材料成型裝備課件 第5章 高分子材料成型設(shè)備及自動(dòng)化

材料成形裝備及自動(dòng)化葉春生，材料學(xué)院csye@Tel料成形及控制工程專業(yè)課材料成形及控制工程專業(yè)課第5章高分子材料成形設(shè)備及自動(dòng)化本章主要內(nèi)容5.1概論5.2塑料注射機(jī)5.3數(shù)字塑料注射機(jī)高分子材料加工是將高分子材料中加入各種添加劑、助劑或改性材料，轉(zhuǎn)變成實(shí)用材料或制品的一種工程技術(shù)。高分子材料經(jīng)過成形加工，可以制成具有特定形狀又具有一定使用價(jià)值的制品。5.1概論聚合物包括塑料、橡膠和合成纖維等。

各種聚合物(塑料、橡膠和合成纖維等)的產(chǎn)量已超過六千萬噸，應(yīng)用遍及國民經(jīng)濟(jì)各部門，特別是軍事及尖端技術(shù)對(duì)具有各種不同性能聚合物材料的迫切需要促使聚合物合成和加工的技術(shù)有了更快的發(fā)展，聚合物成形與加工已經(jīng)成為一種獨(dú)立的專門工程技術(shù)。由于加工技術(shù)理論的研究、加工設(shè)備設(shè)計(jì)和加工過程自動(dòng)控制等方面部取得了很大的進(jìn)展，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品適應(yīng)范圍擴(kuò)大，原材料和產(chǎn)品成本降低，聚合物加工工業(yè)更進(jìn)入了一個(gè)高速度發(fā)展的時(shí)期。聚合物具有一些特有的加工性質(zhì)如：

1、可模塑性(Mouldability)2、可擠壓性(Extrudability)3、可紡性(Spinnability)4、可延性(Stretchability)5.1.1高分子材料的加工性能這些加工性質(zhì)為聚合物材料提供了適于各種加工技術(shù)的可能性，這也是聚合物能得到廣泛應(yīng)用的重要原因1、聚合物的可模塑性即：材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模制成形的能力。具有可模塑性的材料可通過注射、模壓和擠出等成形方法制成各種形狀的模塑制品?？赡Ｋ苄灾饕Q于材料的流變性、熱性質(zhì)和其它物理力學(xué)性質(zhì)等，熱固性聚合物還與聚合物的化學(xué)反應(yīng)性有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，過高的溫度，熔體的流動(dòng)性大，易于成形，但會(huì)引起分解，制品收縮率大；溫度過低時(shí)熔體粘度大，流動(dòng)困難，成形性差。適當(dāng)增加壓力，通常能改善聚合物的流動(dòng)性，但過高的壓力將引起溢料和增大制品內(nèi)應(yīng)力；壓力過低時(shí)則造成缺料。所以必須選擇適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫κ钩尚瓦_(dá)到模塑的最佳區(qū)域。5.1.1高分子材料的加工性能2、聚合物的可擠壓性即：聚合物通過擠壓作用形變時(shí)獲得形狀和保持形狀的能力。通常條件下聚合物在固體狀態(tài)不能通過擠壓而成形，只有當(dāng)聚合物處于粘流態(tài)時(shí)才能通過擠壓獲得宏觀而有用的形變。擠壓過程中，聚合物熔體主要受到剪切作用，故可擠壓性主要取決于熔體的剪切粘度和拉伸粘度。大多數(shù)聚合物熔體的粘度隨剪切力或剪切速率增大而降低。材料的擠壓性質(zhì)還與加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)有關(guān)。擠壓過程聚合物熔體的流動(dòng)速率隨壓力增大而增加，通過流動(dòng)速率的測量可以決定加工時(shí)所需的壓力和設(shè)備的幾何尺寸。5.1.1高分子材料的加工性能3、聚合物的可紡性即：聚合物材料通過加工形成連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。主要取決于材料的流變性質(zhì)，熔體粘度、熔體強(qiáng)度以及熔體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。作為紡絲材料，首先要求熔體從噴絲板毛細(xì)孔流出后能形成穩(wěn)定細(xì)流。細(xì)流的穩(wěn)定性通常與由熔體從噴絲板的流出速度v，熔體的粘度η和表面張力γF有關(guān)。

5.1.1高分子材料的加工性能4、聚合物的可延性即：表示無定形或半結(jié)晶固體聚合物在一個(gè)方向或二個(gè)方向上受到壓延或拉伸時(shí)變形的能力。材料的這種性質(zhì)為生產(chǎn)長徑比(長度對(duì)直徑，有時(shí)是長度對(duì)厚度)很大的產(chǎn)品提供了可能，利用聚合物的可延性，可通過壓延或拉伸工藝生產(chǎn)薄膜、片材和纖維。但工業(yè)生產(chǎn)上仍以拉伸法用得最多。5.1.1高分子材料的加工性能5.1.2

高分子材料成形方法分類高分子材料塑料擠出成型

注射成型

壓制成型

其它成型方法鑄塑成型模壓燒結(jié)成型傳遞模塑泡沫塑料的成型橡膠

壓延成型

壓出成型

擠出成型

纖維熔法紡絲

干法紡絲

濕法紡絲

復(fù)合材料手糊成型

層壓成型

模壓成型

卷繞及纏繞成型

注射成型

最基本:進(jìn)行形狀轉(zhuǎn)變，例如將粒狀或粉狀聚合物制成各種型材、各種形式的制品等。

大多數(shù)情況下，聚合物加工通常包括兩個(gè)過程：

1、首先使原材料產(chǎn)生變形或流動(dòng)，并取得所需要的形狀；

2、然后設(shè)法保持取得的形狀(即固化)。5.1.3

高分子材料加工成形特點(diǎn)聚合物加工與成形通常有以下形式：1、聚合物熔體的加工：如以擠出、注射、壓延或模壓等方法制取熱塑性型料型材和制品，熱固性塑料則采用模壓、注射或傳遞模塑；橡膠制品的加工也屬于這一類；擠出法還可用于纖維紡絲，這些都是用得很廣泛的重要加工技術(shù)。2、類橡膠狀聚合物的加工：如采用真空成形、壓力成形或其它熱成形技術(shù)等制造各種容器、大型制件和某些特殊制品。薄膜或纖維的拉伸也屬于這一技術(shù)范圍。5.1.3

高分子材料加工成形的特點(diǎn)3、聚合物溶液的加工：如以流涎方法制取薄膜的技術(shù)。油漆，涂料和粘合劑等也往往采用溶液方式制造。與擠出技術(shù)結(jié)合，聚合物溶液還用于濕法或干法紡絲。4、低分子聚合物或預(yù)聚物的加工：如丙烯酸酯類、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及澆鑄聚酰胺等都可用這種技術(shù)制造各種尺寸的整體澆鑄制件或增強(qiáng)材料。5.1.3

高分子材料加工成形的特點(diǎn)5、聚合物懸浮體的加工：如以橡膠膠乳、聚乙酸乙烯酯膠乳或其它膠乳以及聚氯乙烯糊等生產(chǎn)多種膠乳制品、涂料、粘合劑、搪塑塑料制品等。6、聚合物的機(jī)械加工：考慮到經(jīng)濟(jì)上的原因或難以采用前述方法時(shí)，可采用機(jī)械切屑加工(車、銑、刨等)方法來制取某些產(chǎn)品。主要用于數(shù)量不多或尺寸過大的產(chǎn)品，通常是選擇適當(dāng)?shù)摹懊鳌眮磉M(jìn)行的。5.1.3

高分子材料加工成形的特點(diǎn)根據(jù)聚合物在加工過程有否物理或化學(xué)變化主要分為：（1）熱塑性聚合物的加工：加工過程主要發(fā)生物理變化。例如注射成型、擠出成型(包括吹塑成型、纖維紡絲)、壓延成型、熱成型、搪塑成型和流涎薄膜等。5.1.3

高分子材料加工成形的特點(diǎn)（2）熱固性塑料的加工：加工過程中同時(shí)兼有物理和化學(xué)變化。例如在加工過程中有加熱—流動(dòng)和交聯(lián)—固化作用，熱固性塑料的模壓成型、注射成型和傳遞模塑成型以及橡皮的成型等屬于這一類。5.1.3

高分子材料加工成形的特點(diǎn)對(duì)注塑機(jī)工藝參數(shù)要求：

1.最大注塑量常為制品重量的2.5倍；

2.機(jī)械開模間距大，鎖模力應(yīng)大于單位面積注塑力的總和；

3.注塑機(jī)應(yīng)具有加熱，冷卻、液壓等接頭，并方便于模具連接；

：5.2塑料注射機(jī)注射量：注塑機(jī)在注射螺桿（或柱塞）作一次最大注射行程時(shí)，注射裝置所能達(dá)到的最大注出量。注射壓力：為克服熔料流經(jīng)噴嘴、澆道和模腔等處的流動(dòng)阻力，螺桿（或柱塞）對(duì)塑料施加的壓力。注射速率：表示單位時(shí)間內(nèi)從噴嘴射出的熔料量。

合模力：在注射時(shí)，要使模具不被模腔壓力所形成的脹模力頂開，就必須對(duì)模具施以足夠的夾緊力。5.2塑料注射機(jī)-主要性能參數(shù)5.2塑料注射機(jī)照片5.2塑料注射機(jī)結(jié)構(gòu)圖注射系統(tǒng)：使物料塑化和熔融，并在高壓和高速下將熔體注入模腔。注射系統(tǒng)主要由塑化裝置、螺桿驅(qū)動(dòng)裝置、計(jì)量裝置、注射動(dòng)作裝置、注射座以及整體移動(dòng)裝置、行程限位裝置以及加料斗裝置等組成。5.2塑料注射機(jī)注射合模工藝圖5.2塑料注射機(jī)關(guān)安全門、鎖模、注射、保壓、熔膠、冷卻、抽膠、開模、制品頂出鎖緊模具—防止模具注入高壓熔體時(shí)模具的型腔張開。工作原理圖塑化裝置：由螺桿和加熱料筒組成，在螺桿頭部裝有防止熔體倒流的止逆環(huán)和各種剪切或混煉元件；螺桿驅(qū)動(dòng)裝置：主要由減速裝置、軸承支架、主軸套和螺桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)或液壓馬達(dá)組成。預(yù)塑化時(shí)，動(dòng)力通過主軸套和軸承支架上的減速裝置帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)。注射裝置：主要由注射油缸和活塞及噴嘴組成。在注射時(shí)，油缸產(chǎn)生注射推力，通過主軸推動(dòng)螺桿向頭部熔體施高壓，使熔體通過噴嘴充入模腔。注射座：是一個(gè)可以在機(jī)身上移動(dòng)的基座，塑化裝置、注射裝置以及計(jì)量裝置和料斗都固定在注射座上。注射座在油缸作用下，可以做整體前進(jìn)或后退，使噴嘴與模具接觸或離開。5.2塑料注射機(jī)模具結(jié)構(gòu)原理成形原理在動(dòng)模板或定模板上還裝有調(diào)模機(jī)構(gòu)，以便在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)模具厚度。

在動(dòng)模板的后側(cè)裝有液壓及機(jī)械頂出裝置。動(dòng)模板在開啟模具時(shí)，可通過模具中的頂出機(jī)構(gòu)，從模腔中頂出制品。5.2塑料注射機(jī)-液壓控制系統(tǒng)5.2塑料注射機(jī)-加熱系統(tǒng)配備上下料機(jī)械手5.2塑料注射機(jī)注塑過程的模擬模具結(jié)構(gòu)模具組裝車燈模具汽車保險(xiǎn)杠模具安裝照片5.2.1大型塑料注射機(jī)1.模具外形尺寸大（2400*1600*1200mm）、體積重(25-40T)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，類似為一個(gè)中等程度的工作母機(jī)；2.模具澆注系統(tǒng)為熱流道，需要電加熱；3.型腔、型芯冷卻系統(tǒng)復(fù)雜，型腔與澆注系統(tǒng)的熱流道相互矛盾；4.制品頂出系統(tǒng)復(fù)雜，常用液壓、機(jī)械聯(lián)合頂出，并采用機(jī)械手自動(dòng)取出制品；5.制品尺寸大、澆注系統(tǒng)常為冷、熱流道相結(jié)合；6.構(gòu)成塑料模具零件多達(dá)100件以上，桑塔納轎車模具零件共108件5.2.1大型塑料注射機(jī)汽車保險(xiǎn)杠三維模型5.2.1大型塑料注射機(jī)注塑合模途中保險(xiǎn)杠注塑成型5.2.1大型塑料注射機(jī)（1）國內(nèi)外產(chǎn)品的發(fā)展

1、數(shù)字電動(dòng)注射機(jī)2、聯(lián)動(dòng)注射機(jī)組兩臺(tái)電動(dòng)單元并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大容量產(chǎn)品注射成形，或產(chǎn)品內(nèi)核與外皮不同材料的產(chǎn)品成形。5.3數(shù)字塑料注射機(jī)數(shù)字電動(dòng)注射機(jī)（1）國內(nèi)外產(chǎn)品的發(fā)展

3、低壓注射機(jī)5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（1）國內(nèi)外產(chǎn)品的發(fā)展

4、多色－多種材料注射機(jī)多色注射機(jī)有2個(gè)獨(dú)立的水平注射單元組成，即中心注射單元和輔助注射單元。各單元具有獨(dú)立的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)多色注射成型原理數(shù)字電動(dòng)多色注射機(jī)（2）數(shù)字注射成形設(shè)備的發(fā)展數(shù)字電動(dòng)注塑機(jī)的特點(diǎn)更高的剛度和穩(wěn)定性，減少注塑飛邊數(shù)字電動(dòng)注塑機(jī)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，注塑位置準(zhǔn)確度可達(dá)0.01mm；良好的可控性與更好的工藝連續(xù)性，增加可重復(fù)性（位置、周期時(shí)間）；數(shù)字電動(dòng)注塑機(jī)非常適合用來制造優(yōu)質(zhì)、薄壁的技術(shù)部件，如移動(dòng)電話或照相機(jī)的機(jī)殼，或聯(lián)接器等。5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（2）數(shù)字注射成形設(shè)備的發(fā)展優(yōu)越的無塵技術(shù)能力（沒有液壓油造成的污染）；在CD和DVD生產(chǎn)的新市場以及醫(yī)藥用品的制造方面，都得到了更多應(yīng)用。5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（3）注射機(jī)敏捷輔助系統(tǒng)1、換模參數(shù)自動(dòng)配置系統(tǒng)（ACM）縮短換模時(shí)間，提高注塑機(jī)生產(chǎn)效率可適應(yīng)不同注塑機(jī)型的初始化配置系統(tǒng)2、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)為適應(yīng)單機(jī)、車間生產(chǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)輸出接口系統(tǒng)。3、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）成形條件（工藝參數(shù)）管理功能生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能注射機(jī)停機(jī)、成形問題的日值記錄5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（3）注射機(jī)敏捷輔助系統(tǒng)4、方便實(shí)用的智能控制系統(tǒng)伺服電機(jī)的數(shù)字閉環(huán)控制（DigitalClosedLoop

ServoMotor

Control）高速工藝過程控制（HSPC）注塑機(jī)狀態(tài)顯示注射機(jī)的輔助設(shè)置5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)伺服電機(jī)的數(shù)字閉環(huán)控制器（4）注塑生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備全電動(dòng)注射機(jī)組成的自動(dòng)化車間注塑產(chǎn)品和廢料輸送機(jī)械手注塑產(chǎn)品自動(dòng)輸送設(shè)備5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（5）現(xiàn)代注塑設(shè)備的研究開發(fā)技術(shù)

1、數(shù)值分析方法的應(yīng)用工藝方案規(guī)劃通過注塑成形過程模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)，規(guī)劃模具設(shè)計(jì)參數(shù)和注塑成形工藝參數(shù)。5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（5）現(xiàn)代注塑設(shè)備的研究開發(fā)技術(shù)

1、數(shù)值分析方法的應(yīng)用工藝條件控制根據(jù)注塑成形模擬獲得的工藝方案，自動(dòng)設(shè)定注塑機(jī)工作參數(shù)；注塑、保壓、冷卻的執(zhí)行時(shí)間熱流道溫度控制，冷卻溫度控制，注射實(shí)際壓力控制。5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（5）現(xiàn)代注塑設(shè)備的研究開發(fā)技術(shù)

1、數(shù)值分析方法的應(yīng)用工藝缺陷分析短射、氣穴、熔接痕,翹曲變形預(yù)測。

注塑工藝分析和缺陷預(yù)測5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（5）現(xiàn)代注塑設(shè)備的研究開發(fā)技術(shù)

2、知識(shí)工程技術(shù)的應(yīng)用

知識(shí)工程的方法和技術(shù)是解決數(shù)值分析固有不足的有效途徑。二十世紀(jì)九十年代以來，知識(shí)工程的研究異?；钴S，相關(guān)的方法與技術(shù)層出不窮。知識(shí)工程的技術(shù)主體主要表現(xiàn)在以下智能方式：集成實(shí)例、樣本、產(chǎn)生式規(guī)則等多知識(shí)表達(dá)方式的知識(shí)庫規(guī)則推理（RBR）實(shí)例推理（CBR）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）注塑制品材料選擇制品材料智能選擇5.2.2數(shù)字塑料注射機(jī)（5）