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1、5.1 概述5.2 压模结构与分类5.3 压模结构设计5.4 压模的强度计算5.5 电加热装置及其功率计算5.6 液压机,目 录,5.1 概述,模具作用模压料工艺性与模具设计的关系制品结构与模具设计的关系,现代模塑产品的举例： 汽车用品系列 家用产品系列 军工用品系列,5.1.1 模具的作用,1. 模压成型模具（简称压模）：,纤维增强热固性或热塑性模压料装于加热的模具型腔或加料室内，模具在液压机上闭合并加压。型腔内模压料在温度和压力作用下熔融并充满模具型腔，进而发生聚合反应使之固化成型，变成所需的模压制品。这类模具称为压模。,热塑性材料模压成型动画演示,模具是模压成型的主要工艺装备，对模具的主
2、要要求是：,（1）能承受2080MPa的高压；（2）能制造出形状、尺寸精度、表观物理与机械性能等均能满足使用要求的模压制品；（3）要求模具结构合理、制造容易，操作方便，造价低廉。,3. 影响模压制品质量的两个重要因素,(2) 模具,模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面及脱模方式等对制品尺寸与形状精度、理化及机械性能、表观质量等有重要的影响；模具结构对操作难易程度、生产率影响很大；模具对制品成本有相当的影响。,4. 模压成型模具设计应考虑因素和注意的问题,(1)复合材料的物理机械性能；(2)模压料的成型工艺性；(3)制品在成型后的收缩率及各向收缩率差异；(4)制品及模具形状应有利于物料充分流
3、动、排气；(5)模具的结构及加热装置有利于对模压料进行快速、高效、均匀、稳定的加热；(6)在满足使用要求前提下应尽量简化模具结构及制造工艺。,5.1.2 模压料工艺性与模具设计的关系,影响制品收缩的因素有模压料性质、制品结构、模具结构、模压工艺等方面。,模具结构对收缩量的影响：,（1）截面的均匀性；（2）嵌件；（3）形状复杂性；（4）制件方向性,5.1.3 制品结构与模具设计的关系,出模斜度（draft angle）制品的内外表面沿脱模方向的倾斜角度。作用：一定的拔模斜度既能保证制品顺利出模,又能起到侧向加压的作用。,出模斜度所取数值必须在制造公差范围内，而所取斜度的方向，对轴来讲应保证大端斜
4、度向小的方向取， 对孔来讲应保证小端斜度向大的方向取。如图所示。,脱模斜度,制件上所取斜度的大小与制品性质、收缩率大小、制件的壁厚和几何形状有关，亦随制件的深度不同而改变。型芯长度及型腔深度越大，斜度应适当缩小，反之则大。一般最小斜度为15 ，通常取11.5 。,脱模斜度,脱模斜度添加,总之，选取出模斜度既要考虑脱模方便，又要考虑塑件尺寸的公差要求，在满足塑件尺寸公差要求的前提下、出模斜度可以取得大些，这样有利于脱模。,2. 壁厚(wall thickness),在保证成型和使用条件下，要求有均匀的截面和最小的壁厚，以得到快速、完全的固化。,模压件壁厚对其质量影响很大。模压件壁厚的最小尺寸应满
5、足如下要求：具有足够的使用刚度和强度；能承受脱模机构的冲击和震动；装配时能承受紧固力。,在可能的条件下，常将厚的部分挖空，使壁厚尽量均匀一致；若结构要求有不同壁厚时，其比例不超过1：4。,热固性模压料制品的厚度一般控制在16mm，最大不得超过13mm。热塑性模压料应尽可能控制在24mm之间。,作用：在不增加整个制品厚度的条件下，增强制品的刚度和强度，并可避免由于模压料固化收缩产生的变形翘曲。,注：筋的每侧都应有1斜度和3mm以上的过渡半径。,设计加强筋时，必须考虑加强筋的布置以减小因壁厚不均而产生的内应力，或由于模压料局部集中而产生缩孔、气泡。而且，加强筋底部的宽度应当比它所附着的壁厚小。,加
6、强筋以设计得短一些多一些为好。加强筋之间中心距离不应小于2b。加强筋的端面不应与支承面相平，至少应低于支承面0.5mm，如图所示。,除了采用加强筋外，薄壳伏的模压件可作成球面或拱曲面，这样可以有效地增加刚性和减少变形，如图所示。,容器底和盖的增强,对于薄壁容器的边缘，可按如图所示设计来增加刚性和减小变形。,容器边缘的增强,4. 圆角和边缘修饰,模压件除了使用上要求采用尖角或者由于不能成型出圆角之处外，应尽可能采用圆角。,模压件的边缘和边角带有圆角，可以增加模压件某部位或整个模压件的机械强度；使模压料在模具中易流动；有利于模压件的顶出；使模具成型零件加强并可排除模具成型零件热处理或使用时可能产生
7、的应力集中。,原因：,应力集中系数与圆角半径关系,从图可以看出，当内圆角半径小于厚度的1/4时应力集中表现很明显，而当采用大于厚度的3/4半径时对进一步减小应力集中效果并不明显。因此，理想的内圆角半径应大于四分之一壁厚。,R,T,R/T,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,在两部位交接处的外角上采用圆弧过渡能进一步减少应力的集中，如图所示。,圆弧过渡,5. 孔,常见的孔有通孔、盲孔、形状复杂的孔、螺纹孔等。对于模压件上的各种孔，尽可能设置在最不易削弱模压件强度的地方。在孔之间以及孔与边壁之间均应留有足够距离，孔与边缘最小距离不应小
8、于该孔的直径。如图所示。,(a)错误的,(b)正确的,孔与边缘最小距离,模压件孔的成型，即模具（型芯）的设计如下：,（1）通孔或不通孔(盲孔)成型时可直接完成。通孔成型型芯也可以在中间对接。如图所示。,对接型芯成型孔,（2）太深的孔采用先成型一部分，另一部分由机械加工完成。,（3）直径小(如d1.5mm)而深的孔，且中心距离要求精度高的，应以钻孔为宜。,（4）对于斜孔或形状复杂的孔可采用拼合的型芯来成型，避免抽侧型芯。,6. 金属嵌件,模塑在模压件里的金属件称为金属嵌件。作用：提高制品的强度、硬度、耐磨性、导电性等，以满足使用要求；弥补因模压件结构、工艺性的不足而带来的缺陷；提高制品尺寸的稳定
9、性和制造精度、降低材料消耗。,为达到嵌件与塑件牢固地结合成一整体，可采用多种方法。主要有预埋嵌入法和成型后嵌入法。,5.2 压模结构与分类,压模结构压模分类,压模机,一、压模结构,型腔加料室导向机构侧向分型抽芯机构脱模机构加热系统,移动压缩模卸模架开模,模具零部件及作用,二、压模分类,按模具在压机上固定方式分类移动式模具（机外装卸模具）,这种模具适用于成型内部具有很多嵌件、螺纹孔及旁侧孔的制品、新产品试制以及采用固定式模具加料不方便等情况。 这种模具结构简单，制造周期短，造价低，但操作劳动强度大，且生产率低，模具尺寸及质量都不宜过大 。,(2) 固定式模具（固装在压机上）本身带有加热装置。优点
10、：使用方便，生产效率高，劳动强度小，模具使用寿命长，适用于批量、尺寸大的制品生产。缺点：模具结构复杂，造价高，且安装嵌件不方便。(3) 半固定式模具 动画演示阴模做成可移动式，阳模固定在压机上。,二、按分型面特征分类,主要分为水平分型面、垂直分型面、复合分型面。,分型面是为了将已成型好的塑件从模具型腔内取出或为满足安放嵌件及排气等成型的需要，根据塑件的结构，将直接成型塑件的那一部分模具分成若干部分的接触面。,1. 水平分型面,即模具分型面平行于压机工作台面(或垂直于机床的工作压力方向）。它又分为：,（1）一个水平分型面的压模 分型面将压模分成阳模和阴模两部分。如图所示。,（2）两个水平分型面的
11、压模 两个分型面将压模分成阳模，阴模和模套三部分。如图所示。,这种结构的特征是没有顶出器，通常用于移动式压模中。,（2）垂直分型面,模具的分型面垂直于压机的工作台面(或平行于机床的工作压力方向)。,垂直分型面压模用于成型线圈骨架类型的塑件，由两半或数半组成的外形为楔形或截锥形阴模，装在模套4中，如图所示。,垂直分型面半闭合式压模,1型芯；2阳模；3截锥形阴模(两半）4模套,1,2,3,4,（3）复合分型面,另外，还有多层分型面压模。这种模具有两个以上的分型而，垂直(或平行)于压机的工作压力方向，将模具分成数个部分。多层水平分型面压模，每一层板都成型塑件的某一部分，压模板间的相互定位是由导柱来实
12、现的。这种结构的优点是压模易于制造(在淬火后各板可磨光)，适于平的和薄的有嵌件塑件，且嵌件固定方便。移动式和固定式的多层分模面的铸压模，工业上应用极广。,三、按上、下模配合结构特征分类溢式压模（敞开式）,特点：无加料室；模腔总高度A约等于制件高度。环形面B是挤压面。制品密度较低，力学性能不高；凸模与凹模无配合，模压料易溢出；结构简单，易脱模，安装嵌件方便。,注：不适合用高压缩比的模压料；不适于成型薄壁和壁厚均匀性要求很高的制品。,演示,溢式模具适于压制扁平的盘形制件，特别是对强度和尺寸无严格要求的制品。不适合于成型薄壁和壁厚均匀性要求很高的制品。,2. 不溢式压模（密闭式）,特点:无挤压面，模
13、压料的溢出量少制品受力大，密实性好，机械强度高加料量必须准确称量；凸模与加料室边壁摩擦，边壁易损伤，在顶出时损伤制品外表面。,注：适于压制形状复杂、薄壁、长流程和深形制品；也适于压制流动性小、单位比压高、比容大的模压料。,动画演示,3. 半溢式压模,特点：在型腔上另有一断面尺寸大于制件断面尺寸的加料室；有挤压面；制品密实性比溢式好；操作方便；顶出时不会损伤制品外表面。,注：更适用于带有小嵌件的制品。,5.3 压模结构设计,型腔总体设计压模成型型腔配合形式压模设计,一、型腔总体设计,有利于压力传递。应避免在加压过程中压力传递距离太长，造成压力损失太大。,1. 模压件在模具内施压方向的选定,有利于
14、传递压力的施压方向,压缩模加压方向1,压缩模加压方向2,压缩模加压方向3,压缩模加压方向4,(2) 便于加料。,(a),(b),如图(a)加料室直径大而浅，便于加料。图(b)加料室直径小，深度大，不便于加料。,错误的加料,正确的设计,错误加料方法2,正确加料方法,错误的加料方法1,(3) 便于安装和固定嵌件。,当制件上有嵌件时，应优先考虑将其安装在下模上。,操作方便，可利用嵌件顶出制品。,费事且嵌件易落下。,(4) 保证凸模强度。,(5) 长型芯位于施压方向。(6) 保证重要尺寸精度。,2. 分型面位置和形状的选定,分型面位置确定原则：,应设在制件断面轮廓最大的地方，尽量避免采用瓣合模和侧抽模
15、。分型面的溢料痕迹应设在制件较隐蔽和易于修整的地方。,（3）为保证关键部位的同心度，应将要求同心的尺寸同设在压模的上模或下模一侧，而不应分置于上、下模两边。,（4）分型面的选定应以在开模时使制品留在下模为宜。,（5）压模的分型面和挤压边缘多为水平面，较少采用曲面。,3. 凸模和凹模配合结构的选定,溢式、不溢式和半溢式压模的凸模和凹模配合结构各不相同，归纳起来可从以下几个方面选择：,考虑模压料的特点：流动性好的模压料宜用溢式压模；流动性差的模压料宜用不溢式压模。,（2）考虑制品形状：高度大、形状复杂的制件宜用不溢式压模；壁薄、尺寸小、形状简单、高度小的制品可用溢式压模；中等深度的制件多数宜用半溢
16、式压模；考虑制件密度，不溢式最好，溢式最差；考虑脱模难易，溢式和半溢式都易于脱模，脱出时不会擦伤制品表面；考虑模具结构，若复杂则宜选用溢式或半溢式压模结构。,二、压模成型型腔配合形式,1. 溢式压模配合形式,溢式压模设有配合段，凸模与凹模在分型面水平接触。,注：密合面应光滑平整，面积也不宜太大，常常设计成宽度为35mm挤压面（溢料面）。,2. 不溢式压模配合形式,典型的配合结构如图所示。,在凹凸模之间设置一定的配合间隙，一般为0.0250.075mm。其作用是排出气体，并给模具的热胀冷缩现象留下活动空间。一般情况下，模压料的流动性好时配合间隙取低位值；制品尺寸大，模压料的流动性差时，取高位值。
17、,凸模合凹模配合高度不宜太大，以便开模容易。,三、压模设计,1. 凹模（阴模）设计,溢式压模的凹模深度等于制品的高度，而不溢式压模的凹模深度等于制品的高度与加料室高度之和。,凹模可按照制品的结构形式而采用整体式和组合式。,整体式下模,整体式凹模特点：结构坚固；适用于外形简单、容易机械加工的型腔。,组合式下模,当压模型腔的形状较复杂时，为了便于加工，可将加料室和型腔体本身作成组合式凹模。如图模压料很难挤入型腔和加料室之间的接缝。,压模的组合式凹模有整体嵌入式、局部镶嵌式、大面积镶嵌式、四壁拼合式等。,注意：镶嵌结构的紧固性；大面积镶嵌四壁的凹模，块与块间不宜用螺钉连接，而应压入模套中固定，或用楔
18、形块楔紧。对垂直分型面的压模，凹模可组合后嵌入圆锥形模套中，凹模的垂直分型既可采用手动模外分型，也可机动分型。,2. 凸模设计,凸模的主要作用是将模压料从加料室推入型腔，并传递成型压力至制品上，压制成型制品内腔及端面。,凸模结构分整体式和组合式两种。一般整体式上模由导向部分、成型部分和模板部分组成。它坚固耐用，但压模用的优质钢材耗量大，它适用于尺寸小、结构简单的模压制品的压制。组合式上模用于尺寸较大、结构较复杂制品的压制。,注：不溢式和半溢式凸模与加料室有一配合段，其单边空隙应为0.05mm左右，应力求该配合段外形轮廓简单以便于加工。,上模设计的基本要求是，力求结构简单，机械加工性好；减少上模
19、结构组合，如必须组合时，则要保证其牢固稳定；不应把上模设计为在每个压制周期都要进行拆卸和安装的可卸结构，如确实需要可拆卸，则要求其结构简单，轻便和易于操作，安装后不能松动脱落。,3. 型芯设计,当模压制品中带有孔洞时，应在压模中设置相应尺寸的型芯。型芯在压制过程中受力不均，易产生弯曲变形，特别是型芯轴线与压制方向垂直时。所以当型芯为单端支撑、型芯与压制方向重合时，其长径比不应超过2.53；而当型芯轴线与压制方向垂直时，其长径比不应超过1.0。,当制品中的孔洞为穿孔，且型芯轴线与压制方向平行，应将型芯的长度缩短0.050.1mm，以避免型芯与凸模发生接触而变形,如图530所示。,直径较大的型芯，
20、必须在型芯上作出挤压边缘。,当模压件孔较深时（孔深68d），采用型芯伸入凸模孔内支撑的办法。,当模压件孔径d15mm并在制件中心时，型芯还可兼作导向柱，此时型芯必须高于加料室68mm。,成型深孔（孔深2.5d）时可用两端对接的成型杆。,在压制件上成型内螺纹和外螺纹的螺纹型芯和螺纹型环，以及固定螺纹嵌件时应尽量将嵌件装在凹模内。,4. 加料室设计,加料室是存放待压模压料并使之预热塑化的一个腔体。对模压工艺来讲，加料室实际上是型腔开口端的延续部分，装料室的尺寸对模压工艺是很重要的。,溢式压模不设装料室，待压模压料堆放在型腔的中部。半溢式和不溢式压模设有装料室。,不溢式压模的装料室：,半溢式压模的装
21、料室,液压机,液压机的工作原理与分类液压机的性能参数液压机选型,一、液压机的工作原理与分类,1. 液压机的工作原理,液压机主要用于复合材料压制成型。,压机从传动方式上可分为液压传动和机械传动两种，应用最广泛的是液压机，而液压机又分为水压和油压两种，目前多采用油压机。,压机的作用在于模压工艺成型时通过压模对模压料施加压力、开闭模具和顶出制品。压机应操作灵活、运行可靠、升压快、调压方便。,液压机的工作原理是流体力学中静压力传递的帕斯卡定律，即,在充满油液的密闭容器中，直径为d1的小活塞上加力p1，则直径为d2的大活塞上产生的力为：,这就是液压机产生高压的原理。示意图,密闭容器中力的传递,油压干斤顶
22、原理图,1活塞 2小油缸 3单向阀 4单向阀 5油箱6阀门 7大油缸 8柱塞,液压机的液压传递系统由动力机构、控制机构及执行机构组成。,(1) 动力机构,主要是油泵，一般采用容积式油泵。常用的低压泵是齿轮泵；中压泵可采用叶片泵；高压泵可用轴向柱塞泵。,(2)执行机构,即液压缸（油缸），包括成型压力的主油缸和顶出制品油缸及其他辅助油缸。油缸型式多采用活塞式及柱塞式。,(3) 控制机构,其作用：控制和调节液体介质的压力、流量和流动方向，以满足液压系统的动作和性能要求。主要是各种阀类，如方向控制阀、压强控制阀、流量控制阀等。,2. 液压机的分类,（1）按液压机机身结构分框架式：有上横梁、动横梁、下横
23、梁三个梁，不采用四根立柱而用槽钢等焊接成一个框架，或者整体铸造。,三梁四柱式：有上横梁、动横梁、下横梁及四根立柱构成一个封闭的机身。复合材料模压工艺中多采用此式。,100t四柱液压机,160t四柱液压机,(2)按油缸部位和压力方向分,上压式：油缸在液压机上部，动横梁受油缸活塞推动从上往下加压。下横梁作为工作台固定不动。,下压式：油缸在液压机下部。上横梁固定不动，而下横梁受油缸活塞推动从下往上加压。压机上、下两根横梁，整机重心低，稳定性好。这类压机往往采用柱塞式油缸，依靠自重回程，结构简单，造价较低。,此外，按控制方式分类，可分为手控、半自动及自动式等。按液压机的应用可分为各种专业应用压机。按液
24、压机的最大压力可分为小型、中型、大型及超大型压机等。,注：在复合材料模压工艺中，受工艺要求和操作要求的影响，多采用上压式压机。,二、液压机的性能参数,压力（1）公称压力（pc):液压机标牌或说明书中所述的公称压力指液压机的最大计算压力。一般的液压机就以公称压力来命名。,式中 pc液压机的公称压力，kN;,油缸中油液的最大压强，MPa；,D活塞直径,cm。,（2）最大使用压力(pe),液压机实际施加于模具的压力。,pe=pc+W1-F1,式中 W1动横梁及固装其上的工艺装备重，kN;F1执行机构移动时产生的摩擦力， kN.,(3) 液压机效率(f),f=pe/pc100,一般液压机的效率都在85
25、以上，经常检查液压机的效率是很重要的一项工作，以保证作用在模压料上的压力达到设计要求。,（4）最大回程压力(pw),在没有顶出油缸的液压机中，常利用回程压力来顶出制品。,式中，d活塞杆直径，cm,D活塞直径,P油缸中油液的最大压强,MPa。,（5） 最大顶出压力(PT),利用液压机回程压力带动顶出机构时，则,pT=Pw-W2-F2,式中 W2顶出机构的全部质量； Pw最大回程压力； F2顶出机构移动时的摩擦力。,2. 液压机的最大及最小成型压力,液压机所能产生的最大成型压力，是随制品受压投影面积的减少而增加。但实际上考虑到模具和工作面的安全使用，一般规定常用液压机最大成型压力不允许超过80MPa。,3. 运行速度,下行运行速度回程（上行）运行速度差压下形运行速度运行速度的调节液压机压力调节,三、液压机选型,最大使用压力工作台面尺寸上下模板间距活塞缸最大行程,
