模具设计与制造(注射模)

第3章塑料模具设计3.1塑料概述3.1.1塑料的组成及特性1．塑料的基本组成塑料是以合成树脂为主要成分，加入适量的添加剂（助剂）组成的。（1）合成树脂合成树脂属于高分子聚合物，是塑料组成中基本的、必不可少的成分。它决定了塑料的类型和基本性能，如物理性能、化学性能、力学性能和电性能等。（2）添加剂（助剂）添加剂包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂和着色剂等。1）填充剂（填料）填充剂在塑料中主要起两个作用：一是减少树脂含量，降低塑料成本；二是能够改善塑料的性能，扩大了塑料的应用范围。如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）树脂中加入钙质填料后，可得到价格低廉的具有刚性和耐热性的钙塑料；把玻璃纤维加入到塑料中，可大幅度提高塑料的力学性能；有的填充剂还可以使塑料具有树脂所没有的性能，如导电性、导磁性、导热性等。填充剂有多种，按其化学结构可分为有机填料和无机填料；按其外观形状可分为粉状填料、纤维状填料、片状填料等；按来源可分为矿物性填料、植物性填料、合成填料等；按功能可分为增量型填料、增强型填料、阻燃型填料、导电型填料、耐热型填料等。常用的填充剂有木粉、碳酸钙、滑石粉、玻璃纤维、纸浆等。塑料中填充剂含量一般为20%~50%。2）增塑剂增塑剂是现代塑料工业最大的助剂品种，使用增塑剂能够增加树脂的塑性、柔韧性和延伸性，改善成型性能。降低刚性和脆性。增塑剂的加入会降低塑料的稳定性、介电性和机械强度，因此在塑料中应尽可能地减少增塑剂的含量。选用增塑剂的要求是增塑剂与树脂的相容性好，不易挥发、化学稳定性好，光、热稳定性好，还要求无毒、无臭、无色、不易燃烧、价廉等。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、柠檬酸三丁酯、磷酸三甲苯酯、癸二酸二辛酯等。3）稳定剂在塑料中加入稳定剂，能够有效地抑制或降低树脂在加工或使用过程中产生有害的化学变化，提高塑料的耐热、耐光性能，延缓塑料材料的降解、老化过程，延长塑料制品的使用寿命。选用稳定剂首先要求与树脂的相容性好，其次要求在成型过程中最好不分解，挥发性小，无色、耐油、耐化学药品等。常用的稳定剂有热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂等。稳定·2·书名剂用量一般为塑料的0.3%~0.5%。润滑剂的含量一般小于1%。4）润滑剂润滑剂的主要作用是防止塑料在成型过程中发生粘附，有利于脱模，改善塑料的流动性，减少磨擦，并提高塑料表面光泽程度。润滑剂分为外润滑剂和内润滑剂两种。常用的润滑剂有硬酯酸、硬酯酸皂类、酰胺类、石蜡等。5）着色剂着色剂又称色母料，它能使塑料制件具有各种色彩，起装饰和美观的作用，同时还能提高塑料的光稳定性、热稳定性和耐候性。一般对着色剂的要求是：性能稳定、着色力强、色泽鲜艳、分散性好，且具有耐热、耐光等性能。着色剂包括颜料和染料。颜料分为无机颜料和有机颜料。着色剂用量一般为塑料的0.01~0.02%。2．塑料的特性（1）密度小，质量轻塑料密度一般在0.83~2.2kg/dm3之间，只有钢的1/8~1/4，铝的1/2。（2）比强度和比刚度高塑料的强度和刚度比金属差，但塑料密度小，比强度（σb/ρ）相当高，尤其以各种高强度的纤维状、片状的金属或非金属为填料制成的增强塑料，其强度比一般钢材的比强度还高。塑料的比刚度（又称比弹性模量，E/ρ表示）也较高。（3）化学稳定性好塑料对酸、碱、盐、气体和蒸汽具有良好的抗腐蚀作用。（4）电绝缘性能好塑料具有优良的电绝缘性能和耐电弧性。（5）绝热、隔声性能好塑料具有良好的绝热保温和隔声性能。（6）耐磨性、自润滑性好塑料的摩擦系数小、磨损率低、耐磨性高、自润滑性好。（7）成型性能好塑料在一定条件下具有良好的塑性，可用高生产率的成型方法制造各种塑料制品。（8）粘结性能好塑料一般都具有一定的粘结性能，可以与其它非金属或金属材料牢固粘结而制成复合材料和结构零件。（9）多种防护性能除上述的耐腐蚀性和绝缘性能外，塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射、防震等多种防护性能。有些塑料还具有特殊防护性能，如耐高温、耐超低温等。3.1.2塑料的分类塑料的品种很多，分类的方法也很多。1．按塑料中树脂的分子结构及其特性分类（1）热塑性塑料热塑性塑料中树脂的分子是线型或支链型结构。受热后能软化或熔融，可进行成型加工，冷却后硬化，成型为一定形状的制品。若再加热，又可软化并熔融，可再次进行成型加工，如此可反复进行多次，可回收再利用。其成型过程一般只有物理变化。常见的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS塑料、聚酰胺、聚甲醛等。（2）热固性塑料热固性塑料中树脂的分子是呈立体网状结构。受热之初，其分子结构为线型或支链章名·3·型，可以软化或熔融，成型一定的形状，继续加热时，分子发生交联反应，最终呈体型结构，即固化成型。如果再加热，不再软化，也不可回收再利用。其成型过程既有物理变化又有化学变化。常见的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、脲醛塑料等。2．按塑料的用途分类（1）通用塑料通用塑料一般只能作为非结构材料使用，它的产量大，用途广，价格低，性能一般。主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大品种，约占塑料总产量的80%。（2）工程塑料工程塑料可作为工程结构材料。与通用塑料相比，产量小，价格较高，但具有优良的力学性能、电性能、化学性能以及耐热性、耐磨性和尺寸稳定性，能在较广温度范围内承受机械应力和较为苛刻的化学及物理环境中使用。常见的工程塑料有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS塑料、聚砜、有机玻璃等。（3）功能塑料功能塑料是指用于特种环境中，具有某一方面的特殊性能的塑料。主要有医用塑料、光敏塑料、导磁塑料、高耐热性塑料及高频绝缘性塑料等。这类塑料产量小，价格较贵，性能优异。3.1.3塑料的工艺性能1．热塑性塑料的工艺性能（1）收缩性塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积会发生收缩的现象，称为收缩性。收缩性的大小可用相对收缩量的百分率表示，即收缩率。收缩率分为实际收缩率Ss和计算收缩率Sj两种，其计算公式如下：Ss=bba×100%（3-1）Sj=bbc×100%（3-2）式中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。在成型温度下塑件尺寸不便测量，再加上实际收缩率和计算收缩率相差很小，所以生产中常采用计算收缩率进行计算。但对于大型及精密模具成型零件尺寸计算时则采用实际收缩率。（2）流动性塑料在一定的温度和压力作用下，充满模具型腔能力，称为塑料的流动性。不同的塑料流动性各异，同一种塑料不同牌号其流动性也不同。塑料的流动性差，成型时就不易充满模具型腔，故需要较大的成型压力才能成型；相反，塑料的流动性好，可以用较小的成型压力便可充满型腔。但流动性太好，会在成型时产生严重的溢边。热塑性塑料可用熔融·4·书名指数和阿基米德螺旋线长度来表示流动性大小。（3）结晶性热塑性塑料按其冷凝时有无结晶现象，可分为结晶型塑料和非结晶型塑料（又称无定型塑料）两大类。所谓结晶现象就是塑料由熔融态到冷凝过程中，分子由无次序的自由运动状态而逐渐排列成为正规模型倾向的一种现象。属于结晶型塑料的有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺、氯化聚醚等；属于非结晶型的塑料有聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯等。一般来说，结晶型塑料是不透明的或半透明的，非结晶型塑料是透明的。但也有例外，如聚4-甲基戊烯-1为结晶型塑料，却有高度的透明性；ABS塑料属于非结晶型塑料，却不透明。结晶型塑料一般使用性能较好，结晶时不大可能形成完全的晶体，一般只能有一定程度的结晶。结晶度大的塑料密度大，强度、硬度和刚度高，耐磨性、耐化学性和电性能好；结晶度小的塑料柔软性、透明性好，伸长率和冲击韧性较大。（4）热敏性热敏性是指某些塑料对热较为敏感，在高温下受热时间长或受剪切作用力大时，料温增高而产生变色、降解、分解的特性。具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。如硬聚氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等。热敏性对塑料的成型加工影响很大。为了防止热敏性塑料在成型过程中出现分解等现象，一方面在塑料中加入一些抗热敏性的热稳定剂，并控制成型加工的温度和加工周期，另一方面合理设计模具结构、选择合适的成型设备。（5）吸湿性吸湿性是指塑料对水分子的亲疏程度。按吸湿能力大小，塑料大致可分为吸湿、粘附水分及不吸水也不易粘附水分的两种。塑料中含水量必须控制在允许范围内，不然在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用，导致塑料起泡、流动性下降、外观及力学性能不良。因此对吸湿性强的塑料必须在成型前进行干燥处理。（6）应力开裂及熔体破裂有些塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜等对应力敏感，成型时易产生内应力并质脆易裂，塑件在外力或溶剂作用下即发生开裂，这种现象称为应力开裂。为防止这种缺陷产生，一方面可在塑料中加入增强添加剂加以改性，另一方面应合理安排成型工艺过程和设计模具，如成型前的预热干燥，正确确定成型工艺条件，对塑件进行后处理，合理设计模具浇注系统和推出装置等。还要注意提高塑件的结构工艺性。当一定融熔指数的塑料熔体，在恒温下通过喷嘴孔时，其流速超过一定值后，熔体表面发生明显横向裂纹，这种现象称为熔体破裂。发生熔体破裂有损塑件外观及性能。故在选用熔融指数较大的塑料时，应增大喷嘴、流道、浇口截面以减小注射速度，提高料温，从而防止熔体破裂现象的产生。2．热固性塑料的工艺性能（1）收缩性热固性塑料成型收缩的形式及影响因素与热塑性塑料基本相同。在模具设计时应根据影响因素综合考虑选取塑料的收缩率，其收缩率的计算方法与热塑性塑料相同。章名·5·（2）流动性热固性塑料的流动性通常用拉西格流动性来表示。图3-1是拉西格流动性测定模。将一定重量的热固性塑料预压成圆锭，将圆锭放入压模中，在一定的温度和压力下，测定塑料自模孔中挤出的长度（单位为mm），此即为拉西格流动性，数值越大流动性越好。每一品种的塑料的流动性通常分为三个不同的等级，以供不同的塑件及成型工艺选用。塑料的流动性除了与塑料本身的性质有关外，还与模具结构、表面粗糙度、成型工艺条件等有关。图3-1拉西格流动性测定模1—凸模；2—凹模；3—模套；4—流料槽；5—加料室（3）固化特性热固性塑料在成型过程中，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。固化速度通常以固化1mm厚的塑料试样所需的时间来表示，单位为s/mm。固化速度与塑料品种、塑件壁厚、结构形状、成型温度、是否预热和预压等因素有关。采用预压的锭料、预热、提高成型温度、增长加压时间，都能加快固化速度，但固化速度必须与成型方法和塑件大小及复杂程度相适应。对于注射成型，要求在塑化、充模阶段化学反应要慢，而在充满型腔后则应加快固化速度。结构复杂的塑件，固化速度过快，则难以成型。（4）比容与压缩率比容是指单位质量的松散塑料所占的体积，单位为cm3/g。压缩率是指塑料的体积与塑件的体积之比，其值恒大于1。比容和压缩率都表示粉状或纤维状塑料的松散程度，都可作为确定模具加料室的大小的依据。比容和压缩率大，则要求加料腔大，塑料内部充气多，成型时排气困难，成型周期长，生产率低；比容和压缩率小，情况则相反。但比容和压缩率太小，以容积法装料则会造成加料量不准确。（5）水分及挥发物塑料中水分及挥发物来自两个方面：一是塑料生产过程中残留下来的及贮存、运输中吸收的；二是成型过程中发生化学反应的副产物。塑料中适量的水分及挥发物含量，在成型过程中可起增塑作用，利于提高塑料流动性，便于成型；塑料中水分及挥发物含量过多时，会引起塑料流动性过大，易产生溢料，·6·书名成型周期加长，收缩率增大，塑件易发生翘曲、变形、组织疏松、裂纹等缺陷，性能降低；塑料中水分及挥发物含量不足时，会导致流动性不良，成型困难。3.1.4常用塑料简介1．热塑性塑料（1）聚乙烯（PE）聚乙烯是由乙烯单体聚合而成的，属于烯烃类聚合物，是目前合成树脂中产量最大、用途最广的品种，约占世界塑料总产量的30%。聚乙烯是无味、无毒的可燃白色粉末。挤出的则呈