其它塑料成形方法与模具设计压缩成型工艺与模具

第7章其它塑料成形方法与模具设计7.1压缩成型工艺与模具压缩与压注成形工艺主要用于对热固性塑料的成形加工。该类方法因为工艺成熟可靠，适宜成形大型塑件，塑件的收缩率小，变形少，各向性能比较均匀，得到了广泛的应用。7.1.1压缩成形原理与工艺压缩成形是将物料加注到型腔及其延长部分（加料室）内，在压力机的柱塞作用下将物料压缩至型腔，经加热固化定型处理后，冷却并撤除压力，取出塑件。7.1.2压缩模结构及分类压缩模分类方法较多，常见分类如下：1.按模具在压力机上的固定方式分类压缩模可以分为移动式压缩模、半固定式压缩模和固定式压缩模。2.按上、下模配合结构特征分类压缩模可以分为溢式压缩模（如图7.1所示）、半溢式压缩模（如图7.2所示）和不溢式压缩模（如图7.3所示）。3.按分型面特征分类压缩模可以分为水平分型面压缩模（如图7.4所示）和垂直分型面压缩模（如图7.5所示）。图7.1溢式压缩模图7.2半溢式压缩模图7.3不溢式压缩模图7.4水平分型面压缩模图7.5垂直分型面压缩模7.1.3典型压缩模如图7.6为一个压缩模具的结构示意图。它主要由以下一些部件组成：图7.6典型压缩模具结构1—上模座板2—螺钉3—上凸模4—凹模镶件5—加热板6—导柱7—型芯8—下凸模9—导套10—加热板11—推杆12—挡销13—垫块14—推板导柱15—推板导套16—下模座板17—推板18—压机顶杆19—推杆固定板20—侧型芯21—凹模固定板22—承压板1.成形零件成形零件是直接成形塑件的零件，主要包括上凸模、下凸模、凹模镶件、侧型芯和型芯。2.加料腔加料腔是指凹模镶件的上半部分。由于塑料原料与塑件相比密度较小，成形前，只靠型腔无法容纳全部原料，因此在型腔之上设有一段加料腔。加料腔的尺寸计算如下：(1)塑料体积的计算Vsl＝mv＝Vρv(7—1)或Vsl＝VK式中Vsl──塑料原料体积（cm3）；V──塑件的体积（包括溢料）（cm3）；v──塑料的比容积(cm3/g)；ρ──塑件的密度(g/cm3)；m──塑件重量(包括溢料，溢料通常取塑件重量的5%~10%)(g)；K──塑料压缩比。(2)加料腔高度的计算①不溢式压缩模加料腔高度H的计算可由所用塑料的体积Vsl、塑件的体积V1、加料腔横截面积A得到：H＝(Vsl－V1)/A＋(0.5cm~1.0cm)(7—2)②半溢式和不溢式压缩模加料腔高度H的计算可由所用塑料的体积Vsl、塑件的体积V1、溢料量V2和加料腔横截面积A得到：H＝Vsl－V1＋V2)/A＋(0.5cm~1.0cm)(7—3)加料腔有两种结构形式，如图7.17所示。一种是每个型腔都有自己的加料腔，而且每个加料腔彼此分开，如图中7.7(a)所示。优点是凹凸模定位方便，如果个别型腔损坏，不影响模具中其它型腔的使用。缺点是每个型腔都要求加料准确，加料时间长，外形尺寸大，装配精度高；另一种结构是多个型腔共用一个加料腔，如图7.7(b)所示。其优点是加料方便且迅速。飞边将各个塑件连成一体，可以将所有塑件一次推出模具。图7.7加料腔的形式(a)独立加料腔(b)公共加料腔3.导向机构导向机构是由布置在模具上模周边的四根导柱6和下模的导套9组成(如图7.6所示)，导向机构是用来保证上、下模合模的对中性。4.侧向分型抽芯机构在成形带有侧孔或侧凹的塑件时，模具必须设有各种侧向分型抽芯机构，塑件才能脱出。图7.6中的塑件带有侧孔，在顶出前先要用手转动丝杆抽出侧型芯20。5.推出机构图7.6中的推出机构由推杆固定板19、推板17、压力机顶出杆18等零件组成。6.加热系统热固性塑料压缩成形需要在较高的温度下进行，所以模具必须加热。图7.6中的电加热板5、10分别对上、下模进行加热。7.2压注成型工艺与模具7.2.1压注成形原理与工艺压注成形是将塑料加入到独立于型腔之外的加料室内，经初步受热后，在压力机压力的作用下，通过压料柱塞将塑料熔体经由浇注系统压入已经封闭的型腔，在型腔内迅速固化成为塑件的成形方法。与压缩成形相比有下列特色：1.具有独立的加料室，而不是型腔的延伸。塑料在进入型腔前，型腔已经闭合，产品的飞边较少，尺寸精度较高。2.塑料在加料室已经初步塑化，可加快成形速度，生产效率高。3.由于压力不是直接作用于塑件，所以适合加工带有细小嵌件、多嵌件或有细长小孔的塑件。7.2.2压注模具结构与分类1.普通液压机用压注模液压机上只有一个液压缸，起加压和锁模的双重作用。2.专用液压机用压注模液压机上装备有两个液压缸，主缸起锁模的作用，辅助缸起压注作用。3.往复螺杆式挤出机用压注模挤出机安装在水平位置，作用是加热、塑化物料。塑化后的物料在螺杆的作用下进入加料室，由柱塞压入模具型腔。7.2.3典型压注模具1.固定式料槽压注模如图7.8所示为一个典型的固定式料槽压注模。它是将模具的压料柱塞与压力机的上压板相连，而将加料室与模具体的上模部分连接为一体，下模部分固定在压力机下压板上。模具打开时，加料室与上模部分悬挂在压料柱塞与下模之间，以便于取出塑件和清理加料室。图7.8固定式料槽压注模1—上模板2—压料柱塞3—加料室4—主浇道衬套5—型芯6—型腔7—推杆8—支承块9—推板10—复位杆11—下模块12、17—拉杆13—支承板14—悬挂钩15—凹模固定板16—上凹模板2.柱塞式压注模柱塞式压注模所用的压力机是专用液压机。由于锁紧模具和压注射料由两个液压缸分别完成，使模具结构具有以下一些特点：(1)加料室不再位于模具主体部分之上，而改设在模具体之中；(2)主浇道消失，塑料消耗少，同时节省了清理加料室底部的时间。(3)对加料室容积没有严格要求，只要能满足成形条件即可。柱塞式压注模一般都是固定式的，压料柱塞与辅助液压缸相连，根据辅助液压缸所处位置的不同，可分为上柱塞式压注模（如图7.9所示）和下柱塞式压注模（如图7.10所示）。图7.9上柱塞式压注模1—加料室2—上模板3—型腔上模板4—型腔模板5—推杆6—支承板7—垫块8—下模板9—推板10—型腔固定板11—导柱图7.10下柱塞式压注模1—上模板2—型腔上模板3—型腔下模板4—加料室5—推杆6—下模板7—加热板8—垫块9—分流锥7.3挤出成形工艺与模具7.3.1挤出成形原理与工艺塑料的挤出成形（简称挤塑）广泛应用于管材、板材、薄膜、线材、异型材、棒材、网膜以及各种电缆的包层等生产领域。挤塑成形具有效率高、成本低、连续生产等优点，在塑料制品中挤塑成形已占到很大比例。挤塑成形系统原理见图7.11所示。其工作原理是：塑料从料斗进入料筒被加热至熔融状态，在螺杆的旋转压力作用下被挤入机头，然后在牵引器的牵引力作用下，通过成形模成形，在冷却定型器中被冷却固化定型，经切断器定长切断后，放入卸料槽中。图7.11挤塑成形系统原理图1—挤塑机2—机头3—成形模4—冷却成形器5—牵引器6—切断器7—卸料槽挤塑成形可以加工所有的热塑性塑料和某些热固性塑料。挤塑成形的方法根据对成形物料塑化的方法不同，可分为干法和湿法两种。干法是利用挤塑机的料筒加热和螺杆搅拌使物料成为均匀一致的连续熔融状态，其塑化和挤出成形是在同一台设备上完成的；而湿法是利用溶剂对物料进行软化后，再进行塑化成形，这样可以避免物料的受热过度，其塑化效果较好。湿法加工其塑化和挤塑是在两个设备上分别完成的，且挤出成形后还要进行溶剂的脱除处理，操作过程较繁琐。目前，除了硝酸纤维和某些醋酸纤维必须用湿法外，一般都用干法挤出成形。挤塑机的主要技术参数是每分钟挤出量，它应符合产品的大小、形状及生产率的需要。加压螺杆的长径比决定了塑化的质量、压实是否充分、制品的外观及力学性能。在生产管材时，一般管材的直径应控制在螺杆直径的30%～130%之间。机头的作用是将从其流过的，与流道截面大致相同的熔融状态塑料加以镇流，使流出的塑料在同一个截面上的流速相同。为了防止熔体破裂和死角的产生，一般多采用锥形流道，而很少采用等截面流道。机头中的熔体要具有相当高的压力，流动时压力损失要较小，这样可以避免制品中由于塑料收缩而产生空洞。另外，为了保持机头内熔融塑料的粘度，在机头里要设计有加热装置。不同形状的塑料制品成形时，其采用的机头结构也不同。一般分为两类：一类是机头带有分流梭，如生产板材、片材、小截面棒材等实心制品时采用；另一类是机头不带有分流梭，如生产管材、异型材等空心制品和大截面实心棒材时采用。在挤塑机和机头之间装有栅格与滤网，主要作用是使从螺杆中挤出的熔体通过栅格后，其运动形式由旋转运动变成平行移动，因此也会使背压提高，从而压实了熔融的成形物料，滤网的作用是滤去塑化不完全的冷料和其它机械性杂质。以上结构如图7.12所示。7.3.2挤出模结构挤出成形模是依据产品的形状、尺寸以及所加工塑料的流动性自行设计的，一般是由口模和定型套两部分组成，如图7.12所示。口模与机头相连，其内部空腔的形状将对流过的熔体产生阻力，使压力降低，而且还决定了产品的形状和尺寸精度。成形中空制品时还要在口模内部加装口模芯，此时口模成形的是外表面，而口模芯成形的是内表面。定型套的设计则应考虑熔体离开口模时的膨胀、牵引速度等工艺条件及因素。口模的间隙尺寸与产品的相关尺寸存在差异，多依据经验确定，口模的长度一般也是由经验数据确定。除了口模的尺寸之外，由于塑料冷却收缩的缘故，产品的尺寸比定型模要小。根据塑料的收缩率，图7.12挤塑机头、口模和定型套示意图1—螺杆2—挤塑机筒3—栅格和滤网4—机头5—分流梭6—加热器7—支架8—口模9—绝热垫片10—定型套11—冷却水套12—制品13—口模芯14—支柱可以计算定型模的尺寸，但是塑料的收缩率除了由塑料的特性决定之外，还与冷却条件等因素有关，所以在制品成形中要加以修正。塑料熔体在流动中受到的力不同，还会产生变形。例如矩形截面，由于熔体所受剪切应力在对边处最大，而对角处最小，因而会产生中凸的鼓行变形，为此应当把口模相应加工成各边中凹的枕形来加以纠正。7.3.3典型挤出成形模具现以管材挤出成形模具为例，对挤出模具加以介绍。7.3.3.1挤出成形机头结构挤出成形管材塑件时，常用的机头结构有直通式机头（如图7.13所示）和直角式机头（如图7.14所示）。直通式挤管机头结构简单，制造容易，但熔体经过分流器时，会形成熔接痕迹且不易消除。该类机头适用于成形聚氯乙烯、聚乙烯、尼龙等管材。直角式机头在塑料熔体包围口模芯流动成形时，只会产生一条分流痕迹，适用于对管材要求较高的场合。直角式机头可用口模芯与机头同时进行温度控制，因此定径精度高。同时，熔体的流动阻力较小，料流稳定，生产效率高，成形质量好。缺点是结构复杂。7.3.3.2模具参数的确定1.口模口模成形管材的外径，其主要尺寸为口模内径和定型段长度决定。(1)口模的内径：管材的外径由口模的内径决定。口模断面尺寸一般由经验数据确定，并且通过调节螺钉调节口模与口模芯之间的环状间隙，使其达到合理值。D=kds（7—4）式中D──口模内径（mm）；ds──管材(塑件)外径（mm）；k──系数（定径套定管材内径值为1.10~1.30；定径套定管材外径值为0.95~1.05）。(2)定径段长度：定径段长度就是口模的平直部分，口模定型段的长度对于挤出成形质量相当重要。如果该段过长，料流阻力增加很大，而过短时则起不到定型的作用。目前，我们通常是凭经验确定其长度。①按管材外径计算L1＝(0.5~3)ds(7—5)式中L1──口模定型段长度（mm）；ds──管材(塑件)外径（mm）。②按管材壁厚计算L1＝(8~15)t（7—6）式中t──管材壁厚（mm）。2.口模芯口模芯成形的是管材的内径，其主要尺寸是口模芯的外径、压缩段长度和压缩角。(1)口模芯的外径：口模芯外径决定管材的内径，与口模直径设计一样，一般是由经验数据确定：d＝D－2s（7—7）式中d──口模芯的外径（mm）；D──口模的内径（mm）；图7.13直通式机头1—加热器2—口模3—调节螺钉4—口模芯5—分流器支架6—机头体7—分流器图7.14直角式机头1—口模2—压环3—调节螺钉4—口模座5—口模芯6—机头体7—机颈s──与口模的单边间隙