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塑料成型工艺与模具设计1）模具----是一种工具；2）模具与制件-----“一模一样”；3）模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具(基本概念)：——是指利用其本身特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制品的工具。特点：塑料成形制品塑件---塑料模具塑料模具——是指利用其本身特定密闭腔体去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工具。绪论1.塑料及塑料工业的发展塑料的定义：树脂指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物。以树脂为主要成份的高分子有机化合物，在一定的温度和压力下，具有流动性，可被模塑成一定的形状和尺寸，并在成型后保持既得的形状而不发生变化。塑料的主要特性1.密度小、质量轻2.化学稳定优越3.电绝缘性能好4.比强度、比刚度高5.减摩，耐磨性能优良，自润滑性好6.成型加工方便7.着色性能较强8.导热率低塑料缺点1.一般塑料的机械强度均不如金属。2.塑料成型时收缩率较高。3.塑料对温度的敏感性远比金属或其它非金属材料的大，塑料的使用温度范围远较其它材料的窄。4.塑料若长期受载荷作用，即使温度不高，其形状会产生“蠕变”，导致塑件尺寸精度丧失。所以，在选择塑料时要注意扬长避短。塑料工业的四个阶段：1、初创阶段：30年代以前；酚醛、硝酸纤维素2、发展阶段：30年代；低密度聚乙烯、聚氯乙烯3、飞跃发展阶段：50年代中期到60年代末；塑料品种增加,4、稳定增长阶段：70年代以来二模具在国民经济中的重要性模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。美国工业界认为：模具是美国工业的基石。日本工业界认为：模具是促进社会繁荣的动力。从以下四个方面，可以看出模具工业在国民经济中的重要地位与作用。第一，模具工业是高新技术产业的一个组成部分。第二，模具工业又是高新技术产业化的重要领域。第三，模具工业是装备工业的一个组成部分。第四，模具工业地位之重要，还在于国民经济的五大支柱产业——机械、电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。三、本课程的任务和要求1.了解塑料成型理论知识、各种常用塑料成型基本理论及工艺特点。2.掌握注射成型模具的结构特点及设计计算方法，能独立设计中等复杂程度的模具。第一章塑料概论第一节高聚物的分子机构与特性一、树脂和塑料的概念（复习）树脂指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物。以树脂为主要成份的高分子有机化合物，在一定的温度和压力下，具有流动性，可被模塑成一定的形状和尺寸，并在成型后保持既得的形状而不发生变化。树脂的分类天然树脂——是指由自然界中动植物分泌物所得的无定形有机物质，如松香、虫胶、沥青。特点：无明显的熔点，受热后逐渐软化，可溶入有机物，不溶于水。合成树脂——是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的产物。二、高聚物的分子机构与特性高聚物的特点：（1）含原子数量多，一个高分子中含有几千个、几万个、甚至几百万个原子。（2）分子量大，高分子化合物的分子量一般可自几万至几十万、几百万甚至上千万。例如尼龙分子的分子量为二万三千左右，天然橡胶的为四十万。（3）分子长度相对于低分子长，例如低分子乙烯的长度约为0.0005μm，而高分子聚乙烯的长度则为6.8μm，是前者的13600倍。高聚物的制备（加聚反应和缩聚反应）加聚反应特点：反应前后原子数相同由单体变成聚合物是化学键作用反应中分子没有附属产物产生加聚反应可得的是线形高聚物缩聚反应缩聚反应特点：反应中分子有附属产物产生缩聚反应既可能得线型高聚物也可能得网型或体型高聚物C2H5－O－C2H5高聚物的分子链结构a)线型聚合物b)带有支链的线型聚合物c)体型聚合物区别:1.线形高聚物具有弹性和塑性，在适当的溶剂中可溶解，温度升高会逐渐软化甚至成为溶化状态而具有可流动性，并且可以反复成型，称为热塑性材料。2.体型高聚物脆性大，成型前可溶，但是一经硬化，就成为既不溶解又不熔融的固体，不能再次成型，成为热固性材料。三结晶和非结晶型高聚物的机构和特性晶体---内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序。非晶体---内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，具有近程有序，但不具有长程有序。结晶聚合物----聚合物在从高温熔体向低温固态转变的过程中，若其分子链构型能够得到规整排列，则该聚合物为结晶聚合物。结晶度---结晶型聚合物的结晶区在聚合物中所占的重量百分数。（大多数聚合物的结晶度约为10%～60%，但有些也可能达到很高的数值，如PP的结晶度达到70%～95%）结晶只发生在线形高聚物和含有交链不多的体形高聚物中.结晶对高聚物性能的影响:1.提高了高聚物的强度、硬度、耐热性、耐化学稳定性。2.弹性、伸长率和冲击强度降低。第二节高聚物的热力学性能及其在成型过程中的变化一、高聚物的热力学性能：1）定义：高聚物在不同温度下的力学状态。2）物理状态分类：玻璃态（结晶态）高弹态粘流态二、高聚物的加工工艺性能1.当温度低于玻璃化温度时，一般进行机械加工。2.当温度高于玻璃化温度低于黏流化温度时，可以进行真空成型、压力成型、弯曲成型等。3.当温度大于黏流化温度小于热分解温度时，可进行注塑、挤出、吹塑成型加工等。三、高聚物的结晶结晶——高聚物从非晶态转为晶态的过程。分为两步——晶核生成及晶体生长。影响结晶的因素温度压力增大压力可使聚合物在高于正常情况下的熔化温度发生结晶；分子结构聚合物分子结构越简单、越规整，结晶越快，结晶度越高，添加剂结晶对塑件性能的影响密度密度随结晶度的增大而提高。力学性能抗拉强度随结晶度的增大而提高；冲击韧性将下降；弹性模量将减小。表面粗糙度和透明度结晶后，塑件表面粗糙度将降低，而透明度会减小或丧失。四、高聚物的取向取向的概念——大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下，形成有序的排列称为取向。分类按应力性质不同分拉伸取向—由拉应力引起，取向方向与拉伸方向一致流动取向—在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的取向对塑件性能的影响:使塑件在某些方向上的机械强度提高，在另外一些方向上强度降低。五、高聚物的降解概念：由于聚合物大分子受热和应力的作用，或由于在高温下受微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用，聚合物会发生相对分子量降低或大分子结构改变等化学变化，这种现象叫降解或裂解。危害：降解使大分子链断裂、分子量降低，导致聚合物弹性降低、强度降低、黏度变化、熔体易发生紊流、制品表面粗糙、使用寿命降低等问题。原因：防治：1.严格控制原材料的技术指标和使用合格的原材料2.使用前对聚合物进行严格的干燥3.确定合理的加工工艺和加工条件4.采用结构良好的成型加工设备和模具5.使用添加剂六、高聚物的交联概念：由线型结构变为体型结构的化学反应过程称交联。优点：使材料的强度、耐热性、化学和尺寸稳定性提高。1）硬化不足塑件的机械强度、耐热、耐化学腐蚀性、电绝缘性等会下降；热膨胀、内应力、受力时的蠕变量等会增加；塑件缺少光泽，容易发生翘曲变形；有时甚至会产生裂纹。2）过度硬化塑件机械强度不高、变色、发脆，表面有时会出现密集的小泡；可使塑件产生焦化和裂解现象。第三节塑料的组成及分类一、塑料的组成树脂＋添加剂1）树脂（40%~60%）受热软化后可将塑料的其它组分加以粘合，并决定塑料的主要性能。2）添加剂包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂和固化剂等⑴填充剂（填料）重要的但非必不可少的成分作用：减少树脂用量，降低塑料成本；改善塑料某些性能(力学性能、物理性能、工艺性能），扩大塑料的应用范围。分类按化学性能可分为：有机填料、无机填料按形状可分为：粉状、纤维状、层状（片状）常用的填料：木粉、纸浆、硅藻土、云母、石棉、炭黑、玻璃纤维。⑵增塑剂能够增加塑料的可加工性、延展性和膨胀性的物质常用的增塑剂是液态或低熔点固体有机物。主要有甲酸脂类、磷酸酯类和氯化石蜡等。作用：提高塑性、流动性和柔软性；降低刚性和脆性；改善塑料的工艺性能和使用性能。⑶稳定剂凡能阻止或者减缓塑料在加工使用中变质的物质称为稳定剂。可分为以下三种：热稳定剂：它的主要作用就是抑制或防止树脂在加工或使用过程中受热而降解。光稳定剂：它的主要作用是阻止树脂在光的作用下降解（塑料变色、力学性能下降等等）。抗氧化剂：延缓或抑制塑料氧化速度。⑷润滑剂为防止塑料在成型过程中粘模，减少塑料对模具的摩擦，改善塑料的流动性，提高塑件表面的光泽度而加入的添加剂。⑸着色剂起装饰美观的作用，某些着色剂还能提高塑料的光稳定性、热稳定性。颜料：着色能力、透明性、鲜艳性较差，但耐光型、耐热性、化学稳定性较好，不易褪色。染料：色彩鲜艳、颜色齐全，着色能力、透明性好。性能与颜料相反。还有阻燃剂、抗静电剂、发泡剂、防腐剂和导电剂和导磁剂等等。并非每种塑料都要加入全部的添加剂，根据塑料品种和需求有选择性的加入某些添加剂.添加剂作用常用的各种添加剂含量填充剂（填料）调整塑料的物理化学性能提高材料强度减少合成树脂的用量降低塑料成本木粉、纸、棉屑、硅石、硅藻土、云母、石棉、石金属粉、玻璃纤维、和碳纤维等20%~40%增塑剂提高塑件的可塑性和柔软性但会降低塑件的稳定性、介电性和机械强度不易挥发的高沸点的液体有机化合物或低熔点的固体有机化合物稳定剂抑制和防止塑料在加工和使用过程中因受热、光及氧等作用而分解变质硬脂酸盐、铅的化合物及环氧化合物0.3%~0.5%润滑剂防止塑料在成型加工过程中粘附在模具上提高塑件的流动性硬脂酸及其盐类1%着色剂有机颜料、无机盐料、染料0.01%~0.02%固化剂促使合成树脂进行交联反应或加快交联反应速度二、塑料的分类1）按合成树脂的分子结构及热特性分热塑性塑料——指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，其分子结构是线型或支链型结构。(变化过程可逆)热固性塑料——在受热或其它条件下能固化成不熔不溶性物质的塑料，其分子结构最终为体型结构。（变化过程不可逆）热塑性塑料与热固性塑料有关成型方面的区别塑料中树脂分子结构使制品固化定型的温度条件成型过程中树脂所发生的变化制品的熔化，溶解性能塑料的使用性常采用的成型方法热塑性塑料线型或支链状线型聚合物分子冷却物理变化（可能有少量分解或交链现象发生）可熔化可溶解反复多次使用（可回收废料）注射、挤出、吹塑等热固性塑料体型聚合物分子加热（提供交联反应温度既有物理变化，又有化学变化。既不可熔化，也不可溶解一次性使用，因成型过程不可逆压缩或压注。2）按塑料的用途分类通用塑料——一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。工程塑料——一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。特殊塑料——一般指具有特种功能（如耐热、耐腐蚀性等）应用于特殊要求的塑料。第四节塑料的工艺性能概念：塑料在成形过程中表现出来的特有性质。热塑性塑料收缩性流动性相容性吸湿性热敏性和水敏性热固性塑料收缩性流动性比容积和压缩比硬化速度水分及挥发物含量1、收缩性1）收缩性——塑件从模具中取出冷却到室温后，尺寸或体积收缩的特性称为收缩性成型收缩的大小可用收缩率来表示：%100%100bbcSbbaSjs式中Ss——实际收缩率Sj——计算收缩率a——模具或塑件在成型温度时的尺寸b——塑件在室温时的尺寸c——模具在室温时的尺寸成型收缩的形式塑件的尺寸收缩：由于热胀冷缩和塑件脱模时弹性恢复、塑性变形等原因，导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小。收缩的方向性：塑料在成型时由于分子的取向作用使塑件呈现各向异性，沿料流方向（即平行方向）收缩大，强度高，与料流垂直方向则收缩小，强度低。影响塑件收缩的因素：塑料的品种各种塑料都有其各自的收缩率范围，同一种塑料由于相对分子质量、填料及配比等不同，则其收缩率及各向异性也不同。塑件的结构塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及布局等，对收缩率值有很大影响。塑件的形状复杂、尺寸小、壁薄、带嵌件，收缩