塑料成形工艺与模具设计

塑料成型工艺与模具设计任课教师：郭磊图14四冲程柴油机示意图目录第四章注射成型模具结构及注射机第三章塑料成型工艺与塑料成型制件的结构工艺性第二章塑料成型基础第一章绪论第五章注射模设计第六章注射成型新技术的应用图14四冲程柴油机示意图目录第九章挤出模设计第八章压注模设计第七章压缩模设计第十章气动成型工艺与模具设计图14四冲程柴油机示意图第一章绪论第三节塑料模具的分类第二节塑料成型技术的发展趋势第一节塑料成型在工业生产中的重要性返回目录第四节学习本课程应达到的要求思考题图14四冲程柴油机示意图第一节塑料成型在工业生产中的重要性一、塑料及塑料工业的发展塑料工业是一门新兴的工业，是随着石油工业发展应运而生的。塑料工业的发展大致分为以下几个阶段。(1)初创阶段列奥.亨德里克.贝克兰(2)发展阶段。20世纪30年代，低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酰胺等热塑性塑料相继工业化，奠定了塑料工业的基础，为其进一步发展开辟了道路。(3)飞跃发展阶段20世纪50年代中期到20世纪60年代末，石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料。(4)稳定增长阶段二、塑料成型在工业生产中的重要性返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第二节塑料成型技术的发展趋势（1）CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的广泛应用(CAD即计算机辅助设计(ComputerAidedDesign),计算机辅助工程CAE(ComputerAidedEngineering),CAM(computerAidedManufacturing，计算机辅助制造)（2）大力发展快速原型制造技术RPM(RapidPrototypingManufacturing)（3）研究和应用模具的快速测量技术与逆向工程（4）发展优质模具材料和采用先进的热处理和表面处理技术（5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率（6）模具的复杂化、精密化与大型化（7）模具工业信息化返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第三节塑料模具的分类一、注射模二、压缩模三、压注模压注模又称传递模。压注模的加料室与型腔由浇注系统相连接。首先将预热过的塑料原料加入预热的加料室内，然后通过压柱向加料室内塑料原料施加压力，塑料在高温高压下熔融并通过模具浇注系统进入型腔，最后发生化学交联反应逐渐硬化定型。压注模主要用于热固性塑料制件的成型。四、挤出模五、气动成型模返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第四节学习本课程应达到的要求模具专业学生通过学习本课程，应达到如下目的：1)了解聚合物的物理性能、流动特性、成型过程中的物理、化学变化以及塑料的组成、分类及其性能。2)了解各类塑料模具成型的基本原理、工艺过程和工艺参数，正确分析成型工艺对模具的要求。3)能掌握各种成型设备与模具之间的安装关系及其对各类模具的要求。4)掌握各类成型模具的结构特点及设计计算方法，在查阅设计资料的基础上能设计一般复杂程度的模具。5)具有初步分析、解决成型现场技术问题的能力，包括具有初步分析成型缺陷产生的原因和提出克服办法的能力。返回本章目录图14四冲程柴油机示意图思考题1-1塑料成型在工业生产中有何重要地位？1-2简述塑料成型技术的发展趋势。1-3塑料模具是如何分类的？1-4课程学习的基本要求是什么？返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第二章塑料成型基础第四节聚合物在成型过程中的物理和化学变化第三节聚合物在成型过程中的流动状态第二节聚合物流变方程与分析第五节塑料的组成及工艺特性第一节聚合物的分子结构与热力学性能第六节常用塑料思考题返回目录图14四冲程柴油机示意图第一节聚合物的分子结构与热力学性能一、聚合物的分子结构(一)树脂与塑料(二)高分子与低分子(三)聚合物的分子结构如果聚合物的分子链呈不规则的线状(或者团状)，聚合物是一根根的分子链组成的，则称为线型聚合物，如图2-1a所示。如果在大分子的链之间还有一些短链把它们相互交联起来，成为立体结构，则称为体型聚合物，如图2-1c所示。此外，还有一些聚合物的大分子主链上带有一些或长或短的小支链，整个分子链呈枝状(见图2-1b)，称为带有支链的线型聚合物。图14四冲程柴油机示意图第一节聚合物的分子结构与热力学性能图2-1聚合物分子链结构示意图a)线型b)带有支链线型c)体型图14四冲程柴油机示意图第一节聚合物的分子结构与热力学性能(四)聚合物的聚集态结构及其性能。结晶型聚合物由“晶区”(分子作有规则紧密排列的区域)和“非晶区”(分子处于无序状态的区域)所组成，如图2-2所示。图2-2结晶型聚合物结构示意图1-晶区2-非晶区图14四冲程柴油机示意图第一节聚合物的分子结构与热力学性能二、聚合物的热力学性能与加工工艺性(一)聚合物的热力学性能。图2-3中曲线1为线型无定形聚合物受恒应力作用时变形程度与温度的关系曲线，也叫热力学曲线。图2-3聚合物的热力学曲线图14四冲程柴油机示意图第一节聚合物的分子结构与热力学性能(二)聚合物的加工工艺性θf与θd一样都是聚合物材料进行成型加工的重要参考温度。不同状态下塑料的物理性能与加工工艺性见表2-1。状态玻璃态高谈态粘流态温度θfg以下Θg～θfΘf～θd分子状态分子纠缠为无规则线团或卷曲状分子链展开，链段运动高分子链运动，彼此滑移工艺状态坚硬的固态高弹性固态，橡胶状塑性状态或高粘滞状态加工可能性可作为结构材料进行锉、锯、钻、车、冼等机械加工弯曲、吹塑、引伸、真空成型、冲压等，成型后会产生较大的内应力可注射、挤出、压延、模压等，成型后应力小表2-1热塑性塑料在不同状态下的物理、工艺性能返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析一、牛顿流体及其流变方程图2-4是液体在流道中流动时的速度梯度图。图2-4液体在流道中流动时的速度梯度图图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析图2-5所示为以切应力对剪切速率作图时，塑料成型加工中常用聚合物在非牛顿流体状态下的流动曲线。图2-5不同类型流体的流动曲线1-膨胀性流体2-牛顿流体3-假塑性流体4-复合型流体图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析将非牛顿流体的粘度定义为表观粘度ηa(即非牛顿粘度)。图2-6为不同类型流体的表观粘度与剪切速率的关系。图2-6不同类型流体的表观粘度与剪切速率关系1-膨胀性流体(n＞1)2-牛顿液体(n=1)3-假塑性液体(n＜1)图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析二、温度和压力对粘度的影响（一）温度对剪切粘度的影响表2-2列出了几种常用热塑性塑料熔体在恒定剪切速率下的表观粘度与温度关系的数据。表2-2常用热塑性塑料在恒定剪切速率下表观粘度与温度关系的数据图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析(二)压力对剪切粘度的影响几种聚合物粘度与压力的关系见图2-7。图2-7切应力和温度恒定时熔体粘度与压力的关系1-聚甲基丙烯酸甲酯2-聚丙烯(210℃)3-低密度聚乙烯4-聚酰胺-665-聚甲醛(共聚物)图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析三、聚合物熔体的粘弹性聚合物熔体(包括分散体)不仅具有粘流性，而且还具有如固体般的弹性，即当熔体受到应力时，一部分能量消耗于粘性变形(即流动)；而另一部分变形的能量将会被熔体储存，一旦外界应力移去，变形就得到恢复，如塑料在挤压时的出模膨胀(见图2-8)。图2-8挤出塑料时的出模膨胀1-挤出物2-挤出机d0-挤出机口模内径df-挤出物膨胀后的直径图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析粘弹性熔体的应力-应变关系曲线如图2-9所示。图2-9粘弹性熔体的应力-应变关系曲线a-成型加工时的形变(θ＞θg)b-成型后可逆形变回复(θ＞θg)c-成型后可逆形变回复(θ=室温或θ＜θg)图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析四、热塑性和热固性聚合物流变行为的比较热塑性聚合物和热固性聚合物流变行为的不同可由图2-10加以说明。图2-10热塑性聚合物与热固性聚合物流动行为比较图14四冲程柴油机示意图第二节聚合物流变方程与分析从图2-10c可以看出，温度对流动性的影响是由粘度和固化速度两种互相矛盾的因素决定的，这种关系可进一步用图2-11来说明。图2-11温度对热固性聚合物流动性的影响A-总的流动曲线B-粘度对流动性的影响线C-硬化速度对流动性的影响曲线返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态一、聚合物熔体在简单截面导管内的流动(一)在圆形导管内的流动取距离管中心为r处的流体圆柱体单元，其长度为L，当它由左向右移动时，在流体层间产生摩擦力，如图2-12所示。图2-12圆形导管中流动液体受力分析图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态由此看出，切应力在管中心为零，逐渐增大而在管壁处为最大，据此进一步推导的结果，又可说明流体在圆形导管内的速度分布为什么呈抛物线型，如图2-13所示。图2-13流体在圆形导管中切应力和流速分布图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态为了便于查阅，将牛顿型和非牛顿型流体各计算式汇总列于表2-3。表2-3牛顿型与非牛顿型流体计算式汇总表图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态(二)在扁形导槽内的流动当塑料熔体在等温条件下经扁形导槽(扁槽)作稳定层流运动时，其情况如图2-14所示。图2-14流体在扁槽内的流动图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态(三)端末效应与速度分布只有贴近管壁极薄一层液层处，其速度骤降，至管壁处为零，流体在进入导管后须经一定距离，稳定状态方能形成，即图2-15中所示入口Le一段管长。图2-15聚合物熔体在管子入口区和出口区的流动图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态把各种不同类型的流体速度分布绘于图2-16中，其中牛顿型液体n=1，膨胀性液体取n=3，假塑性液体取n=1/3；另外将n=0，n=∞时的情形也标绘于图中。图2-16各种流体的速度分布图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态二、注射成型中的流动状态分析注射成型中的流动过程如图2-17所示，可以分成三个区段。图2-17注射过程中塑料熔体流动的三个区段图14四冲程柴油机示意图第三节聚合物在成型过程中的流动状态(一)流体在流道中的状态应注意只有当W/h≥10时，计算才准确(见图2-18)。(二)流体在充模过程中的状态图2-18流道和浇口的剖视图返回本章目录图14四冲程柴油机示意图第四节聚合物在成型过程中的物理和化学变化一、聚合物的结晶二、成型过程中的取向(1)注射、压注成型塑件中纤维状填料的取向注射、压注成型塑件中填料的取向方向与程度主要依赖于浇口的形状与位置，如图2-19所示。图2-19扇形片试样中填料的取向图14四冲程柴油机示意图第四节聚合物在成型过程中的物理和化学变化(2)注射、压注成型塑件中聚合物分子的取向一般情况下，聚合物在成型过程中只要存在熔体的流动，就会有分子的取向。图2-20所示是用双折射法测量长条形注射试件的取向情况。图2-20注射成型长条形试样中聚合物取向程度分析a)横向截面b)轴向纵截面图14四冲程柴油机示意图第四节聚合物在成型过程中的物理和化学变化三、聚合物的降解1)严格控制原材料的技术指标，使用合格的原材料。2)使用前对聚合物进行严格干燥，特别是聚酯、聚醚和聚酰胺等聚合物在存放过程中容易从空气中吸附水分，使用前通常应使水分含量降低到0.05%以下。3)确定合理的加工工艺和加工条件，使聚合物在不易产生降解的条件下加工成型，这对于那些热稳定性差、加工温度和分解温度非常接近的聚合物尤为重要。绘制聚合物成型加工温度范围图(见图2-21)有助于确定合适的成型条件。一般加工温度应低于聚合物的分解温度。一些聚合物的加工温度与分解温度见表2-4。4)使用附加剂，根据聚合物性能。四、聚合物的交联图14四冲程柴油机示意图第四节聚合物在成型过程中的物理和化学变化图2-21硬聚氯乙烯成型温度范围图14四冲程柴油机示意图第四节聚合物在成型过程中的物理和化学变化表2-