作者：杨占尧
出版社：航空工业出版社
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塑料成型工艺与模具设计试读：
编者的话
模具作为重要的生产装备和工艺发展方向，在现代工业的规模生产中日益发挥着重大作用。通过模具进行产品生产具有优质、高效、节能、节材、成本低等显著特点，因而在汽车、机械、电子、轻工、家电、通信、军事和航空航天等领域的产品生产中得到广泛应用，作用不可替代，模具被赞为“金钥匙”、 “制造业之母”、“进入富裕社会的原动力”等。作者在多年从事科研、教学和生产实践的基础上，参考了国内、外大量有关塑料制品设计、制造方面的专著和最新技术资料，在总结高等职业教育示范校建设成果和“双证课程”研究与实践的基础上整理编写了本书。
全书按照工程过程系统化的思想，以工作过程为导向，根据企业模具设计、加工、调试的实际生产流程，依据模具设计工作过程安排教学内容，重构课程结构和知识序列，选择典型项目，精选项目载体，设置了十个综合性训练项目，分别是塑料原材料的选择与分析、塑料成型方法的确定、塑料制件的结构工艺性分析、单分型面注射模设计、双分型面注射模设计、侧向分型与抽芯注射模设计、塑料压缩成型模设计、塑料压注成型模设计、其他塑料成型模具设计和塑料模具课程设计，系统地训练学生合理确定成型工艺、优化设计模具结构和安装调试模具、解决生产现场技术问题的实际工作能力。本书是高职高专模具专业、成人高校及本科高校设立的二级职业技术学院的模具专业、民办高校开设的材料成型及控制工程专业的教学用书，也可供模具企业有关工程技术人员参考。
本书强调实践能力和创新意识的培养，具有以下主要特色：
1．理论够用为度，突出应用性；通俗易懂，着眼于实际问题，具有较强的实用性；融合相关专业知识为一体，突出综合素质的培养，强调综合性；加强专业知识的广度，积极吸纳新技术，体现先进性；注意教学内容的分工协调、相关联系，体现教学适用性。
2．以典型模具的设计工作过程为导向，通过案例引入、任务驱动，完成单个项目的训练，用工作项目统领整个教学内容。特别重视塑料模国家标准与塑料模具设计知识的衔接，着重于应用，同时全面搜集整理了模具设计的必备资料，依托本书就可以进行模具设计。
3．教材内容强化职业技能和综合技能的培养，与职业技能鉴定相融合，因此在教学时，要求教师在“教中做”、学生在“做中学”，使“学历教育与职业资格证书”相结合。
4．附有大量的模具结构图和来自于企业的模具工程图，用形象、直观、浅显易懂的图形语言来讲述复杂的理论和操作问题，以降低学习难度，使复杂问题简单化、抽象内容形象化，提高学生的学习兴趣和改善教学效果。
本书的参考学时为65～90学时，各项目的参考学时参见下面的学时分配表。
全书由第五届高等教育国家级教学名师、河南机电高等专科学校杨占尧教授任主编并统稿，广西职业技术学院江健担任副主编，参加本书编写的有河南机电高等专科学校高坤、范蕾、李敏，新乡职业技术学院张咸华、张慧玲、崔风华、苗晋娟，河南工业大学王高平，苏州工业园区职业技术学院李耀辉，河南新飞电器有限公司丁鹏等。在本书的编写过程中，得到了河南新飞电器集团、航空工业出版社、河南机电高等专科学校、常州机电职业技术学院等单位的大力支持，在此一并表示感谢！
由于编者水平有限，技术资料收集困难，文字水平不足，本书定有许多不尽如人意的地方，恳切希望同行们不吝赐教，提出改进意见。我们的联系方式是E-mail:yangzhanyaoyzy@126.com。
本书配套课件及相关资料可到http://www.bjjqe.com网站下载。如果您有什么疑问，也可到该网站上寻求帮助。
编 者
2012年5月
项目一 塑料原材料的选择与分析
【能力目标】会分析并选择塑料种类
会分析给定塑料的使用性能和工艺性能【知识目标】
掌握塑料的概念和其所具有的优良性能
熟悉塑料的组成
掌握热固性塑料、热塑性塑料的概念以及二者的区别
了解热固性塑料和热塑性塑料的成型特性
掌握常用塑料的名称和代号
熟悉常用塑料的基本特性、成型特点和主要用途
一、项目引入
塑料是以树脂为主要成分的高分子材料,它在一定的温度和压力条件下具有流动性,可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸,并在成型固化后保持其既得形状不发生变化。
树脂是指受热时通常有转化或熔融范围,转化时受外力作用具有流动性,常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物,它是塑料最基本的,也是最重要的成分。
树脂分为天然树脂和合成树脂两大类型,塑料大多采用合成树脂。各种合成树脂都是人工将低分子化合物单体通过合成方法生产的高分子化合物,它们的相对分子质量一般都大于1万,有的甚至可以达到百万级,所以化学上也常将它们称为聚合物或高聚物。聚合物虽然是塑料中的主要成分,但是单纯的聚合物性能往往不能满足成型生产中的工艺要求和成型后的使用要求,欲要克服这一缺陷,必须在聚合物中添加一定数量的助剂,并通过这些助剂来改善聚合物的性能。例如,添加增塑剂可以改善聚合物的流动性和成型性;添加增强剂可以提高聚合物的强度等。因此,可以认为塑料是一种由聚合物和某些助剂结合而成的高分子化合物。
通常将塑料制品称为塑料制件或塑件。塑料制件各式各样,由于使用要求不同,对于塑料原料的要求也不同。不同的原料,其使用性能、成型工艺特性和应用范围亦不同。塑料成型原料的选取要综合考虑多方面的因素,但首先要了解塑料制品的用途、使用过程中的环境状况,如温度高低,是否有化学介质,是否要求有电性能等。另外还需要了解制件材料的性能(塑料的组成、类型和特点),以及塑料的成型工艺特性(收缩率、流动性、结晶性、热敏性和水敏性、应力开裂和熔融破裂等)。在满足使用性能和成型工艺特性后,再考虑原材料的成本,如原材料的价格、成型加工难易程度、相应模具造价等。
本项目以某企业大批量生产的塑料壳体为载体,如图1-1所示,训练学生合理选择与分析塑料原料的能力。要求塑料壳体具有较高的抗拉、抗压性能和耐疲劳强度,外表面无瑕疵、美观,性能可靠,要求设计一套成型该塑件的模具。通过本项目,完成对塑件材料的选择及对材料使用性能和成型工艺性能的分析。图1-1 塑料壳体
二、相关知识
（一）塑料的特点
作为日常用品,塑料的用途已经广为人知,但由于它们的一些特殊优点,塑料在工业中的应用也已经非常普遍,主要有以下几个方面。
1.密度小、质量轻33
塑料的密度约为0.9~2.3g/c m,但大多数都在1.0~1.4g/c m左右,3其中聚4-甲基丁烯-1的密度最小,大约0.8 3g/c m,只相当于钢材密度的0.1 1和铝材的0.5左右,如果采用发泡工艺生产泡沫塑料,则塑料的密度3将会更小,其数值可以小到0.0 1~0.5g/c m。
塑料具有这样小的密度意味着在同样体积下,塑料制品要比金属制品轻得多。因此,若要减轻工业产品的重量,将金属制品改换成塑料制品是一个很重要的途径,即所谓的“以塑代钢”。例如,美国波音7 4 7客机有2 5 0 0个重量达2 0 0 0k g的零部件是用塑料制造的。飞机和火箭使用塑料零件除了减重之外,还能满足其他一些特殊的性能要求。
2.比强度高
材料的抗拉强度与材料等重之比称为比强度,由于塑料的密度小,所以其比强度比较高,若按比强度大小来评价材料的使用性能,则一些特殊的塑料品种将会名列前茅。例如以各种高强度的纤维状、片状和粉末状的金属或非金属为填料制成的增强塑料,其比强度和比刚度比金属还高,有些塑料就可以代替钢材做工程材料用,如碳纤维和硼纤维增强塑料可用于制造人造卫星、火箭、导弹上的强度高、刚度好的结构零件。
3.绝缘性能好、介电损耗低
金属导电是其原子结构中自由电子和离子作用的结果,而塑料原子内部一般都没有自由电子和离子,所以大多数塑料都具有良好的绝缘性能以及很低的介电损耗。某些塑料无论在高频、还是低频,高压、还是低压情况下,绝缘性都十分优良,尤其是在高频、超高频条件下,是陶瓷、云母等其他绝缘材料所不能相比的。因此,塑料是现代电工行业和电器行业不可缺少的原材料,许多电器用的插头、插座、开关、手柄等,都是用塑料制成的。
4.化学稳定性高
生产实践和科学试验已经表明,绝大多数塑料的化学稳定性都很高,它们对酸、碱和许多化学药物都具有良好的耐腐蚀能力,其中聚四氟乙烯塑料的化学稳定性最高,它的抗腐蚀能力比黄金还要好,可以承受“王水”(强酸)的腐蚀,所以称为“塑料王”。由于塑料的化学稳定性高,所以它们在化学工业中应用很广泛,可以用来制作各种管道、密封件和换热器等。
5.减摩、耐磨性能好
如果用塑料制作机械零件,在有摩擦磨损的工作条件下使用,那么大多数塑料都具有良好的减摩和耐磨性能,它们可以在水、油或带有腐蚀性的液体中工作,也可以在半干摩擦或者完全干摩擦的条件下工作,这是一般金属零件无法比拟的。因此,现代工业中已有许多齿轮、轴承和密封圈等机械零件开始采用塑料制造,特别是对塑料配方进行特殊设计后,还可以使用塑料制造自润滑轴承。
6.减振、隔音性能好
塑料的减振和隔音性能来自于聚合物大分子的柔韧性和弹性。一般来讲,塑料的柔韧性要比金属大得多,所以当其遭到频繁的机械冲击和振动时,内部将产生黏性内耗,这种内耗可以把塑料从外部吸收进来的机械能量转换成内部热能,从而也就起到了吸振和减振的作用。塑料是现代工业中减振隔音性能极好的材料,不仅可以用于高速运转机械,而且还可以用来制作汽车中的一些结构零部件(如保险杠和内装饰板等),据报导,国外一些轿车已经开始采用碳纤维增强塑料制造板簧。
7.加工方便
塑料的可塑性好,一般都可以利用模具一次成型出复杂的制品,有的塑料形状是用机械加工办法无法获得的。用模具成型塑料既省料、省时,且塑料的重复精度较高,并易于组织大批量生产。由于成型加工方便,因而塑料制品的成本较低。塑料还易于进行机械加工。
此外,许多塑料还都具有透光和绝热性能,还可以像金属一样进行电镀、着色和焊接,从而使得塑料制品能够具有丰富的色彩和丰富的结构形式。另外,许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射以及耐瞬时烧蚀等特殊性能。
塑料虽然具有诸多优点,但还有一些比较严重的缺陷至今未能克服。这些缺陷如下:
①绝对强度低;
②对温度的敏感性较高,不耐热,容易在阳光、大气、压力和某些介质作用下老化;
③收缩率波动范围较大,塑料制品的精度不容易控制;
④塑料若长期受载荷作用,即使温度不高,其形状会产生“蠕变”,导致塑件尺寸精度丧失。
正是由于以上缺陷的存在,严重地影响了塑料的应用范围,使得塑料制品在许多领域还不能从根本上取代金属制品。
（二）塑料的组成
塑料是以聚合物为主体,添加各种助剂的多组分材料。根据不同的功能,塑料所用的助剂可分为:增塑剂、稳定剂、润滑剂、填充剂、增强剂、交联剂、着色剂、发泡剂,等等。塑料中的各种助剂及其在塑料中的作用如下:
1.聚合物
聚合物是塑料配方中的主要成分,它在塑料制品中为均匀的连续相,其作用在于将各种助剂黏合成一个整体,使制品能获得预定的使用性能。在成型物料中,聚合物应能与所添加的各种助剂共同作用,使物料具有较好的成型性能。聚合物决定了塑料的类型和基本性能,如物理、化学、机械、电、热等方面的性能。单一组分的塑料中,聚合物几乎是1 0 0%;在多组分塑料中,聚合物含量占3 0%~9 0%。
2.增塑剂
为了改善聚合物熔体在注射成型过程中的流动性,常常需要在聚合物中添加一些能与聚合物相溶并且不易挥发的有机化合物,这些化合物统称为增塑剂。增塑剂加入聚合物后,其分子可插入到大分子链之间,并因此而削弱聚合物大分子之间的作用力,从而导致聚合物的黏流温度和玻璃化温度下降,黏度也随之减小,故流动性可以提高。增塑剂加入聚合物后,还能提高塑料的伸长率、抗冲击性能以及耐寒性能,但其硬度、强度和弹性模量却有所下降。
3.稳定剂
为了防止或抑制不正常的降解和交联,需要在聚合物中添加一些能够稳定其化学性质的物质,这些物质称为稳定剂。根据发挥作用的不同可分为热稳定剂、抗氧化剂和光稳定剂。生产中,稳定剂的添加量一般不大于2%,也有少数情况下高达5%。
(1)热稳定剂 热稳定剂的主要作用是抑制注射成型过程中可能发生的热降解反应,以保证制品能顺利成型并获得良好的质量。除此之外,热稳定剂也能防止或延缓塑料制品在贮存使用过程中因光、热、氧化作用而引起的降解,这对提高制品使用寿命有一定作用。
(2)抗氧化剂 聚合物在高温下容易氧化降解,若同时还有光辐射或重金属化合物作用,它还会产生氧化脱氢和双键断裂反应,从而导致塑料变色、龟裂和强度下降等缺陷。所谓抗氧化剂,就是指添加在聚合物中预防或抑制上述缺陷的物质。
(3)光稳定剂 为了防止塑料在阳光、灯光和高能射线辐照下出现降解和性能变坏等现象,需要在聚合物中添加一些必要的物质,这些物质统称为光稳定剂。
4.润滑剂
为了改善塑料在注射成型过程中的流动性能,并减少或避免塑料熔体对设备及模具的黏附和摩擦,常常需要在聚合物中添加一些必要的物质,这些物质统称为润滑剂。它还能使塑料表面保持光洁。
5.填充剂
填充剂又称填料,通常对聚合物呈惰性。在聚合物中添加填充剂的主要目的是为了改善塑料的成型性能、减小塑料中的聚合物用量以及提高塑料的某些性能。
6.增强剂
增强剂是填充剂中的一个类型,多用于热固性塑料,可以提高塑料制品的物理性能和力学强度。
7.交联剂
亦称硬化剂,添加在聚合物中能促使聚合物进行交联反应或加快交联反应速度,一般多用在热固性塑料中,可以促使制品加速硬化。
8.着色剂
添加在聚合物中可使塑料着色的物质统称为着色剂。它们可以分为无机颜料、有机颜料和染料三种类型。着色剂用量一般为0.0 1%~0.0 2%,一味提高用量并不能加重色泽和鲜艳程度。
9.发泡剂
添加在聚合物中,可使塑料形成蜂窝状泡孔结构的物质叫做发泡剂。它主要用来增大塑料制品的体积和减轻重量,同时也可提高防振性能。发泡机理可分为物理发泡和化学发泡两种类型。物理发泡通过液体发泡剂蒸发膨胀实现,化学发泡通过发泡剂受热分解产生气体实现。
1 0.其他助剂
①阻燃剂:添加在聚合物中可以阻止或延缓塑料燃烧的物质。
②驱避剂:添加在聚合物中防止老鼠、昆虫、细菌和霉菌危害的物质。
③防静电剂:添加在聚合物中能防止塑料遭静电危害的物质。
④偶联剂:添加在聚合物中能提高聚合物和增强剂、填充剂界面间结合力的化学物质。
⑤开口剂:添加在聚合物中防止塑料薄膜层之间粘连的物质。
（三）塑料的分类
塑料是一个庞大的家族,分支和分类方法很多,最常用的分类方法有两种。
1.按聚合物的热性能分类
按塑料中聚合物分子结构和热性能可以将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。
(1)热塑性塑料
聚合物的分子结构呈线型或支链状线型,因此受热后比较容易活动,外征表现为变软。将该类塑料升温熔融为黏稠液体后施加高压,便可以充满一定形状的型腔,而后使其冷却固化定型成为制品。如果再将其加热又可进行重新成型,如此可以反复地进行多次。在成型过程中,该塑料主要是发生物理变化,仅有少量化学变化(热降解或少量交联),其变化过程基本上是可逆的。一般的热塑性塑料在一定的溶剂中可以溶解。常见的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、A B S、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)、聚甲醛、尼龙、聚碳酸酯、聚砜、S AN等。
(2)热固性塑料
热固性塑料在尚未成型时,其聚合物为线型聚合物分子,但是它的线型聚合物分子与热塑性塑料中的线型聚合物不同,其分子链中都带有反应基因(如羟甲基等)或反应活点(如不饱和链等)。成型时,塑料在热和压力作用下充满型腔的同时,这些分子通过自带的反应活点与交联剂作用而发生交联反应,随着塑料温度的升高和交联反应程度的加深,原线型聚合物分子向三维发展而形成网状分子的结构量逐渐增多,最终形成巨型网状结构。所以热固性塑料制品内部聚合物为体型分子,它是既不熔化又不溶解的物质,若被高温加热时只能烧焦。由此可见,热固性塑料耐热变形的性能比热塑性塑料好。
常见的热固性塑料有酚醛,脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚酯等。
2.按塑料的用途分类
若按用途分类,塑料可分为通用塑料和工程塑料两大类。
(1)通用塑料
通用塑料,—般指产量大、用途广、成型性能好、价格低廉的塑料,它包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、氨基塑料等六大品种。通用塑料—般不具有突出的综合性能和耐热性,不宜用于承载要求较高的构件和在较高温度下工作的耐热件。
(2)工程塑料
工程塑料,一般指机械强度高,可代替金属而用作工程材料的塑料,如制作机械零件、电子仪器仪表、设备结构件等。这类塑料包括尼龙、聚甲醛、A B S、聚砜(P S F)等。
工程塑料又可分为“通用工程塑料”和“特种工程塑料”。一般把产量大的工程塑料称为“通用工程塑料”,如尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛及其改性产品等,通常所说的工程塑料一般指这一部分。把生产数量少、价格昂贵、性能优异,可做结构材料或特殊用途的塑料称为“特种工程塑料”,如氟塑料、聚酰亚胺塑料、聚四氟乙烯、环氧树脂、导电塑料、导磁塑料、导热塑料等。
其实,通用塑料和工程塑料的划分范围并不很严格,如A B S是一种主要的工程塑料,但由于其产量大,所以也可划入通用塑料;聚丙烯是典型的通用塑料,而增强的聚丙烯因其有工程塑料的某些特性,故可划入工程塑料的范围。
（四）热塑性塑料成型工艺特性
热塑性塑料的成型工艺特性是其在成型加工过程中表现出来的特有性质,模具设计者必须对塑料的成型工艺特性有充分的了解。
1.收缩性
塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后,其尺寸或体积会发生收缩变化,这种性质称为收缩性。收缩性的大小以单位长度塑件收缩量的百分数来表示,称为收缩率。由于成型模具与塑料的线膨胀系数不同,收缩率分为实际收缩率和计算收缩率两种,其计算公式如下:
式中 S s———实际收缩率;
S j———计算收缩率;
a———模具或塑件在成型温度时的尺寸;
b———塑件在室温时的尺寸;
c———模具在室温时的尺寸。
实际收缩率表示塑件实际所发生的收缩。因成型温度下的塑件尺寸不便测量,以及实际收缩率和计算收缩率相差很小,所以生产中常采用计算收缩率,但在大型、精密模具成型零件尺寸计算时则应采用实际收缩率。
影响塑件成型收缩的因素主要有:
(1)塑料品种 塑料品种不同,其收缩率也各不相同。同种塑料由于其各种组分的比例不同,分子量大小不同,收缩率也不相同。
(2)塑件结构 塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及其分布对收缩率的大小都有很大的影响。一般来说,塑件的形状复杂、尺寸较小、壁薄、有嵌件、嵌件数量多且对称分布,其收缩率较小。
(3)模具结构 模具的分型面、浇口形式及尺寸等因素直接影响料流方向、密度分布、保压补缩作用及成型时间。
①采用直接浇口或大截面的浇口,可减少收缩,但各向异性大,沿料流方向收缩小,沿垂直料流方向收缩大。
②采用小截面浇口时,浇口部分会过早凝结硬化,型腔内的塑料收缩后得不到及时补充,收缩较大。
③采用点浇口时,浇口凝封快,在制件条件允许的情况下,可设多点浇口,可有效地延长保压时间和增大型腔压力,使收缩率减小。
(4)成型工艺条件 在注射成型时调整模温、压力、注射速度及冷却时间等因素可适当地改变塑件收缩情况。
由于影响塑料收缩率变化的因素很多,而且相当复杂,所以收缩率是在一定范围内变化的。在模具设计时应根据以上因素综合考虑选取塑料的收缩率。
2.流动性
塑料在一定的温度、压力作用下充填模具型腔的能力,称为塑料的流动性。塑料的流动性差,就不容易充满型腔,易产生缺料或熔接痕等缺陷,因此需要较大的成型压力才能成型。相反,塑料的流动性好,可以用较小的成型压力充满型腔。但流动性太好,会在成型时产生严重的溢边。
流动性的大小与塑料的分子结构有关。具有线型分子而没有或很少有交联结构的聚合物流动性大。塑料中加入填料,会降低树脂的流动性,而加入增塑剂或润滑剂,则可增加塑料的流动性。在常用的热塑性塑料中,流动性好的有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙和醋酸纤维素等,流动性中等的有改性聚苯乙烯、A B S、有机玻璃等,流动性差的有聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜和氟塑料等。
影响流动性的主要因素有:
(1)温度 料温高,则流动性大,但不同塑料也各有差异。聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、有机玻璃、A B S、A S、聚碳酸酯、醋酸纤维素等塑料的流动性随温度变化的影响较大;聚乙烯、聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小。
(2)压力 注射压力增大,则熔料受剪切作用大,流动性也增大,尤其是聚乙烯和聚甲醛较为敏感。
(3)模具结构 浇注系统的形式、尺寸、结构(如型腔表面粗糙度、流道截面厚度、型腔形式、排气系统)、冷却系统的设计和熔料的流动阻力等因素都会直接影响熔料的流动性。凡促使料温降低、流动阻力增加的因素,都会使流动性降低。
对于热塑性塑料,常用熔融指数和螺旋线长度来表示其流动性。熔融指数采用如图1-2所示的标准装置来测定。将被测塑料装入加热料筒中并进行加热,在一定的温度和压力下,测定塑料熔体在1 0m i n内从出料孔挤出的重量,单位g,则该值称为熔融指数,简写为M I。熔融指数越大,流动性越好。螺旋线长度实验法是将被测塑料在一定的温度与压力下注入如图1-3所示标准的阿基米德螺旋线模具内,用其所能达到的流动长度(图中所示数字单位为c m)来表示该塑料的流动性。流动长度越长,流动性就越好。图1-2 熔融指数测定仪结构示意图图1-3 螺旋流动试验模具流道示意图
3.相容性
相容性是指两种或两种以上不同品种的塑料,在熔融状态不产生相分离现象的能力。如果两种塑料不相容,则混熔后塑件会出现分层、脱皮等表面缺陷。不同塑料的相容性与其分子结构有一定关系,分子结构相似者较易相容,如高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯彼此之间的混熔等,分于结构不同时较难相容,如聚乙烯和聚苯乙烯之间的混熔。
塑料的相容性又称为共混性。通过塑料的这一性质,可得到类似共聚物的综合性能,这是改进塑料性能的重要途径之一,如聚碳酸酯和A B S塑料混熔,就能改善聚碳酸酯的工艺性。
4.吸湿性
吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。按吸湿或黏附水分能力的大小,可将塑料分为吸湿性塑料和不吸湿性塑料两大类。吸湿性塑料在注射成型过程中比较容易发生水降解,成型后塑件上出现气泡、银丝与斑纹等缺陷。因此,在成型前必须进行干燥处理,必要时还应在注射机料斗内设置红外线加热装置,以免干燥后的塑料进入机筒前在料斗中再次吸湿或粘水。吸湿性塑料有聚酰胺、A B S、聚碳酸酯、聚苯醚和聚枫等;不吸湿性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和氟塑料等。
5.热敏性
热敏性是指塑料的化学性质对热量作用的敏感程度,热敏性很强的塑料称为热敏性塑料。常用的热敏性塑料有硬聚氯乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚甲醛和聚三氟氯乙烯等。
热敏性塑料在成型过程中很容易在不太高的温度下发生热分解、热降解并释放出一些挥发性气体,从而影响塑件的性能、色泽和表面质量,对人体、模具和注射机有刺激、腐蚀作用或毒性。应采取相应的措施避免以上缺陷,如在塑料中添加热稳定剂等。
（五）热固性塑料成型工艺特性
热固性塑料的成型工艺特性是其在成型加工过程中表现出来的特有性质,模具设计者必须对塑料的成型工艺特性有充分的了解。
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:热收缩是由于热胀冷缩而使塑件成型冷却后所产生的收缩。热收缩与模具的温度成正比,是成型收缩中主要的收缩因素之一。
②结构变化引起的收缩:热固性塑料在成型过程中进行了交联反应,分子由线型结构变为网状结构,由于分子链间距的缩小,结构变得紧密,故产生了体积收缩。
③弹性恢复:塑件从模具中取出后,作用在塑件上的压力消失,由于弹性恢复,会造成塑件体积的负收缩(膨胀)。
④塑性变形:塑件脱模时,成型压力迅速降低,但模壁紧压在塑件的周围,使其产生塑性变形。发生变形部分的收缩率比没有发生变形部分的大,因此,塑件往往在平行加压方向收缩较小,在垂直加压方向收缩较大。为防止两个方向的收缩率相差过大,可采用迅速脱模的办法补救。
影响热固性塑料收缩率的因素与热塑性塑料相同,即有原材料、模具结构或成型方法以及成型工艺条件等方面的影响。塑料中聚合物和填料的种类及含量,也将直接影响收缩率的大小。当所用树脂在固化反应中放出的低分子挥发物较多时,收缩率较大;放出的低分子挥发物较少时,收缩率较小。在同类塑料中,填料含量较多或填料中无机填料增多时,收缩率较小。
凡有利于提高成型压力、增大塑料充模流动性和使塑件密实的模具结构,均能减小塑件的收缩率。凡能使塑件密实、在成型前使低分子挥发物溢出的工艺因素,都能使塑件收缩率减小,如成型前对酚醛塑料的预热、加压等。
2.流动性
热固性塑料的流动性通常以拉西格流动值来表示。影响流动性的因素主要有塑料品种、模具结构和成型条件等。不同品种的塑料或同一品种不同组分及含量的塑料,其流动性不同。光滑模具成型表面、在低于塑料硬化温度的条件下提高成型温度等都能提高塑料的流动性。
每一塑料品种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1 0 0~1 3 0mm,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1 3 1~1 5 0mm,用于压制中等复杂程度的塑件。第三级的拉西格流动值为1 5 1~1 8 0mm,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。注射成型时,一般要求热固性塑料的拉西格流动值大于2 0 0mm。
图1-4所示是拉西格流动性测定模。将一定质量的待测塑料预压成圆锭,将圆锭放入压模中,在一定的温度和压力下,测定它从模孔中挤出的长度(毛糙部分不计在内),此即为拉西格流动值,以mm表示。数值大,则表明流动性好。
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c m3/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。比容和压缩率较大时,塑料内充气增多,排气困难,成型周期变长,生产率降低;比容和压缩率较小时,压锭和压缩、压注容易,而且压锭重量也较准确。但是,比容太小,则影响塑料的松散性,以容积法装料时造成塑件重量不准确。
4.硬化速度图1-4 拉西格流动性测定模
硬化是指塑料成型时完成交联反应的过程。硬化速度通常以塑料试样硬化每1mm厚度所需的秒数来表示,此值越小,硬化速度越快。硬化速度与塑料品种、塑件形状、壁厚、成型温度及是否预热、预压等有密切关系。注射成型时,要求在塑化、填充时化学反应慢,硬化慢,以保持长时间的流动状态,但当充满型腔后,在高温、高压下应快速硬化。硬化速度慢的塑料,会使成型周期变长,生产率降低;硬化速度快的塑料,则不能成型复杂的塑件。
5.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,另一方面则来自成型过程中化学反应的副产物。塑料中水分及挥发物的含量,对塑件的物理、力学和介电性能都有很大的影响。塑料中水分及挥发物含量大时,塑件易产生气泡、内应力和龟裂等,使塑件容易发生翘曲、波纹及光泽不好等现象,使机械强度降低。水分及挥发物在成型时变成的气体,必须排出模外,因为有些气体对模具有腐蚀作用,对人体也有刺激作用。为此,在模具设计时应对这种特征有所了解,并采取相应的措施。
水分及挥发物的测定,是采用1 5±0.2g的试验用料,在烘箱中于1 0 3~1 0 5℃干燥3 0m i n后,测其试验前后质量差Δ M。设水分及挥发物的含量为X,则
（六）常用塑料简介
常用热塑性塑料的基本特性、成型特点和主要用途如表1-1所示,常用热固性塑料的基本特性、成型特点和主要用途如表1-2所示。表1-1 常用热塑性塑料的基本特性、成型特点和主要用途续表1-1续表1-1续表1-1续表1-1续表1-1表1-2 常用热固性塑料的基本特性、成型特点和主要用途续表1-2
三、项目实施
壳体为常用机械类零件,需要大批量生产,通过查表1-1和表1-2进行综合比较,材料品种可选择聚甲醛(P OM)。
聚甲醛是一种高熔点、高结晶性的热塑性塑料。聚甲醛的吸水性比较差,成型前可不必进行干燥,制品尺寸稳定性好,可以制造较精密的零件。但聚甲醛熔融温度范围小,熔融和凝固速度快,制品容易产生毛斑、折皱、熔接痕等表面缺陷,并且收缩率大,热稳定性差。聚甲醛可以采用一般热塑性塑料的成型方法生产塑料制品,如注射、挤出、吹塑等。
P OM强度高,质轻,常用来代替铜、锌、锡、铅等有色金属,广泛用于工业机械、汽车、电子电器、日用品、管道及配件、精密仪器和建材等部门。
①汽车工业:制造汽车泵、汽化器部件、输油管、动力阀、万向节轴承、马达齿轮、曲轴、把手、仪表板、汽车窗升降机装置、电开关、安全带扣等。
②机械制造业:广泛应用于齿轮、驱动轴、链条、阀门、阀杆螺母、轴承、凸轮、叶轮、滚轮、喷头、导轨、衬套、管接头和机械结构件等传动部件。
③电子电气、家用电器领域:制造插头、开关、按钮、继电器、洗衣机滑轮、盒式磁带的轴和轮壳、电子计算机外壳以及电视机、洗衣机、电冰箱、电话机、收录机、洗碟机的各种零件等。
④精密仪器:制造架子的支撑架、罩体、摩擦垫板以及钟表、照相机等精密仪器的零件。
⑤其他:聚甲醛还可以用于耐腐蚀的消防水龙头,钢笔的笔杆和笔套、玩具、梳子、拉链、睫毛油棒等消费品,等等。
聚甲醛也被广泛用来代替有色金属和合金,制造多种类型的机械零件,并且在钟表、照相机、录音机芯等精密机械制造中也得到了应用。
四、项目拓展
（一）聚合物大分子的链状结构
聚合物大分子的链状结构有以下三种主要类型。
1.线型大分子及其线型聚合物
如果整条大分子像一条长长的链条,旁边基本上没有分支,则这种大分子称为线型大分子,如图1-5(a)所示。由线型大分子构成的聚合物称为线型聚合物或热塑性聚合物,它们可以被反复加热和冷却。图1-5 大分子链状结构的类型
2.支链型大分子及其支链型聚合物
如果整条大分子具有一条线型主链,主链旁边带有一些支链,则这种结构的大分子称为支链型大分子,如图1-5(b)所示。由支链型大分子构成的聚合物称为支链型聚合物,一般也可以对它们进行反复加热和冷却。
3.体型大分子及其体型聚合物
如果多个大分子之间发生交联化学反应,则它们彼此就会连结起来,形成一种网状的大分子结构,这种大分子结构称为体型大分子或网状大分子,如图1-5(c)所示。由体型大分子构成的聚合物称为体型聚合物或热固性聚合物,它们一般都是由相对分子质量较小的预聚合物经过化学反应之后生成的。这种聚合物只能在交联时进行一次加热,交联之后便会永远固化,即使再用高温也不会软化,直到在很高的温度下被烧焦碳化为止。
（二）塑料的火焰鉴别法
用户交给设计人员的设计依据多种多样,但主要不外乎两种,一种是设计图样,直接标明要求的材料种类,另外一种是塑件样件,对此,设计人员可以采用不同的鉴别方法来判定材料种类。表1-3所示就是运用燃烧和气味来判定塑料材料类别的简易分辨法。表1-3 各种塑料的燃烧特性续表1-3
另外,产品样件上也有很多设计信息,设计者应仔细观察,提取有用的设计信息,避免在设计上走弯路,这些信息包括分型面的位置、浇口的位置和形式、推出形式或推杆位置等。
选择与分析塑料原料是模具设计的第一步,模具设计者要熟悉所要生产的塑件。首先要对设计依据———产品图进行必要的检查,检查投影、公差等信息是否表达清楚,技术要求是否合理;了解塑件的使用状态和用途,找出那些直接影响塑件质量与应用的形状和相应的功能尺寸,明确表面质量的要求。应该考虑到塑件设计者并不一定是制模专家,这点认识是非常重要的。有时对塑件本身性能毫无影响的外形尺寸,在装配线上由于特定夹具的限制就转化为一个关键尺寸,而这点塑件设计者往往会忽略。
对塑件所用材料的成型特性要有一定的了解,主要包括流动性如何、结晶性如何、有无应力开裂及熔融破裂的可能;是否属于热敏性,注射成型过程中有无腐蚀性气体逸出;热性能如何,对模具温度有无特殊要求,对浇注系统、浇口形式有无选择限制等。除此之外,随着塑件尺寸精度要求越来越高,收缩率的选取已成为一个重要因素。在确定塑件图和成型材料时,必须明确谁将承担选择收缩率的责任。现在流行的做法是由用户来选定材料和确定收缩率。由于目前的塑料牌号繁多,同一种类、不同牌号的塑料在收缩率上也略有差别,因而在选定材料时,切忌只定种类不定牌号的做法。
(三)塑料制品材料选用基本原则
1.一般结构零件用塑料
一般结构零件通常只要求较低的强度和耐热性能,有时还要求外观漂亮。例如罩壳、支架、连接件、手轮、手柄等。由于这类零件批量大,要求有较高的生产率和低廉的成本,大致可选用的塑料有:改性聚苯乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯、A B S等。其中前3种材料经过玻璃纤维增强后能显著地提高力学强度和刚性,还能提高热变形温度。在精密塑件中,普遍使用A B S,因为它具有好的综合性能。有时为了达到某一项较高性能指标,也采用一些较高品质的塑料,如尼龙1 0 1 0和聚碳酸酯(P C)。
2.耐磨损传动零件用塑料
这类零件要求有较高的强度、刚性、韧性、耐磨损和耐疲劳性及较高的热变形温度。例如,各种轴承、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、齿条、辊子、联轴器等。广泛使用的塑料为各种尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯,其次是氯化聚醚、线型聚酯等。其中MC尼龙可在常压下于模具内快速聚合成型,用来制造大型塑件;各种仪表中的小模数齿轮可用聚碳酸酯制造;而氯化聚醚可用于制造腐蚀性介质中工作的轴承、齿轮以及摩擦传动零件与涂层。
3.减摩自润滑零件用塑料
减摩自润滑零件一般受力较小,对力学强度要求往往不高,但运动速度较高,要求具有较小的摩擦系数。如活塞环、机械运动密封圈、轴承和装卸用的箱柜等。这类零件选用的材料为聚四氟乙烯和各种填充的聚四氟乙烯,以及用聚四氟乙烯粉末或纤维填充的聚甲醛、低压聚乙烯等。
4.耐腐蚀零部件用塑料
塑料一般要比金属耐腐蚀性好,但如果既要求耐强酸或强氧化性酸,同时又要求耐碱,则首推各种氟塑料。如聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟乙烯及聚偏氟乙烯等。氯化聚醚既有较高的力学性能,同时又具有突出的耐腐蚀特性,这些塑料都优先适用于耐蚀零部件。
5.耐高温零件用塑料
前面所讲的一般结构零件、耐磨损传动零件所选用的塑料,大都只能在8 0℃~1 2 0℃温度下工作,当受力较大时,只能在6 0℃~8 0℃温度下工作。工程中需要的新型耐热材料,除了各种氟塑料外,还有聚苯醚、聚砜、聚酰亚胺、芳香尼龙等。它们大都可以在1 5 0℃以上温度下工作。【实训与练习】
一、实训题
1.搜集您身边的各种塑料制件,然后按用途对其分类,归纳出塑料在国民经济和日常生活中的应用。
2.在老师的带领下,到生产企业搜集、整理常用塑料的原料,观察其形状、颜色等。
3.利用搜集、整理的常用塑料进行燃烧,对常用塑料进行鉴别。
4.测量常用塑料的流动性。
二、练习题
1.什么是塑料?
2.塑料与树脂是什么关系?
3.塑料具有哪些优良性能?
4.塑料的主要成分是什么?
5.填充剂的作用有哪些?
6.增塑剂的作用是什么?
7.润滑剂的作用是什么?
8.试述稳定剂的作用与种类?
9.塑料按用途可分为哪几类?
1 0.热塑性塑料和热固性塑料的主要区别?
1 1.热固性塑料的成型工艺性能有哪些?
1 2.热塑性塑料的成型工艺性能有哪些?
1 3.什么是塑料的收缩性?影响收缩率的因素有哪些?
1 4.什么是塑料的流动性?影响流动性的因素有哪些?
1 5.什么是塑料的相容性?
1 6.简述P E塑料的基本特性、成型特点和主要用途有哪些?
1 7.简述P V C塑料的基本特性、成型特点和主要用途有哪些?
1 8.简述P P塑料的基本特性、成型特点和主要用途有哪些?
1 9.简述A B S塑料的基本特性、成型特点和主要用途有哪些?
项目二 塑料成型方法的确定
【能力目标】初步具有合理选择塑料成型方法的能力
能够正确确定注射成型的工艺参数【知识目标】
熟悉塑料制品生产系统
了解塑料成型方法
掌握注射成型原理
了解注射生产前的准备工作
掌握注射成型过程中主要阶段的主要特点
掌握注射成型主要工艺参数的选择和控制
了解其他各类塑料成型的工作原理、成型工艺过程及特点
了解塑件的后处理工序
一、项目引入
塑料已经渗透到人们生活和生产的各个领域,成为不可或缺的材料。在机械制造、汽车工业、仪器仪表、家用电器、化工、医疗卫生、建筑建材、农用器械、日用五金以及兵器、航空航天和原子能工业中,塑料已成为金属材料、皮革和木材的良好替代品。
塑料制品成型方式有很多,确定塑料制品成型方式应考虑所选择塑料的种类、制品生产批量、模具成本及不同成型方式的特点、应用范围等因素,然后根据塑料的成型工艺特点,不同成型方式的工艺过程确定所生产制品的成型方式和工艺过程。本项目以图1-1所示塑料壳体为载体,训练学生合理确定该塑件的成型方式及成型工艺过程。二、相关知识
（一）塑料制品生产系统组成
根据各种塑料的固有性能,利用一切可以实施的方法,使其成为具有一定形状又有使用价值的塑料制品。塑料制品的生产系统主要是由塑料的成型、机械加工、修饰和装配四个连续过程组成,如图2-1所示。有些塑料在成型前需进行预处理(预压、预热、干燥等),因此,塑料制品生产的完整顺序为:
塑料原料→预处理→成型→机械加工→修饰→装配→塑料制品。图2-1 塑料制品生产系统的组成
在基本工序(成型→机械加工→修饰→装配)中,塑料成型是最重要的,是一切塑料制品和生产型材的必经过程。其他工序,通常都根据制品的要求来定。后3个工序(机械加工、修饰、装配)统称为二次加工。
塑料成型是一种常用的加工方法。经塑料成型出来的制品,具有质量轻、强度好、耐腐蚀、绝缘性能好、色泽鲜艳、外观漂亮等优点;成型设备操作简便,生产率高,生产过程易于实现机械化、自动化;塑料可加工成任意形状的制品,在大批量生产条件下,成本较低。由于塑料成型在技术上和经济上的优良特点,因此,塑料成型在塑料制品生产乃至塑料工业中占有重要地位。
（二）塑料成型方法简介
塑料成型的种类很多,主要包括各种模塑成型、层压成型和压延成型等。其中模塑成型种类较多,表2-1列出常用的模塑成型加工方法如注射成型、压缩模塑、传递模塑、挤出成型、气动成型等,约占全部塑料制品加工的9 0%以上。它们的共同特点是利用模具来成型具有一定形状和尺寸的塑料制品(简称塑件或制品)。成型塑料制品的模具叫塑料成型模具(简称塑料模)。表2-1 常用的塑料成型加工方法与模具
在现代塑料制品的生产中,正确的加工工艺、高效率的设备、先进的模具是影响塑料制品质量的三大重要因素,而塑料模对塑料加工工艺的实现,保证塑料制品的形状、尺寸及公差起着极重要的作用。高效率、全自动的设备也只有配备了适应自动化生产的塑料模才有可能发挥其效能,产品的生产和更新都是以模具制造和更新为前提的。由于工业塑料制品和日用塑料制品的品种和产量需求量很大,对塑料模具也提出了越来越高的要求,因此推动塑料模具生产不断向前发展。
不同的塑料成型方法需要不同的塑料成型模具,不同的模具需要安装在不同的成型设备上生产。塑料成型设备的类型很多,主要有各种模塑成型设备和压延机等。模塑成型设备有注射机、塑料机械压力机、挤出机、中空成型机、发泡成型机、塑料液压机以及配套的辅助设备等。生产中应用最广的是注射机和挤出机,其次是液压机和压延机。据统计,全世界注射机的产量近1 0年来增加了1 0倍,每年生产的台数约占整个塑料设备产量的5 0%,成为塑料设备生产中增长最快、产量最多的机种。
塑料的成型方法除了表2-1列举的6种外,还有压延成型、浇铸成型、玻璃纤维热固性塑料的低压成型、滚塑(旋转)成型、泡沫塑料成型、快速成型等。
（三）注射成型
1.注射成型原理及过程
注射成型是根据金属压铸成型原理发展而来的,基本原理就是利用塑料的可挤压性与可模塑性,先将松散的粒状或粉状成型物料从注射机的料斗送入高温的机筒内加热、熔融、塑化,使之成为黏流熔体,然后在柱塞或螺杆的高压推动下,以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中,经过保压冷却定型后,即可保持模具型腔所赋予的形状和尺寸。开合模机构将模具打开,在推出机构的作用下,即可取出注射成型的塑料制件。注射成型原理及其对应的生产工艺过程分别如图2-2和图2-3所示。图2-2 注射成型原理图2-3 注射成型生产工艺过程图
注射成型是热塑性塑料成型的重要方法之一,到目前为止,除氟塑料以外,几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型的方法成型。注射成型的优点是:成型周期短,能一次成型形状复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制件;注射成型生产率高,易实现自动化生产。注射成型的缺点是所用的注射设备价格较高,注射模具的结构复杂,生产成本高,生产周期长,不适于单件小批量的塑件生产。除热塑性塑料外,一些流动性好的热固性塑料也可用注射方法成型,其原因是这种方法生产效率高,产品质量稳定。
2.注射成型生产前的准备
为了使注射成型生产顺利进行和保证制品质量,在注射成型前应做一定的准备工作,如原料预处理、清洗机筒、预热嵌件和选择脱模等。
(1)原料预处理
生产前对成型原料进行的预处理包括分析检验成型原料的质量和预热干燥。
①分析检验成型原料的质量:根据注射成型对原料的工艺特性要求,检验原料的含水量、色泽、细度及均匀度、有无杂质并测试其热稳定性、流动性和收缩率等指标。如果检验中出现问题,应及时采取措施加以解决。
②预热干燥:对吸湿性强的塑料,如尼龙、聚碳酸酯、A B S等,成型前应根据成型工艺允许的含水性要求,进行充分的预热干燥,除去物料中过多的水分和挥发物,以防止成型后塑件出现气泡和银丝等缺陷,同时也可以避免注射时发生水降解。
(2)清洗料筒
生产中如需改变塑料品种、更换物料、调换颜色,或发现成型过程中出现了热分解或降解反应,则应对注射机料筒进行清洗。通常,柱塞式注射机料筒大,必须将料筒拆卸清洗。对于螺杆式料筒,可采用对空注射法清洗。采用对空注射法清洗螺杆式料筒时,若欲更换的塑料的成型温度低于料筒内残料的成型温度时,应将料筒和喷嘴温度升高到欲换塑料的最高成型温度,切断电源,加入欲换塑料的回料,并连续对空注射,直到将全部残料排除为止;若欲更换的塑料的成型温度高于料筒内残料的成型温度时,应将料筒和喷嘴温度升高到欲换塑料的最低成型温度,然后加入欲换塑料或其回料,并连续对空注射,直到将全部残料排除为止。若欲更换的两种塑料成型温度相差不大时,不必变更温度,先用回料,然后用欲换塑料对空注射即可。残料属热敏性塑料时,应从流动性好、热稳定性好的聚乙烯、聚苯乙烯等塑料中选择黏度较高的品级作为过渡料对空注射。
(3)预热嵌件
对于有嵌件的塑料制件,由于金属与塑料的收缩率不同,嵌件周围的塑料容易出现收缩应力和裂纹,因此,成型前对嵌件进行预热,减小它在成型时与塑料熔体的温差,避免或抑制嵌件周围的塑料出现的收缩应力和裂纹。在嵌件较小时对分子链柔顺性大的塑料也可以不预热。
(4)选择脱模剂
注射成型生产中,为了使塑料制件容易从模具内脱出,有的模具型腔或模具型芯还需涂上脱模剂,常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石蜡和硅油等。对于含有橡胶的软制品或透明制品不宜使用脱模剂,否则将影响制品的透明度。
3.注射成型过程
完整的注射成型工艺过程可以分为加料、塑化计量、注射充模和冷却定型等三个阶段,下面分阶段阐述成型的工作原理。
(1)加料
将粒状或粉状塑料加入注射机料斗,由柱塞或螺杆带入料筒进行加热。
(2)塑化计量
成型物料在注射机机筒内经过加热、压实以及混合等作用以后,由松散的粉状或粒状固态转变成连续的均化熔体的过程称为塑化。均化包含四方面的内容,即物料经过塑化之后,其熔体内必须组分均匀、密度均匀、黏度均匀和温度分布均匀。计量是指能够保证注射机通过柱塞或螺杆,将塑化好的熔体定温、定压、定量地输出机筒所进行的准备工作,这些工作均需注射机控制柱塞或螺杆在塑化过程中完成。
(3)注射充模
柱塞或螺杆从机筒内的计量开始,通过注射油缸和活塞施加高压,将塑化好的塑料熔体经过机筒前端的喷嘴和模具中的浇注系统快速送入封闭模腔的过程称为注射充模。注射充模又可细分为流动充模、保压补缩和倒流三个阶段。
①流动充模:塑化好的塑料熔体在注射机柱塞或螺杆的推进作用下,以一定的压力和速度经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模具型腔,这一阶段称为充模。很显然,熔体在注射过程中会遭到一系列的流动阻力,这些阻力一部分来源于机筒、喷嘴、模具浇注系统和模腔表壁对熔体的外摩擦,另一部分则来源于熔体自身内部产生的黏性内摩擦。为了克服流动阻力,注射机必须通过螺杆或柱塞向熔体施加很大的注射压力。
②保压补缩:保压补缩阶段指从熔体充满模腔至柱塞或螺杆在机筒中开始后退为止的阶段为保压补缩阶段。其中,保压是指注射压力对模腔内的熔体继续进行压实的过程,而补缩则是指保压过程中,注射机对模腔内逐渐开始冷却的熔体因成型收缩而出现的空隙进行补料操作。保压补缩时间应适当,时间过长容易使塑料件产生应力,引起塑件翘曲或开裂。
③倒流:倒流指柱塞或螺杆在机筒中向后倒退时,模腔内熔体朝着浇口和流道进行的反方向流动。很明显,整个倒流过程将从注射压力撤掉开始至浇口处熔体冻结时为止。引起倒流的原因主要是注射压力撤掉后,模腔压力大于倒流压力,且熔体与大气相通所造成的结果。由此可见,倒流是否发生或倒流的程度如何,均与保压时间有关。一般来讲,保压时间较长时,保压压力对模腔内的熔体作用时间也越长,倒流较小,塑件的收缩情况会有所减轻。而保压时间短时,情况则刚好相反。
(4)冷却定型
冷却定型从浇口冻结时开始,到制品脱模为止,是注射成型工艺过程的最后一个阶段。在此阶段,补缩或倒流均不再继续进行,型腔内的塑料继续冷却、硬化和定型。当脱模时,塑料制件具有足够的刚度,不致产生翘曲和变形。随着冷却过程的进行,温度继续下降,型腔内塑料收缩,压力下降,到开模时,型腔内的压力下降到最低值(但不一定等于外界大气压)。型腔内压力与外界大气压力之差称残余压力,残余压力大小与塑件保压阶段的长短有关。残余压力为正值时,脱模较困难,塑件易刮伤或崩裂;残余压力为负值时,塑件表面有缺陷或内部有真空泡。所以,只有在残余压力接近零时,脱模才较便利,并能获得满意的塑件。
塑件冷却定型后即可开模,在模具推出机构的作用下,将塑料制件推出模外,完成注射成型过程。
4.塑件的后处理
由于成型过程中塑料熔体在温度和压力作用下变形流动非常复杂,再加上流动前塑化不均以及充模后冷却速度不同,制品内经常出现不均匀的结晶、取向和收缩,导致制品内产生结晶、取向和收缩应力,脱模后除引起时效变形外,还会使制品的力学性能、光学性能及表观质量变坏,严重时还会开裂。为了解决这些问题,可对制品进行一些适当的后处理,常用的后处理方法有退火和调湿两种。
退火是将塑件放在定温的加热介质(如热水、热油、热空气和液体石蜡等)中保温一段时间的热处理过程。利用退火时的热量,能加速塑料中大分子松弛,从而消除或降低制品成型后的残余应力。生产中的退火温度一般都在制品的使用温度以上1 0~2 0℃至热变形温度以下1 0~2 0℃之间进行选择和控制。保温时间与塑料品种和制品厚度有关,如无数据资料,也可按每毫米厚度约需半小时的原则估算。退火冷却时,冷却速度不易过快,否则还有可能再次产生温度应力。
调湿处理是一种调整制品含水量的后处理工序,主要用于吸湿性很强、且又容易氧化的聚酰胺等塑料制品,它除了能在加热和保温条件下消除残余应力之外,还能促使制品在加热介质中达到吸湿平衡,以防它们在使用过程中发生尺寸变化。调湿处理所用的加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液(沸点为1 2 1℃),加热温度为1 0 0~1 2 1℃(热变形温度高时取上限,反之取下限),保温时间与制品厚度有关,通常取2~9h。
应该指出,并非所有塑料制品都要进行后处理,通常只是对于带有金属嵌件、使用温度范围变化较大、尺寸精度要求高和壁厚大的制品才有必要进行后处理。
5.注射成型的主要工艺参数
在塑料原料、注射机和模具结构确定之后,注射成型工艺条件的选择与控制,便是决定成型质量的主要因素。一般来讲,注射成型具有三大主要工艺参数,即温度、压力和时间,下面分别予以阐述。
(1)温度
注射成型时的温度包含料温和模温两方面的内容,其中料温影响塑化和注射充模,而模温则同时影响充模与冷却定型。
①料温:料温指塑化物料的温度和从喷嘴注射出的熔体温度,其中,前者称为塑化温度,而后者称为注射温度。因此,料温主要取决于料筒和喷嘴两部分的温度。使物料具有良好的流动性且不产生变质的温度为最佳料温。料筒温度:使用注射机时,需对注射机的料筒按照后段、中段和前段三个不同区域进行分别加热与控制。后段指加料料斗附近,该段加热的温度要求最低,是对物料起始加热,若过热则会使物料粘结,影响顺利加料;前段指靠近料筒内螺杆前端的一段区域,一般这段温度为最高;中段即指前段与后段之间的区域,对该段温度控制介于前、后段温度之间。总的来说,料筒加热是由后段至前段温度逐渐升高,以满足塑料逐渐升温达到良好的熔融状态的要求。
为了避免熔料在料筒里过热降解,除必须严格控制熔体的最高温度外,还必须控制熔料在料筒里的滞留时间。通常,提高料筒温度以后,
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