第一章：塑料成型工艺设计

任务一选择与分析塑料原料项目导入一相关知识二项目实施三项目二塑料成型工艺设计一、项目引入某企业大批量生产塑料灯座，要求灯座具有足够的强度和耐磨性能，外表面无瑕疵、美观、性能可靠，要求设计一套成型该塑件的模具。通过本项目，完成对塑件材料的选择及对材料使用性能和成型工艺性能的分析。图1-1灯座二维图形图1-2灯座三维图形二、相关知识塑料是指以树脂为主要成份、加入添加剂，在一定温度和压力下具有塑性和流动性，可被模塑制成一定形状，且在一定条件下保持形状不变的材料。组成：聚合物合成树脂（高分子有机物、简称高聚物，40～100%）和添加剂天然树脂：橡胶、松香、虫胶、沥青等1）树脂合成树脂：PE、PVC、PP、PC、ABS、PA、PF等（P13页）聚合反应、缩聚反应2）添加剂（辅助材料）填充剂即填料（增量、改性）、稳定剂（防降解）、增塑剂（塑性、柔性、流动性）、润滑剂（防粘模、改善流动性和表面光泽）、着色剂（装饰美观）、发泡剂、增强材料。1.塑料的组成图1-3塑料原料(一)塑料的组成及性能2．塑料的通用性能(一)塑料的组成及性能•（1）塑料的优良性能1）密度小，重量轻，比强度和比刚度高2）多种优良的机械性能3）耐化学作用好4）电绝缘、绝热、隔声性能好5）成型和着色能力好6）加工性能好7）自润滑性好•（2）塑料的不足性能1）机械强度低、2）尺寸精度低、3）耐热温度低另外，高温下容易降解和老化；导热性能较差；吸湿性大，容易发生水解老化；使用寿命短。1．高聚物的结构特点（二）高聚物的结构线型、支链型、体型（如图）脆性大、塑性很低：热固性塑料有弹性、塑性，可反复成型：热塑性塑料单个高分子结构线型支链型网状2．聚合物分子链的聚集状态（二）高聚物的结构结晶型塑料非结晶型塑料（线性无定型)结构结晶造成分子的紧密聚集状态，增强了分子间的作用力，使聚合物的抗拉强度、硬度、熔点、耐热性和耐化学性提高；弹性模量、伸长率和冲击强度则降低，表面粗糙度值增大，而且还会导致塑件的透明度降低甚至丧失。1.按塑料的成型性能分类（三）塑料的分类（1）热塑性塑料呈线型分子链或支链型结构受热变软或熔化，成为可流动性的稳定黏性液体，在此状态具有可塑性；冷却后保持既得的形状；再加热，又可变软并可制成另一形状。可逆的如：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）PMMA、尼龙（聚酰胺）PA（2）热固性塑料网状分子链结构，固化后：不可逆.电木（酚醛树脂PF）、环氧树脂EP课本P9表1-1常用塑料名称/代号2.按塑料的应用范围分类（三）塑料的分类（2）按用途1）通用塑料：指产量大，用途广。价格低廉的一类塑料。如：聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，醛酚塑料，氨基塑料6大类，占塑料产量的80%2）工程塑料：指具有较高的机械性能、良好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性及尺寸稳定性，可替代金属而作某些机械构件，如：聚酰胺PA，聚甲醛POM，ABS3）特种塑料：环氧树脂、光敏塑料、导磁塑料、耐高温塑料等。（3）按聚集状态结晶型塑料和非结晶型塑料（线性无定性型塑料）结晶度高聚物形变——温度曲线m（四）聚合物的热力学性能和成型加工适应性聚合物在恒定压力下，随着加工温度的变化，存在三种状态：Tg:玻璃化温度Tf:粘流化温度Tb：称脆化温度Td:热分解温度常温下玻璃态的典型材料：有机玻璃、聚乙烯；常温下高弹态的典型材料：橡胶；常温下粘流态的典型材料：环氧树脂（如胶黏剂等）。（四）聚合物的热力学性能和成型加工适应性图1-6聚合物的温度、力学状态及成型加工适应性1—线形无定形2—结晶型1．黏度与剪切稀化效应（五）聚合物的黏性流动流体在管内一般有两种流动状态：层流和湍流（1）牛顿流体（低分子物质及少部分聚合物如PC、PA等）：低分子流体，剪切力与剪切速率间存在线性关系牛顿流体的流变方程式为:―切应力，单位Pa―剪切速率：单位时间的切应变，一般称为剪切速率，s-1―比例常数（黏度），也称牛顿黏度，反应了牛顿流体抵抗外力引起流动变形的能力，Pa·s1．黏度与剪切稀化效应（五）聚合物的黏性流动（2）非牛顿流体（大部分聚合物）：流变方程式为:a——非牛顿流体的表观黏度。非常数，为变量表征：在外力的作用下抵抗剪切变形的能力。与流体本身和温度以及剪切速率有关n——与聚合物和温度有关的常数，可以反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程度。K——与聚合物和温度有关的常数，反映聚合物熔体的粘稠性，称为黏度系数。－－1．黏度与剪切稀化效应（五）聚合物的黏性流动a在注射成型中，除了热固性聚合物和少数热塑性聚合物外，大多数聚合物熔体均有近似假塑性液体流变学的性质。注塑成型中近似具有假塑性流体性质的高聚物有聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯、ABS、聚苯乙烯等不同类型流体的流变曲线1—膨胀性流体；2—牛顿流体；3—假塑性流体剪切变稀（3）假塑性液体的流变学性质3．聚合物熔体在模内的流动现象（五）聚合物的黏性流动①入口效应：聚合物熔体在管道入口端因出现收敛流动，消耗能量突增，使压力降突然增大的现象。②离模膨胀效应：聚合物熔体流出流道或者浇口时，熔体发生体积膨胀的现象。其实质是一种由弹性回复而引起的失稳流动。图1-8聚合物熔体在管道入口区和出口区的流动（1）端末效应3．聚合物熔体在模内的流动现象（五）聚合物的黏性流动图1-9聚合物失稳流动时的熔体概貌（PMMA170℃）（2）失稳流动和熔体破裂①失稳流动：假塑性聚合物熔体在极高的剪切作用下，大分子链会被拉直，继续变形就会呈现很大的弹性性质，熔体将陷入弹性紊乱状况，各点流速将相互干扰，这种现象称为失稳流动。②熔体破裂：聚合物熔体在失稳状态下通过模内流道后，将变得粗细不均、没有光泽，表现出粗糙的鲨鱼皮状。此时，如继续增大剪切力，熔体将呈波浪、足片形等，更严重时，断裂成碎块，这种现象称为熔体破裂。3．聚合物熔体在模内的流动现象（五）聚合物的黏性流动图1-11熔体充模速度不同时的表现（3）聚合物熔体的充模流动a.浇口截面高度与型腔厚度相差很大时，容易喷射，熔体高速充模，受离模膨胀影响，易形成蛇形流，表面粗糙，甚至破裂。b.浇口截面高度与型腔厚度相差不太大时，中速充模，熔体平稳扩展。c.浇口截面高度与型腔厚度相差接近时，当制件厚度很小时出现这种情况，熔体一般不会发生喷射，充模更平稳。①浇口截面高度与型腔厚度对充模流动的影响3．聚合物熔体在模内的流动现象（五）聚合物的黏性流动图1-12聚合物熔体绕不同断面形状障碍物时的速度变化与流动情况（3）聚合物熔体的充模流动②熔接痕熔接痕处往往是塑件强度最弱的地方。设计浇口尺寸和选择浇口位置时，应综合考虑模腔内型芯结构、镶件安放等，避免出现料流分流、熔体喷射和蛇形流引起的熔合缝。两股料流的结合处产生熔接痕1．热塑性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性1）影响收缩的基本因素是：(1)塑料种类：不同塑料收缩率不同，详见课本P31表2-3(2)塑料制品结构：制品结构复杂、壁薄、嵌件多且均匀分布的，则收缩率小。如塑料加强筋(3)模具结构：浇口的型式、尺寸及位置(注射模塑与传递模塑)热收缩(4)成型工艺：有预热，成型温度不高，成型压力较大，保压时间较长的，收缩率较小。（1）收缩性塑料的膨胀系数比钢大，塑料件冷却收缩比模具大1．热塑性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性实际收缩率2）收缩率计算收缩率a----成型温度下塑料尺寸b----室温下塑件尺寸c-----室温下模具尺寸在普通中小模具成型零件尺寸计算时，计算收缩率和实际收缩率相差很小。常用计算收缩率；在大型、精密模具成型零件尺寸计算时常用实际收缩率。注意:**收缩率是一个范围值(查手册可得Sman~Smin)，设计时收缩率一般取平均值，但精确确定收缩率需反复实验求其平均值。%100*bbcsj1．热塑性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性（2）流动性指在成型过程中，塑料熔体在一定的温度与压力下充填模腔的能力。线性分子结构的聚合物流动性好。塑料流动性的好坏，很大程度上影响成型工艺参数及模具结构。料温高、注射压力大，流动性好。各种塑料流动好坏常分三类，见课本P33(P22)（3）相容性相容性又称共混性，指两种或两种以上不同品种塑料，在熔融状态下不产生相分离现象的能力。分子结构相似者相容性好常用热塑性塑料的流动性：（书P24表2.2）流动性好：尼龙PA、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP、醋酸纤维素CA。流动性中等：ABS、有机玻璃PMMA、聚甲醛POM、氯化聚醚CPT。流动性差：聚碳酸酯PC、硬聚氯乙烯、聚苯醚PPO、聚砜PSU、氟塑料。吸湿性：表明塑料对水分的敏感程度具有吸湿或粘附水分倾向的塑料：PA、PC、PSU、ABS等；既不吸湿也不易粘附水分的塑料，如PE、PP、POM等。注：凡是具有吸湿或粘附水分倾向的塑料，如成型前水分未去除，则在成型过程中由于水分在成型设备的高温料筒中变为气体并促使塑料发生水解，成型后塑料出现气泡、银丝等缺陷。因此，对吸湿性和粘附水分倾向大的塑料，在成型之前应进行干燥，使水分控制在0.5～0.2%以下1．热塑性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性（4）吸湿性吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。亲疏性好坏分两种，见课本P33(P23)塑料在加工成型前，一般都要经过干燥，使水分含量在0.2%以下。（5）取向性在应力作用下，聚合物分子链或纤维填料随着应力（流动）方向作平行排列的现象。取向会使塑料产生明显的各向异性，易使塑料翘曲变形，甚至在垂直取向方向上产生裂纹。但塑件铰链结构有效使用了取向性能。（6）降解和热敏性降解指聚合物在某些特定条件下发生的大分子链断裂及分子质量降低的现象，主有热降解、水降解、氧化降解等，轻度降解使塑料变色，进一步降解使塑料制品出现气泡、流纹，甚至焦化变黑。热敏性指塑料在高温下受热时间长、浇口截面过小或者剪切作用力过大，塑料制品变色、降解、分解的倾向。热敏性：某些热稳定性差的塑料，在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解、分解、变色的特性。热敏性塑料：硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚甲醛（POM）等。解决方法：添加抗热敏的热稳定剂；注射机筒内壁、流道和模腔表壁镀铬（避免过大摩擦热）生产时严格控制成型工艺条件2．热固性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性（1）收缩性同热塑性塑料的收缩性1）定义：2）测定值：衡量热固性塑料流动性的指标通常用拉西格流动性表示。（2）流动性每一品种的塑料分为三个不同等级的流动性流动性较差(25~80mm),适用于压制无嵌件、形状简单、厚度一般的塑件；流动性中等(81~131mm)，用于压制中等复杂程度的塑件；流动性好(131~180mm)，可用于压制结构复杂、型腔很深、嵌件较多的薄壁塑件，或用于压注成型。200mm以上，注射成型。2．热固性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性（1）收缩性同热塑性塑料的收缩性1）定义：2）测定值：衡量热固性塑料流动性的指标通常用拉西格流动性表示。（2）流动性每一品种的塑料分为三个不同等级的流动性流动性较差(25~80mm),适用于压制无嵌件、形状简单、厚度一般的塑件；流动性中等(81~131mm)，用于压制中等复杂程度的塑件；流动性好(131~180mm)，可用于压制结构复杂、型腔很深、嵌件较多的薄壁塑件，或用于压注成型。200mm以上，注射成型。2．热固性塑料的工艺特性（六）塑料的工艺特性（3）比体积与压缩率1)定义：比体积（比容）是单位质(重)量塑料所占的体积；压缩率是塑料的体积与塑料制品体积之比，其值恒大于1。2）功用：比体积和压缩率都表示了各种塑料的松散程度，它们都可以作为确定加料腔大小的依据；比体积和压缩率大，内部充气多，成型时排气困难，成型周期长，生产率低。（4）水分和挥发物的含量1）来源：2）作用3）相应措施：成型前预热干燥；模具中开排气槽或压制操作时设排气工步；模具表面镀铬是防止腐蚀。（5）交联与硬化速度(固化特征)硬化是指塑料成型时完成交联反应的过程。硬化速度通常以塑料试样硬化每1m