BMC壳体成型模具的设计与制造.doc

BMC壳体成型模具的设计与制造（转） 引用 2009-02-13 11:19:36 字号：大 中 小 缩水为零,或者负千分之一.材料流动性很好,模具各零件之间不要有间隙,不然会塞得到处都是.我们常用在汽车车灯的反光镜上. 材料耐热.浇口开大些,扇形.主流道用顶管顶出,顶管的针做成锥形,伸到浇口套里面去. 最好针直径8,管外径12.模仁选用：8407 SKD61 2344模架选用：2311 2738 上下盖板加装隔热板材温控点设置一般动定模均为4点，也可以设置6点！模具可以做成自动切水口的，模具要加发热棒，模仁要加硬BMC可以压铸，也可以注射，注射的合格率可以达到80-90%，不过注射的玻纤较短，模具要加隔热板，抽真空装置等，拔模要大，要有加热管、探针、溢料槽等等。BMC是热固性塑料的一种。BMC(Bulk Molding Compound)又叫团状模塑料，是由不饱和聚酯树脂和其他充填材料、增强材料、固化剂、脱模剂、低收缩剂等经充分混炼捏合后而得到的团状予混物。可以压铸成型，也可以注射成型。 BMC的注射成型过程是：将已予混好的BMC料团加入具有一定温度的料筒中受热软化，材料随螺杆的旋转而不断受到剪切、摩擦而继续升温，使BMC继续软化呈粘流状态，然后在压力下经喷嘴和流道注射进入高温模具中，受热进入固化过程，此时材料的粘度急剧增加，反应形成玻纤增强、填料填充的网状体型结构。经过适当时间的保温固化过程后，开模后可取出具有一定光泽表面和机械性能的BMC制品。 BMC具有良好的尺寸精度、良好的耐热性和优异的绝缘性能，从而被广泛的应用于马达塑封、汽车部品、断路器及精密部件成型当中。国外自八十年代以来，汽车部品中轿车前大灯反光罩使用BMC材料成型占了相当大的比重，主要是由于BMC相比金属或热塑性材料来说具有以下特点： BMC制车灯反光罩可以达到理想的光滑平整表面，反光光型稳定； BMC制品本身具备良好的尺寸稳定性，线膨胀系数较小而且耐热变形温度较高； BMC流动性较好，可以低压成型，可以适应形状比较复杂的模具； BMC有良好的机械性能和绝缘性能。电气用BMC模塑料具有以下的典型特性： （）极低的成型收缩率（一般为0.51.0）能保证制品表面的平整光洁和严格的制品尺寸精度（一般可达到0.050.1尺寸公差）； （）优于一般热塑性工程塑料和其它热固性模塑料的力学和热学等综合性能指标（一般抗弯强度可大于100MPa,长期工作温度不低于180OC。）； （）极好的阻燃性能（一般添加足够的氢氧化铝填料，其2mm厚的BMC试片可轻松通过UL94-V0测评）； （）优良的着色性，不必后处理喷漆，就可赋于开关外壳极具时代感的装饰性要求； （）最后，也是最重要的，BMC模塑料具有极佳的电学性能指标（工频耐压大于12KV/MM，耐漏电起痕指数CTI600V）。 正是基于上述这些优点，BMC模塑料近30多年来始终是电气开关壳体的首选材料。至今，国际间尚未找到能完全替代这种质优价平、又易成型的电气绝缘材料。上述这些电气开关泛指MCCB塑壳断路器，ACB空气断路器，部分VCB真空断路器，部分高分断能力的MCB微型断路器及大电流接触器等。按我国内的不完全统计，各类电气用BMC开关壳体的总量约消耗当年BMC模塑料总量的40%以上，国内这一类电气用BMC壳体模塑制品的生产厂家不低于120家，年产出约8亿人民币以上。自上世纪90年代中期国内的这类电气用BMC开关壳体已向国外跨国电气公司出口，做OEM产品，而凡是这些跨国电气公司（如ABB，CUTLER HAMMER，GE，LG，施耐德，西门子，富士等），在国内投资设厂之后的开关外壳基本上都实现了地产化，故这类BMC电气开关壳体产品也就成为了BMC模塑行业最活跃的一个分支。要制备产出一个精良的BMC开关外壳，当然与模塑材料（Material）、机器（Machine）、成型模具（Mold）、成型参数即工艺方法（Method）和操作者（Men）密切相关，就是所谓的“5M”，而业界都一致认为：不可能生产出比模具本身的表面还要光洁、平整的模塑制品，模具已成为现代化BMC开关壳体制造业的极其重要的制约因素，开关厂客户是否能选用你的成型品，其模具的精良程度已成为了最重要的评测指标。笔者多年专门从事BMC开关壳体成型模具的设计、制造与使用，本文就此课题提供若干心得，愿与同行进行交流。（一） BMC成型模具的基本分类根据BMC成型工艺的不同方法（见图一），其成型模具可区分为压缩成型模具、传递成型模具和注射成型模具。后两种是闭模成型工艺，制件尺寸公差可以更加精密。模具型腔部分虽有许多相同之处，但模具结构已经差异很大。尤其是注射成型工艺方面近年开发出新的注射压缩成型工艺（见图二），可以直接模塑出表面更加平整无缺陷；窄槽、薄壁充填无空穴等超一流的制品，迅速为业界所接受。但是局限于注射成型时玻纤折断降解几率高，同样的成型工艺，注塑件的强度只能达到压塑件的70%80%，故对于当前要求中低压电器器件体积不断变小，而分断能力还不能降低的总趋势。模压工艺仍然是BMC电气开关壳体成型工艺中的“主流成型工艺”。故本文以下着重讨论压缩成型模具的实际问题。 （二） 先进的CAD/CAM/CAE现代化数字制模技术全面导入。模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的伟大里程碑。现今，已很难想象靠手工绘图且没有3D实体模型，能够制造出中等以上复杂型面的成型模具了。国内电工行业，自上海人民电器厂最早在15年之前引进UG设计软件以来，在行业内迅速全面普及。CAD技术已经历了平面绘图、曲面造型、实体造型、参数化技术和变量化技术等一系列技术革命。各种CAD商用软件层出不穷，较流行的有：UG、Pro/E、Cimatron、CATIA等，加上数字控制的各类高精加工机床的问世，数字化制模真正来到我们身边，引起了制模技术的质的跨越，使我们制造高精度、高寿命、高效率的“三高”模具逐步成为可能。也正是因为CAD/CAM技术的导入，使我们实现了与跨国大电气公司之间的技术对接，设计并制造出系列化的MCCB塑壳断路器压型模具，并模塑成产品，实施出口的OEM战略。 BMC成型时充模过程中进行计算机仿真，防止制品气泡、熔接痕、树脂富集等直接影响制品表观性能和使用性能的缺陷，从而来改变模具设计，CAE技术即流动模拟软件也已经悄然在热固性塑料成型中形成气候。这方面国外有Mold Flow,Cadpress,Moldex3D等实用CAE软件，国内武汉理工大学已经起步跟进，有理由可以相信会得到工业化应用。 （三）BMC开关外壳成型模具钢材的选用。自上世纪80年代中期，上海华通开关厂引进美国West-house公司的H系塑壳断路器开始，制造外壳压模用钢材就开始选择AISI标准的H13钢，当时国内还没有自己的这类钢种，大多是靠进口。故在电工行业中壳体成型模的钢材基本袭用国外的钢材。而从BMC模塑料成型的要求出发，对模具钢材的基本要求是耐磨损、抗腐蚀、高强度、长寿命，还有一个就是高镜面性，要全面达到上述五项标准要求的钢种还少见。只是讲随着国外优良模具钢种大批登陆中国之后，我们选择的机会增多不少，我们的客户往往也套用原来他们的习惯，对壳体模具钢材提出了比较严格的限制条件。不过大都是类似H13钢，现将其对照表列出。美国AISI H13 中国GB 4Gr5MoSiV1 日本JIS SKD61 德国DIN 2344 日本大同 DH2F 瑞典一胜百 ORVAR8407 W302 奥地利百禄 W302 个别更高级一些，尤其是型芯硬度要达到HRC55-58时，可选用瑞典一胜百的CALMAX635，或者选用镜面不锈钢种STAVAXS136，硬度HRC52-54。BMC是由液态树脂、固体粉料、短切玻纤片料等近十种组份经物理混合而成的复合物，只有在加温加压条件下，不饱和聚酯和苯乙烯交联，发生加聚反应而固化。 1. 液体组份的配比国际上流行的BMC配方表中大多是以BMC组份中的液体树脂(UP+LSA)总量的百分之一为计算单位，用PHR(Parts per hundred resin)即每百份树脂的份数作为单位。例如常规的配方表中液体组份的配比是： UP 60phr 两者相加即100phr LSA 40phr 根据低收缩剂在成型中形成微空穴的理论来抵消UP收缩的机理，通常低收缩剂LSA的加入量，是以低收缩剂的实际固含量来控制： A=LSA*B/(UP+LSA) phr 1 式中：A低收缩剂在BMC组份中的固含量 phr 一般控制在1418phr B配制低收缩剂时，热塑性树脂粒料在单体苯乙烯中的浓度 常规配制时一般控制在3545浓度 UPUP树脂的加入量 LSALSA低收缩剂的加入量，本稿省略了LPA，不分别列出了 LSA一般都采取定向采购，也可以自配，在配方设计时一定要先摸清LSA中热塑性树脂的浓度，浓度的高低直接影响LSA的粘度，粘度过高会影响随后加入粉料时的浸润，有些初入门者往往觉得粘度高时，就认为加些单体苯乙烯St来降粘，用来改善混料时对粉体的湿润，但这不是一个好办法，过量的苯乙烯的加入，在固化时用不完，残留的St会引起许多弊病，诸如强度下降、耐热性变差，甚至在成型中拔高放热峰温度，致使部品表面微裂。一般在配方设计时要校核苯乙烯的含量，控制在4550phr。 St在BMC中的含量用下式计算： St=LSA*(1-B)+UP*(1-C) 2 式中：CUP树脂中不饱和聚酯的固含量 一般为6568 见供应商的品质保证书 一般的标准配方，UP的固含量是65,LSA的固含量是40，当按照UP:LSA=60phr:40phr时： A=40*0.4/(60+40)=16 phr St=40*(1-0.4)+60*(1-0.65)=45 phr 2. 矿物填料的添加量矿物填料的种类很多，目前常用的是碳酸钙CaCO3和水合氧化铝(ATHalumina trihydrate)即含三个结晶水的氧化铝，分子式为Al2O3.3H2O。也可称谓氢氧化铝Al(OH)3主要是利用着火时，结晶水被炽热而释放出水蒸汽能阻隔火焰而起到阻燃作用。矿物填料在BMC组份中的单价最低，是降低成本的主要贡献者，同时矿物填料可以采用不同颗粒直径的级配，对提高制品的密实度和表观质量有很大好处，故配方设计中贯彻尽可能高的填料含量是配方设计长期追求的目标。通常矿物填料的加入量，取 F=180 250 phr 3 当然根据填料的吸油值、液体树脂糊的基础粘度和是否添加降粘助剂等因素，F的数值可以大大超出上述水平，达到300phr,欧洲更有推出400phr填料加入量的BMC配方。填料加入量的多少主要取决于能否在后序混料中将要加入的短切玻纤被完全分散并充分浸渍，又不露白纤。而为了取得足够的强度，又必须要加入足量的玻纤时，故予混料(树脂+粉料)的粘度是关键影响因子，一定要寻求填料加入量与BMC强度要求的平衡点。 3.其它辅料的添加量根椐大量的工厂实践，其它辅料的配比如下： 脱模剂(硬脂酸锌ZnSt,硬脂酸钙CaSt): 4phr左右 增稠剂(氢氧化钙Ca(OH)2,氧化镁MgO): 11.2phr 引发剂(过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB, 过氧化(2-乙基)己酸叔丁酯TBPO): 1.0phr左右 颜料(颜料糊或色粉): 另定 3.1脱模剂 BMC脱模剂通常使用硬脂酸锌，应对供应商的品质如纯度和细度提出严格的要求，尤其是不能带有结块。脱模剂的用量也与成型制品的复杂程度有关，形状比较简单脱模容易的制品可以少加一些，一般原则是能少加尽量少一些。如果模具刚刚试用、形状又较复杂不易脱模时可适量按4phr或略增一些投料。成型时硬脂酸锌在120即开始熔融并迁移到制品表面引成第二相，隔离模具，它是不应该残存在固化后的制品内部的，然而它会粘留在制品表面，对于要进行涂装等二次处理时，例如车灯反射镜，这层粘膜需要化相当的功夫方能去尽。好在当今为了克服这一弊病，又可防止硬脂酸锌在亮灯高温下升华，引起灯罩雾影，导入了新的工艺助剂，兼有脱模剂的作用，即BYK-P9050。这是另一个题目，只能另外讨论。 3.2增稠剂 BMC的增稠机理与SMC的增稠机理是完全一致的，只是增稠行为没有像SMC那样严格。但是绝不是有人提议的，BMC不必增稠也可以成型出好的制品。BMC配料中添加增稠剂，同样是希望经捏合机充分混和已经均相的粘弹体能基本保持其均质、均相的状态，不发生相分离，更不希望有液态树脂析出，而且希望在成型流动其间予混料还能带着玻纤一起流动，充满型腔的各个部位。故增稠不良、或达不到相当高的粘度都是造成制品多种表观缺陷的重要原因。 BMC选用的增稠剂大多是氢氧化钙Ca(OH)2 ，只是到了冬天，气温较低时，有选用氧化镁MgO，以达到快速稠化的目的。这些增稠剂大多选用粉体与填料同时加入捏合机，故推荐的增稠剂的用量是：1.01.2phr 。只是到了黄梅季节，环境湿度居高不下，不仅填料粉体吸湿，玻纤表面也吸湿，Ca(OH)2 粉更易吸湿，水的存在，会严重影响增稠行为，产生不稳定因素，宜应注意防控。 3.3引发剂常用的引发剂是TBPB ，添加量取1.0phr，这时侯的成型品之固化速率通常取1min/1mm。目前，为了提高成型速率，已较多地采用复合型引发剂，寻找固化速率和模塑料存放寿命之间的相对合理，一般选择TBPB和TBPO混用，总添加量还保持在1.0phr左右，两者的分配可按：TBPB 0.70phr,TBPO 0.30phr。这时侯的固化速率可达到1min/2.5mm。 3.4颜料也称着色剂，对客户来讲目前对BMC制品外表颜色的追求愈发显得重要了，因为这对他们而言，即最终推到市场上的产品被顾客的吸引力如何，制品的色彩鲜艳，色泽明亮是极为重要的因素。BMC的着色最直接的就是使用色粉，如黑色，则直接选用炭黑投入，一般控制在3.0phr左右即可，如白色则直接选用钛白粉，用量在4.5phr左右。选择与样品较接近的色粉，但要保证其分解温度高于成型温度，遮盖力强，易于分散均可选用，但其用量都只能在试验捏合机中小量试验后确定。有的样品的颜色无市场可采购的色粉，则必需外购颜料糊，或自己用三辊研磨机配混颜料糊，这时侯的颜料糊的添加量更要通过试验捏合机混练后来确定。 4.玻璃纤维的加入量以上讨论时都使用phr为单位，而论及玻纤的加入量时就使用BMC组份的质量百分数 为计算单位。周知，玻纤含量直接与制品的强度有关，我们曾经使用过美国欧文斯，康宁的短切纱101C牌号，6毫米长度 ，OCF提供了玻纤加入量与BMC抗弯强度的参考曲线，见图二。实践中，玻纤的添加范围可参照表一。表一：不同BMC品种的玻纤添加量典型零件的名称 制品大致的抗弯强度MPa 建议玻纤的添加量微型马达的塑封 60 1214 汽车前照灯反射镜 80 1416 塑壳断路器外壳 100 1820 地下管网的电缆支承架 120 2025 上表仅仅是推荐用量，因为与采购的品种，加入的玻纤长度，是否采用长短玻纤混用等多种因子有关。 5.BMC配方表表二：典型的BMC配方表物料的品名及代号 品种或规格 配合量 在300L捏合机中的投料量Kg 不饱和聚酯树脂UP 65UP邻苯 60phr 23.9 低收缩添加剂LSA 40PS 40phr 15.9 矿物填料碳酸钙CaCO3 500目 200phr 79.6 脱模剂ZnSt 200目 3.5phr 1.39 增稠剂Ca(OH)2 试剂级 1.2phr 0.50 引发剂TBPB 99纯度 1.0phr 0.40 颜料 炭黑CB 炉黑 3.3phr 1.31 玻纤G.F 6毫米 18.0Wt 27.0 合计 150 配方表计算步骤： A. 确定在哪一种捏合机中拌料，一般取捏合机理论容积的一半，即正常的出料量Kg； B. 依椐上述4小节的建议确定配合量一列的全部数值； C. 首先计算出玻纤的加入量，本例为：150*0.18=27.0Kg； D. 除玻纤之外，各组份的配合量之总和，本例为：309phr； E. 计算每一个phr在投料时的份量，本例为：(150-27)/309=0.398Kg/phr； F. 计算每一个组份的投料量，本例的UP为：60*0.398=23.9Kg，其余类推，数值园整。后记：本稿对阻聚剂、降粘湿润剂及其它工艺助剂都未提及，希望在另外的篇幅中继续讨论；即