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塑料成型工艺与模具设计(完美篇)
第一章 绪论 §1－1 课程的性质、内容和要求 1. 性质：主要专业课 2. 内容： 由于注射成型的用途广泛，所以近年来，注射成型技术无论是在成型物料方面，或者是在成型设备、 成型模具和成型工艺方面，均在迅速发展。 本门课主要阐述： 注射成型理论；注射成型工艺条件选择与控制；注射模的结构组成与设计方法等。 3. 要求： 1）熟悉塑料注射成型的基本原理和工艺过程。 2）掌握塑料注射模的工作原理、结构组成和基本设计方法 3）了解塑料挤出成型、压注成型等其他成型工艺的基本原理。 4. 教学安排： 本课程是一门实践性很强，综合运用基础知识的课程 1）为配合本课程的学习，安排了认识实习、生产实习及试验课，以了解注射机的结构、原理、工艺、 模具特点。 2）此外，还有2周的课程设计和约13周的毕业设计。 由此，对所学内容进行全面复习与应用，达到理论联系实际，培养分析问题和独立设计模具的能力。 使用教材： 参考书目： 齐晓杰主编. 塑料成型工艺与模具设计. 哈尔滨：机械工业出版社，2007 曹洪深主编. 塑料成型工艺与模具设计. 北京：机械工业出版社，1993 王孝培主编. 塑料成型工艺及模具设计简明手册. 北京：机械工业出版社，2000 任鸿烈、冯良编. 塑料成型模具制造技术. 广洲：华南理工大学出版社，1989 王树勋、邓庚厚编. 典型注塑模具结构图册. 长沙：中南工大学出版社，1992 许健南主编. 塑料材料. 中国轻工业出版社. 北京，1999 §1－2 塑料及其应用 一、塑料的概念 1. 概念：塑料是一种由树脂和某些助剂结合而成的高分子化合物。 2. 性能：可在一定温度和压力下具有流动性，可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸的塑料制件。 3. 组成： 1）树脂：又称高分子有机化合物、聚合物。一般相对分子量在一万～数百万之间，分天然与合成两种。 合成树脂：是人工将低分子化合物单体通过合成方法生产出的高分子化合物。 作用：粘结作用，又叫粘料。 2）添加剂：添加到树脂中，以改善树脂的某种性能的材料。单纯树脂不能满足成型工艺要求和使用要 求。 4. 特点： 1）密度小：ρ=0. 9～2. 3g／cm3，约为铝的1／2，铜的1／6。 泡沫塑料：ρ=0. 01～0. 5g／cm3。制成同样大小的制品，塑料件要轻得多。 2）比强度高：按单位质量计算的强度。虽然塑料的强度不如金属，但因小，其相当高。如：40Cr调质 后=1000MPa，=128。而用玻璃纤维增强的塑料，拉伸比强度可达170～400 3）绝缘性好： 原因：塑料原子内部一般没有电子和离子，故大多数绝缘性好。 用途：广泛用于电机电器、电子行业，作结构零件和绝缘材料，如插头、插座、开关、手柄、电器等。 4）化学稳定性好：对酸、碱等化学药品具有良好的耐腐蚀能力。 其中PTFE的化学稳定性最高，抗蚀能力优于黄金，”王水” 对它也无可奈何，故称为”塑料王”。 广泛用于化工行业和日用品中，如：管道、密封件等。 5）减摩、耐磨性好：摩擦系数小、耐磨性强，可用来制造轴承、齿轮、密封圈等。 如PTFE：对钢的动、静摩擦系数为0. 04，使用温度250℃。 6）减振、隔音性好：来自聚合物大分子的弹性、柔韧性。制成的传动摩擦零件噪音小、吸振性好。 7）不耐热，在阳光、压力和某些介质下易老化。 8）线胀系数大，影响精度。 9）透光、绝热。 §1－3 塑料工业的发展 1. 初创阶段： 30年代以前，科学家研制成了酚醛PF、硝酸纤维素（与樟脑混合制取可塑性塑料）及醋酸纤维素。 特征：间歇法，小批量生产。 2. 发展阶段： 30年代，低密度聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚氯乙烯PVC和聚酰胺PA等塑料相继工业化，为进一步发展开辟了道路。 3. 飞跃发展阶段：50年代中期到60年代末。 1）石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料 2）齐格勒纳塔用有机金属铬化物定向催化体系聚合工艺创立的高分子学科的进一步发展及聚合技术的 开拓，使高密度PE和PP工业化 3）工程塑料也因碳酸脂PC和聚甲醛POM、聚酰亚胺PI等的相继出现并实现工业化生产，使塑料向耐高 温的领域发展。 4）增强及复合材料的出现使塑料步入高强度、耐高温的尖端材料领域。 5）此阶段，塑料的产量和品种不断增加，成型加工技术更趋完善 4. 稳定增长阶段： 70年代以来，出现石油危机，原材料价格猛涨，塑料的增长速度下降。 此阶段特点： 1）通过共聚、交联、共混、复合、增强、填充和发泡等方法来改进塑料的性能，提高产品的质量，扩 大应用领域，生产技术更趋合理。 2）塑料工业向着生产工艺自动化、连续化，产业系列化，不断开拓功能性塑料的新领域发展。 5. 我国的塑料工业。 起步较晚 40年代只有酚醛和赛璐珞两种塑料，年产量仅200t。 50年代，万吨级聚氯乙烯装置投产。 70年代中期，引进几套石化装置建成投产。 同时塑料成型加工机械和工艺方法也迅速发展。 由于新的工程塑料不断开发与应用，成型工艺不断成熟与完善，极大促进了塑料成型模具的开发与制 造。 随着工业塑料制件和日用塑料制件的品种和需求量的日益增加，产品的更新换代周期越来越短，对塑 料的产量、质量要求越来越高。 §1－4 塑料成型在工业生产中的重要性 * 认识：模具是工业生产中的重要装备。 塑料模是指用于成型塑料制品的模具。 模具设计水平的高低、加工设备的好坏、制造力量的强弱、模具质量的优劣，直接影响新产品的开发 和老产品的更新换代，影响着产品质量和经济效益的提高。 美国称：模具工业是美国工业的基石； 日本称：模具是促进社会繁荣富裕的动力； 德国给模具工业冠之以”金属加工业中的帝王”称号； 欧盟国家称：模具就是黄金； 新加坡把模具工业作为”磁力工业”； 中国模具权威称：模具是印钞机。 *发展状况 在仪器仪表、家电、交通、通讯、轻工等行业的产品零件中，70%以上是用模具生产的。工业发达国 家模具工业产值早已超过机床行业的产值。 日本：1991年模具工业已实现高度的专业化、标准化和商品化。全国一万多家企业中，塑料模、冲压 模企业各占40%。 韩国：新近统计，模具专业厂中塑料模占43. 9%，冲压模占44. 8%。 新加坡：460家企业，60%生产塑料模，35%生产冲模和夹具。 说明目前塑料模已和冲压模并驾齐驱。 中国：1989年，国务院颁发了”当前产业政策要点的决定”在重点支持技术改造的产业、产品中，把模 具制造列为机械工业技术改造序列的第一位，它确定了模具工业在国民经济中的重要地位。 中国发展状况 中国模具的历史已有数千年，数千年前的模具水平可谓世界最先进的技术水平。但近代与发达国家的 模具行业比较，可能落后几十年到百年。1984年建立了中国模具协会，1987年以后才逐步形成中国模具行 业。当时中国的模具在世界上是漠漠无闻的，经过二十多年的努力发展已是万人注目其存在，在世界上的 竞争力与影响力日益增大。总体 目前全国：共有模具生产厂点l. 7万个，从业人员50多万人（01年）。 销售额： 1985年近2亿元 2006年的720亿元 21年间增长了360倍 进出口总额： 万美金 2006年30亿美金 22年间增长了120倍 2001年进口11. 2亿美元，出口1. 88亿美元 2006年进口20亿美元， 出口10亿美元 中国发展状况 我国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步： 大型、精密、复杂、高效和长寿命模具上了一个新台阶。过去不能生产的模具现在已能完全生产，有部分 模具已达到国际水平，有的已为国际上大企业所采用。2在大型塑料模具方面，已能生产48英寸电视的塑壳模具、65Kg大容量洗衣机全套塑料模具，汽车保险 杠、整体仪表板等模具。 在精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。 其他塑料模具，例如塑料门窗异型材挤出模等，也都达到了较高的水平，并可替代进口模具。 模具CAD／CAE／CAM技术广泛地得到应用，并开发出了自主版权的模具CAD／CAE／CAM软件。 电加工、数控加工在模具制造技术发展中发挥了重要作用。 热流道和气辅技术、快速原型技术、高速加工技术等都有了大的进步。 与国外的差距 差距： 与国外的差距： 1）供需矛盾比较突出 目前国内市场满足率仅在70％左右，大部分模具是企业自产自用，作为商品 流通的模具仅占1／3；所产模具基本上以中低档为主，一些大型、精密、复杂和长寿命的高档模具，在技 术上还无法与发国家相比．生产能力也远远不能满足国民经济发展的需要。 2）产品结构和企业结构很不合理 模具产品结构比例： 我国：冲压模50％，塑料模34％．压铸模6％，其它10％： 发达国家塑料模所占比例一般在40％左右； 大型、精密、长寿命模具所占比例我国25％，发达国家50％以上 企业结构比例： 我国主要模具生产能力集中在各主机厂的模具分厂(或车间)内，模具商品化率很低：只有30％～40％， 而国外可达70％以上； 专业模具厂结构：我国也大多是”大而全” “小而全” 国外则大多是”小而专” “小而精” 3）专业化、标准化程度低 除少量标准件外购外，大部分工作均需要模具厂自己去完成，造成模具制 造周期长，不能适应市场要求 4）设计和工艺技术落后 如模具CAD／CAM技术普及率不高，加工设备数控化程度低等，也造成了 模具生产效率不高，周期较长。 5）产品水平低 模具产品的水平主要有模具加工的制造精度和表面粗糙度，加工模具的复杂程度、模 具的使用寿命和制造周期等 国外 国内 最高加工精度 0. 005～0. 01mm 0. 02mm 粗糙度 Ra0. 1～0. 05? Ra0. 2? 交货期 约为1个月 为2～4个月 6） 工艺装备水平较差 我国机床工具行业已经可以提供成套的高精度模具加工设备，如加工中心、 数控铣床、数控仿形铣床、电加工机床、座标磨床、光曲磨床和3坐标测量机等。 但在加工和定位精度、加工表面粗糙度、机床刚性、稳定性、可靠性、刀具和附件的配套性方面，与 国外相比，仍有较大差距。 §1－5 塑料成型技术的发展趋势 1. 成型理论的进展： 随着塑料件的大型化和复杂化，模具的重量达数吨至十多吨，若只凭经验设计，往往因设计不当造成 模具报废，数十万元的费用将毁于一旦，所以设计模具已逐渐向理论设计方面发展。 包括：模板刚度、强度计算，充型流动理论的建立。 目前，有关挤出成型的流动理论和数学模型已建立，并已有应用。有关注射成型的流动理论尚在探讨， 注射成型的塑料熔体在一维、二维简单模腔的充型流动理论和数学模型已解决，并已加强在三维模腔中流 动行为的研究。 2. 成型方法的革新： 一些新型或有特殊要求的塑料制品要求新的成型方法。 如对注射成型 ：有无流道凝料赘物的注射成型、热固性塑料注射成型、低发泡、排气反应、增强反应 及多品种塑料的共注射成型等。 3. 塑料制件的精密化、微型化和超大型化： 精密注射成型是能将塑料制件尺寸公差控制在0. 01～0. 001mm之内的成型工艺方法，主要用于电子、 仪表工业。 微型化制件要求在微型设备上生产： 德国已有0. 1g的微型注射机，可生产0. 05g左右的制件。 国内已有0. 5g的微型注射机，可生产0. 1g左右的制件。 大型化要求有大型、超大型注射成型设备： 法国已有17万g的超大型注射机，合模力150MN（1. 5万吨） 美国已有10万g的超大型注射机。 日本已有9. 6万g的超大型注射机。 国内已有3. 5万g的超大型注射机，合模力80MN。 4. 模具技术进步：体现在4个方面 31） 2） 3） 4）1）模具加工技术： 已广泛应用仿形加工、电加工、数控加工等先进技术，并使用坐标镗、坐标磨、三坐标测量仪等精密 加工与测量设备，提高加工精度，缩短加工周期。 2）新材料的研制和应用： 模具材料的选用是模具设计制造中的一个较重要的问题，它将直接影响模具加工成本、使用寿命及塑 料件质量等。 国内外已对模具的工作条件、失效形式和提高寿命的途径进行大量研究，开发出许多性能良好、加 工性好、热处理变形小的新型模具钢（预硬钢、新型淬火回火钢、马氏体时效钢、析出硬化钢、耐蚀钢等）。 3）CAD／CAM： 是塑料模具生产中一项革命性措施，也是模具技术发展的一座里程碑。它的出现可从根本上改变模具 的生产面貌，其技术经济效益是十分巨大的，不仅可使模具生产效率提高几倍乃至几十倍，更可保证模具 质量水平的提高。 4）模具零件的标准化、专业化： 是缩短模具加工周期，降低模具成本的重要方法之一。 据统计，只是标准化、专业化生产，即可降低成本50%。 目前， 美国、 日本标准化程度已达70%～80％， 专业化程度分别为90%、 74%。 中国标准化程度为20%， 专业化程度约10％。 思考题 为什么塑料有广泛的用途？ 学习塑料工艺与模具课程有什么意义？ 了解塑料与合成树脂的概念。 第二章 注射成型理论基础 §2－1 聚合物大分子的结构特点 一、概念： 1. 聚合反应：将低分子化合物单体转变成大分子物质的过程。 N×CH2＝CH2 ――→ [ CH2－CH2 ─ ]N ─ 式中，CH2＝CH2是乙烯单分子， [ CH2－CH2 ] 是聚乙烯结构单元分子式。 N是聚合度，即聚合物所含结构单元的数量，N越大，则聚合物的相对分子质量越高。 2. 聚合物：聚合反应的产物。 3. 高分子化合物（也叫大分子物质、高聚物）：相对分子质量大于10000时的聚合物。 二、 大分子的形态特点： 1. 大分子长链结构：通过聚合反应形成的大分子呈长链结构，象一根细丝，很易弯曲，无外力时为 ─ 蜷曲状。 2. 具有柔顺性：由于C－C键彼此相接时有一定角度，在外力作用时可改变角度，且可自由旋转。致 使具有一定柔软性和弹性。 三、大分子链状结构的类型： 1. 线形结构：整条大分子象一根长长的链条，基本上没有分支。 特点：可反复加热，冷却。 2. 支链型：整条大分子具有一个线型主链，旁边带有一些分支。 特点：可反复加热，冷却。 3. 体形结构：多个大分子之间发生交联化学反应，使彼此联接起来，形成网状。 特点： 1）一般是有相对分子质量较小的预聚物经过交联反应生成。 2）只能在交联时进行一次加热，之后便永远固化 §2－2 聚合物的物理状态及加工性能 聚合物的物理力学性能与温度密切相关，温度变化时聚合物的受力行为发生变化，呈现出不同的力学 状态。 如图：曲线1为非结晶聚合物即线形无定型聚合物受恒应力作用时变形程度与温度的曲线关系，此曲 线明显分为三个阶段，即此聚合物存在三种物理状态。 1. 玻璃态：T＜θg，曲线基本是水平的，变形程度小，且可逆，处于刚性状态 特点： 1）呈坚硬固体状。 2）受力变形符合虎克定律，弹性模量和力学强度较高。 3）可进行车、铣、刨、磨等切削加工 2. 高弹态：θg＜T＜θf，温度在玻璃化温度与粘流温度之间。表现为柔软而有弹性。 特点： 1）也呈固体状（橡胶状）。 2）可获得很大的弹性变形（不服从虎克定律），弹性是可逆的 3）长时间施加外力后，可产生塑性变形（外力强制分子链运动的结果）即外力等效温度作用的性质。 44）变形量不能满足注射成型要求。 5）可进行弯曲、吹塑、引伸、真空成型、冲压等。 3. 粘流态：或称熔融态熔体。θf＜T＜θd 特点： 1）可产生很大的宏观流动，且不能回弹。 2）其变形属于液态变形性质，叫粘性变形（此为注射成型应用的状态，并可挤压，压延，模压等）。 4. 热分解：即降解 T&θd 5. T&脆化温度θb时，物理性能将发生变化，很小的外力就折裂。 使塑料失去使用价值。θb是塑料是使用的 下限，θg是塑料使用的上限温度，T&θg时塑料不能保持其尺寸稳定性和使用性能。 曲线2为线形结晶聚合物的热力学曲线。 可知，通常不存在高弹态，和θm对应的温度即叫熔点，即熔融与凝固的临界温度。 1) 该聚合物低于θm时变形量很小，耐热性较好。 2) 故无明显的高弹态可在脆化温度和熔点之间应用。所以使用温度范围较宽。 §2－3 成形过程中聚合物的物理化学变化 一、聚合物的结晶 1. 概念： 结晶： 材料的质点既近程有序，又远程有序，即有规则紧密排列 结晶型聚合物： 聚合物中具有分子作有规则紧密排列的区域(结晶区) 无定型聚合物： 聚合物中没有结晶区。 结晶度： 结晶区在聚合物中所占的重量百分比。 结晶过程： 聚合物由非晶态转为晶态的过程。 结晶特征： 在高温熔体向低温固体的转变过程中，分子链的构型得到稳定规整的排列。 2. 结晶对聚合物性能的影响：* 聚丙烯PP结晶度 70% → 90% 1)密度： 结晶意味着有规则排列， ρ↑ 0. 896 → 0. 903 2)抗拉强度： 结晶后分子间作用加强σb(MPa)↑ 27. 5 → 42 3)冲击韧度： 因其分子链规整排列 ak↓ 15. 2 → 4. 86 4)弹性模量： E↓ 4400 → 980 5)热性能： 软化温度热变形温度 θg(℃)↑ 124. 9 → 151. 1 6)脆性： 脆化温度 θb(℃)↑ 0 → 20 7)表面粗糙度： 结晶后分子规整排列，是致密性↑从而Ra↓ 8)透明度：球晶会引起光波散射，导致透明性下降或丧失。 二、聚合物的取向 1. 概念：聚合物的大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列。 2. 原因：聚合物熔体在流道中流动的速率是中心最大，管壁处为0，呈抛物线状，此时大分子链段将 顺着流动方向作平行排列。 (若不作这样的排列， 细而长的链段将以不同的速度运动， 实际上这是不可能的。 ) 3. 分类： 1) 按应力性质分 拉伸取向：由拉应力引起，取向方位与应力作用方向一致。如取向薄膜，单丝等。 流动取向：由切应力引起，沿熔体流动方向形成。 如注射。 2)按熔体流动性质分 单轴取向：取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列。 如流道中的流动情况。 多轴取向：取向结构单元均沿着两个或多个方向有序排列 如模腔中的流动情况。 3）按温度分布情况分 等温取向：机筒、喷嘴中的取向可近视为等温取向。 非等温取向：各种流道、浇口及模腔中的取向。 4. 取向对性能的影响 取向的结果是出现各向异性，取向方位的力学性能显著提高，收缩率增大，垂直与取向方位性能下降。 有时需要取向，如取向薄膜、单丝； 有时应消除取向，如许多厚度较大的塑料件。 5. 注射成型时影响取向的因素： 1）温度： 熔体θR↑→变形和流动能力↑→↑― ├→取向程度↓ 模具θm↑→解取向能力增加更快↑― 解取向：取向后的聚合物大分子在高温下因布朗运动而恢复原来的蜷曲状态的能力． 2）注射压力、保压力↑→熔体中切应力和切变速率↑→加速取向 3）冲模速度：快速冲模时因流速作用，表层附近高度取向，内部温度↑→解取向能力↑ 慢速冲模时模 具带走的热量↑，熔体温度↓→取向能力↑54）浇口冻结时间： 浇口尺寸↑→冷却变慢↓冻结较晚→充模延时→可在一定程度上补偿热运动引起的解取向，尤其在浇口 附近取向非常明显。 三、 降解 1. 概念：把相对分子质量降低的现象称为降解或裂解。 2. 原因：由于受到热和应力的作用或由于高温下聚合物的微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用， 导致分子断裂、交联与结构改变。 3. 影响：较轻时，使聚合物变色。进一步，分解出低分子物质，粘度↓出现气泡、流纹等弊病，并削 弱塑料的物理力学性能。严重时，会使塑料烧焦、碳化、变黑。 4. 措施：对成型来说，热降解是主要的，由应力、氧气和水引起的为次要的。 1）严格控制原材料的技术指标，避免杂质； 2）生产前，干燥处理，特别是聚酯、聚醚、聚酰胺等易吸水分 3）制定合理的成型工艺，特别是对热稳定性差，加工温度与分解温度接近塑料； 4）加入稳定剂、抗氧化剂等，以提高抗降解能力。 四、交联 1. 概念：聚合物线型结构转变为体型结构的化学反应过程。 2. 特点：交联后聚合物的强度、耐热性、化学稳定性和尺寸稳定性提高。 3. 适应：热固性塑料。对热塑性塑料是有害的。 4. 原理：聚合物分子链中带有反应基团（羟甲基）或反应活点（不饱和键等），成型时与交联剂（硬 化剂）作用而交联在一起。 思考题 1） 聚合反应的概念。 2） 高聚物的相对质量有多少。 3） 聚合物大分子的形态特点。 4） 聚合物大分子有哪几种结构类型。 5） 聚合物的物理状态。 6） 结晶与结晶度的概念。 7） 取向的原因和对制品性能的影响。 8） 影响取向的因素。 9） 降解的概念。 10） 产生降解原因和预防措施。 11） 交联反应的概念和特点。 第三章 成型物料 §3－1 塑料的组成 1. 树脂（塑料的主要成分） 作用： 1）联系或胶粘着塑料中的其他一切组成部分； 2）决定塑料的类型和性能。 2. 助剂 用以改善塑料原料的某些性能的添加剂。 作用：改善工艺性能：改进加工条件，提高生产效率；提高使用性能：改善制品性能，延长寿命。 1）填充剂： 作用：大大降低塑料成本；显著改善塑料性能。 如：* 酚醛树脂中加入苯酚，克服了脆性，成本降低； PE、PVC中加入钙，提高刚性耐热性，成本降低； 聚酰胺、聚甲醛中加入MoS2、石墨、PTFE，使耐磨耐热，抗水，硬度提高； * 塑料中加入玻璃纤维，机械强度大大提高。 类型：按化学性能：无机填料、有机填料 按形状：粉状、层状、纤维状等 粉状：木粉、硅藻土、滑石粉、云母粉、石棉粉、高岭土、石墨、金属粉； 层片状：纸张、棉布、石棉布、玻璃布、木片； 纤维状：棉花、亚麻、石棉丝、玻璃丝、碳纤维、金属须 2）增塑剂 概念：能与树脂相溶的不易挥发的高沸点有机化合物。 作用： (1）降低树脂的熔融粘度和温度，改善流动性； (2）改进塑料的柔软性、提高延伸率、冲击性及耐寒性。 原理：加大树脂分子间距，因而削弱大分子间的作用力，使树脂分子容易滑移，从而使塑料在较低温 度下具有良好的可塑性和柔软性。 常用：邻苯二甲酸二丁酯、氯化石蜡。 3）稳定剂 概念：可以提高树脂在热、光、氧和霉菌等因素作用时的稳定性，阻缓塑料变质的添加剂。 概念6类型： 类型 热稳定剂 抑制成型过程中可能发生的热降解反应；延缓制品在储存使用中因热、光、氧的引起的 降解。 光稳定剂 防止在阳光、灯光、高能射线下的降解和性能变坏。 抗氧剂 预防和抑制高温氧化、光辐射氧化脱氢等。 要求：稳定效果好；耐水、油、化学药品，与树脂相溶；成型过程中不分解，挥发小，无色。 要求 常用：硬脂酸盐（锌）、铅的化合物等。 常用 4）润滑剂 作用：改进流动性，减少或避免对设备、模具的摩擦和粘附。 作用 常用：硬脂酸及其盐类。 常用 5）着色剂 类型：有机颜料、无机颜料、染料。 类型 要求：性质稳定、不易变色、着色力强；与树脂有良好的相溶性，不与其他成分起化学反应。 要求 6）固化剂（硬化剂）、交联剂 如：酚醛树脂加入六亚甲基四胺，环氧树脂加入乙二胺等。 另外，还有发泡剂、阻燃剂、防静电剂、导电剂、导磁剂。 §3－2 塑料的分类 一）按受热行为分 1. 热塑性塑料 特点： 1〉大分子链比较容易活动，受热时分子间可以相互移动； 2〉具有较好的可熔性和可模塑性。 3〉固化后可以再次加热、冷却而反复具有流动性和固化性。 常见品种：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯、 PE PP PS PVC PA ABS 聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚矾 PMMA PTFE POM PC PSF 2. 热固性塑料 特点： 1〉加热之初分子呈线型结构，具有可熔性和可塑性，可制成一定形状塑料件。 2〉继续加热时发生交联，分子呈网状结构，固化后，可熔性、可塑性消失。 3〉冷却后无法再次加热软化或熔融，高温下只能被烧焦碳化。 常见品种：酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、不饱和聚酯、PF EP UP 硅塑料。 二）按固态聚合物大分子构型分 1. 结晶型塑料 PE、PP、PA、POM、甲醛 2. 不定型 PS、PVC、PMMA、PC 三）按应用范围分 1. 通用塑料：产量大、用途广、价格低、性能一般。产量占总量的一大半以上。 包括6大品种：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛、氨基塑料 PE PP PVC PS 2. 工程塑料：在工程技术中用作结构材料。 具有较高的强度，很好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性及尺寸稳定性，即具有某些金属性能，可以替 代金属作某些机械构件。 常用：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、ABS、聚矾、聚苯醚、聚四氯乙烯 PA POM PC ABS PSF PPO PTFE 3. 特殊塑料：具有某些特殊性能的塑料 。 有高的耐热性或高的电绝缘性及耐腐蚀性。 如：氟塑料：聚四氟乙烯。减摩自润滑零部件，高温下或腐蚀介质中的各种无润滑活塞环，低转速摩 擦轴承等。 §3－3 塑料的成型工艺性 一）收缩性 1. 概念： 塑料经成型冷却后，其尺寸或体积发生收缩的现象。 2. 表现形式： 1）线尺寸收缩：热胀冷缩、脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因。 2）后收缩：脱模后，各种残余应力松弛导致尺寸变化。 3）收缩的方向性： 取向效应→各向异性→使收缩量因方向不同而有差异。 7沿取向方位强度大，收缩大，出现方向性，会造成扭曲现象。 3. 收缩率 实际收缩率：Ss=(LSQ－Ls)／Ls×100% 计算收缩率：SJ=(LM－Ls)／Ls×100% 对大型、精密模具成型零件尺寸计算时常采用Ss 对普通中、小模具成型零件尺寸计算时常采用SJ 二）流动性 1. 概念：在成型过程中，塑料熔体在一定温度和压力作用下充填模腔的能力。 2. 表示方法： * 熔体指数 熔体指数MI： 在一定温度和压力下，10min内从熔体指数测定仪出料孔挤出的聚合物熔体质量(g)表示。 g／10min。 MI越大则流动性越好。 * 螺旋流动试验值 螺旋流动试验值 验值： 将被测塑料在一定温度和压力下注入标准的阿基米德螺旋线模具内，用其所能达到的流动长度（cm） 表示。 流动长度越大，流动性越好。 3. 影响流动性的因素 1〉成分 2〉温度 3〉压力 4〉剪切作用 5〉模具结构 思考题 1） 2） 3） 4） 热塑性物料、热固性物料的概念。 通用塑料、工程塑料、特殊塑料的概念。 试述收缩性及其表现形式。 流动性的概念与表达方式。 第四章 普通注射成型工艺 §4－1 注射成型原理及工艺过程 一、原理二、工艺过程 一）成型前准备 1、原料检验 成型前对原料进行外观和工艺性检验 内容：色泽、粒度、均匀性、流动性、热稳定性、收缩率 2、干燥处理 （除去水分子及挥发物 ） 作用：避免制件表面出现银丝、斑纹、气泡和物料降解。 3. 嵌件的预热 嵌件：为了满足装配和使用强度的要求，注射成型时镶嵌在塑料制品内部的金属件。 注射成型制件冷却时，制件与嵌件收缩量不一样，嵌件周围会产生较大的内应力，导致嵌件周围的强 度下降或出现裂纹。 预热→ 温度差↓→ 内应力↓ 4. 料筒清理 除去残存废料 5. 脱模剂的选用 1）液体石蜡 用于聚酰胺（PA） 2）硬脂酸锌 用于聚酰胺以外的塑料 3）硅油 润滑效果好，但是价格较贵，使用不便。（需配甲苯溶液） 二）注射过程( 包括加料、塑化、充模、冷却和脱模几个过程) 1. 加料 要求：因是间歇过程，需定量加料，以保证操作稳定，塑化均匀，获得良好的塑件。 8加料过多→ 热降解、功率损耗↑ 加料过少→ 压力↓，难于补缩，出现凹陷、空洞 2. 塑化 概念：指塑料在料筒内经加热达到流动状态并且具有良好的可塑性的过程。 要求： 1）达到规定的成型温度； 2）熔料各点温度应均匀一致； 3）能提供足够数量的熔融塑料。 故应视塑料的成型特性，正确选择工艺参数和设备 3. 注射 指用柱塞或螺杆推动塑化后的塑料熔体充满塑料模型腔，并使熔体在压力下冷却凝固定型，直止制品 脱模的全过程。 1）充模阶段： 从柱塞或螺杆向前推进，将熔体射入型腔开始，到填满型腔为止． 时间：0→t1； 压力：0→P0 2）保压补缩阶段： 熔体填满型腔开始，直到柱塞（螺杆）开始后退为止。 时间：t1→t2； 压力：P0 保压：注射压力对模腔内的熔体继续进行压实的过程。 补缩：对模腔内熔体因成型收缩而出现的孔隙进行补料的动作。 作用：补充因收缩（冷却）而在模腔中造成的空隙，使模腔内熔体压力不变，从而提高制品的完整性 和致密型，减少制品因收缩而造成的缺陷。 若保压力不足，补缩会因浇口摩擦阻力限制不易进行。 若保压时间不足，也会因倒流造成模腔压力迅速下降的现象。 3）倒流：从柱塞开始后退到浇口处熔料冻结为止。 时间：t2→t3，因柱塞后退→ 模腔压力↓→浇注系统压力↓ →熔体从型腔中倒流→型腔压力↓ （P0－Ps） 影响因素：保压时间短→倒流严重 保压时间长→倒流减少，甚至无倒流 对制品质量的影响：Ps和温度决定制品的平均收缩率 4）浇口冻结后的冷却：t3－t4 制件在密封状态下继续冷却、硬化、定型，同时注射机开始重新塑化。 随温度↓→Ｖ塑件↓、p↓ 开模时型腔与大气压力之差称残余压力Ｐr。 影响Ｐr大小的因素：P0大小及保压与冷却时间长短。 Pr对质量的影响： Pr＞0 脱模较困难，制品易刮伤或破裂。 Pr＜0 制品表面易凹陷，内部有真空泡。Pr→0 脱模容易，质量好。 5）脱模 三）制品的后处理 1. 原因：塑化、冷却不均匀→ 收缩不均匀→内应力→使用中变形开裂。 2. 作用：消除内应力，改善性能，提高尺寸稳定性。 3. 方法： （1）退火处理：制品在一定温度下保温一段时间后缓慢冷却。 介质：热水、动物油、甘油、液体石蜡等。 温度：大于使用温度10～20℃到小于热变形温度10～20℃。 时间：取决于塑料品种、介质温度、制件形状、壁厚和精度 （2）调湿处理：主要用于聚酰胺类塑料 原因：该类塑料脱模时，高温下接触空气容易氧化变色。在空气中存放或使用时容易吸水膨胀，使精 度下降。 方法：制品脱模后立即放在热水中处理，以隔绝空气防止氧化，消除内应力，且加快吸湿平衡，稳定 制品尺寸。 温度：100～120℃。 时间：取决于品种、形状、厚度、结晶度大小。 §4－2 注射机与注射成型系统 1）注射成型系统：指注射机内用于成型动作的注射系统、合模系统以及安装在注射机上的模具。 2）注射量：指注射机一次工作行程所能注射出的熔体的体积(cm3）或质量（g）。 理论注射量：在对空注射条件下，柱塞（螺杆）作一次最大行程时，注射装置所能注射出来的熔料的 体积VT （cm3）。 9VT=πDs2×S／4 实际注射量：按85%的理论注射量折算出的聚苯乙烯Ps的质量Q（g）。 Q=0. 85ρVT 式中，ρ=1. 05―Ps的密度(g／cm3) 3）合模力：指注射机的合模机构所能施加的最大加紧力。 * 最大成型面积的确定 经验公式 A=KV2／3(cm2) 式中：V―注射量cm3 K―经验系数 约为1. 2～1. 5 * 所需合模力F F=C Pm A 式中：C―安全系数， C=1. 1～1. 5 Pm―模腔平均压力（Pa） A―面积（cm2） §4－3 注射成型工艺条件的选择与控制 一、温度 1. 料温 1）料温对成型工艺的影响 料温适当时，塑化好、粘度↓ 流动阻力↓ 压力损失↓ 熔体在模内流动充模条件较好。 料温太低，不利于塑化→物料粘度↑→流动成型比较困难、制品容易出现熔接痕、表面无光泽、缺料。 料温太高，易热降解 → 制品性能下降。 其中，喷嘴温度略低于料筒最高温度，以防止出现”流涎”现象。 2. 模温 指和制品接触的模腔表壁的温度。 模具温度对熔体的充型能力及塑件的内在性能和外观质量影响很大， 模温的高低取决于结晶性的有无、 塑件尺寸和结构、性能要求及其他工艺条件。 1）模温对非结晶型塑料成型工艺的影响 模温↑→ 熔料粘度↓→ 充模能力↑，但冷却时间长。 在实现顺利充模情况下，模温↓→ 冷却时间↓→ 生产率↑ 2）模温对结晶型塑料的成型工艺及制品性能的影响 熔料注入型腔后，当温度降到熔点以下即开始结晶，模温的高低影响冷却速度和结晶速度，从而影响 制品性能。 模温较高→ 冷却速度↓ 模温较低→冷却速度↑ 因此，以中温比较合适。 3）模温的控制 热平衡：熔料注入模具自然升温和自然散热达到平衡来保持模温 降温：通入冷却介质。 升温：采用介质加热或电加热。 二、压力 1. 塑化压力 背压 * 概念： 采用螺杆式注射机时，螺杆头部熔料在螺杆转动后退时受到的压力叫背压。 背压的大小影响螺杆对物料的塑化效果及塑化能力。故又称塑化压力。该压力可通过溢流阀来调节。 * 背压对成型工艺和制品质量的影响：背压↑ 1）驱除物料中的空气，提高熔体密实程度。 2）螺杆后退速度↓剪切作用↑摩擦热↑熔体温度↑塑化效果↑ 3）但塑化速度↓成型周期↑甚至导致降解 *背压的选择： 在满足制品质量的前提下，背压低一些为好，一般小于2MＰa 2. 注射压力 1）概念： 螺杆（柱塞）向前移动时，其头部对塑料熔体施加的力。 2）作用： ①克服熔体从料筒流向型腔的流动阻力； ②使熔体具有一定的充模速度； ③对熔体进行压实。 压力范围一般在40～130MPa之间，见P107表4－12 3）选择规则： a 对于玻璃化温度和熔体粘度较高的塑料宜用较大的注射压力 10b 对尺寸较大、形状复杂或薄壁制品，因流动阻力大，也需要较大的注射压力。 c 熔体温度低时，注射压力应大些。 d 实际流动比应小于熔体在定压下的流动比。 三、时间 概念： 充模时间（柱塞、螺杆前进时间） 保压时间（柱塞、螺杆停留在前进位置的时间） 注射时间 闭模冷却时间（柱塞后撤、螺杆转动后退的时间均在其中） 其他时间（开模、脱模、涂脱模剂、放嵌件及合模时间） 其中注射和冷却时间是基本组成部分，对质量有决定性影响 1. 注射时间：注射活塞开始向前运动至保压补缩结束为止，所经历的时间。 其中：充模时间不长，一般小于10s； 保压时间较长，一般20～120s，壁厚的可达5～10min。 * 保压时间对质量的影响： 不充分：倒流→模压↓→制品内部产生真空，表面出现凹陷。 足够长：浇口冷结→无倒流→制品密度↑收缩小，无缺陷。 过 长：浪费时间→无助于密度的增加。 * 保压时间选择： 1）形状复杂和薄壁制件，为保证质量，应增加注射压力。 2）通常以塑料制品收缩率最小为保压时间的最佳值。 2. 冷却时间：指注射结束到开启模具的时间。 * 影响因素： 熔体温度、模温、制品厚度、塑料的热性能、结晶性能。 * 选择原则： 脱模时制品应有一定的刚度，不因温度过高而变形翘曲，同时尽量缩短冷却时间，一般30～120s。 四、注射成型的用料量 1. 注射量 概念：注射机在每一次工作行程中向模内注入的熔体质量或体积。 要求：制品的注射量ｍi＜设备的最大注射量ｍI ｍi=(0. 1～0. 8)ｍI 或者 ｍimax=1. 25(Nｍg+ｍj)＜ｍIρ件／ρI 式中：ｍg―塑件质量 ｍj―浇注系统赘料质量 N―型腔个数 ρI―聚苯乙烯的密度 2. 塑化量 概念：注射机单位时间内能够使物料转变成具有注射温度下的最大熔体量（即最大塑化量）。g／s（是 针对聚四氟乙烯PS） 其他塑料的最大塑化量=PS的塑化量×PS在注射温度下的总热容 ／注射塑料在注射温度下的总热容 五、合模力的计算和控制 1. 概念： 额定合模力FI：注射机合模系统产生的合模力。 工艺合模力Fi：注射时实际需要的合模力。 在不同阶段，其值不同。 2. 要求： Fi＝APＭ＜FI 或 Fi ≤（0. 8－0. 9）FI 式中：A―制品（包括浇注系统和飞边）在分型面上的投影面积； PＭ―平均模腔压力。 §4－4 注射成型制品的设计 一、注射成型制品的工艺性： 概念：制品的注射成型性能的好坏。 制品的工艺性好，则成型容易，工艺条件宽松，模具结构简单，成本较低。 二、影响工艺性的因素： 1. 形状结构； 2. 尺寸大小； 3. 尺寸精度； 4. 表面质量。 三、制品设计 1. 设计原则 1）保证制品的使用要求(几何尺寸、精度、物理力学性能等) 2）力求选用成型性能好、价格低廉的塑料； 3）应力求使形状、结构简单，壁厚均匀（易成型）； 114）形状合理，有利于模具分型、排气、补缩和冷却； 5）避免明显的各向异性，以免制品翘曲变形； 6）技术要求尽量放低； 7）辅助工作量应尽量少(成型后最好不再机加工) 2. 制品尺寸 1）外形尺寸 * 影响因素： a. 塑料的流动性 可使制品尺寸 b. 注射机规格：注射量、合模力、成型面积、模具固定板尺寸 * 选择方法： 在满足制品使用要求前提下，尽量使结构紧凑，以减小外形尺寸，节省材料和能耗。 2）制品壁厚 * 对工艺的影响： t↑→材料消耗↑成本↑，冷却时间（周期）↑易产生凹陷、缩孔、夹心→强度↓ t↓→流动阻力↑不易成型 * 选择方法（最小壁厚）： 热塑性塑料流动性好，最小壁厚可达0. 25mm，但一般≮0. 6～0. 9mm，常取2～4mm。 3. 制品的尺寸精度： （1）概念：指获得的塑料件尺寸与产品图中尺寸的符合程度。 （2）影响因素： 1）成型材料：塑料的收缩性、流动性、水分、挥发物含量、原料配置工艺、生产批量等； 2）工艺条件：成型温度、压力、时间→ 收缩量→ 精度； 3）制件形状：形状、壁厚→成型收缩；脱模斜度→尺寸精度； 4）模具：制造精度、磨损程度、形状结构→收缩的方向性； 5）成型后的时效变化：后收缩，存放不当将产生弯曲、扭曲等变形。 由以上的分析可知塑件的尺寸精度往往不高，应在保证使用要求的前提下，选用较低的精度等级。 （3）公差： 公差标注时，孔前冠以”+”号；轴前冠以”－”号；中心取其半，冠以”±”号。 * 公差的选择： 1）配合尺寸精度高于非配合尺寸精度； 2）受收缩波动影响，小尺寸易达到高精度； 3）不同塑料，收缩率变化不同，尺寸稳定性不同 4）未注公差按表中8级精度处理 。 4. 表面粗糙度 影响因素： 原料质量，操作水平，模腔表面质量 制品Ra↓，要求模腔表面越光滑，制造难度越大 一般模腔表面Ra要比塑件Ra低1～2级或为制品的1／2～1／4 选择：主要考虑外观，一般为Ra0. 02～1. 25um ５．形状结构* (1) 脱模斜度：因为冷却收缩，使塑件包住凸模或型腔中的凸起，因此为便于从塑件中抽出型芯或从型 腔中脱出塑件，防止脱模时拉伤塑件，模具上必须有一定的斜度。 * 影响脱模力的因素： 1）收缩率增加，使包紧力增大，导致脱模力增大 2）壁厚 3）制品形状 4）脱模斜度减小，使脱模力增大，且易损伤制品表面 * 范围： 一般α＝0. 5～1. 5° 1）外表面取较小值，内表面取较大值； 2）型芯越高或型腔越深，α取较小值，反之取较大值； 3）为使制品在脱模时留在型芯上，内表面α＜外表面α，反之亦然； 4）制品精度越高，α越小。 (2) 圆角 除了使用上要求采用尖角之外，其余转角处均应尽可能的采用圆角过渡。 作用：避免应力集中，提高制品强度，改善流动，便于脱模。 大小：内角R=0. 5t 外角R=1. 5t (3) 加强筋 1）作用：a 增加塑件强度 b 防止制品翘曲变形如果增加壁厚不合理易产生缩孔和凹陷 2）加强筋形状123）设计原则 * 筋的方向应与物料的填充方向一致，否则将因筋的干扰而出现成型缺陷 * 多设计一些高度较低的筋代替较高的筋。 * 两筋的中心距不小于2t。 * 各条筋的排列相互错开。 * 各筋厚度应尽量相同。 (4) 支撑面 a. 不宜采用大平面； 原因：不易做平（变形翘曲）、不易支撑（不平稳） b. 一般采用底脚（3点，4点）支撑或边框支撑； c. 支撑面附近有加强筋时，筋的顶部应低于支撑面0. 5mm以上 (5) 增强结构（防止变形结构） 1）原因 a. 某些结构不许有加强筋或加强筋效果不理想的情况； b. 塑件在较高温度下取出后，将发生较大变形，需设防变形结构。 2）方法 a. 底面加强 b. 边缘加强 c. 平板加强 d. 侧壁加强 （6）孔 1）常见孔型 a 通孔 b 盲孔 c 复杂孔 2）孔对成型工艺的影响 a. 使熔体流动困难（型芯作用）。 b. 孔的周围易产生熔接痕使强度降低。 c. 模具结构复杂。 3）孔的设计原则 a. 孔间距取孔的2倍以上（考虑强度）。 b. 孔的周边要加厚（强度和刚度）。 c. 孔与端部的距离最好大于孔径的3倍以上（d小于10mm时） d. 孔径应为轴径的120％～140％，装配后需有一定间隙，以免产生热应力。 e. 盲孔时型芯为悬臂梁，如直径太小，会因塑料流动而变形 d＜1. 5mm时，h≤2d；d=1. 5～5mm时，h≤3d； d=5～10mm时，h≤4d。 f. 对于深孔，可用对接型芯，为防止偏心，应将一个型芯加大 （7）侧凹和侧孔 侧凹：侧向的凹凸结构。 1）侧凹的设计（尽量避免侧凹） a. 尽量应用较浅的侧凹以强制脱模，用于软塑料制品（如PE、PP等） b. 对于较深的侧凹可采用瓣合模式模具，但结构复杂，制造困难。 2）侧孔的设计 a. 可采用侧向分型与抽芯机构，但模具结构复杂。 b. 尽量改善侧孔结构，以达到事半功倍的目的。 方法：使其能实现轴向抽芯 （8）嵌件 1）概念：注射成型时镶嵌在塑料制品内部的金属零件。 2）作用 a 提高制品的强度，刚度 b 满足某些特殊的使用要求（导电导磁，抗磨） c 保证制品的精度和尺寸稳定性 3）对工艺的影响 使模具结构复杂，操作时间延长 4）常用的嵌件形状 5）设计要点 a 止转止退结构：环行沟槽、滚制花纹、特殊形状 b 膨胀系数 c 形状对称（收缩均匀） d 圆角过渡，减少应力 e 定位正确且牢固 思考题 1） 注射成型工艺过程132） 注射过程 3） 注射时塑料流动的几个阶段 4） 制品后处理的原因和方法 5） 三大工艺条件的概念及其对成型工艺的影响 6） 影响注射成型工艺性的因素 7） 塑料制品的设计原则 8） 排气的原因 9） 定模、动模、分型面 10）影响尺寸精度的因素 11）选取脱模斜度的原因方法 12）圆角半径的作用 13）加强筋的作用和设计原则 14）增强结构的常用形式 第五章 注射模设计概论 §5－1 注射模的基本结构及分类 一、注射模的基本结构与工作原理 一）基本结构 1. 成型零部件（包括凸模、凹模、型芯等） 作用：主要决定制品的几何形状与尺寸。 2. 导向机构（导柱、导套、导柱孔） 作用：1）保证动定模之间或模具其他零部件之间的准确对合，以保证制品形状和尺寸的精度。 2）避免模具中各种零部件间发生碰撞和干涉。 3. 浇注系统（主流道、分流道、浇口、冷料穴、拉料杆等） 作用：将注射机注射出的塑料熔体引向闭合模腔。 其形状和大小对熔体充模时的流动特性及制件质量等有重要影响。 4. 顶出脱模机构： 概念：将制件脱出模腔的装置。 组成：拉料杆、顶杆、顶杆固定杆、顶杆底板等。 5. 侧向分型侧向抽芯机构： 在开模顶出制品之前，由该机构先把成型侧凹(或侧孔)的瓣合模块或侧向型芯从制品中抽出。 6. 排气结构：（包括排气槽、配合间隙排气等） 在塑料熔体充模过程中，排除模腔中的空气和塑料本身挥发出的各种气体，以免造成成型缺陷。 7. 温度调节系统： 目的：为了满足注射成型工艺对模具温度的要求，以保证塑料熔体充模和制品的固化定型。 8. 支撑零部件： 作用：安装固定或支撑成型零部件，使之组装在一起，构成模具的基本骨架。 二、注射模分类 一）按塑料品种分 热固性塑料、热塑性塑料、低发泡塑料。 二）按安装方式分 移动式注射模：成型后将模具移出注射机工作空间后脱模 固定式注射模：动定模分别固定在注射机上 三）按型腔数目分 单型腔注射模 多型腔注射模 四）按流道结构特点分 1. 普通流道 2. 绝热流道 3. 热流道 五）按所使用的注射机分 1. 立式注射模 2. 卧式注射模 3. 直角式注射模 六）按总体结构分 1. 单分型面 2. 双分型面 3. 活动镶块式 4. 可自动卸螺纹式 5. 定模侧设有顶出脱模机构的注射模 6. 带有侧向分型与抽芯机构的注射模 §5－2 分型面的选择 一、类型 1. 制品全部在动模内 2. 制品全部在定模内 3. 制品同时在动定模内 4. 制品在瓣合模块内成型 二、常见分型面形状141. 平面分型面 2. 阶梯分型面 3. 斜分型面 4. 曲面分型面 5. 主、辅分型面 6. 瓣合分型面 三、选择原则 1. 应选在对制品外观没有影响的位置，且应易于清理或不产生飞边。 2. 应有利于制品的脱模，否则模具结构会变得复杂。 应使制品在开模后滞留在动模一侧，应使型腔位于定模。 3. 不应影响制品的尺寸精度。 不应将制品中，精度要求较高的表面进行分割。 4. 应尽量减小模腔在分型面上的投影面积。（分型面的方向） 以免在分型面面积接近许用注射面积时产生溢料现象。 5. 应有利于排气。 要求分型面尽量与最后充满熔体的模腔表壁重合。 6. 应尽量减小脱模斜度，减小给制品大小端带来尺寸差异。 对于要求较高的制品，分型面应设在制品中部。 7. 模具按分型面分剖后应便于加工。 8. 应尽量减小开模行程。 当制品要求较高，脱模行程可能大于开模空间时 §5－3 注射模与注射机的关系 一、国产注射机的主要技术规格 二、注射机性能参数校核 设计模具时要先选择确定模具的结构类型及一些最基本的参数和尺寸，并应与注射机的技术规格相匹 配，否则，模具将无法使用。其计算校核内容如下： 1. 模腔数量的确定和校核 1）按注射机的最大注射量mＩ确定模腔数量N1 K mＩ≥ N1 ms+mj=mi N1 ≤（k mＩ－mj）／ms 2）按注射机的塑化能力确定模腔的数量N2 原理：塑化能力≥工艺需要的能力 kmp≥(N2ms+mj)3600／t ∴ N2≤(kmpt／3600－mj)ms 式中 m ―注射机额定塑化量（g／h，cm3／h）pk―利用系数，取0. 8 ms―单个制品的质量或体积（g，cm3） mj―浇注系统和飞边所需的塑料量（g，cm3） t―成型周期（s） 3）按额定合模力FI确定模腔数量N3 FI≥ pL(AsN3+Aj)=Fi N3≤ (FI－pLAj) ／ (pLAs) A ―浇注系统飞边的投影面积（mm2）jAs―单个制品在分型面上的投影面积（mm2） pL―单位投影面积所需的合模力，近似为模腔平均压力 4)按制品要求的尺寸精度确定模腔数量N4(经验公式) N4=(δ－δd?L／100)／(δd?L／100×4%)+1 =2500δ／δd?L－24 式中L―制品的基本尺寸 δ=1／2△ △―制品的尺寸公差 δd=1／2△d △d―单腔时塑件可达到的公差 PE、PS、PC、ABS等无定型塑料△d≈±0. 05% POM PA－66 △d≈±0. 2%、±0. 3% 对于高精度制品 N4≯4 2. 注射量校核（影响因素较多） mi=(0. 1～0. 8)mI 3. 合模力，投影面积校核 Fi≤（0. 8～0. 9）FI Ai=AsNs＋Aj&AI 4. 注射力校核 所需注射力应稍小于设备的最大注射力 Pi≤PI 5. 模具厚度校核 Hmin≤HM≤Hmax 156. 开模行程(S)校核 HM确定后，S的大小将影响模具所能成型的制品高度 (1)Smax与HM无关（液压－机械式合模系统） S≤Smax－(5～10)mm 1)单分型面注射模 S=H1+H2 2)双分型面注射模 S=H1+H2+a 其中：H1―制品脱离模具所用距离 H2―制品高度（包括浇注系统） a―取出凝料所需的高度 （2）Smax与HM有关（液压式或丝杠式合模系统） Smax=SK－AM SK―动定模固定板最大距离 S≤SK－HM－5～10） mm （3）考虑侧抽距时的最大开模行程校核 侧抽距Hc：完成侧向抽芯动作所需的开模距离。 1）Hc&S时，以Hc代替前式S校核 2）Hc&S时，可不考虑Hc的影响 7. 推顶装置校核 （1）顶出形式（模具推板应与注射机顶杆的形式相匹配） 1）中心顶杆 2）两侧双顶杆 3）中心顶杆液压顶出与两侧机械顶出联合 4）中心顶杆液压顶出与其他开模辅助油缸联合 （2）顶杆直径，顶杆间距 （3）顶出距离 8. 模具安装与固定尺寸校核* （1）模具外形尺寸与拉杆间距的关系 （2）模具安装与固定板上的螺钉（梯形槽）位置和孔径要相适应。其连接方式有： 1）通孔连接 特点：固定安全；台阶尺寸大，影响模具尺寸，装卸费时，要求通孔与螺孔一致。 2）开槽连接 特点：安装灵活可靠，尺寸较小。 3）压板固定 特点：安装灵活，台阶尺寸小；固定不如1方案可靠。 （3）主流道尺寸与喷嘴尺寸相适应 （4）应使主流道中心线与机筒中心线重合 要求：定位环与定模中心的定位孔配合。 思考题 1） 模腔数量的确定和校核 2） 注射机的分类 3） 合模力的作用 4） 注射模的分类 5） 分型面的选择原则 6） 嵌件及其作用和设计要点 7） 注射模的基本结构应包括哪几部分 8） 成型侧凹时可采用强制脱模的条件 9） 制品厚度对成型工艺和制品质量的影响 10）孔对成型工艺的影响和设计原则 第六章 浇注系统设计 概念：塑料熔体从注射机喷嘴流向型腔的通道。 它向型腔中的传质、传压、传热情况决定着塑件的内在和外观质量。它的布置和安排影响着塑料成型 的难易程度和模具的复杂程度。 §6－1 浇注系统的组成及其设计原则 一、浇注系统的组成 1. 主流道： 是连接注射机喷嘴与分流道的一段料流通道。是模具进料的入口，可将熔体从喷嘴引入到模具。 2. 分流道：16主流道与浇口之间的一段料流通道。用于一模多腔和一腔多浇口时，将熔体分配至各型腔或同一型腔 的各处，起着对熔体的分流转向作用。 单腔单浇口模具，常常没有分流道。 3. 浇口： 是分流道与模腔之间，长度非常短，截面最小的一段料流通道，其形状和尺寸大小对成型工艺和塑件 质量有重要作用。 4. 冷料穴： 位于主流道末端分型面的动模一侧，分流道较长时，其末端也可设冷料穴，也可在型腔外相应处设置 冷料穴。 作用：收集前锋冷料，防止冷料堵塞浇口及进入模腔后影 响质量。 二、浇注系统的作用： 1. 注射时，将熔体均匀而平稳地输送入模腔，并使腔内气体及时顺利排出；2. 冷却凝固时，将压力 有效地传递到型腔各部位，以获得形状完整、内外在质量优良的塑料制件。 三、浇注系统的设计原则 浇注系统设计是否合理，对塑料件性能、结构、尺寸、内在质量等影响很大，还与塑件的材料利用率、 成型生产效率等相关，所以是模具设计的重要环节。 1. 应与所用塑料的成型特性相适应 不同的塑料品种，其流动性不同，流道和浇口的选择也将不同。 2. 流程尽量短，以减小热量与压力损失。 应使熔体在模具中的流程尽量短且不发生弯曲，同时控制好流道的表面粗糙度，从而减少压力损失和 熔体的热量损失，并缩短充模时间。 3. 应有良好的排气。 应能顺利地引导塑料熔体充满型腔的各个角落，使型腔和浇注系统中的气体有序地排出，充填时不发 生涡流和紊流。也不会导致气体积存而产生的凹陷、气泡、烧焦等缺陷。 4. 防止型芯变形和嵌件位移。 避免熔体正面冲击细小型芯和嵌件。 5. 便于修整浇口，以保证塑件的外观质量。 浇口的位置和形状尽量根据制品的形状和使用要求确定。 6. 防止制品变形和翘曲。 7. 合理设计冷料穴。 以免产生冷疤或冷斑。 8. 尽量减少塑料消耗。 应使浇注系统长度和容积尽量小。 §6－2 主流道设计 主流道属于从热的塑料熔体到相对较冷的模具的一段过渡流动长度。其形状和尺寸最先影响熔体的流 动速度和填充时间，必须使熔体的温度降和压力降最小，且不影响熔体的充模能力。 一、主流道设计 ｏ ｏ ｏ ｏ 1. 锥度α，一般2 ～8 ，常用4 ～８ 。 目的：便于凝料脱出。 2. 小端直径D1，应大于喷嘴孔径0. 5～1mm。 特点：主流道与喷嘴间同轴度有偏差时，避免凝料卡滞在内。 3. 凹球面半径，应大于喷嘴半径1～2mm。 特点：使两者紧密接触，防止两球面出现间隙而溢料，影响脱模 4. 主流道长度一般≯60mm，同时受模座厚度与模具结构限制 5. 球面配合高度 h=3～5mm。 6. 主流道表面粗糙度 Ra=0. 8～1. 6。 二、主流道衬套设计 1. 概念：将主流道开设在一个嵌套中，便形成主流道衬套，也可直接开在定模底板中。 2. 优点： 1〉便于加工； 2〉寿命长 便于选材和热处理，减少熔体和喷嘴接触和碰撞时的摩擦与变形。 3〉损坏后便于修磨和更换。 3. 常见形式A 常见形式B 4. 主流道衬套的固定 1〉与定位环设计成整体式，一般用于小型模具。 把A型衬套的头部直径dh加大到与注射机定模固定板上的定位孔一致，用于配合定位，并采用螺钉孔 与定模底板固定， 2〉与定位环配合 将衬套和定位环设计成两个零件， 然后配合固定在模板上。 定位环的作用： 使主流道衬套与喷嘴对中。 dj、dm分别与定位孔和模具底板配合，且可系列化。内孔与衬套配合：H9／f9 §6－3 分流道设计 一、要求：171. 能平稳、均衡地将熔体分流到各个模腔； 2. 熔体通过分流道时的温度下降和压力损失应尽量小。 二、设计要求： 1. 分流道布排应尽量平衡。 从主流道到各个型腔的分流道设计长度相等，截面形状和尺寸都相同，使所有型腔同时得到均一的充 填和成型，制件质量和精度一致。 2. 分流道的长度应尽量短，且少弯折。 可最经济地使用原料和注射机的能耗，减少压力损失和热量损失。 3. 当分流道较长时，其末端应留有冷料穴。 4. 截面尺寸： 在满足充模前提下尽量小，但应在充模补缩后方可凝固。 截面过大：1）积存空气增多，塑料易产生气泡； 2）塑料耗量增大； 3）冷却时间增长。 截面过小：填充时间增长，导致塑件缺料，产生波纹等， 5. 截面形状： 1）比表面积：流道表面积与体积之比。 比表面积减小，则在输送相同体积的熔体时，传给模具的热量减小，和模具间的摩擦阻力减小。 2）加工的难易程度： 为了使凝料脱模，分流道一般设置在分型面上，截面形状不同，加工的难易程度不同，生产成本也不 同。 圆形截面分流道比表面积最小，因此流动性最好，热量损失最少，是理想的形状，但是要以分型面为 界分成两半加工才有利于凝料脱出，故其工艺性不佳，且闭合后难以确保两半圆对准，故实际不常用。 生产中常用梯形，小型模具用U型。 6. 表面粗糙度： 为避免外层冷料进入模腔，分流道表面粗糙度Ra不能太小。 1）这样有助于熔体外层冷却及固定； 2）内外层产生速度差，具有合适的剪切速率和剪切热。 §6－4 浇口的设计和选择 一、浇口的概念： 1. 概念：亦称进料口，是连接分流道与型腔的通道。除直接浇口外，它是浇注系统中截面积最小的部 分，也是关键部分。 浇口的位置形状及尺寸对充模流动性质和塑件质量有重要影响。 2. 分类： 1）非限制性浇口：直接浇口 作用：起着引料、进料作用。 2）限制性浇口 作用： a 通过截面积的突然变化，使熔体产生加速度，使切变速率增加。使熔体呈理想的流动状态，迅速而 均衡地充满型腔； b 调节浇口尺寸，可使多型腔同时充满，使系统平衡； c 调节浇口容积，控制填充时间，提高制件质量； d 便于浇口凝料与塑件分离；f提高生产率。 二、浇口的形状及特点 1. 直接浇口 1）特征：熔体直接由主流道进入型腔。浇口尺寸没有缩小，而是主流道的自然延伸，对熔体流动无限 制，又称非限制性浇口。 一般都开设在塑件一端的中心，故又称中心浇口。 2）特点： a. 流动阻力小，料流速度快； b. 浇口尺寸大，冷却冻结慢，保压补缩时间长； c. 残余应力大。压力直接作用在塑件上，会在进料处产生较大的残余应力而导致塑件翘曲变形。 3）用途： a. 各种塑料生产，大型厚壁长流程深型腔制品。对PE、PP等取向严重的塑料，不宜成型浅而平的 塑件； b. 单腔模。 4）设计要点： a. 尺寸仿照主流道设计； b. 浇口直径不宜过大。182. 点浇口 1）特征：直径很小。 2）特点： a. 熔体通过浇口时产生大量摩擦热，使温度上升，粘度下降，流速增大，流动性提高，有利于薄壁 塑件成型； b. 残余应力小，特别是浇口附近； c. 对浇口位置的限制较小，可自由地选择进料部位； d. 浇口尺寸小， 料易塑件自行断开，易实现自动脱件； e. 浇口痕迹小，修整后几乎看不出； f. 冻结快，成型周期短； g. 易实现均衡进料； h. 模具结构复杂，采用三板结构； i. 要求采用的注射压力较高。 3）用途： 低粘度塑料和非牛顿型塑料； 不适用厚壁塑件成型、高粘度塑料和牛顿型塑料。 4）结构形式： 3. 侧浇口 1）特征： 开设在分型面上，从型腔的侧面进料，截面形状多为矩形狭缝。也称边缘浇口、普通浇口，对称为标 准浇口。 2）特点： a. 加工容易，修整方便； d. 可根据塑料形状特征灵活地选择进料位置； c. 调整h和b，可调节熔体充模时的剪切速率及浇口冻结时间 d. 会形成熔接痕、缩孔、气孔等缺陷，浇口痕迹大； e. 注射压力损失大，对深型排气不便。 3）用途： 所有可注射成型的塑料。 4）尺寸： LG与压力降成正比，h影响冻结时间，b越大填充速度越低，阻力越小。 经验公式： b=(0. 6～0. 9)√A／30 ， h=b／3 式中，A―塑件的外侧表面积（mm2） 4. 扇形浇口 侧浇口的一种变异形式。当制品的A过大，算出的b值&分流道直径时，易选用扇形浇口. 1）特征： 沿进料方向，宽度递增，厚度递减，断面积保持不变. 并通常在与模腔结合处形成1mm左右的台阶。 2）特点： a. 熔体带入模腔的空气较少； b. 熔体在宽度方向上的流动更均匀，塑件的内应力较小； c. 避免流纹和取向：当b太小时，流程差增大，两侧部分 的内外层温差增加，取向程度大于中心，产生翘曲变形； d. 浇口痕迹较明显，且去除困难。 3）尺寸： b1、h1按侧浇口方法计算；b2、h2按等截面法计算 b2可达宽度的1／4；h2=0. 25～1. 6mm 4）应用： 成型横向尺寸较大的薄片状及平面面积较大的扁平塑件。 5. 平缝浇口，又称薄片式浇口 1）特征： b很大，可沿宽度方向，h很小，成为狭缝，外边开设平行 流道，可以较低的线速度，平稳流入型腔。 2）特点： a. 内应力小，避免减少气泡和取向引起翘曲； b. 疤痕明显，耗料多。 3）应用：大面积扁平制品。 6. 环形浇口 1）特征：浇口呈环形，开设在塑件的外侧。 2）特点：进料均匀，不产生熔接痕，气体易排出；浇口难去除，痕迹明显。 3）用途：一模多腔生产小型圆管状筒形塑件。 197. 盘形浇口 1）特征：浇口呈环形，开设在塑件的内侧。 2）特点：与环形浇口相同；另外，型芯只能一端支撑，为悬臂梁，刚性较差，制件同心度较差。 3）用途：用于一模一腔的情况。 8. 轮辐式浇口 1）特征：在盘形浇口基础上加以改进；由圆周进料改为几段小圆弧进料；浇口尺寸与侧浇口类似。 2）特点：a. 浇口用料少且易切除； b. 可使型芯上部进行定位，稳定性增加； c. 易形成熔接痕。 3）用途：直径更大的筒形件或带有更大中心孔的塑件。 9. 爪形浇口 1）特征：与轮辐浇口的区别为：分流道与浇口不在同一平面，而是成一定夹角。 2）特点：型芯上部可得到支撑，稳定性提高，有利于保证壁厚均匀。 3）用途：内孔小且同轴度要求较高的细长管状塑件。 10. 潜伏浇口，由点浇口演变 1）特征：浇口的分流道位于分型面上，而浇口本身设在模具的隐蔽处。 2）特点：a. 具 有点浇口的优点； b. 模具简单，浇口开在分型面，避免三板式结构； c. 表面质量美观。 d. 浇口断开时受剪切作用。 3）应用：较软的塑件。 11. 护耳式浇口 1)特征：采用小浇口加护耳的方法来改变塑料熔体流向，以避免熔体喷射流动，影响充模及成型后的 制品质量。 2）特点：受到护耳的阻挡作用而使熔体线速度减慢，流向改变，致使熔体能够均匀地流入模腔。 3）应用：大型ABS、聚甲基苯烯酸甲酯、聚碳酸酯等透明塑料制品。 三、浇口位置的选择 浇口的位置不同，熔体充入模腔时的流程、流向、流态都会不同，型腔内各部分的熔体压力分布也会 不同，从而对塑件的内在质量和外观质量产生影响，且影响模具结构。 1. 避免产生喷射 良好的流动应保证模具型腔的均匀充填，并防止形成分层。而喷射充模可能增加表面缺陷、流线、熔 体破裂及夹气。如果通过一个狭窄的浇口充填一个相对较大的型腔，将出现喷射，特别是低粘度熔体。 2. 考虑取向的影响 垂直于流向方位上强度降低，易应力开裂。利用取向改善性能。 3. 尽量缩短流动距离 应保证熔体迅速和均匀地充填模具型腔，不要使流程过长，从而避免和减少因取向应力和收缩不均造 成翘曲。 对于浅而平的大型制品，应采用多个点浇口，或薄片式浇口。 4. 应开在塑件壁厚最厚处 优点：a. 可保证充模流动性； b. 有利于压力有效传递； c. 有利于补缩。 5. 有利于排气 要避免从容易造成气体滞留的方向开设浇口，应远离排气结构，否则，可能出现缺料、气泡，或焦斑 等缺陷。 6. 减少熔接痕对强度和外观的影响 应考虑熔接痕的数量、强度和方向。 方案：a. 采用直接浇口、点浇口、环形浇口可避免； b. 熔接处设置冷料穴； c. 使熔接痕方向对强度有利。 7. 避免料流挤压型芯或嵌件 对于细长型芯要特别注意浇口位置。 § 6－5 浇注系统的平衡进料设计 一、概念： 采用多腔注射模进行成型生产时，如果流经浇注系统的塑料熔体能够同时到达和充满各个模腔， 则称该浇注系统为平衡系统，反之则为不平衡系统。 二、系统不平衡的缺点：各模腔充模条件不一致 最先充满的型腔内的熔体就会停止流动，浇口处的熔体便开始冷凝，并在较低压力下冻结，无法 对型腔内的制品进行压实和保压；最后充满的型腔则会在较高的压力下凝固，制品密度较高。从而造20成各模腔制品的质量不一致。所以必须对浇注系统进行平衡设计。 三、系统平衡的条件： 1）浇注系统平衡的充分条件是通往各个模腔的料流通道的截面形状、截面尺寸及其长度 对应相等。 2）对通往各模腔的料流通道截面积和长度进行调整，使熔体通往各个模腔的体积流量相 等，也可以保持系统平衡。 1．平衡式浇注系统 平衡式浇注系统的特点：从分流道到浇口及型腔，其形状、长度尺寸，圆角、模壁的冷却条件 等都完全相同，因此熔体能以相同的成型压力和温度同时充满所有的型腔，从而可以获得尺寸 相同、物理性能良好的制品。 图a～c为圆周式布置平衡系统：流程短，转折少，因而流动时压力损失小，效果好。但加工较困堆，适 合圆形制品及精密制品。2．非平衡式浇注系统的均衡进料 部分非平衡式浇注系统如图h～j所示。 在非平衡式浇注系统中，为了使各个型腔能同时均衡地充满，必须将浇口做成不同的截面形状 或不同的长度，实行人工平衡。人工平衡常采用平衡系数法。该法基于各个型腔的平衡系数相等或成 比例，来近似确定各个浇口的尺寸，计算式为(6－l0) 式中k―浇口平衡系数，它与通过浇口的熔体重量成正比； S―浇口截面积(mm2)； L―浇口长度(mm); a―由主流道到型腔浇口的距离(mm)。若各模腔尺寸一致， 分流道的间距为150mm， 分流道直径均为6mm， 例 对于如图i所示的一模十腔注射模具， 浇口长度均为0.5mm，为了平衡浇注系统，试决定各型腔的浇口截面尺寸。 h 由对称性得知，1=S2=S9=S10，3=S4= S7=S8， S S 解:采用侧浇口， 并设bi为浇口i的宽度，i为浇口i的厚度。 S5=S6。 1) 取浇口5的截面积S5为分流道截面积的7％，可得 S5=0.07×π(6／2)2mm2＝1.98mm2 取浇口的宽度是浇口厚度的3倍，则 2 3h5 =S5=1.98mm h5=0.81mmb5=3h5=3×0.81mm=2.43mm 2) 由图i可知a5=50mm，由式（6－10）得3)a3＝(150+50)mm＝200mm3h3 =3.96mm2 h3=1.15mm 4）a1=(150+150+50)mm=350mm，用同样方法可得 由此可得2S1=5.24mm2, h1=1.32mm, b1=3.96mm5）由对称性可知：b2=b9=b10=b1=3.96mm h2=h9=h10=h1=1.32mm b4=b7=b8=b3=3.45mm h4=h7=h8=h3=1.15mm 从此例可知，S1＞S3＞S5, 即为了使各型腔能同时充满，应将靠近主流道处的浇口做得小些，而将较远的浇口做得大些。 当各型腔的大小不相同时，应采用如下近似公式来平衡浇口：（6-11）21式中M1、M2分别为型腔l与型腔2的塑料熔体填充量(g)，k、S、L、a含义与式6-10相同。§ 6－6 冷料穴设计 一、概念： 容纳注射时前锋冷料的井穴。 二、作用： 1. 注射时，避免冷料流入模腔后形成冷疤、冷瘢等，降低强度； 2. 开模时，将浇注系统凝料拉在动模一侧，便于脱模。 三、设置部位： 主流道末端、分流道末端、模腔旁侧熔接痕处。 四、主流道冷料穴设计： 1. 带Z字形勾头拉料杆的冷料穴 1）原理：开模时拉住凝料，顶出时将凝料和制品一起顶出。 2）特点：顶出后，需横向移动才能取料。 3）应用：所有注射塑料的顶杆脱模机构。 2. 带有倒锥形、环槽形的冷料穴 1）作用：分型时，通过内部冷料拉住主流道凝料； 顶出时，通过顶杆强制顶出。 2）特点：取料时不需横向移动。 3）应用：弹性较好的塑料的顶杆脱模机构。 3. 带有球头或菌形头拉料杆的冷料穴 1）原理：开模时，利用拉杆拉住凝料； 脱模时，由脱模板强行从拉杆上脱下。 2）用途：弹性较好的塑料的推板脱模机构。 4. 带有尖锥头拉料杆的冷料穴 1）原理：同3，靠包紧力拉料。 2）用途：各种塑料，中间有孔的塑件，又采用中心浇口的场合。 5. 不与拉料杆或顶杆配用的冷料穴 §6－7 排气结构设计 一、模腔内气体来源 1. 合模时存于腔内的气体； 2. 塑料中的水分在成型温度下产生的水蒸气； 3. 塑料局部过热分解产生的低分子挥发性气体； 4. 塑料助剂挥发（化学反应）所产生的气体； 5. 热固性塑料交联硬化时释放的气体； 6. 某些塑料在硬化过程中，因体积收缩放出的气体。 二、气体的危害 1. 模腔内的气体不能及时排除时，受到熔体压缩使压力增加，并对熔体产生反压力，使充模速度降低， 造成填充不足。 2. 部分气体在压力作用下渗入塑料，产生气泡及组织疏松。 3. 气体压缩时产生高温，使制品出现局部碳化、烧焦等。 三、排气结构的作用 及时排除模腔内气体，保证制品完整和内部质量。 四、排气结构的设计要点 1、排气槽的形式 排气槽的截面形状由细到粗逐渐加大。 目的：1） 防止塑料溢出； 2） 降低熔体从排气槽溢出时的动能。 2、排气槽在模具上的开设位置 1）不要朝向操作者。 2）尽量开设在熔体最后填充部位。 3）最好开设在分型面上。 五、排气槽的尺寸 1. 排气槽的厚度ｔ以不溢料且能顺利排气为原则， 其数值与熔体的粘度有关。 一般在0. 02－0. 05ｍｍ。 2. 排气槽的深度Ｌ小于2ｍｍ，外部ｔ增加至0. 8－1. 5ｍｍ以减小阻力。 六、间隙排气 对于中小型模具，可利用分型面的间隙或其他配合间隙排气。 1. 分型面间隙 2. 顶杆配合面间隙 3. 型心与定位孔间隙 4. 成型镶块的配合间隙 226. 活动型心的运动间隙 思考题 1） 浇注系统的组成、作用、设计原则 2） 主流道的形状特点 3） 主流道衬套的结构形式和固定方法 4） 定位环的作用 5） 分流道的设计原则 6） 限制性浇口的作用 7） 常见的浇口形式、特点和用途 8） 浇口位置的选择原则 9） 冷料穴的作用 10）主流道冷料穴的形状、特点及应用 11）排气结构的作用 12）排气槽的开设位置 13）排气槽厚度的设计原则 第七章 成型零件设计 § 7－1 概述 一、模腔： 与塑料熔体接触，能够容纳塑料熔体的闭合空腔。成形时，模腔将接受由注射机注射出的塑料熔体， 并使塑料熔体固化成型为塑料制品。 二、成型零部件：构成模腔的所有模具零件。 如：凹模、凸模、型芯等。 三、成型零部件的使用条件： 1. 承受一定的温度和压力； 2. 承受塑料熔体的冲击和摩擦作用。 故长期工作之后，易产生磨损、变形和断裂。 因此，设计注射模时，必须针对塑料制品的结构特点、生产批量和使用要求等多方面因素，以及模具 的使用寿命等问题，合理地设计成型零部件的结构形式，准确地计算它们的尺寸和公差，并保证它们具有 足够的强度、刚度和良好的表面质量。 § 7－2 结构形式 一、凹模：或称型腔、凹模型腔 一）概念：用来成型制品外形轮廓的模具零部件。 二）常用结构形式：整体式、嵌入式、镶拼组合式、瓣合式。 1. 整体式凹模：用整块模具材料加工而成。 特点：1）结构简单、牢固可靠、不易变形； 2）成型的制品表面无溢料痕迹（无镶拼缝）； 3）可减少成型零部件数量，缩小模具外形尺寸； 4）形状复杂时，型腔加工比较困难； 5）热处理时易变形、开裂。 用途：用作制品形状不太复杂的中、小型模具。 2. 嵌入式凹模： 型腔部分用整块模具材料加工，而后嵌入到模套中使用。 特点：对多型腔模具可分开加工，并使几何形状与尺寸保持一致 结构形式：1）台肩式 2）销、键定位式 3）螺栓固定 4）过盈配合 3. 镶拼组合式凹模： 凹模由两个以上零件组合而成，即根据制品的几何形状将凹模分割成两块或两块以上的成型镶块分别 加工制造，然后将它们镶拼固定起来，组合成预定的凹模形状。 特点： 1）降低加工难度(整体加工难度降低，复杂型腔变为简单型); 2）精度易保证，尺寸易测量，形状与尺寸精度易保证； 3）尺寸小易热处理（结构简单热处理不易变形）； 4）合理分配模具材料（可根据模具不同部件的工作条件选用不同的材料）； 5）在不发生溢料的前提下，可利用拼缝间隙排气； 6）易出现溢料和飞边； 7）复杂程度和装配精度要求提高，刚度、强度降低； 8）累积制造误差加大。 注意事项： 1）拼合面应选在对制品外观影响较小的位置，并尽量减少镶块数量； 2）为避免出现飞边，拼缝应尽量与脱模方向一致；5. 侧型心的运动间隙233）应防止镶块发生错移，尽量采用凸、凹槽嵌接或采用销钉及方键定位； 4）分割凹模型腔时，应尽量将各镶块设计成简单型面，以便加工和热处理； 5）镶拼部位的选择应便于对各镶块进行装配和维修。 4. 瓣合式凹模： 组成凹模的每个镶块都是活动的，成型时被模套或其他的锁合装置箍合在一起，脱模时可侧向打开。 瓣合式凹模模块数量取决于制品的几何形状。 二、凸模和型芯 凸模：成型制品整体内形的模具零部件。 型芯：多指成型制品上某些局部特殊内形或局部孔、槽等所用的模具零部件。 凸模和型芯的结构，可分为整体式、嵌入式、镶拼组合式和活动式 三、螺纹型芯和螺纹型环 作用：用来成型内外螺纹 § 7－3 成型零件的工作尺寸计算 一、工作尺寸分类及其有关规定： 制品 模腔对应尺寸 * 外形尺寸 * 型腔尺寸 单向负偏差 单向正偏差 包括径向尺寸和深度尺寸 基本尺寸为最大值 基本尺寸为最小值 * 内形尺寸 * 型芯尺寸 单向正偏差 单向负偏差 包括径向尺寸和高度尺寸 基本尺寸为最小值 基本尺寸为最大值 * 中心尺寸 *中心尺寸 双向等值正、负偏差 双向等值正、负偏差 基本尺寸为平均值 基本尺寸为平均值 二、塑料制品的尺寸偏差及其控制： 一）产生尺寸偏差的原因： 1. 塑料的成型收缩（预定收缩率见第184页表6－2） 1）预定收缩率（设计所用的收缩率）与制品实际收缩率之间的误差δs'： 影响因素： 塑料品级、生产厂家、工艺、日期、贮藏时间、贮藏条件、制品形状、设备、工艺、模具条件等 该误差是一种系统误差，一般应控制在制品尺寸公差的1／6之内。 2）实际收缩率的波动： 使每次成型出的制品可能产生不同的收缩率，并导致每个制品的实际尺寸与基本尺寸之间出现不同的 误差。 其最大值： δs=（Smax－Smin）×Ls 式中，Ls―制品尺寸 Smax、Smin―实际制品的最大收缩率与最小收缩率。 为了便于计算：取计算收缩率的最大、最小值。 δs≯制品尺寸公差的1／3。 2. 成型零件的制造误差δz： 加工误差：与工作尺寸、加工方法、加工设备有关； 装配误差：存在于镶拼尺寸或活动零部件的装配尺寸中。 使用公差等级：最高IT5～IT6，一般IT7～IT8。其偏差δz≯尺寸公差的1／3。 3. 成型零件的磨损δc： 1）产生磨损的原因： *塑料熔体的冲击和摩擦。作用于所有模腔表面，影响较小 *制品脱模时的刮磨。只作用在与脱模方向平行的部位，影响最大 2）影响因素： *塑料品种：塑料中带有玻璃纤维等硬质填料时，则磨损增大 *模具材料：耐磨性小时，则磨损增大； *模腔表面状态：硬度降低、Ra增大，则磨损增大； *结构形状：复杂程度增大，则磨损增大； *使用时间约长，则磨损量越增大。 3）决定允许磨损量大小的因素： *制品尺寸精度不高，尺寸较大时，工作尺寸允许的磨损量可大些； *要求寿命较长，在保证制品尺寸精度的情况下，磨损量应取大些 工作尺寸δc≯制品公差的1／6，可在1／6左右选。 二）制品尺寸偏差的控制 制品尺寸的总偏差：δ=δs＇+δs+δz+δc&?241. δs＇由于预定收缩率不准确引起误差。 控制方法： 1）设计前，对待用成型物料进行收缩特性试验，以确定比较准确的收缩率。用于来料量和制品生产批 量都很大的场合； 2）设计工作尺寸时，预留一定量的修磨余量，试模时通过修模来减少或消除δs＇。 2. δs 因收缩率波动引起的制品尺寸偏差： 1）成型物料相同、制品尺寸较小时，δs减小。其主要影响因素为制造偏差δz和磨损量δc。因尺寸较小， 易提高精度，应采用加工性能和耐磨性较好的材料。 2）制品尺寸较大时，δs增大，且大尺寸成型零件不易加工和热处理。此时，应稳定成型工艺条件，采 用收缩率较小的成型物料。 三、成型零件的工作尺寸计算方法 ∵ S＝（LM－Ls）／Ls S×Ls＝LM－Ls → LM－Ls－S×Ls＝0 ∴ LM =（1+S）×Ls 1. 平均值法： 1）原理：当制品的成型收缩率和成型零部件的工作尺寸制造偏差及磨损量分别等于其平均值时，制品 的尺寸偏差也恰好可以获得平均值。 2）特点：*计算方便； *计算结果与实际需要值间出现较大的误差； *制品尺寸较大、精度要求较高时，误差更显著 3）计算方法： LM平均=（1+ S ）×Ls平均 式中， S ＝（Smax+Smin）／2 ① 型腔径向尺寸： LM +δz／2+δc／2=（1+ S ）×（Ls －?／2） LM=（1+ S ）×Ls－（?+δz+δc)／2 LM=（1+ S ）×Ls－（?+δz +δc)／2 因为：δz、δc 均是引起制品尺寸偏差?的主要因素，故可用?表示。 所以： LM =（1+ S ）Ls－X? 式中X―工作尺寸制造与使用系数。 X的取值大小与制品的尺寸大小和精度有关。 当Ls 很大、模具精度较高时，影响δ的主要因素是δs(收缩率的波动)，此时δz、δc 相对很小，可忽略 不计； 当Ls 很小且精度要求较高时，δz、δc的影响不能忽略。 按英国塑料联合会的规定，取： δz =?／3，δc =?／6，则X =3／4。 故：1／2≤X≤3／4。 （LM )+δz 0=[（1+ S ）Ls －（1／2～3／4）?]0+δz②型芯径向尺寸： lM =(1+ S )×ls+X? (lM) (HM)+δz 0 0 _ δz=[(1+ S )ls+(1／2～3／4)?]0－δz+δz 0③型腔深度： =[（1+ S ）Hs－X?] 因不可考虑磨损：X =1／2～2／3。 ④型芯高度： (hM)0－δz=[(1+ S )hs+X?]0－δz ⑤中心距： 根据中心距尺寸上下偏差对称分布的规定： 模具中心距制造偏差的中间值 （+δz／2）+（－δz／2）=0 制品偏差的中间值： （+?／2）+（－?／2）=0 则 Cs =（CＭ +0+0)－(Cs－0)S CＭ = (1+ S )Cs 25CＭ±δz／2=[(1+ S )Cs]±δz／2 2. 公差带方法： 原理： LＭ－A=Ls 式中 Ａ―塑料的收缩量 可推出： LＭmax－Ａmin≤Lsmax， LＭmin－Amax≥Lsmin。 以型腔为例，进行推导： ① Lsmin+Amax得出LＭmin （算小）， 即 Ls－△+Amax＝LＭ ② LＭmin +(δz+δｃ)得出LＭmax (算大)， LＭmax－Amin得出Lsmax≤允许值 （验大）。 即 LＭ+δz+δｃ－LsSmin≤Lsmax=Ls 2. 1 方法 根据成型收缩率的最大(小)值和制品的尺寸公差，初算成型零部件的最小(大)值； 再根据预定的制造偏差和磨损量， 来验算制品可能出现的最大(小)尺寸， 是否位于制品规定的公差范围 内。 2. 2 计算原则：从工作尺寸的磨损性质考虑，为可靠起见，规定： * 对于型腔类尺寸，先算其最小值（即基本尺寸），再验算制品尺寸的最大值（算小验大）； * 对于型芯类尺寸，先算其最大值，再验算制品尺寸的最小值（算大验小）。 2. 3 型腔和型芯的径向尺寸： 最大收缩率引起的制品收缩值： A1=(Ls－?)Smax 最小收缩率引起的制品收缩值： A2=(Ls－?+δ)Smin 1）型腔径向尺寸： （1）初算型腔最小径向尺寸， 即基本尺寸LＭ： Ls－?=LＭ－(Ls－?)Smax 整理并忽略二阶小量?Smax： LＭ=(1+Smax)Ls－? （2）按预定的δz和δC，验算LM 能否保证制品最大尺寸不会超出制品的公差范围。 制品可能取得的最大径向尺寸Ls为： Ls＇=Ls－?+δ＇= (LM+δz+δC)－(Ls－?+δ)×Smin 式中δ'―制品可能出现的最大尺寸与最小尺寸之间的差值。 整理并忽略二阶小量，得： Ls' ≈LM+δz+δC－Ls×Smin 为使制品不超差，必须使 Ls' ≤Ls 即 LM+δz+δC－Ls×Smin ≤ Ls 验算合适后： LM0+δz= [(1+Smax)×Ls－?]0+δz 2) 型芯径向尺寸： 算大验小，方法同前： 初算 lM = (1+Smin)×ls +? 验算 (lM －δz－δc)－ls×Smax≥ls (lM )0－δz= [(1+Smin)×ls +?]0－δz 2. 4 型腔深度与型芯高度 1）型腔深度： (1)修模方法： * 修模部位设计在型腔底面：属内形加工，修模不便； * 修模部位设计在上端面：属外形加工，修模方便。 (2)上端面修模时的型腔深度尺寸设计： 设其修模余量δz1包含在制造偏差δz之中，则属外形尺寸，应算大验小： a. 算大：因属于外形尺寸，根据制品的最大高度Hs和制造偏差δz，初算HM 设型腔深度按预定制造偏差δz取值，且塑料以最小收缩率Smin收缩时，制品高度可以获得其上限尺寸： Hs =(HM +δz)－Hs×Smin ∴ HM =(1+Smin)Hs－δz b. 验小：验算按δz计算出的最小型腔尺寸（即基本尺寸） 能否保证制品高度的最小尺寸不会超出其公差范围： Hs=Hs－δ 是否≥ Hs－?=制品最小值。26(δ―塑件的实际制造误差) Hs=Hs－δ=HM－A1 =HM －(Hs－δ)×Smax ≈HM－Hs×Smax 于是必须使： HM－Hs×Smax≥Hs－? 或 HM－Hs×Smax+?≥Hs (HM)0+δz=[(1+Smin)×Hs－δz]0+δz 2）型芯高度： （1）将修模部位设计在型芯上端面，修模后高度减小， 计算方法同型芯外径。 算大验小： 初算 hM =(1+Smin)×hs+?； 验算 hM－δz－hs×Smax≥hs。 （2）修模部位设计在固定板上端面，修模后高度增加， 计算方法相反。 算小验大： 初算 hM =(1+Smax)hs+δz 验算 hM－hs×Smin－?≤hs， (hM)0－δz=[(1+Smax)hs+δz]0－δz 2. 5 中心距尺寸（孔）： 1）初算模具中心距尺寸，按间隙配合计算： 设：活动型芯中心线向外侧的偏移量达到极限值δj／2， 模具中心距加工偏差达上限值δz／2， 塑料以最小收缩率进行收缩S min 则：制品中心距可获其理想最大值Cs+?／2： 即： Cs+?／2=(CM +δz／2+δj)－(Cs+?／2)×Smin； 同理： Cs－?／2=(CM－δz／2－δj)－(Cs－?／2)×Smax； 两式相加，得： CM =(1+S )×Cs。 式中： S =(Smax+Smin)／2。 平均收缩率 2）验算：由于中心距尺寸偏差对称分布，所以只要验算制品的最大或最小中心距中的任何一个不会超出规 定的公差范围即可。 以最大中心距计算： Cs+δ1=(CM+δz／2+δj)－(Cs+δ1)×Smin =CM+δz／2+δj－Cs×Smin ≤Cs+?／2 即：CM +δz／2+δj －Cs×Smin－?／2≤Cs。 说明： *当两个活动型芯的配合间隙不同时，δj =(δj1+δj2)／2为平均值 *当采用过度配合或过盈配合时，δj =0， 把上式中的δj 取0即可 *模内中心线到某一成型面的计算及螺纹型芯和螺纹型环的尺寸计算不讲。 3）计算成型零部件工作尺寸的注意事项： ＊使用成型收缩率很小的塑料成型薄壁制品时，可以不考虑收缩率对工作尺寸的影响，即认为S=0; ＊对于不太重要的尺寸段，可不考虑成型收缩的影响，同时不考虑制造偏差; ＊在型腔的深度方向或型芯的高度方向有脱膜斜度时，通常将型腔径向尺寸的大端作为设计基准，斜 度朝小端方向取；将型芯径向尺寸的小端作为设计基准，斜度朝大端方向取; ＊对于制品上有径向尺寸要求的孔或轴，必须增设脱模斜度时，如果配合精度要求不高，应使成型零 件径向工作尺寸在其高度或深度的2／3 范围内，能够保证制品的径向配合尺寸满足其公差要求; ＊当制品结构不允许使用较大的脱模斜度或制品精度要求很高时，对于制品上有径向配合要求的孔或 轴，其成型零部件均应保证它们的径向尺寸在其全部深度或高度范围内均能满足配合公差要求; a)配合孔： 型芯的大端直径按公差带方法计算： （lM）0－δz=[(1+Smin)×Ls+?]0－δz 小端直径按下式计算： (lM )0－δz=[(1+Smax)×Ls+δz+δc]0－δz b)配合轴： 型腔的小端直径按公差带方法计算： 27即：(LM )0+δz=[(1+Smax)×Ls－?]0+δz 大端直径按下式计算： (LM )0+δz=[(1+Smin)×Ls－(δz+δc)]0+δz例 1 如图 7－24 所示的制品，材料为玻璃纤维增强聚丙烯， 大批量生产，设其预定收缩率的最大值和最小值分别为 0. 8%和 0. 4%，试按平均值方法和公差带方法，分别设计模具的凸模直径 和高度、凹模的内径和深度以及两个固定型芯的中心距。 解 1. 按平均直方法计算 将图中的制品公差与表 4－3 对比可知制品精度为 5 级，该 精度对聚丙烯来讲为较高精度（参照表 4－2） ，且制品尺寸亦不 制品形状 太大，故在计算时选取制造与使用系数 x 为最大值，而模具的制 造公差按制品公差的 1／3 取值， 型芯中心距的制造公差按制品上 两孔中心距公差的 l／4 取值。2－φ8 为自由公差，可以直接把基本尺寸作为型芯的工作尺寸，并可以不考 虑制造误差。具体计算如下。 平均收缩率 S ＝(0. 8%+0. 4%)／2=0. 6 1）模腔直径 取 δZ=?／3=0. 42／3mm=0. 14mm，此值在 IT10～IT11 之间，可按 IT10 制造，即 δZ=0. 1mm3 ? ? LM = ?(1 + 0.6% ) × 50 ? × 0.42? mm = 49.99+00.1 4 ? ?02）模腔深度 084mm+0.1mm取 δZ=?／3=0. 28／3mm=0. 093mm，此值在 IT10～IT11 之间，可按 IT10 制造，即 δZ=0.HM3）凸模直径2 ? ? = ?(1 + 0.6% ) × 22 ? × 0.28? 3 ? ?0+0.084mm = 21.95+00.084mm取 δZ=?／3=0. 3／3mm=0. 1mm，此值为 IT103 ? ? l M1 = ?(1 + 0.6% ) × 45 + × 0.3? mm = 45.32 0 0.1 ? 4 ? ? ? 0.14）凸模高度 07mm0mm取 δZ=?／3=0. 24／3mm=0. 08mm，此值在 IT10～IT11 之间，可按 IT10 制造，即 δZ=0.2 ? ? hM1 = ?(1 + 0.6% ) × 18 + × 0.24? mm = 18.27 0 0.07 ? 3 ? ? ?0.070mm5）小型芯直径 可以直接取 lM2=8 mm 6）小型芯中心距 取 δZ=?／4=0. 3／4=0. 075mm，此值在 IT9～IT10 之间，可按 IT9 制造，即 δZ=0. 052mm，即±δz＝±0. 026 mm CM=[(1+0. 6%)×30] ±0. 026mm =30. 18±0. 026 mm 2．按公差带方法计算 采用公差带方法设计和计算凸、凹模工作尺寸时，需要预先设定它们所允许使用的制造公差和磨损量。 本例中首先按平均值法相同的方法预设各尺寸的制造公差 δZ，并预设其磨损量为 ?／6，然后利用这些预定 数值和有关公式所得的计算结果经验算后证明成立，则计算工作便告结束，如果验算结果不成立，则必须 重新设定制造公差和磨损量，并再次进行计算和验算。对图 7－24 示例的计算和验算过程如下． 1） 凹模直径： 初算： LＭ = (1+Smax)Ls－? =(1+0. 8%)×50－0. 42mm =49. 98 mm 验算： 预设 δZ=0. 1mm，δC=0. 42／6=0. 07mm，并用公式 LM+δZ+δc－ LSSmin ≤Ls 验算。 验算式左边＝49. 98+0. 1+0. 07－50×0. 4%mm =49. 95mm＜Ls=50mm 故有 LＭ =49. 980+0. 1mm 2 ）凹模深度： 初算： 预设 δZ=0. 084mm， 则 HM =(1+Smin)HS －δz =(1+0. 4%)×22－0. 084mm =22mm 验算：用公式 H M? H S S max ≥ H S ? ? 验算。28验算式左边＝22－22×0. 8%mm =22. 176mm＞Ls =22－0. 28mm=21. 72mm 故有 HＭ =220+0. 084mm 2） 凸模直径： 初算： lＭ＝(1+Smin) ls+? =(1+0. 4%)×45+0. 3mm =45. 48mm 验算：预设 δZ=0. 1mm，δC=0. 3／6mm=0. 05mm，并用公式(lM－δZ－δc)－ lSSmax ≥ls 验算。 验算式左边＝45. 48－0. 1－0. 05－ 45×0. 8% mm =44. 97mm＜Ls=45mm 说明预设值不能满足塑件公差要求，应予以修正。由于制品采用玻璃纤维增强塑料，成型过程中模具 磨损较大。所以，从大批量生产对模具使用寿命的要求考虑，希望磨损量不要太小。同时要求不要因精度 要求过高而出现加工困难。鉴于目前模具制造水平，允许使用的最高制造公差等级为 IT5～6，一般情况下 采用 IT7～8。 由验算式可知，加工公差和磨损量预定值之和超了 45－44. 97mm＝0. 03mm，在不准备减小预定磨损 量的情况下，可将加工精度提高为 9 级(δZ=0. 062mm)，加工并不困难。由此再次进行验算。于是 验算式左边＝45. 48－0. 062－0. 07－ 45×0. 8% mm =45. 008mm＞Ls=45mm 再次验算结果满足塑件公差要求，故有 LＭ =45. 480－0. 062mm 3） 凸模高度： 修磨部位设计在型芯上端面，此时，型芯高度尺寸性质不变。 初算 hＭ = (1+Smin)hs+? =(1+0. 4%)×18+0. 24mm =18. 31mm 验算：预设 δZ=0. 07mm，用公式(hM－δZ)－hSSmax ≥hs 验算 验算式左边=18. 31－0. 07－18×0. 8%mm =18. 096mm＞hs=18mm 故有 hＭ =18. 310－0. 07 mm 4） 小型芯直径： 不需验算，直接取 lＭ＝8mm 5） 小型芯中心距： 由于两个小型芯与塑件轴线（开模方向）一致，可采用固定抽芯，所以，型芯与固定板间不需采用间 隙配合，其 δj=0。 初算CM = (1 + S )CS=(1+0. 6%)×30mm =30. 18mm 验算： 预设 δZ=0. 052mm，并用公式 C M+δZ2+ δ j ? CS S min ≤ CS +?2验算。1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.验算式左边=30. 18+0. 052／2+0－30×0. 4%m