5.6 热成型

高分子加工原理与技术湖北汽车工业学院材料学院李建§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术是利用热塑性塑料片材为原料（有挤出片材、压延片材）的二次成型技术，它先将片材裁切成一定尺寸和形状的坯件，再将坯件夹在框架上，加热到软化温度，即弹塑性状态，然后施加压力使坯件弯曲和延伸，在达到一定的型样后使其冷却定型成为敞口薄壳形制品。热成型过程中对坯件所施加的压力，在大多数情况下是靠抽真空和压缩空气在坯件两面所形成的压力差，但也采用各种形式的机械压力或液压力。热成型又叫吸塑成型。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术适应性很广，如一粒小药片的包装、一次性使用的饮料杯、各种商品的仿型包装、冰箱内胆、汽车和游艇的外壳部件、化工容器直到一个室内游泳池的成型，都可用热成型方法制造。热成型产品特点1、制品壁厚与表面积之比小，绝对壁厚也小。2、热成型的制品都是半壳体（内凹和外凸），深度受到一定限制。直径与深度比在1：1为理想，1：1.5为限界。3、不能成型结构复杂的制品，壁厚均匀度差，边角废料多。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.1热成型的选材原则热成型选材的第一原则：只能使用可以进行热成型加工的塑料品种（热塑性塑料）。热成型加工过程中需要考虑的材料热性能包括：材料的热变形温度、软化温度范围、热态力学强度、比热容、热导率、热膨胀系数、熔融热、热扩散系数和热稳定性等。需要考虑的物理力学性能包括：材料的拉伸强度、伸长率、拉伸模量、硬度及耐冲击性能等以及材料长期使用性能如耐蠕变性能、耐疲劳性能、耐老化性能和耐环境开裂性能等。以及材料的聚集态结构方面考虑。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具热成型过程：片材夹持、片材加热、成型、冷却、脱模。成型设备分手动、半自动、自动。按供料方式分批进料：生产大型制品；设备是三段轮转机连续进料：大批量生产薄壁小型制品；设备是多段式，每段只完成一个工序。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具一、片材的夹持设备在整个成型过程中，保持片材牢固的夹持是非常关键的。根据热成型是否连续，可有框式夹持和输送链式夹持机构。二、片材的加热系统片材的加热也很关键，关系到成型的成败。加热器有热板、加热棒、烘箱、红外灯还有液浴等。现代化的加热大都采用红外线辐照方式。提高加热速率，需采用两面加热的方法，即在夹持片材的上下各用一套加热器。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具二、片材的加热系统一般加热器的温度控制在370～650℃，加热器与片材之间的距离可调节在8～30cm范围，加热功率密度根据所选用的塑料材料而定，如表，部分塑料材料所需加热功率密度：功率密度/W·cm-2塑料种类1.5～3.0聚氯乙烯，改性聚苯乙烯3.5～5.0聚乙烯，聚丙烯≥5聚碳酸酯，聚砜§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具三、真空系统和压缩空气系统真空系统由真空泵、真空储罐、管路和阀门组成。真空系统的真空度应能达到0.07～0.09MPa。真空储罐的容量至少应为最大成型室容量的2.5倍。压缩空气系统由空气压缩机、储压罐、管路、阀门组成。压缩空气机的额定排气量通常为0.05～0.3m3/min，压力范围为0.6～0.7MPa，实际使用时一般不超过0.35MPa。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具四、冷却系统冷却系统有内冷和外冷：内冷是依靠模具内设冷却盘管，通冷却水，进行冷却；外冷则是用风冷和水雾等冷却。通常金属模具用内冷，非金属模具用外冷。有时也采用内冷和外冷相结合的方式，快速冷却。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具五、模具根据热成型方法可知，热成型模具有三种基本形式：阴模、阳模和对模（极少数的自由成型可不用模具）。热成型模具材料的种类有很多，可分金属材料和非金属材料，如钢、铝、木材、石膏、塑料（酚醛、还氧、聚酯、氨基等）。模具材料的选择主要依据是其预期用途和预期寿命。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具选材和模具设计时注意几点•1、制品表面质量要求较高的一面与模具表面接触、贴合，这也是单模成型时选择阴模或阳模的依据；•2、单阴模成型时，制件底部是壁厚最薄的区域；单阳模成型时，制件壁厚最小的区域是制品的侧边，制件顶部壁厚近似等于成型用片材的初始厚度。•3、为了便于脱模，无论是何种形式的模具都应有一定的脱模斜度。但比较而言，单阴模可采用的脱模斜度小于单阳模。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具选材和模具设计时注意几点•4、采用单阴模成型时牵伸比（模腔深度与宽度的比值）通常为0.5，否则会使制件壁厚分布过分不均匀，还会使片材受到过分拉伸。采用单阳模成型时牵伸比可较大，如果采用柱塞助压成型牵伸比可更大。•5、为避免产生内应力，模具的拐角应有充分的圆弧过渡，过渡的圆弧半径最好大于或等于片材厚度，同时不小于1.5mm。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.2热成型设备和模具选材和模具设计时注意几点•6、作为气体进出的通道，热成型的模具上通常开有气孔。气孔直径随所成型片材种类和厚度而变化，确定的总原则是既保证气体通行顺畅、高效。又不会由于气孔的存在给制品质量特别是外观质量造成不利影响。•7、热成型制品会产生较大的收缩率（约为0.2%～0.9%），在进行模具设计时要考虑。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法目前生产中采用的热成型方法有数十种，最基本的方法有6种。一、差压成型二、覆盖成型三、柱塞助压成型四、回吸成型五、对模成型六、双片热成型§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法一、差压成型是热成型中最简单的一种，采用适当的方法使片材两面具有不同的气压，在气压差的作用下使加热至软化的片材紧贴模具，冷却后得到制品。差压成型：真空成型和加压成型，或两者兼用真空成型的压差较低：0.07～0.09MPa压缩空气加压：0.35MPa真空热成型§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法一、差压成型差压成型的特点：A、与模具面贴合的一面，结构上比较鲜明和精细，而且光洁度较高。B、坯料片材与模面贴合得越晚的部位，其厚度越小。加压热成型§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法一、差压成型§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法二、覆盖成型主要特点：A、与模具面贴合的一面质量较高，结构上比较鲜明和细致。B、壁厚最大部位在顶部，最薄的部位在侧壁和底面交界线。C、制品侧面常会出现牵伸和冷却的条纹，这是由于片材不同部位贴合模面的时间先后造成的。D、对制造壁厚和深度较大的制品比较有利。主要用于制造壁厚和深度大的制品。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法二、覆盖成型片材加热，模具就位片材扣覆于模具上片材紧贴合于模具上并冷却定型脱模后得到制品§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法三、柱塞助压成型A、柱塞助压真空成型B、柱塞助压加压成型C、气胀柱塞助压真空（气压）成型柱塞的体积约为模腔体积的70％～90％，表面力求光滑。一般没有精细结构部分。主要特点：厚度较均匀，其它与压差成型相似。差压成型的凹形制品底部偏薄，而覆盖成型的凹形制品侧壁偏薄，为了克服这些缺点，产生了柱塞助压成型方法。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法三、柱塞助压成型§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法四、回吸成型A、真空回吸成型B、气胀真空回吸成型C、推气真空回吸成型真空回吸成型回吸成型法制品的主要特点是：壁厚较均匀，结构也可较复杂§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法四、回吸成型A、真空回吸成型B、气胀真空回吸成型C、推气真空回吸成型§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法五、对模成型是采用两个彼此扣合的单模，即配对的单模成型。对模成型可制得复制性和尺寸准确好、结构复杂的制品。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.3热成型的基本方法六、双片热成型两块已加热到足够温度塑料片材，放在半合模具模框上夹紧。吹针插入两片材之间，吹入压缩空气，同时两半合模抽气抽空，使片材贴合在两半合模内腔，经冷却、脱模、修模得到制品。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制一、加热在热成型过程中，坯件是在热塑性塑料的弹塑性状态的温度范围内拉伸造型，所以成型前必须将坯件加热到规定温度。一般坯件的加热时间占整个成型时间的50～80%，而加热温度的准确性和各处温度分布的均匀性将直接影响成型操作的难易和制品的质量。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制一、加热1、加热温度应使塑料在此温度下既有很大的伸长率又有适当的拉伸强度，保证坯件成型时能经受高速拉伸而不致出现破裂。降低温度虽然能缩短成型时间和节省能源，但是温度过低时所得制品轮廓不清晰、尺寸稳定性差；加热温度过高，会造成聚合物的降解，从而导致制品变色和失去光泽。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制一、加热2、加热坯件的原则加热的温度下限应以片材在牵伸最大区域不发白或不出现明显的缺陷为度；上限温度则是片材不发生降解和不会在夹持架上出现过分下垂的最高温度。一般热成型过程中，加热的坯件要经过转换工位，要有一些降温，尤其是壁薄的坯件和传热系数比较大的坯件，散热现象比较严重，所以坯件的加热温度要稍高于成型温度。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制一、加热3、加热均匀性保证坯件在加热过程中均匀升温：首先选用片材厚度均匀，厚度公差通常不应大于4～8%，若厚度公差大，就要延长加热时间，使坯件各部分都要“热透”；再是由于塑料的导热性差，会造成一面温度达到要求而另一面温度仍然很低；再继续加热会使一面温度过高，表面降解。可以采用两面加热的方法，或采用高频加热和远红外加热。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制一、加热4、加热时间主要由塑料的品种和片材的厚度决定。一般加热时间随塑料的导热系数增大而缩短，随塑料比热和片材厚度的增大而延长。但都不是简单的直线关系。合适的加热时间要由实验或参考经验数据来定。加热时间与片材厚度的关系（以PE为例）。片材厚度/mm0.51.52.5加热到121℃所需要的时间/s183648单位厚度加热时间/s·mm-1362419.2§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制二、成型对成型的基本要求是：使所得制品的壁厚尽可能均匀。1、成型过程中的拉伸拉伸速度的大小依赖于坯件的温度，温度低的坯件，由于变形能力小，应采用低的拉伸速度；相反拉伸速度高，就要采用高温坯件。由于成型时坯件会散热降温，所以薄型坯件的拉伸速度要快于厚坯件。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.6.4热成型工艺及控制二、成型1、成型过程中的拉伸造成热成型制品壁厚不均匀的主要原因：①成型时坯件各部分被拉伸的程度不同。②拉伸速度的大小，也就是抽气、充气的气体流率或模具、夹持框和预拉伸柱塞等的移动速度的不同。对于深的制件，一般都要用预拉伸（气胀）热成型的方法，首先使坯件经过抽真空或通压缩空气形成预伸泡状物，此泡状物的壁厚应接近制品底部的厚度，因为一旦柱模或柱塞与塑料接触，其拉伸的程度就会很小；另外泡状体达到要求后应保持几秒钟，调整壁厚均匀性。§5.6热成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技