的注塑件名称及所用材料。表1-3 台式PC机常用注塑件名称及其所用材料一览表1.1.3.6 家用电器

家用电器是耐用消费品的主要领域,在市场上具有举足轻重的地位。中国自实施改革开放政策以来,家用电器工业取得了飞速发展,电冰箱、电视机、洗衣机、电风扇等一大批家用电器的产量名列世界前茅。中国已成为世界上主要家用电器生产国。今后,中国的家用电器与世界家用电器一道,进一步向着多功能、高档次、智能化、节能化、无污染的方向发展。

家用电器品种繁多,按大小可分为:

①大(型)家电。电冰箱、冰柜、洗衣机。

②小(型)家电。咖啡机、电吹风、电熨斗、电热毯、驱蚊器等。

按原理可分为:

①电子产品。彩色电视机、黑白电视机、录像机、摄像机、录像磁盘等。

②音响产品。收音机、录音机、立体声音响设备、电话机等。

③电器产品。冰箱、洗衣机、空调器、电风扇、吸尘器、微波炉、电熨斗、电热毯等。

按用途可分为:

①厨房机械。电冰箱、冰柜、电饭锅、微波炉、电烤箱、电炊具、咖啡机、食品干燥机、果汁压榨机、豆浆机、绞肉机、电蒸锅、烤面包机、电油炸锅等。

②家务机械。洗涤机(包括洗衣机、脱水机、洗碗机)、吸尘器、电熨斗等。

③视听设备。彩色电视机、黑白电视机、录像机、摄像机、录像磁盘、收音机、录音机、立体声音响设备、电话机等。

④空调设备。电风扇、空调机、加湿器、抽油烟机、排气扇等。

用于家用电器的塑料大部分是热塑性塑料,约占90%,其中大部分为通用塑料,主要有如下几类。

(1)通用塑料 聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)等。

(2)工程塑料 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚酰胺(PA,常使用其商品名“nylon,尼龙”)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚氨酯(PUR)等。

(3)功能塑料 磁性塑料、阻燃塑料、导电塑料等。其中苯乙烯系塑料(包括PS、ABS、AS)和PP约占总用量的80%,聚酰胺、聚碳酸酯和聚甲醛等的用量为5%~10%。随着家用电器的发展,对塑料性能的要求越来越高,尤其是对耐热性的要求,正向着高性能和耐高温方向不断提高。

(4)热固性塑料 酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等。对于大多数家用电器而言,注塑制品在其中的应用主要是做一些结构件,如冰箱的抽屉、空调的外壳、洗衣机的内胆、各种家电的把手等。由于家电是一个完整的小系统,其中必然有许多电子电器产品作为其部件,从而更使家用电器的注塑件的用量大增。由于篇幅所限,本书不再罗列各种家用电器注塑部件的详细内容。1.1.3.7 医疗卫生

近年来随着塑料性能的提高和加工工艺的创新,注塑制品在医疗卫生行业的运用得到了很大的扩展。传统的玻璃药品包装逐步被塑料所取代,如传统的片剂包玻璃瓶已经接近退出历史舞台;在新的医疗器械上塑料的应用与其它机电产品一样逐步取代金属,如防毒面具、消毒器皿、内视镜零件、反射镜支架;在一次性医疗用品方面,塑料制品取代原有玻璃器械或全金属器械的比例逐渐增加,如一次性医用注射器、注射针头等。

由于医疗卫生用品关系到人的生命健康,所以在原料的选择上,要注意材料的卫生性,并能够经受高温、溶剂、γ射线等消毒过程。1.1.3.8 包装行业

目前塑料制品应用最多的行业是包装行业与建筑行业,其中包装用塑料占全部塑料制品用量的30%,占塑料制品的首位。但其中注塑制品所占份额并不是很大。塑料包装制品用量大在于大多数塑料包装制品的生命周期较短,如包装袋、包装膜等;而注塑制品有些因为生命周期长,如塑料周转箱,有些由于只作为包装制品的小部件,如盖类产品,所以相对用量不大。但作为包装制品的一部分,不可或缺。同时,随着注、拉、吹工艺的应用,瓶坯的注塑量较大,其中以PET瓶坯用量最大。1.2 注射成型技术的发展概况1.2.1 注射成型技术的发展

注射成型技术已经历了大约125年的发展过程,由于各种各样的工艺方法及技术的引入、改进和提高,这种成型技术显得更具有经济性。与早期开发的JohnWesleyHyatt生产工艺专利相比,目前采用的生产理论方法存有较少的概念上差异。其基本过程仍然是在加热料筒内产生推动压力,形成熔料层流,并流入空的模腔内。在循环生产周期中,不管是采用单个浇口或多个浇口,高或低的熔体流动速率,待注射熔料与模腔壁之间温差的高或低,流畅的加工流程或突变式的加工流程,其基本过程完全相同。

近年来,随着塑料制品应用的日益广泛,为了不断满足注塑制品向高度集成化、高度精密化、高产量等方面发展的要求,以及实现对制品材料的聚集态、相形态、组织形态等方面的控制,或实现对制品进行异质材料的复合,最大程度地发挥聚合物的特性,达到制品高性能的目的,注射成型技术有了很大的发展。

从注射成型工艺来说,气体辅助注射成型、结构泡沫成型、反应注射成型、共注射成型、推-拉成型、注射-压缩成型、低压注射成型、交变注射成型、熔芯注射成型、动态保压注射成型等引入了模内反应、发泡、振动和气辅等关键技术,大大丰富了传统注射成型工艺的内容,使塑料的流动特性、制品的力学性能、外观质量都得到有效地控制。

当然,这些新型注射成型工艺所要求的注射机和模具系统等机械、压力和电气系统控制也有别于传统注射成型机。

从注射成型设备来说,除了为适应新型注射成型工艺对传统注射成型设备进行的改进或提高外,在注射成型辅助机械自动化、节能型注塑机技术及模具技术、专用注射成型机开发等方面也有很大提高。如全电动注射机,就是一种非常节能的注射成型机,现阶段正得到逐渐推广。

另外,支持注射成型的计算机技术也有了长足的发展。如利用计算机辅助工程(CAE)技术对注射成型进行流动状态分析、温度场分析、制品残余应力分析、制品翘曲和收缩变形分析等。CAE技术的发展,不仅使确定成型工艺条件大大节约时间,而且还极大地提高了所确定的成型工艺条件的合理性和科学性,从而使制品生产的效率和产品质量显著提高。在塑料成型模具的设计和制造中广泛采用CAD/CAM技术,使成型模具的技术水平显著提高,同时在CAD中又引入CAE技术,又将塑料成型模具技术的合理性、短期化提升到更新、更高的水平。在注塑机控制方面,计算机技术的应用也越来越多。如在注塑制品在线监控系统、注塑工艺在线智能管理系统方面的研究也常见于文献报道。

现在,尚处于研发阶段或有待进一步完善推广的注射成型技术有注塑机内直接混合技术、长纤维注塑技术、三维MID注射成型技术、模头滑动注射成型技术等。由如下所述可知,这些注射成型技术的发展也是传统注射成型工艺内容的丰富和成型设备的改进与提高。

(1)长纤维注塑技术 纤维增强塑料利用纤维的高强度和刚度来改进塑料的力学性能。为了更好地发挥纤维在塑料中的强度,其长度必须大于临界长度,当纤维长度小于临界长度的纤维增强塑料受一定载荷时,纤维就会被拔出,纤维的强度就不能得到充分发挥。在长纤维注塑工艺中,保护纤维免受损伤和均匀分布成为关键性的因素,要对注塑机螺杆的转速、背压、螺杆与料筒的间隙、保压压力等进行特殊设计和控制。

(2)注塑机内直接混合技术 几乎任何一种塑料的加工过程都离不开混合工序,混合在加工中起着重要的、常常是决定性的作用。如长纤维增强热塑性塑料,纤维必须在聚合物中分布均匀,以达到增强制品力学性能的目的。按惯例,一般将长纤维与热塑性塑料预先混合均匀,造粒,再用于注塑,这样,纤维在塑料中分布非常均匀,但在预混合过程中易造成塑料降解和纤维损伤,更大的缺点是因为多了一道工序造成的制造成本的增加,故现在正在开发一种在注塑机中直接混合的技术,混合过程在塑化段完成。因为纤维和塑料分开购买,相对于购买已混合的颗粒,大大降低制造成本。另一方面,在注塑机中直接混合不易造成混合物成分的偏差。

(3)三维MID注射成型技术 三维MID注射成型电路板成型技术的基本原理是通过使用导电树脂和非导电树脂两种材料将电路制成成型制品。这种技术尚在开发之中,如果成功,将是一种小型、薄型、轻型、抵消耗、低成本的制品生产技术,大量生产将是一项划时代的技术。

(4)模头滑动注射成型技术 模头滑动注射成型技术是一种三维中空成型制品一次成型的独特的成型方法,典型的制品是未来用于生产汽车发动机的进气歧管和中空制品。1.2.2 注射成型技术的应用现状

现阶段,用传统的注射技术生产的注塑制品仍然占有较大的份额,同时一些新型注射成型技术生产的制品数量正在增加。这些新型的注射成型技术在很多方面已经对传统注射成型工艺进行了改良或代替了传统的注射成型工艺,满足了注塑制品节能、高产率、高性能的要求。但是无论是传统的注射成型技术还是新型的注射成型技术,它们都有其自身的特点,所以各种注射成型技术的应用各有不同。以下主要简单介绍几种新型注射成型技术的应用。1.2.2.1 流体辅助注射成型

流体辅助注射成型是将流体注射到熔化聚合物中形成制品中间空芯的技术。主要包括气体辅助成型技术和水辅助注射成型。

气体辅助注射成型简称气辅技术,是20世纪80年代为了减轻制品重量和节约生产周期而发展起来的一种新型注射成型技术。

气辅技术为许多原来无法用传统工艺注射成型的制件采用注射成型提供了可能,在汽车、家电、家具、电子、日常用品、办公自动化设备、建筑材料等几乎所有塑料制件领域已经得到了广泛的应用,并且作为一项带有挑战性的新工艺为塑料成型开辟了全新的应用领域。

当前,气辅技术尤其适用于以下几方面的注塑制品。

管状、棒状制品:如手柄、挂钩、椅子扶手、淋浴喷头等。采用中空的结构,可在不影响制品功能和使用性能的前提下,大幅度节省原材料,缩短冷却时间和生产周期。

大型平板制件:如汽车仪表板、内饰件格栅、商用机器的外罩及抛物线形卫星天线等。通过在制件内设置内置式气道,可以显著提高制品的刚度和表面质量,减少翘曲变形和表面凹陷,且大幅度地降低锁模力,实现在较小的机器上成型较大的制件。

厚、薄壁一体的复杂结构制品:如电视机、计算机用打印机外壳及内部支撑和外部装饰件等。这类制品通常用传统注塑工艺无法一次成型,采用气辅技术提高了模具设计的自由度,有利于配件集成,如松下29英寸(1英寸=2.54cm)电视机外壳所需的内部支撑和外部装饰件的数量从常规注塑工艺的17个减少至8个,可大幅度缩短装配时间。

水辅助注射成型技术,是由世界著名的德国IKV塑料研究所开发提出的。这项技术可成型厚壁截面、形状复杂的管状制品。杜邦和Engel公司合作利用该技术生产汽车发动机上的玻璃增强尼龙66液体输送管道。水辅技术优于气辅技术的主要优点是制品冷却快、成型周期短。1.2.2.2 泡沫塑料注射成型

泡沫塑料注射成型有结构泡沫塑料成型和微孔泡沫塑料成型两种。

结构泡沫塑料成型是20世纪60年代初出现的,是生产发泡芯层和实体表层结构的热塑性塑料制作的方法。特别适于生产大而厚的热塑性塑料制作。近几年来,其应用日益广泛。主要用于生产机器外壳、底盘、计算机机箱、大型贮藏等大型模塑制品。

微孔泡沫塑料成型技术与传统塑料发泡技术比较,既不需要化学发泡剂,也不要以烃基为原料的物理催化剂、泡沫剂等及其它相关反应成分。合理利用微孔注射成型技术可以扩大产品结构形式、提高生产效率、降低生产成本。1.2.2.3 复合注射成型

由于对塑料制品功能多样化的要求日益增多,因此在注射成型领域内展开了各式各样的复合注射成型技术开发。复合化技术实际上是多种工序或技术的集成,其主要目的是实现制品生产周期缩短和高附加值化。

复合注射成型技术包括三种:

(1)二色、多色注射成型 多色注射成型多数采用注射模具的位置交换的方式来实现,而目前则采用专用注射机来完成。

二色、多色注射成型主要应用于要求有色彩分别而制品又必须一体场合,如按键中间的字和周围塑料的颜色就要求有区别,最突出的应用例子是汽车照明灯罩的生产。所以二色、多色注射成型在汽车行业、玩具行业及家电行业的应用较多。

(2)多材质注射成型 这种注射成型方法主要是为了使制品同时满足多种不同性能的要求而开发的。例如制品要求耐候性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等性能的某种组合,则必须采用多材质(不同树脂)的多层复合注射成型技术。

多材质注射成型主要用于增强复合注塑件、功能复合注塑件(屏蔽罩)和再生塑料制品等。

(3)内加装饰件注射成型 这种注射成型技术多用于改善制品的耐候性、装饰性和功能性的要求,其方法是把功能薄膜连同粘接层预先制备好,注射充模前置于模腔,然后借助注入模腔的熔体使其结合成一体,最后去掉粘接层得到功能性制品。

由于内加装饰件注射成型要求模具技术及控制装备水平较高,目前只应用于一些高附加值有表面装饰和功能改进要求的制品。1.2.2.4 反应注射成型

反应注射成型(reactiveinjectionmolding,简写作RIM)是将两种或两种以上具有反应性的液体组分在一定温度下注入模具型腔内,在其中直接生成聚合物的成型技术,即将聚合与成型加工一体化,或者说,直接从单体得到制品的“一步法”注塑技术。RIM的主要工艺参数与普通注射具有本质差异。

RIM成型技术可应用于聚氨酯类塑料、尼龙、环氧树脂的成型,甚至可用于橡胶和金属的成型。但RIM成型技术难度大,对设备和工艺的要求高。1.2.2.5 注塑-压缩成型

注塑-压缩成型是将一定体积分数(60%~70%)的熔融塑料注入敞开的型腔中,然后闭合模具,压缩熔料,充满型腔,成型光学透镜的技术。成型时,模具先未完全闭合,由于模具型芯部分设有台阶,当熔体被注入型腔后不会泄漏;当熔体注射完毕,由专设的闭模活塞进行第二次合模,熔体再次流动,被压实。

与一般的注射成型相比,注射-压缩成型中熔体注射是在模腔未完全闭合情况下进行的,因而流道面积大,流动阻力小,所需的注射压力也小,而熔体收缩是通过外部施加压力给模腔,使模腔尺寸变小(模腔直接压缩熔体)来补偿的,因而型腔内压力分布均匀,因此注射-压缩成型可以减少或消除由充填和保压产生的分子取向和内应力,提高制品材质的均匀性和尺寸的稳定性,同时降低塑件的残余应力。

注射-压缩成型工艺已广泛用于成型塑料光学透镜、激光唱片等高精度塑件以及难以用传统注射成型技术成型的薄壁塑件,此外在玻璃纤维增强树脂成型中的应用也日益普及。1.2.2.6 高速低压注射成型

高速低压注射成型与传统注射成型的差别在于:传统注射成型在注射过程中控制注射速度,而高速低压注射成型在注射过程中控制的是注射压力,并且注射压力恒定。在高速低压注塑过程中,注射速度是变化的,开始以很高速度注射,随着注射时间的延长,注射速度逐渐降低,以消除制品内应力,保证制品尺寸精度。在高速注射中熔体所受压力很低,黏度也低,使熔体的黏流特性便于控制。由于恒压注射,所以高速低压注射成型机有特殊的油压系统。目前采用多腔液压注射系统。

目前大多数设计项目着重于将低压注射与再注射塑料成型结合使用。如汽车门内饰板的成型,就是将纺织物或非纺织物放置入模具内,再直接向模内注射熔料。

另外许多精密度要求很高的制品都采用低压注射成型技术。例如DAD、DVD、CD-R等光碟、光学透镜、笔记本电脑光导器等都改用低压注射成型,取得了非常好的效果。1.2.2.7 交变注射成型

交变注射成型是在常规注射成型中,交替地改变熔体的流动取向的大小和方向,从而提高复杂制品的某些力学性能。其优点在于可控制制件在特定方向上的性能,可以使制品的弯曲性能与其它力学性能得到极大提高。

PS饮水杯、PP注射器等常用这种方法来成型。1.2.2.8 熔芯成型

熔芯成型与常规注射成型的差别主要在于型芯的结构。这种型芯不能在模内拆卸,也不能用机械方法抽出到模外,它只能由电感加热到熔融掉[如低熔点(138℃)的锡-铋合金、锡-铅的另外合金]或在二次加工中被洗掉(可溶性丙烯酸类树脂)。型芯的热性能及型腔材料是熔芯成型的技术关键。型芯材料可用聚合物、低熔点金属合金(锡-铋、锡-铅)等。聚合物起隔绝壁的作用,制品的表皮很薄;因金属起散热点的作用,制品的表皮很厚。选用适当的材料,可减小或消除制品因缺陷产生的翘曲现象。

熔芯成型应用于管道夹具、泵外壳(水泵推进轮、离心热水泵)、体育运动商品(网球后手柄)、汽车大型部件(如水泵、进气歧管)、航天器油泵等制品生产。1.2.2.9 动态注射成型

塑料动态注射成型技术是将物理场直接作用于成型加工的过程,基本原理是在振动场(主要是机械振动和超声波振动)条件下,在塑料的主要剪切流动方向上叠加了一个附加的应力,使得聚合物在组合应力作用下完成物理与化学变化的加工过程。它是在传统注射成型的塑化、注射、保压等阶段引入振动,使熔体产生振动剪切流动,以控制制品的内部结构,提高制品的力学性能和外观质量为目的的技术。

振动对聚合物成型制件的性能影响主要是通过对聚合物的凝聚态转变和结晶动力学起作用的。周期性的振动力将有效地促进分子取向,并在熔体的固化阶段控制晶粒的生长、形成和取向,可有效防止制件中缩孔、疏松与表面沉陷的形成,并可消除残余应力,使制品的力学性能显著提高。

在成型中,施加振动的方式有机械振动、波振动和气体振动。施加机械振动的情况研究得较充分,包括模具加振成型、螺杆加振注射成型、辅助加振成型、单点动态进料保压注射成型、多点动态进料保压成型、推-拉注射成型和全振动注射成型多种形式。我国现已成功研制出塑料电磁动态塑化注射机,是全振动的一种。

动态注射成型技术可以成型传统注射成型技术所生产的所有制品,但由于设备要求高,目前应用还没有普及。1.2.2.10 计算机辅助注射成型

一方面,采用计算机辅助工程(CAE)对加工设计及分析有助于缩短设计周期,避免代价昂贵的机械失误。最近几十年来,有几家公司一直在努力探索CAE技术,以求正确地解释更多现实的塑性行为和加工现象。现在,商业性仿真软件可用于确定流道尺寸,以平衡熔料在流道系统及型腔内的流动,同时确定浇口的最佳开设位置和浇口的数目。收缩率及翘曲率结合初始流向也可估算出来。虽然CAE可产生有价值的知识,但是,对CAE所得到的分析或仿真结果还必须对其局限性进行考虑,因为加工物理学是非常复杂的,而某些黏弹性体的现象仍然没有完全弄清楚,更完善合理的加工方式目前正在缓慢形成。

另一方面,网络管理信息技术引入注射成型领域的表现突出。诸如:多台注射机成型条件、运转、生产状况、制品质量等工厂生产事务的数据监控与管理、原料和零部件的采购、设备的远程维护都借助Internet网络和电子商务手段实施运作,取得了显著提高效率、降低成本的效果。人们预计,信息技术将会促使21世纪的材料成型加工工业产生巨大的变革。1.2.3 注射成型制品的发展趋势

随着塑料作为工程结构材料应用的进一步推广,注射成型制品的用途已扩大到国民经济的各个领域中,并将逐步代替传统的金属和非金属制品。从以上成型技术的发展与应用现状来分析不难得出,注塑制品将有如下的发展趋势。

(1)性能高度集成化 以组合不同材料为特征的注射制品,如镶嵌成型、夹心成型、多材质复合成型、多色复合成型,充分体现了人们对注塑制品具有复合性能的期望。在此基础上,人们不得不想方设法将诸多功能集中于某一制品,这就在客观上要求制品对各种功能高度集成。

(2)超精密化 随着塑料在精密仪器仪表工业中应用的扩大,注射成型制品超精密化是其发展的必然趋势之一。

(3)制品轻量化、薄壁化 人类拥有的资源是有限的,节省资源则主要体现在节省物料。制品的轻量化、薄壁化主要是在满足使用功能的前提下采取发泡成型、流体辅助成型,以降低制品对原料的需求。

(4)超小型或超大型 注塑制品的应用发展过程中,因为受限于成型设备(模具和注塑机)和制品材料本身的性能,在超小型制品及超大型制品的成型应用较少。随着人们对塑料材料研究的深入以及机械控制与制造技术的发展,超小型或超大型制品的生产成为可能,所以其应用也将逐步增多。

(5)虚拟注塑制品 随着计算机技术的发展,人们在注塑制品的设计、生产、加工以及交易方面都与传统注塑制品的生产方式、交易方式有所不同。人们将注塑制品数字化,通过虚拟现实技术将制品显示出来,可以作为最初的交易模型;在生产的前期,人们可以用模拟技术对注塑制品的性能、生产工艺参数进行预测。所以虚拟注塑制品技术将是注塑制品发展的趋势之一,这项技术将使注塑制品的生产、交易水平大幅度提高。第2章 注塑制品设计2.1 概述

通常,开发一个新的注塑制品包括如下步骤:

①确定产品的最终使用要求。一般指制品的使用环境、承载要求、尺寸、外观要求、寿命等;对一些国家标准及行业标准,也应是制品设计中确定使用要求时应该考虑的内容。

②结构造型设计。对注塑制品设计而言这也算是初步设计,主要是在尽可能详细考虑加工条件的情况下进行的结构与外观设计,应尽量避免侧向分型抽芯,简化脱模机构。

③选择材料。根据产品的使用要求,确定可选用的材料,同时根据材料的性能考虑产品结构,对其造型进行再设计,并确定最终材料。

④从成型工艺角度改进设计。这一步需在材料被确定之后再进行,这是因为流动性、成型收缩率等会因材料不同而存在差异,其加工性能也不完全相同。

⑤样模制造。样模的制造主要是对以上设计进行检验,以便在全面评价加工性能和使用性能之后进一步对设计进行修改。

由以上步骤可以看出,注塑制品的设计是根据使用要求,通过造型设计、结构设计、材料选择等构成步骤的一个综合过程;其中,这些步骤彼此交错,相互影响,必须在设计过程中综合衡量,才能得到最佳的设计效果,这也就是所谓的并行设计理念。只有对注塑制品设计的过程、塑料材料及注塑制品的结构与工艺性能的关系有较为深厚的理解,制品设计人员才能设计出能够正常生产的注塑制品,加工人员也才能对生产中的某些制品缺陷进行识别和进行注塑工艺参数调整。

本章主要以制品结构特征分类,介绍在注塑制品设计中需要注意的问题。2.2 尺寸精度

塑件的尺寸设计时,从理论上来说只取决于塑料的流动性。但由于加工条件、工艺因素等影响,制品在设计时要考虑较多的因素。如制品结构、模具情况、注塑机的效能等。如对于薄壁制品,即使所选材料流动性较大,也不能设计得过大,否则由于模具温度低,可能会发生料流没有完全充满模具型腔时就已经固化,或者料流前锋不能很好熔合而形成冷接缝的现象,影响制品的外观和强度。

注塑制品的尺寸精度是指所获得的注塑制品尺寸与产品图中的尺寸的符合程度,即所获尺寸的精确度。这是注塑制品在使用过程中的要求,但塑件的精度很难达到较高值,这主要是由于影响塑件精度的因素十分复杂。对注射成型过程而言,它是由原料、模具、注射机与成型加工工艺条件四个要素构成的,这四个要素都含有使制品产生尺寸误差的因素。

从原料来说,不同种类塑料的成型收缩率、流动性、结晶化程度有很大差异;甚至对于同种塑料的不同批次,上述性能也略有不同;对于混合料,如新旧料混合、复合改性材料更是无法保证不同批次材料性能的一致性。所以要保证同一批制品尺寸精度的一致性,就要尽可能使用同一类型同一批次的材料成型。对于成型条件的变动(温度、时间、压力等造成成型收缩率的波动),即使是同一批次的材料,生产的注塑制品的尺寸误差也略有不同。

对模具而言,浇口尺寸、料流方向等都会影响制品的收缩程度;分型面的选择对飞边位置有决定作用;模具的磨损及模具制造误差完全且直接反映在塑料制品上。

同时,制品的形状和测量方法以及制品存放等都可能是影响制品的尺寸误差的原因,所以对于某一制品的尺寸误差,并不一定是某几个因素都产生影响,也并不一定是特定的单一因素产生影响。国外资料认为在引起制品尺寸误差的因素中,模具制造公差和成型工艺条件波动引起的误差各占有1/3。但究其主要原因是材料的收缩及模具的制造误差。

一般说来,注塑制品的尺寸精度是由使用要求来决定的。关于塑件的公差,我国已有相关标准。GB/T14486—1993是1993年6月颁布的工程塑料模塑制品尺寸公差的国家标准,它是在经过大量测试和调查研究工作的基础上提出的。该标准中把注塑制品分为7个精度等级。由于各种塑料的收缩率不同,其所能达到的实际精度各不相同。对于受收缩率影响较小的塑料,如PS、ABS等,精度可以达到表2-1中所示的较高等级,但对于受收缩率影响较大的制品,如PE、PP等,要达到表2-1中所示的较高等级的精度就显得困难。所以根据塑料的收缩率把每一类塑料精度档次分为三级,即高精度、一般精度和低精度,如表2-2所示。对于一定的工艺条件,不同塑料所需的精度等级是不一样的,设计制品时要参照表2-2合理地选用精度等级,然后按公差等级在表2-1中查找对应的公差值。表2-1 塑料注塑制品尺寸公差表 单位:mm续表注:A为不受模具活动部分影响的尺寸公差值,B为受模具活动部分影响的尺寸公差值。表2-2 常用注塑制品公差等级的选用续表

表2-1中只给出不同尺寸的公差数值,无配合关系。配合时具体正负偏差可根据制品的配合性质进行分配:对于孔类尺寸,偏差取正值;对于轴类尺寸,偏差取负值;对于中心距及其它位置尺寸,取表中数值的一半作为上下偏差。对于不受模具活动部分影响较大的尺寸,其公差值取表中A行值;而受模具活动部分影响较大的尺寸,其公差值取表中B行值。所谓“受模具活动部分影响”是指脱模时会因脱模力影响或顶出机构作用而可能变化的零件尺寸。

这里要说明的是各国对塑料制品的精度等级的划分标准并不一致。另一方面由于精密成型技术的发展,设计者可以根据应用精度要求进行制品设计,而可以不受所谓精度等级的影响。也可以说,对于塑件的精度要求,要具体分析,根据使用要求来确定尺寸公差,如装配配合部分的尺寸精度要高于非配合部分的尺寸精度等。其最常见的标注方法是以机械制图的方法进行的。

对于表2-2中未列出的塑料品种,乃至于一种新的塑料品种,可根据收缩情况来确定其公差等级。一般用流动方向上的收缩率加上流动方向上的收缩率与垂直于流动方向的收缩率之差来衡量。该值越大,说明收缩性越大,应选用的等级也越低,通常可按表2-3来选择。表2-3 收缩特性值和选用的公差等级2.3 表面光洁程度

塑料制品的光洁度是由塑件表面的粗糙度来衡量的。注塑制品表面的光洁,除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等疵点外,主要由模具型腔表面的粗糙度来决定。因为模具的型腔表面直接成型塑件,为了保证注塑制品表面的光洁,通常模具的表面光洁度比注塑制品的表面光洁度要高一级,即粗糙度提高1~2级。当模具使用中,由于型腔磨损而降低表面光洁,应随时给以抛光复原,同时在模具抛光过程中尽量使抛光方向平行于制品开模方向。

塑件表面的粗糙度一般为Ra0.8~0.3μm之间。对于用PMMA、PS、AS等塑料生产的透明注塑制品,要求模具成型零件的内外表面光洁度一致,以保证注塑制品透明。对于不透明注塑制品,可根据使用条件,将制品外表面的光洁度做得比内表面的高一些。2.4 壁厚的选择

注塑制品在使用中必须要求有一定的厚度,才能达到足够的强度以满足物理机械性能的需要;但同时考虑产品质轻、生产过程中用料少、成本低廉等因素,应尽可能减小壁厚以缩短成型周期,获得较轻的部件质量,优化材料使用。因此,合理选择注塑制品的壁厚是很重要的。通常在设计制品壁厚时需要注意以下三点。

第一,注塑制品的壁厚不能太薄。一方面,塑料在成型过程中,熔融后具有一定的流动性,由于其品种和牌号不同,所以它们所具有的流动性也不同,在用常规工艺参数注射成型时,各塑料的流程大小与其壁厚成正比例关系。如果注塑制品的壁设计得很薄,在注射成型时,会使得熔融塑料在模具型腔内的流动阻力增大、流程变短,造成成型困难、废品增多等问题,甚至对大型复杂制品而言根本无法充满型腔;另一方面,壁的最小厚度还应满足制品在使用中维持正常结构所必需的强度和刚度,在脱模时能经受脱模机构的冲击与振动;在装配时能承受紧固力。如果注塑制品的壁厚设计过薄,将不能满足上述强度要求。在注射成型中的最小壁厚由结构要求、成型的尺寸和几何形状以及材料的流动特性决定。

第二,制品壁厚也不能过厚。过厚不但造成原料上的浪费,增加制品成本,更重要的是会给注射工艺带来一定困难。一方面,由于制品的用料量增大,势必使塑料在料筒内达到注射温度的时间及注射后在模腔内冷却硬化的时间延长,进而使成型周期延长,对提高生产率不利,根据推算,制品壁厚增加一倍,其在模具内的冷却时间将增加四倍;另一方面,厚壁注塑制品容易产生气泡,收缩不均,引起缩孔变形、凹陷、夹心、翘曲等产品质量和结构上的缺陷。

总之,过薄和过厚的壁厚设计都是不合理的。热塑性注塑制品的壁厚常在1~4mm范围内选取。最薄时一般不宜小于0.6~0.9mm,大型制品的壁厚可增加到6mm或更厚些。表2-4为几种常用热塑性塑料在成型条件下的壁厚参数。对热固性注塑制品,小件壁厚常在0.7~2.5mm范围内选取。大件壁厚可在3~8mm范围内选取,见表2-5。表2-4 几种热塑性塑料建议壁厚值 单位:mm表2-5 几种热固性塑料建议壁厚值 单位:mm

第三,壁厚要尽量均匀。在符合功能要求的同时,尽可能减小壁厚并保持统一。这样可以在模制过程中获得最佳的模具注入和预期收缩。可以减小内部应力。对有变化的壁厚处要尽量采取用圆弧或锥形过渡连接。塑料在注射过程中,当流速不同和受热不均时,流料汇集点往往会产生熔接痕,使强度减弱,为避免或减少这种不良情况的产生,要求同一个塑件的壁厚应尽可能一致,这也是制品壁厚设计的主要原则之一。当然在实际生产中,要求制品的壁厚完全均匀是有困难的,但是壁与壁连接处的薄厚不应相差太大,可以在平均厚度值的±20%范围内波动(壁厚不均匀的程度不应超过最小壁厚的30%。热塑性塑料的制品厚度比为1∶1.5;热固性塑料的制品厚度比为1∶1.3);同时厚薄过渡的地方尽量用圆弧或锥形过渡连接。否则,制品在冷却或固化过程中,会因流动速度变化,造成气泡、凹陷和翘曲变形,而且制品内部会产生较大的附加内应力,从而使制品开裂,影响其外观和内在质量。对于结晶性塑料,如PE、PA、POM等较厚制品尤为明显。图2-1(a)是不理想的设计,图2-1(b)采用锥形过渡则较为理想,而图2-1(c)最为理想,它采用渐变圆弧过渡,并保证了塑件厚度的一致性。图2-1 塑料制品壁厚改进设计实例一

要使注塑制品的壁厚符合均匀性的原则,可对注塑制品的厚壁部分挖空和改形,使其壁厚尽可能均匀。图2-2(a)是不理想的设计,图2-2(b)通过去除非重要部位的材料而使零件壁厚一致,而图2-2(c)通过改变形状使制品的厚度保持一致。图2-2 塑料制品壁厚改进设计实例二

在实际设计过程中,要注意的是对一些壁厚较小的制品,如厚度小于1.5mm,设计时无须作如此多的考虑。比如现在的小家电产品的外壳,通常由上下壳体通过卡扣连接在一起;为了使上下盖很好地定位,上下盖的接合部一般设计成套接式,如图2-3所示,此时由于套接配合部位厚度较小,变形不足以影响外观,通常不过多考虑其壁厚差异。图2-3 不考虑套接配合部位壁厚差异的设计

从以上分析可以看出,通常在设计注塑制品时主要考虑以下三个因素:结构因素、强度因素和塑料流动因素。此外,壁厚设计还能影响充模顺序和型腔内气体顺利排出以及有无熔接痕等,这也应成为制品设计时应考虑的因素。(详见模具设计中浇口位置选择。)2.5 脱模斜度

注射成型时,由于注塑制品在模内冷却会产生收缩,使注塑制品很紧地包住模具的凸模(型芯)或型腔中凸起的部分,这样就造成了制品脱模困难。为了便于注塑制品从模具型腔中取出,而不致损伤注塑制品及擦伤注塑制品表面而影响外观、制品尺寸精度,同时造成模具严重磨损,需要在与脱模方向平行的制品内、外表面上设计足够的斜度,就是脱模斜度。如图2-4所示。图2-4 脱模斜度示例

脱模斜度值的取法没有确定的数值与公式,各种资料给出的经验数据也各不相同。脱模斜度的设计应根据使用要求决定。其一般设计原则如下。

①在满足使用要求和精度要求的前提下,斜度值尽量取的偏大些。脱模力越大,脱模斜度的值可以取得越大。如一般注塑制品,其脱模斜度通常可取1°30′~20°,但对于侧壁有布纹的斜度值则可取3°~5°;对于文字、花纹及格子状结构的脱模斜度则应取得更大些,可选择8°~10°。

②一个制品的脱模斜度要根据塑料材料并结合塑件高度来确定。对于脆、硬及收缩性大的塑料,其斜度值应取得偏大些。比如热固性塑料的收缩率相对小一些,所以脱模斜度也可以略小些。表2-6列出了不同材质制品的单边最小脱模斜度推荐值,它们是结合塑件高度确定的。表2-6 不同材质制品的单边最小脱模斜度推荐值

③为了使制品留在有顶出机构的一边,一般的设计方法是把由与顶出机构相连接的成型部件成型的制品表面的斜度值设计得比其相对面略小。对于一些壁厚要求一致的制品或具有特殊结构特点的制品,为使制品留在有顶出机构的一边,就不能通过制品内外表面的脱模斜度差来实现;它们往往用增加摩擦或增设不影响使用性能的凸起或凹陷来实现。

④制件上未规定脱模斜度值时,除非制品高度小于2~3mm,否则应从制件的允许公差范围内给予一定的脱模斜度;深度不大的制品,斜度可采用外表面10′,内表面10′~20′。当制品公差不允许有脱模斜度时,则制品的成型部件将变得复杂。当然,一般情况下脱模斜度是不应包括在注塑制品的公差范围内的,也就是说在设计制品时要规定脱模斜度值。2.6 加强筋的设计

注塑制品往往是由许多壁面组成的,而壁的厚度在工艺上受到一定的限制,不能做得太厚,但注塑制品在使用时,又要求有一定的强度和刚度,同时壁与壁之间的连接也要求具有较高的位置精度。为了克服这个矛盾,注塑制品在壁面上或壁与壁之间的连接处采用加强筋的形式来提高制品的强度(有不少资料将加强筋称为加强肋)。加强筋的效果可以不增加壁的厚度而使制品具有刚度与强度,尤其对于较大的平面用以防止弯曲。图2-5是用来提高板状注射成型制件刚性的典型筋结构,其中有壁面上的加强筋,也有壁与壁之间的支撑加强筋。图2-6中制品利用加强筋增加强度,保证了制品厚度的一致性。图2-5 提高板状注射成型制件刚性的典型加强筋结构

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