模具-塑料成型工艺

第十三章塑料的热成型11．1

概述热成型的工艺方法．虽然早在上一世纪末已为人们所邦道，但是用为工业生产还只是本世纪四十年代以后的事，而在近十多年来才有较大的发展．发展快速的原因在于；(1)可以作为原料的热塑性塑料片材的种类日趋繁多；

(2)热成型工艺和设备的不断改进；(3)制品的应用范围越来越大。热成型是利用热塑性塑料的片材作为原料来制造塑料制品的 法。制造时．先将裁成一定尺寸和固定形样的片材夹在框架上并将它加热到热弹态，而后凭惜施加的压力使其贴近模具的型面，因而取得与型面相仿的形样。成型后的片材冷却后，即可从模具中取出6经过适当的修整，即成为制品。施加的压

材两而的气压差，但也可借助于机械压力或要是靠片力。热成型制成的制品特点是壁厚小，因为用作原料的片材厚度一般只是1—2毫米(绝大多数是偏低的，少数特殊制品所用片材厚度竞薄至o．05毫米)，而制品的厚度总比这一数值小。如果需要，热成型制品的表面积可以很大(单个制品所用片材的面积竟可达到3x

g公尺)，这也是这种制品的特点，不过热成型制品都是属于半壳形(内凹外凸)的，其深度且有一定限制。制品的类型有杯。碟和其它日用器皿、医用器皿、电子仪表附件、收音机与电视机外壳、玩具、帽盔、包装用具等直至汽车部件、建筑构件、化工设备、诺达罩和飞机舱罩等等。各种制品对塑料品种的选择依赖于制品限定用途对性能的要求。当然，塑料品种只能以可以用热成型加工的为限．目前工业上常用I：热成型的塑料品种亿各种类型的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯以及苯乙

烯—丁二烯—丙烯脂共聚物，高密度聚乙烯，聚丙烯，聚酸胺，聚碳酸配和聚对苯二甲破乙二酯等。作为原料的片材概用浇铸，压延或挤出方法制造。与注射模塑比较，热成型常具有生产串高

(采用多稻模生产时每分钟生产数量有高达t

500件的)、设备投资少和能够制造表而积较大的制品等优点，而其缺点则在于采用的原料(片材)成本高和制品的后加工多。因此，几遇制品用上列两法都可以生产时其选择多半决定于制品的生产成本。但是应该 ，目前两种成型方法的发展都粳抉，尤以热成型为甚，发展形势是可以改变现在对这两种成型方法所作的结论的。11．2

热成型的基本方法按照生产制品类型的 和如何改变操作方式以期有利于生产的原因，热成型方法可以有很多的变化。不过不管变化的形式有多少(现在约有几1·种)，归根结蒂总是由几个基本方法或略加改进而组成的。对其基本方法的认定，说法并不一致，但是大体是相间的。不同的只是在细分程度上。这里只将其分为六种。11．2．1

差压成型11．2．2覆盖成型11．2．3柱塞助压成型11．2．4

回吸成型推气真空回吸成型如图11—11所示11．2．5

对模成型11．2．6

双片热成型11．3

热成型的设备从上述基本方法可知，任何方法所包括的工序共有下列五个：(1)片材的夹持；(2)片稠的加热；(3)成型：(4)冷却；(5)脱模。其中以成型一项较复杂，每随方法的不同而可能有较大的差别。基于这种原因，目前所设计的设备，除少数情况外，都能完成上列五个工序。但按生产需要的不同，所能完成成型的类型只是一种或少数几种。成型设备有手动．半自动和全自动之分。手动设备中的一切操作，如夹待。加热、抽空、冷却、服模等都由人工调整或完成。半自动设备中的各项操作，除夹待和脱模须由人工完成外，其它都是按预先调定的条件和程序由设备自动完成．全自动设备中的一切操作完全由设备自动进行。成型设备又按供料的方式分为分批进料与连续进料两种类型．分批进料式大多用为生产大型制件，而采用的原料一般都是不易成卷的厚型片材。但是必须

，分批进料式的设备同样也可以用恐型片材生产小型制件．工业上常用的分批进料设备是三段轮转机。这种设备按装卸。加热和成型的工序分作三段。加热器和成型用的模具都是设在固定区段内的，但是片材则是由三个按120。角度分隔而且可以旋转的夹持框夹持，并在三个区段内轮流转动，如图ll—l4所示．由于操作的需要，轮转动作是间歇性的。为求得生产率的提高或者由于某些塑料需要 的热量，也可以将加热区分为两个，这就成为四段轮转机，不过采用的还不多。工业上还有一种所谓单段成型机的，该种设备，除将加热部分作简单的分文外，其它工序一概都在同一区段内循序完成．上述各种成型机的夹持框的尺寸通常都可在——定范围内予以变动，但其最大尺寸概由设备的大小决定。工业上所用的成型机，其最大的尺寸竞有大至1．2×1．8米的。连续进料式的设备通用为生产薄壁小型的塑件：如杯、盘等，而且都属于大批生产性的。这类设备也是多段式的，每段只完成一个工序，如图ll—15所示。其中供料虽属连全面的*但其运转仍然是间歇的，间歇的时间自几秒至十几秒不

等．为节省热能和供料方便，也有采用片材挤出机直接供料的．如图11—l

6所示。各类设备的几个主要部分，随要求的不同，在设计上常有很大的差别。现在只将其大概情况和主要要求分述如下：11．3．1

加热系统用为片材的加热方法并无严格的限制，可以是热板的传导；也可以是红外线的纪照供给热板热量的方法有油、电、过熟水和蒸气等多种较厚的片材通常都是用另外的烘箱进行预热，借以减轻成型机的负荷和提高生产率。为增近加热速率或提高生产效率，或者在片材厚度大于3毫米时，常需采用两面加热的方法也就是在夹持片材的上下各用一套加热器。两面加热时．下加热器的温度应比J：加热器低，因为热空气是向上升的*同时还可借以防止片材在加热时的过分下垂。如果是轮轮机或连续供料设备，还可以用多段加热的方法来达到相同的日的，不过每段加热条件都是单独控制而且要求各段之间有严密的配合．单段成型机的加热器与轮转机的不同，它不是连续工作和固定的，而是间歇工作和在完成加熟时能够暂时移开的。移开时，加热器的电源并不截断，而是利用良好的反射器或保温床来继续保持它处于高温．加热器的加热面一般都是略大于夹持框的夹持面积．成型完成后对初制品的冷却，应以越快越好，因为这样可以提高生产串。冷却的方法有内冷与外冷两种内冷是通过模具的冷却而使初制品冷却的。内冷只以采用金属模具的为限。外冷是用风冷法(利用风扇)或空手水雾法。真正的喷水冷却很少用，因为容易使制品产生冷疤，同时还为以后带来了去水的问题．成型中，模具的温度一般约保持在45～75℃。如果模具是金属制造的，则将温水循环于模内预设的通道即可。非金属制造的模具，由于传热性较差，只能采用时冷时热的方法来保持它的温度。加热时用红外线辐照；面冷却时则用风冷．在辅用校塞的成型中，呻防止片材因校塞造成的降温面有碍于成型，因此柱塞必须保持与版相近或相同的温度．基于这种要求，柱塞应用金属制造，以便用电热的方法使其保持应有的温度．11．3．2夹持系统夹持框架通由上下两个机架组成。上机架受压缩空气

，常能均衡而有力地将片材压在下机架上。压力可以在一定范围内调整，最大的总压力随设备的大小而变，可自0．5吨变至5吨不等。夹持压力一般不会随着片材厚度的不同而出现不均，因而框架上常附有自动补偿压力的装置．均衡的夹持是保证物料均匀分布的必要条件．夹持的片材应有可靠的气密性，不然，成型时就会发生漏气、片材滑动(允许滑动的另当别论，且所用装置也小相同)和片材的弯扭等。为满足生产上的需要，央持框架大多是做成能在垂直或(和)水平方向上移动的。11．3．3抽空系统需用抽空的热成型设备，一般都附有自给的抽空设备，只有在设备数量较多的工厂中才使用集中抽空系统。自给设备中采用的真空泵大多是叶轮式的，所能达到的真空度通常是520毫米柱，特殊情况下亦有达至670毫米柱的。真空泵的转动功率随成型设备的大小而定，较大的设备中常有大至2—4千瓦的。集中抽空系统的大小视工厂具体生产和发展的要求而定，一般都是按预定规划单独设计的。采用真空泵的类型有轮式和蒸气

式等。为求得抽空时的气压平稳，不论是自给设备或集中系统都应设置真空设备。11．5．4

压缩空气系统压缩空气除大量应用于成型外，还有相当一部分是用于脱模、初制品的外冷却、框架的运动和运转片材的。与真空系模具和样，压缩空气系统也随具体情况的不同而有自给和集中两种形式。中等大小热成型设备中所附的空气压缩机多数都是单级或双级的压气机，压力范围为6～7公斤／厘米2任何压缩空气系统部应附设贮压器*借以平稳所施的压力。由于热成型用的压力不很高，因此对模具刚度的要求比较低，这样，用的材料就不一定用钢材。常用的制模材料有：木材(硬木和压缩木料)，石膏，塑料(酚醛．环氧树脂、聚酯．氨基等塑

料)，铝和钢等。选用制模材料的主要依据是制

品的生产数量和质量．试制产品时，一般用硬木或石膏作模，产量不大的用塑料，高产量或高质量(表面光洁度高或结构较为精细的)的可以用铝或钢。壁都应设置斜度以便脱模。脱模的斜度一般为0．5～3度，而阳模为2～7度。由热成型制成的制品，其收缩率0．002～0．009。设计模具时应对这种收缩率给予正当的考虑。11．5

工艺因素分析热成型的操作虽然比较简单，但是这种工艺所牵涉的因素都不少。为能从热成型取得满意制品，有必要对这些因素进行了解。这里只就热成型中片材的加热、成型和制品的冷却脱模所牵涉的主要工艺因素作一扼要分析，最后举例说明如何从制品设计的规格和厚度计算所用成型片材的规格(分批进料式)和厚度的问题．11．5．1

加热将片材加热到成型温度所需的时间．一般约为整个成型工作周期的50～80％。因此，对如何缩短加热时间的考虑是有其重要意义的。加热(或冷却)片材的时间，随片材厚度和比热的增大而加多，但却随片材的导热系数和传热系数的增大而减少。不过加多或减少都不是单纯的直线关系，而是比较复杂的。比如，在相同条件下，对不同厚度的一种片材进行加热，其情况见表11—l成型温度的下限应以片材在牵伸最大的区域内不发白或不出现明显的缺陷为度，而上限则是片材不发生降解和不会在夹持架上出现过分下垂的最高温度。为了获得最快的成型周期通常成型温度都偏于低限位。例如ABS的低限成型温度可低至127℃，高限可达180℃。用快速真空成型低牵伸制品时，成型温度为l40℃左右，深度牵伸的制品温度约为350℃，只有较为复杂的制品才达高限成型温度，约为170℃。11．5．2

成型成型时，造成制品厚薄不均的主要原因是片材各部分所受的牵伸不同。不均的问题虽可用花扳遮蔽加热和模具上通气孔的合理分布得到一定的改善，但是这些方法都能为制品的稳定性带来不利。必须：这种由不同牵伸面引起的厚薄不均现象在各种基本的成型方法中不尽相同，其中以差压成型法最为严重，影响制品厚薄不均的另一个因素是牵伸或拖曳片材的快慢，也就是抽气、鼓气的速率或模具、框架、辅助柱塞等的移动速率。一般说来，速率应尽可能地快，这对成型本身和缩短成型周期均有利，因而有时甚至将孔改为长面窄的缝。例如电冰箱衬套成型时，用正常的真空孔，抽气时间需要2～5秒，而改用长窄缝后，则抽气时间可降到0．5秒。11．5．3

冷却脱模由于塑料导热性差．随着成型片材厚度的增加，冷却时间就会增长。冷却分内冷和外冷两种，它们既可单独使用也可组合使用，这应根据制品的需要而定。不过通常大多采用外冷却，因为简单易行．不管用什么方式冷却．重要的是必须将成型制品冷却到变形温度以下才能脱模。例如，聚氯乙烯为40～50℃，园酸纤维素为50～60℃，聚甲基丙烯酸甲能为60～70℃。冷却不足，制品脱模后会变形，但过分的冷却则在有些情况下常会由于制品收缩而包紧在模具上，致使脱模发生

。除塑料片材因加热过反而引起分解或因模具表面过于粗糙外，片材很少有粘附在模具上的现象的。偶尔出现这种现象可在模具表面涂抹脱模剂以消除这一弊病11．5.4

片材厚度片材的正确厚度和它的面积依赖于制品实际断面的最小厚度和形状。这里从面积比的概念介绍片材厚度的计算方法。面积比是与卒仲深度相联系的，并可用制品面积和原片面积之比来表示。例如，如果片材的面积为300厘米2，则制品的总面积为600厘米2，则其面积比为2：1。知道面积比即能粗略地算出片材的厚度。11．6

热成型常用的几种塑料用于热成型的塑料以氯乙烯类，烯烃类，丙烯酸酌类和纤维素类的塑料居多，不过近年来采用工程塑料的数量也渐增多。现在按类分述如下：1．氯乙烯类用于热成型的主要是硬聚氯乙烯和软聚氯乙烯。前者具有较高的稳定性和抗冲性能，优良的抗化学腐蚀性能以及低吸水性，抗张强度也比较大，且有防燃的性能。它的主要缺点是容易发黑。热成型制品的类型有：浮凸地图，帽盔，小型容器，化工设备等。硬聚氯乙烯在正常成型温度(表ll—2)下的牵伸率最好是5～25％。更高的牵伸率应以严格的温度控制为前提，温度偏低不可能获得高度的牵伸，而过高时则有

的 。软聚氯乙烯的成型温度比硬聚氯乙烯低，具体温度数值依赖于增塑程度。这种材料很难制得牵伸比大和结构精致的制品。主要制品有垫子和皮夹等。2．烯烃类聚乙烯可在高于它的5～50℃范围内成型。成型温度高时有利于制品的稳定性。采用的原料最好是熔融指数偏低的，这样可以防止成型中片材的过度下垂。主要制品有：家庭用具、用具、耐沸水的厨房用具、玩具、小型建筑构件和包装容器等。聚乙烯的特性是韧度高(即在低温下亦如此)、无毒。且能抗御多种化学药品的腐蚀。聚丙烯的成型与高密度聚乙烯极为相似制品的种类亦相仿，但其中尤为重要的是包装容器。3．苯乙烯类双轴定向的聚苯乙烯片材是可以用为热成型的，但所用框架必须很结实，以防片材的热收缩而发生意外。事实上这是用定向片材作原料时的通则。制品的种类主要有：透明的小型包装容器、文件保存盒、护罩等。热成型时，对片材的温度应严格控制。聚苯乙烯 片材也可用作热成型的原料，但必须是高质量的。由于这种片材的导热性极差，成型时所用加热器的温度不宜大于340℃，加热时间不得不予以延长，当然，如果采用挤出机供料时即可免去加热的麻烦。这种材料还出于加热时能够进一步气胀，因此容易在成型中出现起皱的现象。用这种材料制成的制品特点是重量小和绝热性好，所以常用为制造包装容器和短时保冷保热的容器。ABS共聚物既可以顺利地用各种热成型方法成型，又可以制得大和结构精致的制品，这主要是由于它的热机械强度较好的缘故。这种材料极坚韧，它的抗冲性性能不仅很好，而且在低温下也无多大的改变。此外，它还有耐擦和不染污食物的优点。其缺点是比较容易为光和热所老化。由这种材料制成的制品主要飞机、汽车和某些设备的部件，冷藏货车的衬材，机器的掩护罩，货运箱等。d．丙烯酸酯类用聚甲基丙烯酸甲酯的铸塑或挤出片材成型时均无特殊 ，而且两者在成型技术上也无多大的差别。不同的只是铸塑片材的成型温度更高一些。聚甲基丙烯酸甲酯的特点是：透光性强，抗冲性高，能抗光的老化等。制品的种类有：飞机舱罩，各种灯罩、天花板等。5．纤维素类醋酸纤维素片材是这类塑料中用于热成型的主要材料。制品的种类以透明的包装容器和用作陈列样品的容器为多。这种材料如在较高温度下成型则常会起泡。片材中的增塑剂和残余的溶剂很可能因加热而向外逸。因此，当用阴模成型时，挥发物质即会凝结在模面上。克服的办法是在阴模中