模具设计概论第四-五章.ppt

模具设计概论,冷冲模设计第一章 冷冲压概述与冲压设备第二章 冲裁工艺第三章 冲裁模结构与设计 塑料模设计第四章 塑料基础知识 第五章 塑料的成形工艺 第六章 塑料注射模具设计,第四章 塑料基础知识,4-1 塑料的组成、特性及分类4-2 塑料在加工过程中的物理、化学变化4-3 塑料的工艺特性,4-1 塑料的组成、特性及分类,1塑料的概念,以树脂（或在加工过程中用单体直接聚合）为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分，在加工过程中一定温度和压力的作用下能流动成型的高分子有机材料。,一、塑料与树脂,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，它是塑料最基本的，也是最重要的成分。,2树脂的概念,3树脂的分类,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、琥珀、虫胶等。,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树脂产物。,天然树脂,合成树脂,4树脂的结构及其特点,链节：高分子化合物中重复出现的结构单元，如聚乙烯的结构单元是CH2CH2。,4树脂的结构及其特点,聚合度：聚乙烯分子结构中的n值表示高分子化合物中链节的重复次数，n值越大，相对分子质量越大。,单体：能合成高分子化合物的小分子物质，如聚乙烯的单体是CH2=CH2。,高聚物分子结构的特点：,4树脂的结构及其特点,长链分子分子长链具有柔性高分子链间一旦有交联结构存在将不溶不熔高聚物存在晶态和非晶态两种具有取向性,5树脂的合成方法（加聚反应和缩聚反应）,加聚反应特点：,反应前后分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,5树脂的合成方法（加聚反应和缩聚反应）,缩聚反应特点：,反应前后分子个数不同由单体变为聚合物是由于官能团的作用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,C2H5OC2H5,二、塑料的成分,塑料 树脂添加剂,1.树脂,作用：,塑料的主要成分决定塑料的类型和基本性能,胶粘其它成分材料 赋予塑料可塑性和流动性,二、塑料的成分,2.添加剂,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，扩大塑料的应用范围。,二、塑料的成分,2.添加剂,填充剂（填料）,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）,二、塑料的成分,2.添加剂,增塑剂,能够增加塑料的可加工性、延展性和膨胀性 的物质；它是能与树脂相溶的、不易挥发的高沸点有机化合物。,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：,2.添加剂,增塑剂,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。,二、塑料的成分,二、塑料的成分,2.添加剂,稳定剂,凡能阻缓材料变质的物质称为稳定剂。,可分为以下三种：,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。,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）。,延缓或抑制塑料氧化速度。,热稳定剂：,光稳定剂：,抗氧化剂：,二、塑料的成分,2.添加剂,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。,二、塑料的成分,2.添加剂,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、热稳定性和耐候性。,分类,颜料,染料,有机颜料,无机颜料,二、塑料的成分,2.添加剂,着色剂,特点：,无机颜料：着色能力、透明性、鲜艳性较差，但耐光性、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。性能与无机颜料相反。,二、塑料的成分,2.添加剂,着色剂,有机颜料的特性介于无机颜料和染料之间。,还有阻燃剂、抗静电剂、发泡剂、防腐剂和加工助剂等等,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,在塑料工业中着色剂多采用颜料,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）酚醛塑料PF 环氧塑料EP 氨基塑料 有机硅塑料,三、塑料的分类,1按塑料的物理化学性能分：,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)聚乙烯PE 聚丙烯PP 聚酰胺PA 聚苯乙烯PS 聚氯乙烯PVC ABS(丙稀腈丁二烯苯乙烯)有机玻璃PMMA 聚甲醛POM 聚碳酸酯PC,热塑性塑料,热固性塑料,一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等）应用于特殊要求的塑料。氟塑料、聚酰亚胺、有机硅树脂、环氧树脂,一般指能承受一定的外力作用，并有良好的力学性能和尺寸稳定性，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。聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、ABS、聚砜、聚苯醚、聚四氟乙烯,一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。六大品种：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料,三、塑料的分类,2按塑料的用途分：,特种塑料,工程塑料,通用塑料,四、塑料的特性,1.质轻、比强度高。,2.优异的电绝缘性能。,3.优良的化学稳定性能。,4.减摩、耐磨性能好。,5.透光及防护性能。,6.减震、消音性能优良。,4-2 塑料在加工过程中的物理、化学变化,聚合物的结晶聚合物的取向聚合物的降解聚合物的交联,4-3 塑料的工艺特性,热塑性塑料的工艺特性收缩性流动性结晶性其它工艺特性,塑料制品从模具中取出发生尺寸收缩的特性称为塑料的收缩性。（与塑料本身的热胀冷缩特性有关，还与模具结构及成型工艺条件有关故统称成型收缩）,成型收缩的形式：,塑件的线尺寸收缩,收缩方向性,后收缩,后处理收缩,收缩性,影响收缩的基本因素：,塑料品种 塑件特性 进料口的形式、尺寸、分布 成型条件,模具设计时，应根据各种塑料的收缩范围、塑件壁厚、形状，进料口形式、尺寸，按经验确定塑件各部分的收缩率，再计算模具的型腔尺寸。（高精度件应留修模余地，试模后逐步确定型腔尺寸）,收缩性,实际收缩率：Ss=(a-b)/b100%（大型、精密模）计算收缩率：Sj=(c-b)/b 100%（普通中、小模）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。,收缩性,流动性,塑料熔体在一定温度和压力下填充模腔的能力称为塑料的流动性。流动性是比较塑料成型加工难易的一项指标。热塑性塑料常用熔融指数和螺旋线长度表示。熔融指数在一定温度和压力下，熔体在10min内通过标准毛细管（直径2.09mm）的塑料重量。g/10min 分子量小，分子量分布宽，分子结构规整性差，熔融指数高、螺流动长度长、表观粘度小，流动比大的塑料流动性就好。,常用塑料根据它的流动性可分为三类：流动性好：PA、PE、PP、PS等 流动性中等：ABS、PMMA、POM、聚氯醚 流动性差：PC、硬PVC、聚苯醚、聚砜(PSF),凡促使熔融料降低温度，增加流动性阻力的则流动性就降低。,影响流动性的主要因素：,模具结构,压力,温度,料温高则流动性增大，但不同塑料也各有差异。,注塑压力增大则熔融料受剪切作用大，流动性也增大。,所谓结晶现象即为塑料由熔融状态到冷凝时，分子由独立移动，完全处于无次序状态，变成分子停止自由运动，按略微固定的位置，并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象。,结晶型塑料 非结晶型（又称无定形）塑料,结晶性,无定形塑料为透明（如有机玻璃等）,一般结晶性塑料为不透明或半透明,例外：,聚(4)甲基戍烯为结晶型塑料却有高透明性ABS为无定形塑料但却并不透明,结晶性,结晶形塑料在模具设计和选择注射机时注意以下几点：料温上升到成型温度所需热量多，要选用塑化能力大的设备；冷凝时放出的热量多，模具要充分冷却；塑件成型后收缩大（达0.5-3.0%，无定形的一般0.4-0.6%），易发生缩孔、气孔；应根据塑件要求控制好模温；塑件各向异性明显，内应力大，脱模后易发生翘曲；,其它工艺性能,热敏性水敏性吸湿性应力敏感性各种热性能,有的塑料（如聚碳酸酯）即使含有少量水分，在高温、高压下也会发生分解，这种性能称为水敏性。,对热较为敏感，在高温下受热时间较长或进料口截面过小，剪切作用大时，料温增高易出现变色、降解、分解的倾向。这种性能称为热敏性。,热敏性,水敏性,吸湿性,据此，塑料大致可分为以下两种：,不吸水也不易粘附水分,吸湿、粘附水分,聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚砜,聚乙烯、聚丙烯,塑料对水分的亲疏程度,是指有些塑料对应力比较敏感，成型时容易产生内应力，质脆易裂，当塑件在外力作用下或在溶剂作用下即发生开裂的现象，被称为应力敏感性。,应力敏感性,热固性塑料的工艺特性,收缩率 热固性塑料收缩的表现形式、影响因素和计算方法与热塑性塑料基本相同。流动性 以拉西格流动性表示（以毫米计）来表示，数值大则流动性好。（1）拉西格流动值为100-130mm：适用于压制无嵌件、形状简单、厚度一般的塑件；（2）拉西格流动值为131-150mm：用于压制中等复杂程度的塑件；（3）拉西格流动值为151-180mm：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。,影响流动性的因素：,塑料品种,模具结构,成型工艺,一般树脂分子量小,填料颗粒细且呈球状,水、增塑剂、润滑剂含量高的，流动性大。,模具成型表面光滑、型腔形状简单，有利于改善流动性。,采用预压锭及先预热，提高成型压力，提高成型温度（在低于塑料硬化温度的条件下）等都能提高塑料的流动性。,流动性对成型的影响：,流动性过小 则填充不足，不易成型，成型压力增大。,流动性过大 溢料过多，填充不密实，塑件组织疏松，树脂与填料混合不均，易粘模，脱模和清理困难及早硬化等缺陷；,比容和压缩率 比容是单位重量的松散塑料所占的体积，cm3/g;压缩率是塑料体积和塑件的体积之比，其值恒大于1；它们都可用来确定模具加料室的大小。硬化速度 在热固性塑料的成型过程中，树脂发生交联反应，分子结构由线型变为体型，塑料由既可熔又可溶变为既不熔又不溶的状态，在成型工艺中把这一过程称为固化 硬化速度通常以塑料试样硬化1 mm厚度的时间来表示。,水分及挥发物含量,塑料生产过程中遗留下来及成型之前在运输、保管期间吸收。,是成型过程中化学反应的副产物。,（流动、收缩、气泡、腐蚀、气味等）,（预热干燥，开排气槽，加排气工步）,处理方法：,产生的影响：,来源：,思考与练习,1.塑料与树脂的关系？2.塑料的成分有哪些，各自作用如何？3.塑料按物理化学性质可分为几种？4.热塑性塑料和热固性塑料的主要区别？5.合成树脂与天然树脂的区别？6.塑料按性能及用途分可分为？7.热固性塑料的工艺性能有哪些？热塑性塑料的工艺性能有哪些？,第五章 塑料的成型工艺,5-1 塑料的成型原理5-2 注射成型工艺5-3 塑料制品的设计,5-1 塑料的成型原理,注射成型压缩成型压注（传递）成型挤出成型吹塑成型真空成型浇铸成型（铸塑）,5-2 注射成型工艺,注射成型工艺过程1 成型前的准备2 注射过程3 制品的后处理注射成型工艺参数选择,注射成型工艺过程,1 成型前的准备（1）原料的检验和预处理（2）金属嵌件的预热（3）料筒的清洗（4）脱模剂的选用,back,注射成型工艺过程,2 注射过程 包括加料、塑化、注射、保压、冷却和脱模等步骤。实质上主要是塑化、流动与冷却定型两大过程。,塑化,指塑料在料筒内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程。塑化的质量由物料的受热情况和所受的剪切作用共同决定。对塑化的要求：达到规定的成型温度；塑化料各处温度均匀一致；分解物的含量最小；提供足够的熔融塑料。,流动与冷却定型,指用柱塞或螺杆推动塑化后的塑料熔体注入并充满型腔，熔体在压力下的冷却凝固定型，直至脱模的全过程。时间不长，但该过程的温度、压力、时间等工艺参数对塑件质量有重要影响。熔体进入模腔内的流动情况可分为充模、压实、倒流和浇口冻结后的冷却四个阶段。四个阶段中熔体温度不断下降，而压力也发生变化。,P0型腔内最大压力；Ps浇口冻结时的压力；Pr 脱模时残余压力；t 时间。t0t1 充模阶段t1t2 压实阶段t2t3 倒流阶段t3t4 浇口冻结后的冷 却阶段,back,注射成型工艺过程,3 制品的后处理塑化不均、冷却不均 收缩不均内应力 变形和开裂（1）退火处理 温度：高于制品使用温度10-20或低于热变形温度10-20；退火时间：取决于塑料品种、加热介质温度、制品形状、壁厚和精度等。（2）调湿处理：主要用于聚酰胺类制品 100-120 热水,back,注射成型工艺参数选择,温度压力时间,温度,1 料筒温度粘流温度（f）(无定形)分解温度（d）或 熔点温度（m）(结晶形)分解温度（d）之间；螺杆式注射机料筒温度可比柱塞式低10-20；薄壁制品应高些，形状复杂或带嵌件的应高些；从料斗一侧（后端）至喷嘴（前端）止，温度逐渐升高；2 喷嘴温度 通常略低于料筒最高温度3 模具温度对无定形塑料，低模温可取，提高生产率；对结晶形塑料，取中等模温。,NP,back,b脆化温度,g玻璃化温度,f粘流温度m熔点,d热分解温度,线型无定形聚合物,线型结晶型聚合物,压力,1 塑化压力又称背压，是指采用螺杆式注射机时，螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受的压力。大小通过液压系统溢流阀调节。增加塑化压力，提高熔体温度，使温度均匀，但会减小塑化速率，延长成型周期，可能导致塑料降解。通常不超过6MPa。2 注射压力注射压力是指柱塞或螺杆顶部对塑料熔体所施加的压力。注射压力是克服熔体从料筒向型腔的流动阻力，使熔体具有一定的充模速率并对熔体进行压实。在满足制品成型的前提下，一般应尽量采用低的注射压力。,时间（成型周期）,完成一次注射成型过程的时间成型周期 成型周期的长短直接影响生产率和设备利用率，在保证产品质量的前提下应尽量缩短各阶段的时间。,注射时间闭模冷却时间其它时间（开模、脱模等）,充模时间保压时间,总冷却时间,决定制品质量,back,5-3 塑料制品的设计,塑料制品设计应符合：（1）使用要求（2）成型工艺特点（3）模具结构简化（4）生产成本降低应考虑的因素：（1）塑料性能（2）成型方法（3）模具结构和制造工艺性,5-3 塑料制品的设计,设计的主要内容包括：1 制品的几何形状2 尺寸精度3 表面质量,制品的几何形状,形状 尽量避免侧壁凹槽或与制品脱模方向垂直的孔，可避免瓣合分型或侧抽芯等复杂模具结构和使分型面上留下飞边。,制品的几何形状,壁厚 主要决定于制品的使用条件，但壁厚大小对成型影响很大。过小流动阻力大，充模难，不能保证强度、刚度。过大浪费原料，增加成本，且增加成型时间，降低生产率，还易出现气泡、缩孔等。壁厚应求均匀，否则产生内应力。,制品的几何形状,脱模斜度 为便于脱模，所设计的制品的内外壁应有足够的脱模斜度。,制品的几何形状,脱模斜度 为便于脱模，所设计的制品的内外壁应有足够的脱模斜度。,制品的几何形状,加强肋 确保制品的强度和刚度，而不至于使制品的壁厚过大，可在制品的适当位置设加强肋。塑件厚度加强肋高度L=(13)肋根宽度b=(1/41)肋根过渡圆角R=(1/81/4)肋端部圆角r=/8收缩角=25当2mm 时，取b=,制品的几何形状,支承面和凸台 以塑件的整个底面作为支承面，若稍有变形或翘曲就会造成底面不平。凸台是用来增强孔或装配附件的凸出部分。,制品的几何形状,圆角 制品的转角处应尽可能采用圆弧过渡，避免产生应力集中，提高制品强度，改善成型时的流动性及便于脱模。,制品的几何形状,孔 在设计制品上的各种孔（通孔、盲孔、螺纹孔）的位置时，应不影响制品的强度，尽量不增加模具制造的复杂性。,制品的几何形状,螺纹 制品上的螺纹可以直接成型，也可在成型后进行机加工。对于经常拆装或受力较大的螺纹则采用金属的螺纹嵌件。螺纹的牙形尺寸不易过细，否则使用时强度不够。直接成型的外螺纹直径不宜小于4 mm，内螺纹直径不宜小于2mm，螺距不小于0.7mm。如果模具上的螺纹没有考虑塑料的收缩值，则塑料制品的螺纹与金属螺纹的配合长度一般不大于螺纹直径的1.5-2倍。为了防止螺纹的始端和末端在使用时崩裂或变形，应使螺纹最外圈和最里圈留有台阶。,制品的几何形状,嵌件 在塑料内镶入金属零件或玻璃及已成型的塑件等形成牢固不可卸的整体，此镶入件称为嵌件。提高强度、耐磨性，保证电器性能、增加形状和尺寸稳定性，提高精度等作用。嵌件周围的塑料不能太薄，否则制品会因冷却收缩而破裂。尺寸嵌件的固定,尺寸精度,塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中尺寸的符合程度，即所获塑件尺寸的准确度。,影响塑件尺寸精度的因素:,塑件成型后的时效变化,塑料收缩率的波动以及成型时工艺条件的变化,模具的制造精度、磨损程度和安装误差,尺寸精度的主要影响因素是材料的收缩和和模具的制造误差。成型收缩：收缩率 s=(a-b)/b100%a模具型腔在室温下的尺寸 b塑料制品在室温下的尺寸 a=b+sb塑料制品的公差：表3-8 塑料制品公差数值表 P.66-67 表3-9 塑料制品精度等级的选用 P.67,尺寸精度的确定：,对于塑件上孔的公差可采用基准孔，可取表中数值冠以（）号。对于塑件上轴的公差可采用基准轴，可取表中数值冠以（）号。对于中心距尺寸及其它位置尺寸可取表中数值之半冠以（）号。,一般配合部分尺寸精度高于非配合部分尺寸精度。,模具尺寸精度比塑件尺寸精度高2-3级。,表面质量,表面质量,表面粗糙度、光亮程度,色彩均匀性,表面缺陷：缩孔、凹陷、无斑点、条纹、起泡、变色,推杆痕迹,对拼缝、熔接痕、毛刺等,塑料制件的表面粗糙度一般为m。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求高 12级,表面缺陷必须避免，表面光泽性和表面粗糙度视制品的使用要求而定。,BACK,结晶型聚合物结构,塑料件公差数值表（部分）,精度等级的选用,注射,注射成型压机,注射原理,注射成型产品,螺杆式注射机模塑工作循环,螺杆式注射机的优点：,加热缸內的材料滞留处少，热稳定性差的材料也很少因滞留而分解。,由于加热缸的压力损失小，用较低的射出压力也能成型。,成型周期短、效率高，生产过程可实现自动化,可成型形状复杂、尺寸精度要求高及带各种嵌件的塑件。,借助螺杆的旋转运动，材料內部也发热，均勻塑化，塑化能力大。,压缩成型压机,压缩模具,压缩成型产品,压缩,压注成型压机,压注成型产品,压注原理,压注,挤出成型产品,挤出机头,挤出成型过程,挤出,挤出成型是借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的聚合物材料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。,吹塑成型压机,吹塑原理,吹塑成型产品,吹塑,真空成型模具,真空成型产品,真空成型,思考与练习,1 塑料的成型工艺主要有哪些？2 注射成型工艺过程包括哪几阶段？3 注射成型的工艺参数主要有哪些？4 从满足注射成型工艺的角度出发，在设计塑料制品的形状和壁厚等方面时应注意哪些问题？,