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第十二章注射模新技术的应用热固性塑料注射成型重点掌握一、发展概况③制件具有变形小、耐高压、抗老化、耐燃烧等一系列特点。热固性塑料的优点：①含有大量填料，价格低廉，仅为热塑性塑料的1/2～1/3。②制件外观有热塑性塑料制件不能相比的光泽。④在水润滑条件下具有较低的摩擦因数(0．0l～0．03)。国外热固性塑件的加工方法：上世纪60年代前，热固性塑料制件一直是用压缩和压注方法成型，工艺周期长、生产效率低、劳动强度大、模具易损坏、成本较高。60年代后，热固性塑料注射成型得到迅速发展，压缩成型工艺在欧、美、日等工业先进国家已逐渐被注射工艺所取代。目前，日本85％以上的热固性塑料制件都是以注射成型方法获得的。我国20世纪70年代开始推广应用热固性塑料注射成型工艺，但目前只有3％～4％的热固性塑料制件采用了注射成型方法，主要原因是用于热固性塑料注射成型的原料需要具有特殊的工艺性能(流动与固化的特殊要求)，在这方面国内还存在着一定的差距。国内热固性塑料的加工方法：由于热固性塑料只能一次性加热变软而具有流动性，废品和凝料不能回收再次利用，其原料的利用率低。为此，热固性塑件成型新技术②国外开发成功了热固性塑料注压成型新工艺。注压成型将注射和压缩成型两者优点结合起来，熔体在不闭模时低压注射，充模结束时模具完全闭合，型腔中的物料在高压、高温下固化。①国外自20世纪70年代以来已开始研制应用无流道凝料的热固性塑料注射成型工艺，并已取得了很好的成绩。目前已有能够快速固化的无流道注射成型专用的热固性塑料原料出售。③20世纪80年代国外又在注压工艺上进一步发展为无流道注压成型工艺。1982年美国的Durez塑料公司已获得四项无流道注压工艺的专利。二、工艺要点及模具简介热固性塑料注射成型的特点需采用专门的热固性塑料注射机。成型时将粉状或粒状塑料加入注射机料斗内，在螺杆推动下进入料筒，料筒外通热水或热油进行加热，加热温度在料筒前段为90℃左右，后段为70℃左右。物料通过注射机喷嘴孔喷出时，由于剧烈摩擦，料温可达100～130℃。模具温度通常保持在160～190℃(视塑料品种不同而异)，物料在此温度下迅速固化。注射工艺的要点①注射原料在注射机料筒中应处于黏度最低的熔融状态。熔融的塑料高速流经截面很小的喷嘴和模具流道时，温度从70～90℃瞬间提高到130℃左右，达到临界固化状态，这也是物料流动性最佳状态转化点，此时注射压力在118—235MPa之间，注射速度一般为3～4．5m／s。②热固性塑料中含有40％以上的填料，黏度与摩擦阻力较大，注射压力也应相应增大，注射压力的一半要消耗在浇注系统的摩擦阻力上。③原料在固化反应中，产生缩合水和低分子气体，型腔须有良好的排气结构，否则在注射制件表面会留下气泡和流痕。典型模具结构如图12—l。与热塑性塑料的注射模类似，包括浇注系统、凹模、型芯、导向、推出机构等，注射机上采用同样的安装方法。热固性塑料注射模的温度通常需要保持160—190℃的高温，模具多采用电加热法。热固性塑料注射模设计注意点①因热固性塑料成型时在料筒内没有加热到足够温度，因此希望使主流道断面积小一些以增加摩擦热，由于凝料不能回收，减小主流道在经济上也有好处。②热塑性塑料注射模常利用分型面和推杆等的配合间隙排气即可，而热固性塑料成型时排出的气体多，仅利用配合间隙排气往往不能满足要求，在模具上要开设专门的排气槽。③由于熔融温度比固化温度低，在一定的成型条件下熔料的流动性较好，可以流入细小的缝隙中成为毛边，因此要提高模具分型面合模后的接触精度，避免采用推件板式结构，尽量少用镶拼成型零件。④注射工艺要求模具温度高于注射机料筒温度，容易造成制件与型芯之间有较大的真空吸力，使制件脱模困难，因而要提高模具的推出能力。⑤因填料的冲刷作用，要求模具成型部位具有较好的耐磨性及较低的表面粗糙度。⑥注射模在高温、高压下工作，应严格控制模具零件的尺寸精度，特别是活动型芯、推杆等一类零件。⑦必要时应能分别控制动模和定模的温度，减小凹模与型芯的温差。为了避免散热过多，还应在注射模与注射机之间加设石棉垫板等绝热材料。第二节无流道成型什么是无流道？指在浇注系统中无流道凝料。如何实现无流道？在注射模中采用绝热或加热的方法，使从注射机喷嘴到型腔入口这一段流道中的塑料一直保持熔融状态，从而在开模时只需取出塑件，而不必清理浇道凝料。无流道模具是注射成型工艺上的一次革命，也是注射模具设计的一次革新，这类模具在美国、日本等先进国家应用已很普遍，在注射模具中约占总数40％以上。我国现在处于研制推广阶段，它是今后注射模具浇注系统的一个重要发展方向。一、无流道成型的优缺点和模具设计原则1．无流道成型的优点①基本可实现无废料加工，节约原料。②省去除料把、修整塑件、破碎回收料等工序，因而节省人力，简化设备，缩短成型周期，提高了生产率，降低成本。③省去取浇注系统凝料的工序，开模取塑件依次循环连续进行生产，尤其是针点浇口模具，可以避免采用三板式模具，避免采用顺序分型脱模机构，操作简化，有利于实现生产过程自动化。④由于浇注系统的熔料在生产过程中始终处于熔融状态，浇注系统畅通，压力损失小，可以实现多点浇口、一模多腔和大型模具的低压注塑；还有利于压力传递，从而克服因补塑不足所导致的制作缩孔、凹陷等缺陷，改善应力集中产生的翘曲变形，提高了塑件质量。⑤由于没有浇注系统的凝料，而缩短了模具的开模行程，提高了设备对深腔塑件的适应能力。2．无流道成型的缺点①模具的设计和维护较难，若没有高水平的模具和维护管理，生产中模具易产生各种故障。②成型准备时间长，模具费用高，小批量生产时效果不大。③对制件形状和使用的塑料有原则。④对于多型腔模具，采用无流道成型技术难度较高。3．无流道成型模具的设计原则①原料：a．适宜加工的范围宽，黏度随温度改变而变化很小，在较低的温度下具有较好的流动，在高温下具有优良的热稳定性。b．对压力敏感，不加注射压力时熔料不流动，但施以很低的注射压力即可流动。这一点可以在内浇口加弹簧针形阀(即单向阀)控制熔料在停止注射时不流延。c．热变形温度高，制件在比较高的温度下即可快速固化顶出，以缩短成型周期。②流道和模体必须实行热隔离，在保证可靠的前提下应尽量减少模具零件与流道的接触面积，隔离的方式可视情况选用空气绝热和绝热材料(或熔体本身)绝热，也可两者兼用③热流道板材料最好选用稳定性好、膨胀系数小的材料。④合理选用加热元件，加热元件要通过计算确定，热流道板加热功率要足够。⑤在需要的部位配备温度控制系统，以便根据工艺要求，监测和调节工作状况，保证热流道工作在理想状态。⑥热流道模具增加了加热元件和温度控制装置，模具结构复杂，因此发生故障的概率也相应增大，所以在设计时应考虑装折检修方便。二、无流道模具的分类按保持流道温度的方式分为：绝热流道模具和热流道模具。绝热流道模具在生产停机后流道有凝料把，下次开机生产前需要折开模具清理凝料把，所以一般不采用，通常采用的无流道模具是热流道模具。1．热流道模具分类(1)延伸式和井坑式喷嘴热流道的单型腔模具，属于延长了的注射机喷嘴。图12-2延伸式喷嘴，型腔形成喷嘴的变型实例。图12-3井坑式喷嘴，保持注射机原喷嘴长度不变，而使主流道尽量缩短，在其井底部形成喷嘴，使在注射机喷嘴尖端与浇口之间的空间里积满熔融塑料，熔料外层由于接触到冷的模具，虽然冷凝，但中心部位仍保持熔融状态，若从注射机喷嘴增加注射压力，则可以冲破冷凝层进行注射。井坑式喷嘴的设计：图12-4在注射机喷嘴和模具入口间装置主流道杯，由于杯内的物料层较厚，且被喷嘴和每次通过的塑料不断地加热，其中心部分保持其流动状态，允许物料通过。由于浇口离热源喷嘴甚远，这种形式仅适用于成型周期较短(每分钟注射3次或3次以上)的模具，主流道杯的详细尺寸如图12-5和表12—l。杯内塑料质量应为制件质量的1／2以下。(2)热流道热分流道模具(外加热)多腔热分流道模具的共同特点：①在模具内设有加热流道板，主流道和分流道截面多为圆形，其尺寸约Ф5～Ф12mm，均设在热流道板内。②热流道板用加热器加热，保持流道内塑料完全处于熔融状态。③流道板利用绝热材料(石棉水泥板等)或空气间隙层与模具其余部分隔热，④浇口型式有主流道浇口和针点浇口两种。主流道型浇口如图12-6，在浇口部分设计有外加热线圈加热。这一点对流动性差的塑料很有好处。注意：即使是热流道模具，当成型周期过长时，浇口处亦有发生冻结的危险。解决办法：①塑料黏度高、流动性差，采用在给料喷嘴内部安装棒状加热器(即中心鱼雷体)的设计，如图12-7。鱼雷体的尖端呈针形，延伸到浇口的中心处，即使加工周期长和流动性差的问题，也得到解决。圆锥形的喷嘴头部与型腔之间留有0．5mm的绝热层为塑料所充满，加热器的尖端从喷嘴前端伸出，深入浇口中部离型腔约0．5mm。图12-8为该处局部放大图。安装在鱼雷体中心的是体积很小(Ф6．25～Ф9．42mm)、功率较大(150～600W)的棒式加热器。②弹簧阀式浇口，如图12-9和图12-10。这种结构的热流道模具对塑料熔体黏度低的可以避免熔体流涎。在注射过程中浇口处针形阀不断开启，能减少浇口处的冻结，同时还可以准确控制补塑时间。这种针形阀式浇口可以在高温高压下快速封闭浇口，能降低塑件的内应力，减少内应力开裂和翘曲变形，增加塑件尺寸的稳定性。各种塑料适用的热流道浇注系统参考表12-202．热流道板的设计(1)热流道板加热功率的计算图12—11为带有四个喷嘴的热流道板加热器的配置情况。其热流道板加热功率可按下式进行计算)(860115.0kWtmP(12-1)式中P——所需电功率，kW；θ——热流道板所需温度，℃；设温度基点为0℃；m——热流道板质量，kg；t——升温时间(从0℃上升到θ℃)，h；η——效率，随着加热器与热流道板的密贴程度和绝热情况而变化，一般取0．2—0．3。(2)热流道板质量设计为了减少加热器的热容量，在强度允许的范围内应尽量减少热流道的尺寸，从而减轻热流道板的质量。(3)筒式加热器的装配①加热器越长越易弯曲，所以不得不增加装配间隙。为了取得更高的热效率，装配孔与加热器的径向间隙最好在0．2mm以下。②为了便于更换，加热器的安装孔应该是通孔，因钻头加工的孔壁较粗糙，其传热效率低，所以应该再用铰刀加工后使用。③为取出烧坏的加热器而扩大装配孔，不但增大了径向间隙，而且会缩短新更换的加热器的使用寿命。④因为碳钢的传热系数较低，钢制热流道板用的筒式加热器的功率密度最好限定在20W／cm2以下。⑤加热器装在运动着的模板上时，应牢牢地夹固引出线。⑥应清除加热器安装孔内的油污，这样热传导才完全不受妨碍。⑦应注意出售的加热器容量有±10％的误差。为了取得热平衡，必须使用实测热容量相同的加热器。(4)使热流道板温度均匀一致必须把加热器配置得能均匀加热各流道，保证热流道板温度的均匀一致，否则即使塑料滞留时间比在注射机料筒内短，局部高温也会使塑料发生分解。具体方法：热流道板和加热器孔最好与流道轴线对称，加热器孔不要过于靠近流道，加热器的数量多些为好。对于热流稳定性差且黏度高的塑料，设计热流道板时，必须注意防止产生局部过热现象。(5)温度控制测量温度的热电偶的安装位置非常重要，测量点尽量设在较深的部位，一般设在距加热器和流道两者都接近的位置上，不要设在压圈和防泄漏环附近，以及靠近热流道外侧等有热损失的部分。(6)热流道板的绝热和安装绝热：必须充分考虑注射机模板与模具座板、模具座板与热流道板、热流道板与成型模板之间的绝热问题。注射机模板与模具座板之间的隔热一般用6～10mm厚的石棉板，而模具座板与热流道板、热流道板与成型模板之间大多数留有3～8mm的空气层间隙隔热。通常两平板之间的热对流在3mm气隙中大致为零，但热辐射依然存在，为提高绝热效果应防止热辐射。安装：①紧固螺钉，但数目应尽可能少，且热流道板与成型模板的接触面积也应在强度允许的情况下尽量缩小，使用材料最好采用导热系数低的不锈钢，当然必须充分复核其抗压强度。②使热流道板与成型模板保持同心，在主流道的另一侧应设置同心圆盘，使之