模具设计第11章 热固性塑料注塑模设计

第十一章热固性塑料注塑模设计内容简介：本章主要讲述热固性塑料的成型方法和特点；热固性塑料注塑模具的设计要点，包括型腔数目的确定、分型面的设计、成型零件的设计、嵌件的安装要求、排气系统的设计等内容；浇注系统设计，包括主流道、分流道、型腔位置、浇口位置形状尺寸的设计等。学习目的和要求：1、了解热固性塑料的成型方法特点。2、掌握热固性塑料注塑模具的设计要点和其浇注系统设计的有关知识。重点：1、热固性塑料注塑模具的设计要点。2、热固性塑料注塑模具浇注系统设计。难点：热固性塑料注塑模具浇注系统设计。11.1概述加工对象：酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等热固性塑料特点：优良的耐热和阻燃性、耐化学性、抗蠕变等，且价格低廉。成型方法：压制成型和压铸成型手工操作繁重、复杂，成型周期又长，模具易损坏，成型质量不稳定11.1.1成型方法特点1．生产效率高2．塑件固化均匀性改善3．劳动条件明显改善4．注塑件质量稳定11.1.2注塑工艺特点（一）工艺特点(2)塑化温度范围宽一般要求物料在70～90℃能够塑化，具有一定流动性。如果物料允许的塑化温度范围比较大就可以将实际应用的塑化温度提高，以便于下一阶段注射。如果允许的塑化温度范围比较窄，一定要严格控制实际塑化温度，避免温度升高而出现早期硬化现象。并要求在注塑机的料筒中存留15～30min，具有热稳定性。1．热固性注塑料(1)合适的流动性热固性注塑料的拉西哥流动性—般大于200mm。相对分子质量在1000以内的线型分子或具有少量支链型的分子，其流动性最好。木粉作填料的注塑塑料流动性最好，无机填料的流动性较差。玻璃纤维和纺织填料的塑料流动性最差。添加润滑剂可提高流动性，过多固化剂会降低流动性。(3)高温下能快速固化固化速度快能缩短成型周期，提高生产效率。但过快固化，会造成局部型腔特别是细小部位充填不满。(4)收缩率要小比起热固性塑料的压制和压铸成型，注塑料的收缩率最大。因为成型中受到压力最小；且模具温度高，脱模后冷却至室温又再次收缩。另外热固性注塑料的收缩率与填料的种类和含量有关。木粉等有机填料会使收缩率大增。矿物填料，特别是玻璃纤维充填的注塑料收缩率较小。过大的收缩率使制品尺寸变化大，又易产生变形翘曲。模具设计收缩率仍以模具和制品在室温条件下的尺寸计算。由于该收缩率与注塑料品种和配方关系很大，通常又含有40％以上填料，收缩率应由生产厂的注塑料说明书或试验确定。2．热固性塑料注塑机热固性塑料注塑应该用专门的注塑机。这种注塑机与常用的热塑性塑料注塑机主要有两个方面的区别：(1)料筒加热方式热固性塑料的塑化热量主要来源是螺杆旋转的剪切热。料筒的外加热主要起预热作用，并起对料筒温度的调节作用。单一的电热方式易使物料过热固化。因此，常用水或油加热料筒。也有电加热水结构的料筒。另一种是油电加热料筒，电热仅用于预热，塑化时调节油温来控制料筒温度，所以料筒温度控制精度较高。(2)塑化螺杆的压缩比由对热塑性注塑料的2～3.5：1改小至1：1。长径比由15～20减小为12～15，以减少对物料的剪切和摩擦作用。3．注塑工艺(1)工艺要点热固性塑料注射中有熔体温升的要求，所以一般取较大的注射压力，相应采用较高注塑速度，以获得较高的摩擦热，有利于缩短充模和硬化定型时间，同时还能避免熔体在流道中出现早期硬化，并减少制品表面的熔接痕和流动纹。热固性塑料在模具中进行固化反应，会产生缩合水和低分子挥发物，模具型腔必须设有畅通的排气系统。否则会在塑件表面留下气泡和残缺。固化成型时间按最大壁厚计算，一般为8～12s／mm，快速固化的注塑料5～7s／mm。(2)存在的问题热固性塑料中的填料，如玻璃纤维在螺杆剪切作用中会受损；而布屑、纸片等大颗粒填料难于进料，不但物料的流动性差，而且对螺杆和模具等磨损作用大，又使注塑件取向较严重，产品易翘曲变形。塑件中的嵌件的安放受成型速度等限制，不能过多和安放过慢。浇注系统凝料只能作废料处理。热固性注塑的设备和模具成本高，而且耗能也大。2模内流动和固化热塑性塑料熔体充模，流速沿断面呈抛物线分布，如图11-2(a)所示。热固性塑料熔体充模时，流速沿断面呈“活塞流”分布，如图11—2(b)所示。热固性塑料熔体温度均匀一致，没有明显的内外层。因此注塑充模塑件在整个断面上有较均匀一致力学和电绝缘性能。但是这种充模流动，在模具高温模壁处的流速很高，对模壁产生很大摩擦磨损。热固性塑料充模后固化交链成三维网状结构，不会出现大分子链的取向，也很少产生熔体破裂现象。热固性塑料熔体在充模过程中，模内熔体受热时，一方面由于分子链活动性增大使粘度降低；但另一方面因固化反应而使粘度大增。如图11-3所示，是两个相反的综合影响结果。综上所述，热固性塑料注塑模具的总体结构设计时必须考虑如下特点。1制品尚未固化前树脂粘度比热塑性塑料低，对于0．01～0．02mm缝隙也会溢出。2制品成型后硬而脆。其分型面上飞边和钻入缝隙溢料使清理困难。易破碎的小片会磨损模具表面。3热固性塑料的摩擦系数和收缩率较小。塑件对型芯包紧力较小，开模时易滞留在型腔的一侧。4塑料熔体对模具成型表面有较严重的磨蚀磨损。5模具工作温度远高于室温，使室温下的装配间隙很难控制使工作时的运动零件产生咬死和拉毛现象。11.2模具设计要点11.2.1型腔数目确定应以保证足够大的锁模力，防止分型面上出现飞边来确定型腔数。其中，n为由锁模力决定的型腔数；F为注塑机的锁模力(N)；Pc为型腔内塑料熔体的压力(MPa)；B为流道和浇口在分型面上的投影面积(mm2)；A为每个制件在分型面上的投影面积(mm2)。根据经验，酚醛塑料成型时型腔压力Pc为30～40MPa，氨基塑料Pc为40～60MPa，不饱和聚酯Pc为10～20MPa。])8.0~6.0([1BPFAnc还需校核塑料熔体在料筒中的存留时间b。使b不得超过熔体状态的维持时间。目前，该允许维持时间[]b＝4～6min,有所以，每次实际注塑量为注塑后料筒中存料的0.7～0.8较为合适。因为料筒中存料总量一定。倘若注塑量过少，会造成塑件上有过早固化硬块。甚至必须经常对空喷射，以防止塑料在料筒中固化。bbbGG]['11.2.2分型面设计避免分型面处溢料或减小溢料飞边厚度的措施：1）尽可能减小分型面处动、定模的实际接触面积，以利于加工和装配时提高接触面的平行度，增大接触面处的闭合压力，增加模具闭合的紧密性。将分型面除型腔和浇注道所在区以外部分削去0.5～1.0mm，如图11-5所示。2）分型面上尽量不设与成型无关的孔穴或凹坑，如螺钉固定孔、销钉孔等应设计为盲孔。对于难以避免的孔，应尽可能远离型腔，并避免与排气槽连通．以避免这些孔内溢入塑料，难以清理。3）尽量避免减少或避免在分型面上出现溢料飞边，或尽可能使可能溢料的方向垂直于分型面。4）分型面应具有一定硬度，接触部位的硬度应能达到52~57HRC，非接触部位的硬度也应高于30HRC。11.2.3成型零件设计1.考虑热固性塑料注塑收缩率的离散性较大2.计算得模具型腔尺寸中减去毛边值。3.成型零件设计应尽量避免镶拼结构4.型腔和型芯一般都应经过热处理淬硬5.成型零件常用镀硬铬后抛光来提高光洁度6.型腔表面粗糙度应在Ra0.20以下2．降低表面粗糙度。热塑性注塑模运动零件配合面一般为Ra1.60，很少小于0.80，热固性注塑模运动零件配合面应不超过Ra0.40。3．采用镀铬或采用固体润滑剂。镀铬是为了增加表面耐磨性，某些小孔、深孔不易镀铬，可采用耐高温的石墨类固体润滑剂减少磨损。4．采用无摩擦磨损的配合方式。对于顶杆、脱件板等的顶出部分，应尽可能改用锥面配合，闭模状态无间隙或仅极小间隙，推件时无摩擦。11.2.4对相对运动零件的要求采取下述措施避免或减少磨损。1.提高配合面硬度。一般情况下应达到HRC54～58，特殊情况下达HRc60以上。11.2.5嵌件和安装热固性塑料制品中若要安放嵌件，首先要防止熔体钻料，其次要求安装快速。安放嵌件要求：1）尽量采用台肩式嵌件2）提高嵌件与模具的配合精度3）保证嵌件定位的稳定性11.2.6某些机构的设计特点热固性塑料由于溢料间隙小，给模具顶出机构提出特殊要求。顶杆顶出机构常用。1．脱件板机构脱件板上的孔与型芯的配合间隙比热塑性注塑模中要求的要小，且要求脱件板淬硬。封闭式敞开式2．顶管和推块机构必须避免采用整体式、凸肩式顶管，应该采用两脚式（扇形式）顶管或开窗式（直通式）顶管。3．顶杆脱模顶杆机构是最适用于热固性注塑模的脱模机构，顶杆顶出端采用圆柱面配合，容易达到配合要求，溢入的塑料也可以从配合段下段孔的扩大部分逸出。11.2.7排气系统设计热固性塑料注塑模不但要排出型腔中的空气，还有固化反应所产生的挥发性气体，因此，排气量大。在浇口前的分流道就应该开始排气。排气槽宽度就等于分流道宽度，在分型面上深度取0.12mm左右。一般在型腔四周均应当排气，在料流末端更应保证排气畅通。分型面上排气槽宽度3～8mm，深度0.06～O.18mm，如图11-10(a)所示，排气槽相互间隔至少25mm。排气糟允许物料溢出，并有与型腔表面相同的粗糙度和硬度。但遇到小型板件，排气量又不大，则用约0.06mm浅的排气槽，使飞边去除容易。也有在芯柱上开设排气隙，见图11-10(b)。在芯柱外圆上磨出3～4个深0.05～0.075mm的平面，然后经中心引气孔导出气体。返回排气槽在分型面排气槽在芯柱烧结块排气11.2.8浇口部位的镶块热固性注塑模浇口部位的磨损特别严重，需定期更换修复，因此采用浇口镶块形式，用硬质合金制造。11.2.9模具绝热热固性注塑模的模具温度一般在160～210℃之间，动、定模的模具安装底板之外都要增加绝热垫层，防止模具向注塑机模板上散热。返回热固性塑料注塑模加热系统使用最多的是电热棒，也有用电热板。其加热功率计算见第九章，应该用两绝热板之间的模具总重量计算。也有一个专用经验公式:W=0．2V(11-3)式中W——加热器功率(W)；V——被加热模具体积(cm3)。动模和定模分别设置测温热电偶，以自动控制模具温度，使成型表面温差在±2.5℃之内。表11-1为部分热固性塑料注塑成型模具温度提供了参考。11.3.1主流道和冷料井1.为加快升温速度，将主流道设计得比较细小，以增加单位体积的传热比表面积和摩擦生热量。与热塑性塑料注塑模具相同，卧式注塑机用模具主流道呈圆锥形，角式注塑机用模具主流道多呈圆柱形或椭圆形。热塑性与热固性注塑模其锥形主流道尺寸与注塑机喷嘴尺寸关系如表11-2：11.3浇注系统设计2.热固性注塑机喷嘴孔径一般为φ5～8毫米(热塑性注塑机多为φ3～6毫米)，小于主流道衬套上的凹面球面半径。倒锥形硬料井Z型头拉料杆环形槽硬料井3.拉料腔（顶拉腔）收集前锋硬料11.3.2分流道分流道断面形状：圆形、梯形、U字形、半圆形、矩形等。从流动阻力来看，圆形最小；宽度和高度之比愈大的矩形，流动阻力愈大。从传热效果来看，以狭长的矩形比表面积（流道表壁面积与容积比值）最大，传热效果最好，而圆形比表面积最小，传热效果最差。从加工难易程度来看，圆形最难加工，其它形状加工容易。选择分流道的断面形状应结合其长度综合考虑；分流道较长时，为避免流动阻力过大，宜选用圆形、梯形或U字形分流道；分流道很短时传热面积成为主要矛盾，宜用薄而宽的矩形分流道，特别是压铸模具，其分流道一般都很短。但注塑模具最常用的还是梯形分流道。分流道的断面尺寸由制件大小决定，热固性注塑模与热塑性注塑模并无本质的不同，其断面积可按下式进行初步估算：A=0.26W+20上式适用于酚醛塑料粉及其类似的热固性塑料。截面高度的大小，则根据成型体积、制品的厚度、几何形状和复杂程度确定，小型：2~4mm大型：4~8mm。分流道的布置：平衡式和非平衡式。最好取平衡式布置，即由主流道到各型腔的流动距离、断面尺寸及形状和转弯角度都是对应相等的，这样可保证各型腔均衡的进料和补料，使各制品性能一致，且不易出现由于不连续进料所造成的缺陷。但另一方面分流道的距离应尽可能短，平衡式布置常会造成分流道过长。这时应对其利弊