第六章 气动成型工艺与模具结构

第6章气动成型工艺与模具结构中空吹塑成型工艺与模具结构6.1真空成型工艺与模具结构6.2压缩空气成型工艺与模具结构6.36.1中空吹塑成型工艺与模具结构中空吹塑成型是将处于熔融状态的塑料型坯置于模具型腔内，使压缩空气注入型坯中将其吹胀,使之紧贴于模具型腔壁上，经冷却定型得到与模具型腔完全一致的中空塑件的加工方法。适用于中空吹塑成型的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、纤维素塑料、聚苯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等。最常用的是聚乙烯和聚氯乙烯。挤出吹塑成型是成型中空塑件的主要方法，挤出吹塑成型原理如图6－1所示。首先，由挤出机挤出管状型坯示；截取一段管坯趁热将其放于模具中，在闭合对开式模具的同时夹紧型坯上下两端；然后用吹管通入压缩空气，使型坯吹胀并贴于型腔表壁成型；最后经过保压和冷却定型，便可排出压缩空气并开模取出塑件；挤出吹塑成型所用的设备和模具结构简单，投资少，操作容易，适于多种塑料的中空吹塑成型。但是塑件的壁厚不易均匀，生产效率较低。6.1.1中空吹塑成型原理和分类1．挤出吹塑成型2．注射吹塑成型注射吹塑成型的原理如图6－2所示。首先注射机将熔融塑料注入注射模内形成管坯，管坯成型在周壁带有微孔的空心凸模上；接着趁热移至吹塑模内；然后合模并从芯棒的管道内通入压缩空气，使型坯吹胀并贴于模具的型腔壁上；最后经过保压、冷却定型后放出压缩空气并开模取出塑件。注射吹塑成型的优点是壁厚均匀且无飞边，不需要后续加工；由于注射型坯有底，所以塑件底部没有拼合缝，强度高，生产率高。但设备与模具的投资较大，这种成型方法多用于小型塑件的大批量生产。3．注射拉伸吹塑成型与注射吹塑成型相比，注射拉伸吹塑成型增加了延伸这一工序。注射拉伸吹塑最典型的产品是线形聚酯饮料瓶。如图6－3所示为用热坯法注射拉伸吹塑成型工艺过程。首先将注射成型的有底型坯加热到熔点以下适当温度后置于模具内，然后用拉伸杆进行轴向拉伸后再通入压缩空气吹胀成型。这种成型方法省去了冷型坯的再加热，所以节省能源，同时由于型坯的制取和拉伸吹塑在同一台设备上进行，所以占地面积小，生产易于连续进行，自动化程度高。还有一种是用冷坯法注射拉伸吹塑成型，即将注射好的型坯加热到合适的温度后再将其置于吹塑模中进行拉伸吹塑的成型方法。采用冷坯法成型时，型坯的注射和塑件的拉伸吹塑成型分别在不同设备上进行。在拉伸吹塑之前，为了补偿型坯冷却散发的热量，需要进行二次加热，以确保型坯的拉伸吹塑成型。这种成型方法的主要特点是设备结构相对较简单。4．片材吹塑成型片材吹塑成型是最早使用的中空塑件成型方法，如图6－4所示。将压延或挤出成型的片材再加热，使之软化，放入型腔，合模后在片材之间通入压缩空气而成型出中空塑件。吹胀比是指塑件最大直径与型坯直径之比，在图7－5中，吹胀比是D与d之比.。这个比值实际上就是在已知产品塑件尺寸的情况下确定型坯的外径。通常吹胀比取2～4，但多用2。吹胀比过大会使塑件壁厚不均匀，加工工艺条件不易掌握。吹胀比表示了塑件径向最大尺寸和挤出机头口模尺寸之间的关系。当吹胀比确定以后，便可根据塑件的最大径向尺寸及塑件的壁厚确定机头型坯口模的尺寸。机头口模与芯棒的间隙可用下式确定：δ＝αtBr6.1.2中空吹塑成型制件的结构工艺性1．吹胀比2．延伸比在注射吹塑成型中，塑件的长度与型坯的有效长度之比为延伸比，在图7－5中，延伸比是c与b之比。图中有螺纹的瓶颈部分在注射吹塑成型时作为夹持口，不参加吹塑变形。延伸比确定后，就可以确定型坯的长度。实验证明，延伸比越大的塑件，塑件的纵向和横向强度越高。在生产中，一般取延伸比Sr＝（4～6）/Br。3．螺纹吹塑成型的塑件上的螺纹，通常采用梯形或圆形截面，而不采用细牙或粗牙螺纹，这是因为细牙或粗牙螺纹难以成型。为了便于清理塑件上的飞边，在不影响使用的前提下，螺纹可制成断续状，即在分型面附近的一段塑件上不带螺纹，如图6－6所示，图（a）比图（b）更容易清理飞边。4．圆角吹塑件的侧壁与底部的交接及壁与把手交接等处，不允许设计成尖角，因为尖角难以成型，而应设计成圆弧过渡。在不影响造型及使用的前提下，圆角以大为好，圆角大则壁厚均匀，对于有造型要求的塑件，圆角可以减小。5．塑件的支承面在设计塑料容器时，应减少容器底部的支承表面，特别要减少结合缝与支承面的重合部分，因为切口的存在将影响塑件放置平稳。如图6－7所示，图（b）比图（a）设计得合理。6．脱模斜度和分型面由于吹塑成型不需要凸模，所以脱模斜度即使为零也能脱模。但是表面带有皮革纹的塑件，脱模斜度必须在1/15以上。吹塑成型模具的分型面一般设在塑件的侧面。对于矩形截面的容器，为了避免壁厚不均匀，有时将分型面设在对角线上。吹塑模通常是对开式的，对于大型挤出吹塑模或连续自动生产的注射吹塑模一般要设置冷却水道，用于对模具的冷却。从模具的结构及工艺方法上看，吹塑模可分为上吹口和下吹口两类。图6－8所示为典型的上吹口挤出吹塑模具，压缩空气由模具上端吹入模腔；图6－9所示为典型的下吹口挤出吹塑模具，使用时，型坯套在底部芯轴上，合模后压缩空气从芯轴吹入模腔。6.1.3中空吹塑成型模具的结构1．夹坯口夹坯口也称为切口，挤出吹塑过程中，模具在闭合的同时需将型坯封口并将余料切除，因此在模具的相应部位要设置夹坯口。例如吹塑加仑桶的底部、上部及手把之处，塑料药瓶的底部及上部螺纹处等，均要在模具上做出较窄的夹坯口（切口），以便把多余型坯切除。瓶底夹坯口的形状和尺寸如图6－10所示，夹坯区的深度h可选择型坯厚度尺寸的2～3倍，夹坯口的斜角α选择15°～45°，切口的宽度b对于小型吹塑模可取1～２mm，对于中、大型吹塑模可取２～４mm。2．余料槽余料槽的作用是储存被夹坯口切除的余料，以免余料被夹在分型面上，影响塑件的尺寸和形状。余料槽通常设置在夹坯口的两侧，如图图6－8、图6－9所示。余料槽的大小应依据型坯被夹持后余量的宽度和厚度来确定，以模具能严密闭合为准。3．排气孔槽模具合模后，型腔呈封闭状态。在吹胀坯型时，应考虑吹胀坯型时模具内原有气体的排除问题。如果排气不良会使塑件表面出现斑纹、麻坑，以及成型不完整等缺陷。所以，吹塑模应该设置一定数量的排气孔。排气孔一般开设在型腔的凹坑、尖角处以及最后贴模的地方，排气孔的直径通常取0.5～１mm。此外，在分型面上开设宽度为10～20mm、深度为0.03～0.05mm的排气槽也是排气的主要方法。4．模具的冷却中空吹塑成型时，模具温度一般应控制在20～50℃，对于大型模具，可以采用箱式冷却，即在型腔背后铣出一个空槽，再用一块板盖上，中间加上密封件。对于小型模具，可以开设冷却水通道进行冷却。5．模具表面粗糙度中空吹塑成型时气压不大，而且是二次成型，因此对型腔粗糙度的要求比注射模要求低。模具表面不过分光滑可以储存微量空气，反而会有利于脱模，所以通常用喷砂的方法处理模具的型腔。吹塑模的型腔部分一般用铝合金制造，这是因为一方面吹塑成型的模腔压力不大，通常多为0.2～0.7MPa，而另一方面铝合金具有良好的热传导性能，而且可以采用铸造成型、重量也轻。但是，在吹口及夹坯口等处应选用钢材进行模具镶拼。铝合金虽然有许多优点，但因其硬度低，耐磨性差，会影响模具寿命。近年来随着吹塑技术的不断发展，在大批量生产中，采用碳素钢与合金结构钢制造吹塑模的情况也越来越多。6.1.4中空吹塑成型模具的材料6.2真空成型工艺与模具结构真空成型是把热塑性塑料板、片固定在模具上，用辐射加热器进行加热至软化温度，然后用真空泵把板材或片材和模具之间的空气抽掉，从而使板材或片材贴在模腔上而成型。冷却后，借助压缩空气使塑件从模具中脱出。适用于真空成型的塑料有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯等。凹模真空成型是一种最常用、最简单的成型方法，如图6－11所示，把塑料板固定并密封在模腔的上方，将加热器移到塑料板上方将塑料板加热至软化，然后移开加热器，在型腔内抽真空，塑料板就贴在凹模型腔上，冷却后由抽气孔通入压缩空气将成型好的塑件吹出。用这种方法成型的塑件外表面尺寸精度高，一般用于成型深度不大的塑件。如果塑件深度很大时，特别是小型塑件，其底部转角处就会明显变薄。6.2.1真空成型原理和分类1．凹模真空成型凸模真空成型如图6－12所示。被夹紧的塑料板在加热器下加热软化，接着软化的塑料板下移，象帐篷似的覆盖在凸模上，最后抽真空，塑料板紧贴在凸模上成型。在凸模真空成型过程中，由于冷的凸模首先与板料接触，所以其底部稍厚。这种成型方法多用于有凸起形状的薄壁塑件，成型得到的塑件的内表面尺寸精度较高。2．凸模真空成型凹凸模先后抽真空成型如图6－13所示。首先把塑料板紧固在凹模上加热，塑料板软化后将加热器移开，然后通过凸模吹入压缩空气，而凹模抽真空使塑料板鼓起，最后凸模向下插入鼓起的塑料板中并且从中抽真空，同时凹模通入压缩空气，使塑料板贴附在凸模的外表面而成型。用这种方法成型的塑件壁厚比较均匀，适用于成型深型腔塑件。3．凹凸模先后抽真空成型吹泡真空成型如图6－14所示。首先将塑料板紧固在凹模模框上，并用加热器对其加热，待塑料板加热软化后移开加热器，压缩空气通过模框吹入把塑料板吹鼓后将凸模顶起，停止吹气，凸模抽真空，塑料板紧贴附在凸模上成型。这种成型方法的特点与凹凸模先后抽真空成型基本类似。4．吹泡真空成型柱塞延伸法真空成型如图6－15所示。首先将固定于凹模上的塑料板加热至软化状态，接着移开加热器，用柱塞将塑料板推下，这时凹模里的空气被压缩，软化的塑料板由于柱塞的推力和型腔内封闭的空气移动而延伸，然后凹模抽真空而成型。这种成型方法使塑料板在成型前先延伸，壁厚变形均匀，主要用于成型深型腔塑件。但是在塑件上会残留有柱塞痕迹。5．柱塞延伸法真空成型带有气体缓冲装置的真空成型如图6－16所示，这是柱塞和压缩空气并用的形式。把塑料板加热后和模架一起轻轻地压向凹模，然后向凹模腔吹入压缩空气，把加热的塑料板吹鼓，多余的气体从板材与凹模的缝隙中逸出，这时板材就处于两个空气缓冲层之间，柱塞逐渐下降，最后柱塞内停吹压缩空气，凹模抽成真空，塑料板贴附在凹模型腔上成型，同时柱塞升起。这种方法成型出的塑件壁厚较均匀并且可以成型较深的塑件。6．带有气体缓冲装置的真空成型采用真空成型的塑料在处于高弹状态，成型压力较小，因此成型冷却收缩率较大，所以塑件很难得到较高的尺寸精度。塑件在形状上不应有过多的凸起和较深的沟槽，因为这些地方成型后会使该处壁厚太薄而影响强度。6.2.2真空成型制件的结构工艺性1．塑件几何形状与尺寸精度塑件深度与宽度之比称为引伸比。引伸比在很大程度上反映了塑件成型的难易程度，即引伸比越大，塑件成型越困难。引伸比与塑件厚度的均匀程度有关，引伸比过大会使最小壁厚变得非常薄，这时应选较厚的塑料板材或片材来成型。引伸比还和塑料的品种、成型方法有很大关系，引伸比一般采用0.5～1，最大也不应超过1.5。2．引伸比真空成型的塑件在角落处容易发生壁厚变薄及应力集中现象，所以转角处应以圆角过渡，并且圆角半径应尽可能大，最小不能小于塑料片材的厚度。3．圆角与其他模具一样，真空成型也需要脱模斜度。塑件的斜度范围一般为1°～4°，斜度大不仅脱模容易，而且也能使壁厚不均匀的状况得到改善。4．脱模斜度真空成型的塑件在最薄弱的截面上应该设置加强肋，这样可以减少型坯的厚度，缩短加热时间，降低塑件成本。加强肋应该沿着塑件外形或面的方向配置。5．加强肋真空成型模具的型腔尺寸要考虑塑料的收缩率，其计算方法与注射模型腔尺寸的计算方法相同。影响塑件尺寸精度的因素较多，除了型腔的尺寸精度、成型方法外，还与成型温度、模具温度和塑件原材料的品种等有关，因此要预先较精确地计算出收缩率是困难的。如果生产的批量较大、尺寸的精度要求又较高，最好先用石膏模型做抽真空成型的工艺试验，测出其收缩率，并以此作为计算模具型腔尺寸的依据。6.2.3真空成型模具的结构1．型腔尺寸抽气孔的大小要适合成型塑件的需要，一般情况下，对于流动性好、厚度薄的塑料板材，抽气孔要小些，反之可大些。一般常用的抽气孔直径是0.5～1mm，最大抽气孔直径尺寸不应超过板材厚度的50％。抽气孔的位置应位于塑料板材