模具设计(第二版)第五章

1、第5章 塑料成型基本知识1 1第5章 塑料成型基本知识 5.1 塑料成型概述塑料成型概述 5.2 塑料制品的设计塑料制品的设计 5.3 注射模用注射机的选用注射模用注射机的选用 小结小结 思考与练习题思考与练习题第5章 塑料成型基本知识2 25.1.1 塑料的基本知识及塑料制品工业的发展动向塑料的基本知识及塑料制品工业的发展动向塑料工业从1909年发展至今只有不长的历史，但其发展却相当惊人。1909年工业化生产制成电话机、钮扣、派克自来水笔等。20世纪2030年代人工合成树脂氨基塑料。20世纪5070年代，塑料的产量几乎是每45年就翻一番。目前，塑料的总体产量超过了金属材料的总和。5.1 塑料

2、成型概述塑料成型概述第5章 塑料成型基本知识3 3由于塑料质量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、易着色、加工性好，而且具有生产率高、价格低廉等特点，因此应用极为广泛，已深入到国民经济的各个部门。塑料工业已成为当今全世界增长最快的工业门类，年增长居四大工业材料(钢铁、水泥、木材及塑料)之首。我国塑料制品工业发展于20世纪50年代后期，主要用于日常用品(如塑料鞋、日用塑料膜)。进入20世纪70年代以来，塑料的应用已涉及国民经济和人民生活中的各个方面，如办公用品、照相器材、食品容器、汽车仪器仪表、机械、航空、交通、轻工、建材、医药卫生，及家用电器行业中的零件塑料化的趋势不断加强。第5章 塑料成型基本

3、知识4 4塑料模具制造行业，为缩短模具制造周期，正朝着模具零部件标准化与商品化的方向发展。在模具加工中，尽量减少手工操作的比重，提高机械化与自动化程度，大力发展成型新工艺。为缩短模具设计与制造周期，常采用计算机辅助设计与制造CAD/CAM。第5章 塑料成型基本知识5 55.1.2 塑料的分类及成型工艺性能塑料的分类及成型工艺性能1塑料的分类塑料的分类(1)按塑料在受热以后的表现，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料：随温度的升高而熔化，随温度的降低而凝固，可由不断升温、降温改变其形态。随分子结构排列不同，热塑性塑料可分为结晶型和非结晶型，如PC、PE、PVC、PS、PMMA等。 热固性

4、塑料：分子呈长链状排列，而长链间存在共价键，交织而形成类似网状结构。加温加压使其固化后，分子之间会产生“交联反应”，使得塑料结合紧密且坚硬，即使加温也无法熔融或是回复到原来的样子，如PF、UF、UP等。第5章 塑料成型基本知识6 6(2)按塑料的性能及用途，塑料可分为通用塑料、工程塑料和特殊功能塑料。通用塑料：指产量大、用途广且价廉的塑料，如PVC、PP。工程塑料：在工程技术中常作为结构材料来使用，如ABS、PA。特殊功能塑料：具有特殊性能的塑料(用于医药、光敏及液晶方面的氟塑料)。第5章 塑料成型基本知识7 72塑料的工艺性能塑料的工艺性能1)塑料的可加工性塑料之所以可以加工，主要是它在一定

5、条件下(温度与压力)可以发生变形。塑料受热时，有三种物理状态，即玻璃态、高弹态和可塑性加工态。图51中曲线所表示的是在恒定压力下热塑性塑料的温度变形曲线(与热固性塑料在硬化前阶段的温度变形曲线相同)。第5章 塑料成型基本知识8 8图51 热塑性塑料的状态与加工曲线第5章 塑料成型基本知识9 92)流动性在成型过程中，塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填型腔的能力称为塑料的流动性。塑料的流动性差时，在注射成型过程中，就不易充满型腔而缺料。相反，若熔体流动性太好，则成型时容易产生流延而在分型面、活动成型零件、推杆等处造成溢料飞边和毛刺。热塑性塑料的流动性可分为以下三类：流动性好的：聚乙烯、聚丙烯、

6、聚苯乙烯、醋酸纤维等。流动性中等的：改性聚苯乙烯、ABS、AS、有机玻璃、聚甲醛、氯化聚醚等。流动性差的：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。第5章 塑料成型基本知识10103)收缩性塑料从热模具中取出冷却到室温后，其尺寸发生变化的特性称为收缩性。造成成型收缩的原因有热胀冷缩、因弹性回复造成的收缩、结晶收缩和定向收缩。影响收缩率变化的因素包括以下几点：(1)塑料品种：不同的塑料或同一种塑料填料不同，其收缩率是不同的。(2)塑件特征：制品形状、大小、壁厚、有无嵌件等对收缩率影响都很大。(3)模具结构：正确的浇口形式和浇口的位置、较大的浇口截面尺寸，其收缩率小，收缩均匀。第5章 塑料成型

7、基本知识1111(4)成型工艺参数：成型时有预热且成型温度不高、成型压力较大、保压时间较长的塑料收缩率较小。收缩率的计算公式如下： (51) 式中：s塑料成型收缩率(%)，其值可查表；a模具在成型温度时的尺寸(mm)； b塑件在常温下的尺寸(mm)。%100bbaS第5章 塑料成型基本知识12124)结晶性热塑性塑料按其冷却时是否出现结晶现象可将其分为结晶型与非结晶型(或称无定型)。结晶型塑料是不透明的或半透明的，而非结晶型塑料是透明的(少数例外)。通常结晶度大的塑料密度大，强度、硬度高，刚度、耐磨性好，耐化学性和电性能好；结晶度小的塑料柔软性、透明性较好，伸长率和冲击韧度较大。通常可以通过提

8、高成型温度降低冷却速度来提高结晶度。第5章 塑料成型基本知识13135)热敏性及吸湿性热敏性：某些塑料对热较为敏感，在高温下受热时间长或浇口截面小，剪切作用大而摩擦生热时易发生变色、分解的倾向，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、氯乙烯和醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等。吸湿性：是指塑料对水分的亲疏程度。吸湿性的大小取决于聚合物组成及分子结构。例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚砜等，在其分子链中由于含有极性基因，对水有吸附能力，故属于吸湿倾向大的塑料。第5章 塑料成型基本知识14146)聚合物降解与定向聚合物降解(也称裂解)：是指聚合物分子在受到热、应力、微量水、酸、碱等杂质以及空

9、气中的氧作用时，导致聚合物链断裂、分子变小、相对分子质量降低的现象。轻度降解会使聚合物变色；进一步降解会使聚合物分解出低分子物质，使制品出现气泡和流纹弊病，削弱制品各项物理、力学性能；严重的降解会使聚合物焦化变黑并产生大量的分解物质。聚合物定向(或称取向)：是指塑料在成型加工过程中分子发生不同程度的定向排列。第5章 塑料成型基本知识1515影响聚合物定向的因素主要有以下几点：(1)随着模具温度、成型温度及塑件型腔深度的增加，分子定向程度也随之增加。(2)浇口的开设位置和形状对分子定向影响很大，为了减少分子定向程度，通常可将浇口开设在型腔深度较大的部位。(3)增加浇口长度、充模压力及充模时间，分

10、子定向程度也随之增加。第5章 塑料成型基本知识16167)压缩比与比容压缩比：指塑料粉与塑件两者体积之比。比容(比体积)：指单位质量塑料所占的体积。压缩比和比容都表示了各种热固性塑料的松散程度。它们都作为计算模具加料室高度的依据。8)固化特性热固性塑料在成型过程中，树脂发生交联反应，分子结构由线型变为体型，最后逐渐固化的特性称为固化特性。第5章 塑料成型基本知识17175.1.3 塑料制品成型的基本方法塑料制品成型的基本方法1压缩成型压缩成型压缩成型是应用得最早也是最广泛的模塑成型方法。它是将一定量的塑料放入具有一定温度(塑料的成型温度)的塑料模具中，然后合模并施加压力而使塑料在模具中成型并固

11、化的工艺过程，如图52所示。这种方法通常用于成型热固性塑料，也有在压制较大面积的塑料制品时用来成型热塑性塑料。压缩成型所使用的设备为液压机。压缩成型的特点是：可以压制较大平面的塑料制品或利用多型腔一次压制多个制品，但不能压制形状复杂、薄壁或壁厚有显著变化的制件，也不宜采用精细或易折的嵌件，制件的尺寸精度不高，生产周期较长。第5章 塑料成型基本知识1818图52 压缩成型示意第5章 塑料成型基本知识19192注射成型注射成型注射成型是塑料制品成型的主要方法。它与压缩成型的不同之处在于：塑料是在注射机料筒加热，由柱塞或螺杆以一定的温度和压力通过喷嘴注射到模具的浇注系统，然后由浇注系统注入到模具的型

12、腔之中固化成为制件，如图53所示。这种成型方法的特点是：生产周期短、生产效率高，易于实现自动化生产，可以成型形状复杂的制件且制件精度容易得到保证，但设备投资较大，模具价格较高。注射成型主要用于生产热塑性塑料，但近年来热固性塑料也越来越多地用注射方法成型。第5章 塑料成型基本知识2020图53 注射成型示意第5章 塑料成型基本知识21213传递成型传递成型传递成型是利用注射成型原理来模塑热固性塑料的方法。它是把预热的塑料送至加料室中加热，而后加压通过一个(或多个)浇口，进入闭合的已加热的型腔之中固化成型，如图54所示。这种成型方法的特点是：生产周期较压缩成型的短，模具损耗小，制件尺寸一致性好，能

13、成型薄壁或精细的塑件，但生产成本较压缩成型的高，塑件的机械强度稍差。第5章 塑料成型基本知识2222图54 传递成型原理第5章 塑料成型基本知识23234挤出成型挤出成型挤出成型是生产连续型材的一种成型方法。塑料在挤出成型机料筒加热，由柱塞或螺杆以一定的温度和压力通过一定断面形状的挤出机头挤出，然后由输送及索引装置运走，逐渐冷却成型，如图55所示。第5章 塑料成型基本知识2424图55 挤出成型原理第5章 塑料成型基本知识25255其它成型方法其它成型方法除了上述几种主要塑料成型方法外，还有中空制品的吹塑成型、真空或压缩空气成型、压延成型、发泡成型等方法。本书限于篇幅，仅介绍注射成型模具的典型

14、结构，其它可参考相关资料。第5章 塑料成型基本知识26265.2.1 塑料制品的尺寸、精度及表面质量塑料制品的尺寸、精度及表面质量塑件尺寸的大小取决于塑料的流动性和成型设备。塑件的精度与模具制造精度及其使用后的磨损程度、塑料收缩率的波动、成型工艺条件的变化、塑料制品的形状、脱模斜度及成型后制品的尺寸变化等因素有关。一般尽可能地把制品尺寸精度设计得低一些。不同的塑料其成型精度的推荐值如表51所示。表中只列出了公差等级，具体的上、下偏差可根据塑件的配合性质来确定。5.2 塑料制品的设计塑料制品的设计第5章 塑料成型基本知识2727表表51 常用塑料公差等级的选用常用塑料公差等级的选用(GB/T14

15、4861993)第5章 塑料成型基本知识2828续第5章 塑料成型基本知识2929续第5章 塑料成型基本知识3030 塑件的表面质量包括表面粗糙度和外观质量。这与塑料品种、成型工艺条件、模具成型零件表面的粗糙度及其磨损情况有关。其中成型零件表面的粗糙度是主要因素。一般模具表面粗糙度要比制品的要求高12级。不同成型方法及不同塑料材料所能达到的表面粗糙度见表52。第5章 塑料成型基本知识3131表表52 不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙度不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙度(GB/T142341993)第5章 塑料成型基本知识3232表表52 不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙

16、度不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙度(GB/T142341993)第5章 塑料成型基本知识33335.2.2 塑料制品的结构塑料制品的结构1塑料制品的几何形状塑料制品的几何形状塑件的几何形状应尽可能保证有利于成型的原则，即在开模取出塑件时，尽可能不采用复杂的瓣合与侧面抽芯。为此，塑件的内外表面应尽量避免有侧凸凹部分。因此，在模具设计时要深入了解塑件结构的使用要求，对不利于成型的结构应作适当的修改，以简化模具结构、缩短制造周期，提高制件质量。塑料制品的几何形状设计实例如图56所示。第5章 塑料成型基本知识3434图56 塑料制品的几何形状第5章 塑料成型基本知识35352脱模斜度脱模斜度

17、为了使成型件易于脱模，必须具有脱模斜度。制品上的脱模斜度大小与制品的性质、收缩率大小、摩擦系数大小、制品壁厚和几何形状有关。硬质塑料比软质塑料斜度大；形状愈复杂或成型孔较多时取较大的脱模斜度；制品高度愈高、孔愈深，则取较小的脱模斜度；内孔包住型芯，应取较大的脱模斜度。一般情况下，脱模斜度不包括在塑件公差范围内，否则应在图样上注明。在制品图上标注时，内孔以小端为基准，斜度由扩大方向取得；外形以大端为基准，斜度由缩小方向取得，如图57所示。一般情况下，脱模斜度为30130。第5章 塑料成型基本知识3636图57 脱模斜度第5章 塑料成型基本知识3737 3壁厚壁厚制品的壁厚对其质量有很大的影响，壁

18、厚过小难以满足使用强度和刚度的要求，对于大型复杂件难以充满型腔；壁厚太大，制品内部易产生气泡，外部易产生凹陷等缺陷，同时还会增加生产成本。同一制品的壁厚应尽可能均匀一致，以避免造成收缩不一致而导致变形或翘曲。制品壁厚一般在16mm范围内，大型塑件的壁厚可达8mm。塑料制品壁厚设计实例如图58所示。第5章 塑料成型基本知识3838图58 塑料制品的壁厚第5章 塑料成型基本知识39394防止变形的结构设计防止变形的结构设计(1)塑料制品设置圆角，能使其成型时流动性能好，成型顺利进行。因为当制品带有尖角时，往往会在尖角处产生应力集中，在受力或受冲击振动时发生破裂。圆角半径r(0.51.5)t，t为壁

19、厚。(2)设置加强筋。设置加强筋不仅能增加强度，而且可以改善熔料流动性，防止制件变形。增加加强筋的数目比增加其高度更有效。(3)加厚与改变形状。防止变形的结构设计实例如图59和图510所示。第5章 塑料成型基本知识4040图59 容器边缘及底部的设计第5章 塑料成型基本知识4141容器底或盖设计成图59(a)、(b)所示的球形或拱形曲面可以大大增加其刚度，在容器的边缘设计成如图59(c)所示的形状有利于减少变形。如图510所示的结构，虽然壁厚各处较均匀，但为了保证装配时能承受一定的紧固力，壁厚不宜太薄。若采用如图510(b)所示的加强筋的结构，则能使壁厚减薄，并能保证足够的强度与刚度。第5章

20、塑料成型基本知识4242图510 加强筋第5章 塑料成型基本知识4343图511 支承面第5章 塑料成型基本知识44445支承面支承面以塑件的整个底面作支承面是不合理的。因为塑件稍有变形就会使底面不平，通常采用的是边框支承或底脚支承，如图511所示。6孔孔塑料制品上的孔有通孔、不通孔、形状复杂的孔、螺纹孔等。原则上讲，这些孔均能用一定的型芯成型，但当孔设置不当时，会削弱制品强度，孔与孔之间、孔与壁之间应该留有足够的距离。第5章 塑料成型基本知识4545设计塑件上的孔时应注意以下几点：(1)孔间距应在孔径的两倍以上，如图512(a)所示。(2)孔的周边应增加壁厚，如图512(b)所示。(3)孔与

21、制件边缘之间的距离最好为孔径的3倍以上，如图512(c)所示。(4)用型芯对接成型的孔，为防上、下孔偏心，可将任一侧的孔取稍大一些，如图512(d)所示。第5章 塑料成型基本知识4646图512 孔的设计实例第5章 塑料成型基本知识4747图513 凸凹纹的设计第5章 塑料成型基本知识4848图514 标记、文字与符号的设计第5章 塑料成型基本知识49497凸凹纹、标记及文字凸凹纹、标记及文字为了工艺上的要求及模具制造的简便，设计凸凹纹时应注意凸凹纹与脱模方向一致，如图513所示。标记、文字与符号一般凹坑凸字，如图514所示。采用这种形式，以便加工与维修。第5章 塑料成型基本知识50508螺纹

22、与齿轮螺纹与齿轮1)螺纹塑件上的螺纹可以在模塑时直接成型，也可以在模塑以后机械加工而成。模塑的螺纹，其外螺纹直径不宜小于4mm，内螺纹直径不宜小于2mm，精度不高于IT8级。如果模具的螺纹螺距未考虑收缩，则塑料螺纹与金属螺纹的配合长度不能超过螺纹直径的1.52倍。为了防止塑件上的螺纹的最外圈不致崩裂或变形，应使螺纹起始端留有一定距离的光面，如图515所示。第5章 塑料成型基本知识5151图515 内外螺纹的设计第5章 塑料成型基本知识52522)齿轮为使塑料齿轮适应注射成型工艺要求，对齿轮作如下规定：在设计齿轮时应注意，为减少齿尖处的应力集中及齿轮成型时模塑应力的影响，应尽量避免截面的突然变化

23、，尽可能加大圆角处及过渡圆弧的半径；为了避免装配时产生应力，轴与孔应尽可能不采用过盈配合，而采用过渡配合，如图516所示。其中图516(a)表示轴与孔成半月形配合，图516(b)表示轴与齿轮用两个定位销固定。前者较为常用。第5章 塑料成型基本知识5353图516 塑料齿轮与轴的固定第5章 塑料成型基本知识54549嵌件嵌件塑件中增加嵌件是为了增加塑件局部强度、硬度、导电性或增加塑件尺寸和形状的稳定性等要求。嵌件的材料可用各种有色金属或黑色金属，也可以是玻璃、木材或已成型的塑件等。嵌件设计应注意两个问题：第5章 塑料成型基本知识5555图517 嵌件在塑件中的固定第5章 塑料成型基本知识5656

24、(1)嵌件在塑件中的固定。为了使嵌件牢固地与塑件连接，防止嵌件受力时塑件内转动或脱出，嵌件表面应加制滚花或切口、打孔、折弯、压扁等，如图517所示。同时，由于金属嵌件与塑料的收缩率不同，会使嵌件周围产生很大的内应力而造成塑件开裂，因此，嵌件周围的塑料应有一定的厚度，同时嵌件本身结构不应带有尖角，以减小应力集中。(2)嵌件在模具中的定位。在模塑成型时，为了防止嵌件受到塑料料流动压力作用而产生位移或变形，嵌件应牢固地固定在模具内。如图518所示，图(a)、(b)、(c)的圆形嵌件插入模具相应孔中，并以H9/f9的配合防止融熔塑料挤入螺纹线中。第5章 塑料成型基本知识5757图518 嵌件在模具中的

25、定位第5章 塑料成型基本知识58581公称注射量的校核公称注射量的校核公称注射量有注射容量和注射质量两种表示法。公称注射容量是指注射机对空注射时，螺杆一次最大行程所射出的塑料体积，以cm3表示。5.3 注射模用注射机的选用注射模用注射机的选用第5章 塑料成型基本知识5959注射机对空注射时，螺杆作一次最大注射行程所能射出的聚苯乙烯塑料质量是以克(g)表示的。由于各种塑料的密度及压缩比不同，在使用其它塑料时，实际最大注射量与聚苯乙烯塑料的公称注射量可进行如下换算：第5章 塑料成型基本知识6060 (52) 式中：Gmax实际用塑料时的最大注射量(g)；G公以聚苯乙烯为标准的注射机的公称注射量(g

26、)；1实际用塑料在常温下的密度(g/cm3)；2聚苯乙烯在常温下的密度(g/cm3)；f1实际用塑料的体积压缩比，由实验测定；f2聚苯乙烯的压缩比，通常可取2.0。1221maxffGG公第5章 塑料成型基本知识6161选用注射机时，通常是以某塑件(或模具)实际需要的注射量初选某一公称注射量的注射机型号，然后依次对该机型的公称注射压力、公称锁模力、模板行程以及模具安装部分的尺寸一一进行校核。为了保证正常的注射成型，模具每次需要的实际注射量应该小于某注射机的公称注射量，即 V实V公 或 V实0.8V公 (53)式中：V实为实际塑件(包括浇注系统凝料)的总体积(cm3)。第5章 塑料成型基本知识6

27、262由于刚加入注射机料筒的塑料是疏松颗粒状，故成型时所需要的塑料体积为V料K压V实(54) 那么，所选注射机的额定(或公称)容量应为 (55)式中：V料每次注射需要的实际塑料体积(cm3)； K压塑料的压缩比，可查手册。当注射机的公称容量以克来表示时，也可按下式计算：压料公KVV8 . 0第5章 塑料成型基本知识6363G实0.8G公(56)而G实V，又C，所以 (57)式中：塑料在料筒温度下的密度(g/cm3)； 塑料在常温下的密度(g/cm3)，可查手册； C塑料密度变化系数。8 . 0 实公VCG第5章 塑料成型基本知识6464当计算出模具每次实际需要的塑料体积V实之后，即可按照式(5

28、5)或式(57)获得注射机的公称容量(V公)，并以此初步选定一种规格的机型。那么该规格的注射机是否合适，还要对该机型的其它技术参数进行校核。第5章 塑料成型基本知识65652锁模力的校核锁模力的校核锁模力是指注射机的锁模机构对模具所施加的最大夹紧力。当高压的塑料熔体充填模腔时，会沿锁模方向产生一个很大的胀形力。为此，注射机的额定锁模力必须大于该胀形力，即F锁F胀A分P型(58)式中：F锁注射机的额定锁模力(N)； P型模具型腔内塑料熔体平均压力(MPa)，一般为注射压力的0.30.65倍，通常为2040MPa，也可查手册； A分塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和(mm2)。第5章 塑料成型

29、基本知识66663注射压力的校核注射压力的校核塑件成型时所需要的压力一般由塑料流动性、塑件结构和壁厚以及浇注系统类型等因素决定，其值一般为70150MPa，通常要求：P公P0(59) 式中：P公注射机公称注射压力； P0塑件成型时所需要的注射压力。第5章 塑料成型基本知识67674模具与注射机安装模具部分尺寸的校核模具与注射机安装模具部分尺寸的校核模具与注射机安装部分的相关尺寸主要有喷嘴尺寸、定位圈尺寸、拉杆间距、最大模具厚度与最小模具厚度以及模具与注射机的安装关系等。1)喷嘴尺寸主流道始端的球面半径R应比注射机喷嘴头球面半径R1大12mm；主流道小端直径d应比喷嘴直径d1大0.51mm，以防

30、止主流道口部积存凝料而影响脱模。角式注射机喷嘴前端多为平面，模具的相应接触处也应设计成平面。喷嘴与浇口衬套的关系如图519所示。第5章 塑料成型基本知识6868图519 喷嘴与浇口衬套的关系第5章 塑料成型基本知识69692)定位圈与注射机固定板的关系模具定模座板上的定位圈要求与主流道同心，并与注射机固定模板上的定位孔呈H9/f9的配合。定位圈的高度，对小型模具为810mm，对大型模具为1015mm。3)模具的外形尺寸模具的总厚度应在注射机的最大闭合厚度与最小闭合厚度之间。同时应考虑模具的外形尺寸不能太大，以能顺利从上面或从侧面移入注射机四根拉杆之间为度。第5章 塑料成型基本知识70704)模具与注射机的安装关系模具的安装固定形式有压板式与螺钉式两种。当用压板固定时，只要模具座板以外的附近有螺孔就能固定，很灵活方便。当用螺钉直接固定时，模具座板上必须设安装孔，同时还要与注射机模板上的安装孔完全吻合，并且很麻烦，故生产中广泛采用前者。使用压板时，动模、定模各用24个压板即可。第5章 塑料成型基本知识71715开模行程与顶出装置的校核开模行程与顶出装