《模具設計》課件第6章

第六章塑料成型工藝6.1塑料的種類

6.2塑料制件的結構工藝性

6.3塑料成型設備

6.4塑料模具材料

習題

6.1塑

料

的

種

類6.1.1塑料及其類型塑料的主要成分是樹脂,無論是天然樹脂(如松香、瀝青、琥珀、蟲膠等)還是合成樹脂(酚醛樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、聚乙烯等),它們都屬于高分子聚合物,簡稱高聚物。按制造方法,塑料可分為聚合樹脂塑料和縮聚樹脂塑料兩類;按成型性能,塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類,前者主要由聚合樹脂制成,后者大多以縮聚樹脂為主。常用塑料名稱及英文代號如表6-1所示。此外,按用途,塑料還可分為通用塑料、工程塑料和特殊用途塑料等。

表6-1常用塑料名稱及英文代號

6.1.2熱塑性塑料的工藝特性

1.收縮性在熔融狀態(tài)下一定量塑料的體積總比其固態(tài)下的體積大,說明塑料經(jīng)成型冷卻后發(fā)生了體積收縮,塑料的這種性質稱為收縮性。收縮性的大小以收縮率表示,即單位長度塑件收縮量的百分數(shù)。由于成型模具材料與塑料的線膨脹系數(shù)不同,因此塑件的實際收縮率和計算收縮率也不相同。

計算收縮率表示室溫時模具尺寸與塑件尺寸的差別,在普通中、小型模具成型零件尺寸計算時,計算收縮率與實際收縮率相差很小,常采用計算收縮率;而實際收縮率則表示模具或塑件在成型溫度時的尺寸與塑件在室溫時的尺寸之間的差別,實際收縮率表示塑料實際所發(fā)生的收縮,在大型、精密模具成型零件尺寸計算時常采用。塑件收縮的形式除由于熱脹冷縮、塑件脫模時的彈性恢復、塑性變形等原因產生的尺寸線性收縮外,還會按塑件形狀、料流方向及成型工藝參數(shù)的不同產生收縮方向性。另外,塑件脫模后殘余應力的緩慢釋放和必要的后處理工藝也會使塑件產生后收縮。

2.流動性

塑料的流動性是指在成型過程中,塑料熔體在一定的溫度與壓力作用下充填模腔的能力。塑料流動性的好壞,在很大程度上影響成型工藝的許多參數(shù),如成型溫度、壓力、周期、模具澆注系統(tǒng)的尺寸及其它結構參數(shù)等。在決定零件大小與壁厚時,也要考慮流動性的影響。

流動性主要取決于分子組成、相對分子質量大小及其結構。只有線形分子結構而沒有或很少有交聯(lián)結構的聚合物流動性好。合物中加入填料會降低樹脂的流動性,加入增塑劑、潤滑劑可以提高流動性。流動性差的塑料,在注射成型時不易充填模腔,易產生缺料,在塑料熔體的會合處不能很好地熔接而產生熔接痕。這些缺陷甚至會導致零件報廢。反之,若材料流動性太好,注射時容易產生流涎,造成塑件在分型面、活動成型零件、推桿等處的溢料飛邊,因此,成型過程中應適當選擇與控制材料的流動性,以獲得滿意的塑料制件。

熱塑性塑料的流動性分為三類:流動性好的,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸纖維素等;流動性中等的,如改性聚苯乙烯、ABS、AS、有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)、聚甲醛、氯化聚醚等;流動性差的,如聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。通常料溫高,則流動性大。但不同塑料也各有差異,聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、有機玻璃、ABS、AS、聚碳酸酯、醋酸纖維等塑料的流動性隨溫度變化的影響較大;而聚乙烯、聚甲醛的流動性受溫度變化的影響較小。

如果注射壓力增大,則熔料受剪切作用大,流動性也增大,聚乙烯、聚甲醛等尤為敏感。另外，澆注系統(tǒng)的形式、尺寸、布置,包括型腔表面粗糙度、澆道截面厚度、型腔形式、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設計及熔料的流動阻力等因素都直接影響塑料熔體的流動性。總之,凡促使熔料溫度降低、流動阻力增加的,流動性就會降低。

3.相容性相容性又俗稱為共混性,是指兩種或兩種以上不同品種的塑料,在熔融狀態(tài)不產生相分離現(xiàn)象的能力。如果兩種塑料不相容,則混熔時制件會出現(xiàn)分層、脫皮等表面缺陷。不同塑料的相容性與其分子結構有一定關系,分子結構相似者較易相容,例如高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯彼此之間的混熔等。分子結構不同時較難相容,例如聚乙烯和聚苯乙烯之間的混熔。通過塑料的這一性質,可以得到類似共聚物的綜合性能,這是改進塑料性能的重要途徑之一,例如聚碳酸酯和ABS塑料相容,就能改善聚碳酸酯的工藝性。

4.吸濕性

吸濕性是指塑料對水分的親疏程度。據(jù)此塑料大致可以分為兩類:一類是具有吸濕或黏附水分傾向的塑料,例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚砜等;另一類是吸濕或黏附水分極小的材料,如聚乙烯、聚丙烯等。具有吸濕或黏附水分的塑料,當水分含量超過一定的限度時,由于在成型加工過程中,水分在成型機械的高溫料筒中變成氣體,促使塑料高溫水解,導致塑料降解,因此使成型后的塑件出現(xiàn)氣泡、銀絲與斑紋等缺陷?？梢?塑料在加工成型前,一般都經(jīng)過干燥,使水分含量在0.5％～0.2％以下。并要在加工過程中繼續(xù)保溫,以免重新吸潮。

5.熱敏性某些熱穩(wěn)定性差的塑料,在高溫下受熱時間較長、澆口截面過小或剪切作用大時,料溫增高就易發(fā)生變色、降解、分解的傾向,塑料的這種特性稱為熱敏性。如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等就具有熱敏性。熱敏性塑料在分解時產生單體、氣體、固體等副產物,分解產物有時對人體、設備、模具等有刺激、腐蝕作用或毒性,有的分解物往往又是促使塑料分解的催化劑(如聚氯乙烯的分解物為氯化氫)。為防止熱敏性塑料在成型過程中出現(xiàn)過熱分解現(xiàn)象,可采取在塑料中加入穩(wěn)定劑、合理選擇設備、合理控制成型溫度和成型周期、及時清理設備中的分解物等措施。另外,還可采取模具表面鍍鋁、合理設計模具的澆注系統(tǒng)等措施。

6.1.3熱固性塑料的工藝特性

1.收縮率熱固性塑料也具有因成型加工而引起的尺寸減小現(xiàn)象。計算方法與熱塑性塑料收縮率相同。收縮率的影響因素有原材料、模具結構或成型方法及成型工藝條件等。塑料中樹脂和填料的種類及含量,直接影響收縮率的大小。當在固化反應中樹脂放出的低相對分子質量揮發(fā)物較多時,收縮率較大，反之收縮率小;在同類塑料中,填料含量多時收縮率小,無機填料比有機填料所得的塑料件收縮小。

凡有利于提高成型壓力、增大塑料充模流動性、使塑件密實的模具結構,均能減少制件的收縮率,例如用壓縮或壓注成型的塑件比注射成型的塑件收縮率小;凡能使塑件密實,成型前使低分子揮發(fā)物溢出的工藝因素,都能減少制件收縮率,例如成型前對酚醛塑料的預熱、加壓等可降低制件收縮率。

2.流動性

流動性的意義與熱塑性塑料流動性類同,每一品種的塑料分為三個不同等級的流動性:流動性較差的,適用于壓制無嵌件、形狀簡單、厚度一般的塑件;流動性中等的,用于壓制中等復雜程度的塑件;流動性好的,可用于壓制結構復雜、型腔很深、嵌件較多的薄壁塑件,或用于壓注成型。流動性過大,容易造成溢料過多、填充不密實、塑件組織疏松、樹脂與填料分頭聚積、因易粘模而使脫模困難?？梢?必須根據(jù)塑件要求、成型工藝及成型條件選擇塑料的流動性。模具設計時應根據(jù)流動性來考慮澆注系統(tǒng)、分型面及進料方向等。

3.比容和壓縮率

比容和壓縮率都表示粉狀或短纖維狀塑料的松散性。單位質量中松散塑料所占的體積稱為比容(cm3/g),壓縮率是塑料的體積與塑件的體積之比,其值恒大于1?？捎帽热莺蛪嚎s率來確定模具加料室的大小。比容和壓縮率較大,要求模具加料室尺寸要大,從而使模具體積增大,操作不便,浪費鋼材,不利于加熱;同時,使塑料內充氣增多,排氣困難,成型周期變長,生產率降低。比容和壓縮率小,使壓錠和壓縮、壓注容易,壓錠質量也較準確,但是,比容太小,則影響塑料的松散性,以容積法裝料時造成塑件質量不準確。

4.硬化速度

熱固性塑料樹脂分子完成交聯(lián)反應,由線形結構變成體形結構的過程稱為硬化。硬化速度通常以塑料試樣硬化1mm厚度所需的秒數(shù)來表示,此值越小時,硬化速度就越快。影響硬化速度的因素有塑料品種、塑件形狀、壁厚、成型溫度及是否預熱、預壓等。通常,采用壓錠、預熱、提高成型溫度、增長加壓時間等,都能顯著加快硬化速度。另外,硬化速度還必須與成型方法的要求相適合。如壓注或注射成型時要求在塑化、填充時化學反應慢,硬化慢,以保持長時間的流動狀態(tài),但當充滿型腔后,應在高溫、高壓下快速硬化。硬化速度慢的塑料,會使成型周期變長,產率降低;硬化速度快的塑料,則不能成型大型復雜的塑件。

5.水分與揮發(fā)物含量

塑料中的水分及揮發(fā)物來自兩個方面:其一是塑料在制造中未能全部除凈水分,或在儲存、運輸過程中,由于包裝或運輸條件不當而吸收水分;其二是來自壓縮或壓注過程中化學反應的副產物。塑料中水分及揮發(fā)物的含量,在很大程度上直接影響塑件的物理、力學和介電性能。塑料中水分及揮發(fā)物的含量大,在成型時產生內壓,促使氣泡產生或以內應力的形式暫存于塑料中,一旦壓力除去后便會使塑件發(fā)生變形,降低其機械強度。

壓制時,由于溫度和壓力的作用,有大多數(shù)水分及揮發(fā)物逸出。在逸出前,這些水分和揮發(fā)物占據(jù)著一定的體積,嚴重地阻礙化學反應有效進行,造成冷卻后塑件的組織疏松;當揮發(fā)物氣體逸出時,會割裂塑件,使塑件產生龜裂,機械強度和介電性能降低。過多的水分及揮發(fā)物含量,使塑料流動性過大,容易溢料,成型周期長,收縮率增大,塑件容易發(fā)生翹曲、波紋及光澤不好等現(xiàn)象。反之,塑料中水分及揮發(fā)物的含量不足,會導致流動性不良,成型困難,不利于壓錠。水分及揮發(fā)物在成型時變成的氣體,必須排出模外,有的氣體對模具有腐蝕作用,對人體也有刺激作用。為此,在模具設計時應對這種特征有所了解,并采取相應措施。

6.2塑料制件的結構工藝性

塑件結構工藝性設計時必須遵循的原則如下:

(1)在保證使用性能、物理與力學性能、電性能、耐化學腐蝕性能和耐熱性能等的前提下,力求壁厚均勻,結構簡單,使用方便。

(2)在設計塑件時,考慮其成型模具的總體結構,使模具型腔易于制造、裝配和修模,抽芯和推出機構簡單。

(3)考慮原料的流動性、收縮率等成型工藝性的同時,進行塑件設計。

(4)對外觀要求較高的塑件,應先通過造型,而后逐步繪制圖樣。塑料制件結構工藝性設計的主要內容包括:尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形狀、壁厚、斜度、加強筋、支承面、圓角、孔、螺紋、齒輪、嵌件、文字、符號及標記等。

6.2.1塑料制件的尺寸和精度塑件尺寸的大小主要取決于塑料品種的流動性。在一定的設備和工藝條件下,流動性好的塑料可以成型較大尺寸的塑件;反之,成型出的塑件尺寸較小。另外,塑件外形尺寸還受成型設備的限制。從能源、模具制造成本和成型工藝條件出發(fā),在滿足塑件使用要求的前提下,應將塑件設計得盡量緊湊、尺寸小巧一些。

塑件的尺寸精度是指所獲得的塑件尺寸與產品圖中設計尺寸的符合程度,即所獲得塑件尺寸的準確度。影響塑件尺寸精度的因素很多,首先是模具的制造精度和模具的磨損程度,其次是塑料收縮率的波動以及成型時工藝條件的變化,塑件成型后的時效變化和脫模斜度及模具的結構形狀等。為降低模具制造成本和便于模具生產制造,在滿足塑件使用要求的前提下應盡量把塑件尺寸精度設計得低一些。塑件的精度等級分為八個等級,其中1、2級為精密技術級,只有在特殊要求下使用。7、8級的精度太低,一般不用,常用的是3～6級。未注公差尺寸通常為8級精度。

6.2.2塑料制件的表面質量塑料制件的表面質量包括表面粗糙度和表觀質量。塑件表面粗糙度主要與模具型腔表面的粗糙度有關。目前,注射成型塑件的表面粗糙度通常為Ra0.02～1.25μm,模腔表壁的表面粗糙度應為塑件的一半,取Ra0.01～0.63μm。塑件的表觀質量指的是塑件成型后的表觀缺陷狀態(tài),常見的如缺料、溢料、飛邊、凹陷、氣孔、熔接痕、銀紋、斑紋、翹曲與收縮、尺寸不穩(wěn)定等。其與塑件成型工藝條件、塑件成型原材料的選擇、模具總體設計等多種因素有關。

6.2.3形狀塑件的內外表面形狀應盡可能保證有利于成型。側抽芯或瓣合凹?；蛲鼓Ｊ鼓＞呓Y構復雜,制造成本提高,并且還會在分型面上留下飛邊,增加塑件的修整量,可見塑件設計時應盡可能避免側向凹凸,若有側向凹凸,則在保證塑件使用要求的前提下,適當改變塑料制件的結構,以簡化模具的結構。塑件內側凹較淺并允許帶有圓角時,則可以采取強制脫模的方法使塑件從凸模上脫下,但此時塑件在脫模溫度下應具有足夠的彈性,以使塑件在強制脫下時不會變形,例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等能適應這種情況。多數(shù)情況下塑件的側向凹凸不可能強制脫模,應采用側向分型抽芯結構的模具。

6.2.4脫模斜度由于黏附作用,塑件緊貼在凹模型腔內,另外,塑料制件冷卻后產生收縮,會緊緊包在凸模或成型型芯上。為了便于脫模,防止塑件表面在脫模時劃傷、擦毛等。在設計時塑件表面沿脫模方向應具有合理的脫模斜度。影響塑件脫模斜度的因素有塑件的性質、收縮率、摩擦因數(shù)、塑件壁厚和幾何形狀等。硬質塑料比軟質塑料脫模斜度大;成型孔較多或形狀較復雜的塑件取較大的脫模斜度;塑件高度較大、孔較深時,則脫模斜度取小值;壁厚增加,內孔對型芯的包緊力大,脫模斜度應大些。為了在開模時讓塑件留在凹模內或型芯上,有時有意將該邊斜度減小或將斜邊放大。

表6-2常用塑件的脫模斜度

6.2.5壁厚在脫模時,壁厚承受著脫模推力,并且要滿足使用時的強度和剛度要求,因此,塑件應有一定的厚度。壁厚應設計合理,壁厚太薄會增加塑料熔體充滿型腔時的流動阻力,出現(xiàn)缺料現(xiàn)象;壁厚太大會在塑件內部產生氣泡、外部產生凹陷,并增加成本;壁厚不均勻造成塑件各部分收縮不一致,導致塑件翹曲、縮孔、裂紋甚至開裂,因此在可能的條件下應使壁厚盡量均勻一致。如果結構要求必須有不同壁厚時,其比例不應超過1∶3,且應采用適當?shù)男揎棸霃揭詼p緩厚薄過渡部分的突然變化。塑件的壁厚一般為1～4mm。大型塑件的壁厚可達8mm。熱固性與熱塑性塑件壁厚常用值見表6-3和表6-4。表6-3熱固性塑件的壁厚

表6-4熱塑性塑件的最小壁厚和推薦壁厚

6.2.6加強筋加強筋的主要作用是增加塑件的強度和剛度,避免塑件翹曲變形,而不增加壁厚。合理布置加強筋還起著改善充模流動性、減少內應力、避免氣孔、縮孔和凹陷等缺陷的作用。加強筋的厚度應小于塑件壁厚,并與壁圓弧過渡。若t為塑件壁厚,則:加強筋高度L＝(1～3)t,筋條寬A＝(1／4～1)t,筋根過渡圓角R＝(1／8～1／4)t,收縮角α＝2°～5°;筋端部圓角r＝t/8。當t≤2mm,取A=t,加強筋端部不應與塑件支承面平齊,而應縮進0.5mm以上。6.2.7支承面與凸臺塑件的支承面應充分保證其穩(wěn)定性,不宜以塑件的整個底面作支承面,因為塑件稍有翹曲或變形就會使底面不平。通常采用凸緣或凸臺作為支承面。凸臺是用來增強孔或裝配附件的凸出部分的。設計時,凸臺應當盡可能位于邊角部位,其幾何尺寸應小,高度不應超過其直徑的兩倍,并應具有足夠的脫模斜度。設計固定用的凸臺時,除應保證有足夠的強度以承受緊固時的作用力外,在轉折處還不應有突變,連接面應局部接觸。

6.2.8圓角對于塑件來說,除使用要求需要采用尖角之外,其余所有內外表面轉彎處都應盡可能采用圓角過渡,以減少應力集中度,并且還能增加塑件強度,提高塑件在型腔中的流動性,同時比較美觀,模具型腔也不易產生內應力和變形。但是,采用圓角會使鉗工勞動量增大,使凹模型腔加工復雜化。圓角半徑的大小主要取決于塑件的壁厚,通常,內壁圓角半徑應是壁厚的一半,而外壁圓角半徑可為壁厚的1.5倍,一般圓角半徑大于0.5mm。壁厚不等的轉角可按平均壁厚確定內、外圓角半徑。

6.2.9孔的設計塑件上的孔通常有通孔、盲孔、異型孔(形狀復雜的孔)。理論上講,這些孔均能用一定的型芯成型。孔與孔邊緣之間的距離應大于孔徑。表6-5所示為熱固性塑料制件的孔與孔之間、孔與壁之間所應留有足夠的距離。

表6-5熱固性塑料制件孔間距、孔邊距與孔徑的關系

為防止型芯彎曲,孔深不宜太大。通常,注射成型或壓注成型時,孔深度應不超過孔徑的4倍;壓縮成型時,孔深應不超過孔徑的2.5倍;當孔徑較小深度又太大時,只能在成型后用機械加工的方法加工孔。當成型帶有側孔或側凹的塑件時,模具必須設置側向分型與抽芯機構或采用瓣合式結構,這使模具結構復雜?？梢?在不影響制件使用要求的前提下,應盡量避免塑件側孔或側凹結構。

6.2.10嵌件設計嵌件是指塑件內部鑲嵌的金屬、玻璃、木材、纖維、橡膠或已成型的塑件。使用嵌件可提高塑件的強度,滿足塑件導電、導磁、耐磨和裝配連接等特定的要求。另一方面,嵌件的設置往往增加模具結構復雜性,延長成型周期,增加制造成本,并且不易實現(xiàn)自動化生產。金屬是常用的嵌件材料,嵌件形式繁多。

對帶有嵌件的塑件,通常先設計嵌件,然后再設計塑件。由于金屬與塑件冷卻時的收縮值相差較大,使周圍的塑料存在很大的內應力,設計不當會造成塑件的開裂,所以應優(yōu)先選用與塑料收縮率相近的金屬嵌件,或保證嵌件周圍的塑料層有足夠的厚度。為避免出現(xiàn)豉泡或裂紋,嵌件頂部的塑料也應有足夠的厚度。嵌件不應帶有尖角,以減少應力集中度。對于大嵌件通常進行預熱,使其溫度達到接近塑料溫度。同時嵌件上盡量不要有穿通的孔以免塑料擠入孔內。

嵌件的形狀應保證嵌件與塑件之間具有牢固的連接以防受力脫出,并滿足成型要求。成型時要將嵌件先放在模具中固定,以使嵌件鑲嵌在塑件中,然后注入塑料熔體加以成型,亦可把嵌件在塑料預壓時放在塑料中,然后模塑成型,但首先必須對嵌件進行可靠的定位,保證其尺寸精度。當細長桿狀嵌件或嵌件過長時,為防止嵌件彎曲應在模具內設支柱。成型時為了使嵌件在塑料內牢固地固定,其嵌件表面可加工成溝槽、滾花,或制成各種特殊形狀。

6.2.11標記符號為滿足裝潢或某些特殊要求,有時需要塑件上帶有文字或圖案標記的符號。符號應放在分型面的平行方向上,并有適當?shù)拿撃Ｐ倍取?/p>

6.2.12表面彩飾塑件的表面彩飾,增加了產品外觀的美感,同時可以掩蓋塑件表面在成型過程中產生的疵點、銀紋缺陷,如收音機外殼采用皮革紋裝飾。表面彩飾常用凹槽紋、皮革紋、菱形紋、蘆飾紋、木紋、水果皮紋等。目前常用表面彩飾方法有彩印、膠印、絲印、噴鍍漆等。

6.3塑料成型設備

6.3.1注射成型工藝

1.注射成型工藝過程注射成型的原理如圖6-1所示。在注射成型的整個周期中,有以下幾個動作;

(1)計量:為了成型一定大小的塑件,必須使用一定量的顆粒狀塑料。

(2)塑化:為了將塑料充入模腔,就必須使之成熔融狀態(tài),而流動充入模腔。

(3)注射充模:為了將熔融塑料充入模腔,需要對熔融塑料施加注射壓力。

(4)保壓增密(預冷卻):熔融塑料充滿型腔后,并向模腔內補充因制品冷卻收縮而所需的物料。

(5)制品冷卻:保壓結束后,制品即開始進入正式冷卻定型階段。

(6)開模:制品冷卻定型后,注射機的合模裝置帶動模具動模部分與定模部分分離,即開模。

(7)頂件:注射機的頂出機構頂出塑件。

(8)取件:通過人力或機械手取出塑件和澆注系統(tǒng)冷凝料等。

(9)閉模(鎖模):通過注射機的合模裝置閉合并鎖緊模具(在安全門合上后進行)。

(10)注射座前移與后退:在注射成型的過程中,有時需要讓注射座前移或后退。如果注射座在整個工作循環(huán)中始終處于與模具噴嘴接觸狀態(tài)的加料計量方式,就叫固定加料法;如果塑料的加料計量是在注射座后退之前完成的,就叫前加料法;如果塑料的加料計量是在注射座后退之后進行的,就叫后加料法。

圖6-1螺桿式注射機注射模塑原理圖

2.注射成型特點與應用注射成型也稱注塑成型,是一種重要的熱塑性塑料成型方法。注射成型具有對各種塑料的適應性強、應用廣泛、成型周期短、生產效率高、制品精度高、生產條件較好、易于實現(xiàn)機械化和自動化生產、便于改善模具工作條件等諸多優(yōu)點,能一次成型空間幾何形狀非常復雜、尺寸精確、帶有金屬或非金屬嵌件的塑料制件,廣泛地用于塑料制件的生產中。在整個塑料制品生產行業(yè)中,占有非常重要的地位,其產品占目前塑料制件生產的30％左右。全世界每年生產的注射模數(shù)量約占所有塑料成型模具數(shù)量的50％。

目前,注射成型工藝發(fā)展很快,除了少數(shù)幾種塑料外,幾乎所有的塑料都可采用注射成型。熱固性塑料注射成型也得到成功應用,具有效率高,產品質量穩(wěn)定的特點。注射成型方法在生產通用塑料制品的同時,也是一種十分重要的工程塑料成型方法,目前工程塑料制品中,80％以上都采用注射成型方法生產。另一方面,注射成型的設備價格及模具制造費用較高,不適于單件及批量較小的塑件的生產。

6.3.2注射成型工藝參數(shù)的選擇與控制注射成型工藝的核心問題,就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔體,并將塑料熔體注射到型腔中去,在控制條件下冷卻定型,使塑件達到所要求的質量。一般說來,影響注射成型工藝的有三大工藝條件,即壓力、時間和溫度。此外還有用料量與合模力等問題。

1.壓力注射模塑過程中的壓力直接影響塑料的塑化和塑件質量,其包括塑化壓力和注射壓力。

1)塑化壓力塑化壓力又稱背壓,是指采用螺桿式注射機時,在螺桿轉動后退時螺桿頭部熔料所受到的壓力。其大小可以通過液壓系統(tǒng)中的溢流閥來調整。注射成型時,塑化壓力的大小因螺桿的設計、塑件質量的要求以及塑料的種類等的不同而異。但這些條件和螺桿的轉速都不變時,增加塑化壓力將提高熔體的溫度,使熔體的溫度均勻、色料的混合均勻并排出熔體中的氣體。另一方面,增加塑化壓力會降低塑化速率，延長成型周期,甚至可能導致塑料的降解。通常情況下,在保證塑件質量的前提下塑化壓力越低越好,其具體數(shù)值隨所用塑料的品種而異,但通常不超過6MPa。注射聚甲醛時,塑化壓力較高(即熔體溫度較高),會使塑件的表面質量提高,但也可能使塑料變色、塑化速率降低和流動性下降;對聚酰胺來說,塑化壓力必須降低,否則因為螺桿中逆流和漏流增加,塑化速率將很快降低?？梢?應采用提高料筒溫度的方法來增加料溫,而不采用增加塑化壓力的辦法。聚乙烯的熱穩(wěn)定性較高,提高塑化壓力不會有降解的危險,這有利于混料和混色,但這會降低塑化速率。

2)注射壓力注射機的注射壓力是指螺桿(或柱塞)軸向移動時,其頭部對塑料熔體所施加的壓力。其作用是克服塑料熔體從料筒流向型腔的流動阻力,給予熔體一定的充型速率以及對熔體進行壓實等。在注射機上常用表壓指示注射壓力的大小,注射壓力一般在40～130MPa之間。

影響注射壓力的因素十分復雜,有注射機的類型、塑料的品種、模具澆注系統(tǒng)的結構、尺寸與表面粗糙度、模具溫度、塑件的壁厚及流程的大小等。在其它條件相同的情況下,由于塑料在柱塞式注射機料筒內的壓力損耗比螺桿式的大,因此柱塞式注射機作用的注射壓力應比螺桿式的大。決定塑料流動阻力的另一因素是塑料與模具澆注系統(tǒng)及型腔之間的摩擦系數(shù)和熔融黏度,同一種塑料的摩擦系數(shù)和熔融黏度隨所用料筒溫度和模具溫度而變動,其值越大,注射壓力應越高。另外,注射壓力還與是否加潤滑劑有關。

為保證塑件的質量,通常對熔融塑料在噴嘴處的噴出速度,即注射速度有一定的要求,而注射壓力直接影響了注射速度的大小。就機械強度和收縮率而言,每一種塑件都有其最佳注射速度范圍,這一數(shù)值與很多因素有關,其中最主要的影響因素是塑件的壁厚。厚壁的塑件用低的注射速度,反之則相反。

型腔充滿后,注射壓力對模內熔料起壓實作用。在生產中,壓實時的壓力等于或小于注射時所用的注射壓力。如果注射和壓實時的壓力相等,則往往可以使塑件的收縮率減小,并且它們的尺寸穩(wěn)定性較好。缺點是會造成脫膜時的殘余壓力過大和成型周期過長。就結晶型塑料而論,由于壓實壓力大時可以提高塑料的熔點,因此成型周期不一定增長,可以提前脫模。例如聚甲醛的壓力加大到50MPa時,其熔點可提高90℃。

2.時間成型周期是指完成一次注射成型過程所需的時間,它包括注射時間、模內冷卻時間和其它時間。注射時間由充模時間(柱塞或螺桿前進時間)和保壓時間(柱塞或螺桿停留在前進位置的時間)組成;模內冷卻時間包含柱塞后撤或螺桿轉動后退的時間;其它時間指進行開模、脫模、噴涂脫模劑、安放嵌件和合模等操作時所用的時間。

成型周期直接影響了勞動生產率和注射機使用效率。注射成型時,在保證質量的前提下,應盡量縮短成型周期中各個階段的相關時間。在整個成型周期中,以注射時間和冷卻時間最重要,其對塑件的質量有決定性的影響。注射時間中的充模時間一般為3～5s,其大小與充模速率成反比;注射時間中的保壓時間是對型腔內塑料的壓實時間,在整個注射時間內所占的比例較大,通常為20～25s,特厚塑件可高達5～10min。在澆口凍結前,保壓時間的多少影響了塑件密度和尺寸精度。保壓時間的長短與塑件的結構尺寸、料溫、模溫以及主流道和澆口的大小等有關。如果主流道和澆口的尺寸合理、工藝條件正常,通常以塑件收縮率波動范圍最小的壓實時間為最佳值。

冷卻時間主要取決于塑件的厚度、塑料的熱性能和結晶性能以及模具溫度等。冷卻時間的長短應以脫模時塑件不引起變形為原則,一般在30～120s之間。冷卻時間過長,不僅延長生產周期,降低生產效率,對復雜塑件還造成脫模困難。成型周期中的其它時間則與生產過程連續(xù)化和自動化的程度等有關。

3.溫度

1)模具溫度模具溫度直接影響了塑料熔體的充型能力以及塑件的內在性能與外觀質量。模具溫度取決于塑件的尺寸及其結構與性能要求、塑料結晶性以及熔料溫度、注射速度、注射壓力、模具周期等其它工藝條件。

模具溫度一般通過冷卻系統(tǒng)來控制,在特殊情況下,可采用電阻加熱圈和加熱棒對模具加熱等來保持定溫,也有靠熔料注入模具自然升溫和自然散熱達到平衡而保持一定的模溫。模具溫度必須低于塑料的玻璃化溫度Tg或熱變形溫度,以保證制品有較高的形狀和尺寸精度,避免制品脫模后發(fā)生較大的翹曲變形。無定形塑料熔體注入模腔后,并不發(fā)生相變,隨著溫度的不斷降低而固化。模溫主要影響熔料的黏度及充型速率。在保證充型順利的前提下,采用低模溫是可取的,這樣可以縮短冷卻時間,提高生產效率。因此成型聚苯乙烯、醋酸纖維等熔融黏度較低或中等的無定形塑料時,模具的溫度常偏低;反之,對于聚砜、聚碳酸酯、聚苯醚等熔融黏度高的塑料,則必須采取較高的模溫,通常聚砜為130～150℃,聚碳酸酯為90～120℃,聚苯醚為110～130℃。對于軟化點較高的塑料,提高模溫可以調整制件的冷卻速率使其均勻一致,以防因溫差過大而使制件產生凹痕、內應力和裂紋等缺陷。

2)料筒溫度料筒溫度的選擇與各種塑料的特性有關,每一種塑料都具有不同的黏流態(tài)溫度Tf(對結晶型塑料即為熔點Tm),為了保證塑料熔體的正常流動,不使物料發(fā)生變質分解,料筒最合適的溫度范圍應在黏流態(tài)溫度Tf和分解溫度Td之間。螺桿式注射機的塑化過程與柱塞式注射機不同,選擇料筒溫度時也不同,前者選擇的溫度應比柱塞式注射機約低10～20℃。另外,還應結合塑件及模具的結構特點選擇料筒溫度。薄壁塑件的型腔比較狹窄,熔體注入的阻力大,冷卻快,料筒溫度應選擇高一些,以便順利充型;反之,注射厚壁塑件時,料筒溫度可降低一些。對于熔體充模流程曲折較多或較長,或成型形狀復雜及帶有嵌件的塑件,料筒溫度也應該選擇高一些。為使塑料溫度平穩(wěn)地上升以達到均勻塑化的目的,料筒溫度的分布,通常是從料斗一側(后端)起至噴嘴(前端)止逐步升高的。但當原料含濕量偏高時,也可適當提高后端溫度。因螺桿注射機的剪切摩擦熱有助于塑化,為防止塑料的過熱分解,其前段的溫度不妨略低于中段。

3)噴嘴溫度為防止熔料在直通式噴嘴口發(fā)生“流涎”現(xiàn)象,噴嘴溫度通常略低于料筒的最高溫度。噴嘴低溫產生的影響可以從塑料注射時所發(fā)生的摩擦熱得到一定的補償。噴嘴溫度過低,將會造成熔料的早凝而將噴嘴堵死,或者早凝料注入模腔而影響塑件的質量。料筒和噴嘴溫度還與其它工藝條件有一定關系。當注射壓力較低時,應適當提高料筒溫度,以保證塑料流動;反之,若料筒溫度偏低就需較高的注射壓力。通常在成型前通過“對空注射法”或“塑件的直觀分析法”來進行選擇調整,以便從中確定最佳的料筒和噴嘴溫度。

6.3.3注射成型工藝參數(shù)與模具的關系

1.注射部分的選用

(1)大注射量的校核:

K利G公≥G件+G廢

(6-1)式中:G公為注射機公稱質量注射量(g);K利為注射機最大注射量的利用系數(shù),一般取0.75～0.85;G件為塑件的質量(g);G廢為澆注系統(tǒng)等廢料的質量(g)。

(2)注射壓力的校核：

p公≥p注

(6-2)式中:p公為注射機的最大注射壓力(Pa);

p注為塑件成型所需的實際注射壓力(Pa)。

(3)注射速率的校核:根據(jù)塑件成型要求,注射機最大注射速率應大于所需要的注射速率。

(4)成型周期、時間的校核:應滿足塑件成型的時間要求。

(5)加料方式的選擇:根據(jù)需要選用前加料法、后加料法或固定加料法之一。

(6)料筒溫度與噴嘴溫度:應滿足塑化溫度要求。

(7)噴嘴及螺桿的匹配:根據(jù)塑料品種和注射成型的特點與要求選擇。開式噴嘴用于聚碳酸脂、硬聚氯乙烯、有機玻璃、聚砜、聚苯醚、ABS、ACS、氟塑料、聚苯乙烯、聚乙烯、纖維素塑料、酚醛塑料等。關式噴嘴用于尼龍、滌綸、泡沫塑料等。漸變型螺桿用于硬聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚砜、ABS。突變型螺桿用于聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、尼龍、滌綸、含氟塑料。

(8)噴嘴前端的孔徑和球: