材料成型工艺基础非金属材料成形电子教案.doc

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1、第五章 非金属材料成型第一节 塑料成型一、塑料及其特性1、 塑料=以合成树脂为主要成分（60%-80%）+某些辅助添 加剂组成的具有塑性的材料塑料的性能特点: 塑料的性能取决于合成树脂的性能。因此具有：质量轻、比强度高、耐腐蚀、化学稳定性高、优良的电绝缘性能。2、塑料的分类 按照塑料的热行为可以分为： 热塑性塑料和热固性塑料二种 （取决于合成树脂分类） 常见热塑性塑料：PE、PP、PVC、PC、PMMA、PA、ABS 常见热固性塑料：PF、EP3、塑料的流变性能4、塑料成型的工艺性1）流动性 热塑性塑料的流动性用熔融指数表示，熔融指数越大，流动性越好；粘度越小，熔融指数越大。 热固性塑料的流动

2、性用拉西格流动性表示，不同的塑料，拉西格流动性不同；就是相同的塑料，若填料不同，其拉西格流动性也不同。2） 收缩性 设计选取的计算收缩率与实际收缩率的差异，以及由于工艺条件波动、材料发生变化而造成制件收缩率的波动，前者造成系统误差，后者造成偶然误差。 收缩率 KL = （L0 - L ）/L *100%式中：L0模具型腔在室温和标准压力下的单维尺寸； L制品在相同情况下与模具型腔相应的单维尺寸3）结晶性4）热敏性和水敏性5）毒性、刺激性和腐蚀性二、注射成型1、注射成型应用（一）注射成型机的结构与原理（二）注射成型机工艺过程（三）注射成型过程工艺参数1）温度 注射成型时需要控制的温度包括：料筒温

3、度、喷嘴温度和模具温度。2）压力 螺杆头部注射时对塑料熔体施加 的压力。3）时间 一次注射成型所需时间。（四）塑料注射成型模具 注射成型模具的典型结构：凡是注射模具，均可分为动模和定模两大部分。注射时动模和定模闭合构成成型腔和浇注系统。三、压塑成型1、压缩成型原理及应用范围2、压缩成型设备模具四、型材挤出成型1、管材挤出成型机结构与工作原理2、管材挤出成型机生产过程五、热压成型六、冷压烧结成型七、压延生产片材八、人造革生产九、吹塑薄膜技术第二节 塑料成型模具及制品结构的工艺性一、塑料模具概述 塑料模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工具,它对塑料零件的制造和成本起着决定的影

4、响.对塑料模具的要求:1, 生产出的制品应能满足其尺寸精度 、外观 、 物理性能等方面的要求;2, 从模具使用的角度, 要求高效率、自动化, 操作简单;3, 从模具制造的角度, 要求模具结构 合理、制造容易、成本低廉.现代塑料制品生产的三项重要因素:l 高效的设备l 合理的加工工艺l 先进的模具塑料模具的发展趋势:l CAD/CAM/CAE技术的应用；l 模具设计由经验化向理论化方向发展；l 采用高效率、自动化的模具以适应大量生产的需要；l 大力发展高强度、高耐磨的模具材料；l 特种加工方法；l 模具通用件的标准化二、塑料成型模具的分类l 注射成型模具l 压制成型模具l 压铸成型模具l 挤出成

5、型模具l 吹塑中空成型模具l 真空或压缩空气成型模具三、 塑料制件工艺结构设计1、设计塑料制件的四项原则：（1）在保证使用、性能（机械强度、电性能、耐化学腐蚀、形状稳定、耐温、吸水性等）的前提下，力求塑料制品消费结构简单，壁厚均匀，使用方便；（2）设计制品时应尽量考虑结构合理，便于模具制造和成型工艺的实施；（3）日用生活品和儿童玩具等要求外表美观者，则应与美工人员共同研究，设计出两全其美的产品；（4）高效率、低消耗，尽量减少制品成型前后的辅助工作量，并避免成型后的机械加工。2、塑料制件设计（一），塑料制品的尺寸和精度 影响尺寸精度的主要因素是： 塑料的收缩率波动 模具的制造公差 模具的磨损影响

6、塑件尺寸精度有下述几方面1，成型材料 关键是收缩率是否稳定。塑料本身的收缩率范围与塑料的品种、生产厂有关。2，成形条件 压力、温度、时间等确定不当，将直接影响收缩率。比如，注射压力高，塑件收缩率小；模具温度均匀，有利于制品收缩率的恒定。3，塑料制品的形状 壁厚、几何形状，会影响成形收缩率；脱膜斜度的大小则直接影响尺寸精度。4，模具结构 浇口大小（大，收缩率小），料流方向（平行则大，垂直则小） 分型面选择（由于飞边产生的误差）、模具的磨损而产生的误差 常用塑料的尺寸精度分8个等级，对每一种具体塑料制品选3个等级，即高精度、一般精度、低精度（二）粗糙度 一般模具的粗糙度较制品的高一级，比如制品要0

7、.8，则模具0.4(三）脱膜斜度 设脱膜斜度的目的是便于制件在开模、脱膜时不易拉伤、擦毛，而且由于塑料的收缩也便于脱膜。 一般脱膜斜度为101030有时30也有。若对塑件无损害时，尽量大些。 （四）形状 主要要求是使模具设计简单，开模取出塑件时，尽量避免采用复杂的瓣合模与侧抽芯。为此塑件尽量地避免旁侧凹陷部分（五）壁厚及其均匀性 壁厚的大小要考虑到制件的强度与刚度，但对成型工艺来说，壁厚不宜太大。 壁厚太大带来的缺点： 用料多，提高成本； 延长成型时间； 易产生气泡、缩孔、翘曲等缺陷。 壁厚太小带来的缺点； 熔料在模具内的流动阻力大，若形状复杂，成型困难。 壁厚应力求均匀。否则，成型冷却过程会

8、造成收缩不均，会出现气泡、 陷和翘曲现象。在制件内部造成内应力，影响塑料的内、外在质量。（六）加强筋与其它防变形设计制件设加强筋的目的： a, 提高制品的强度、刚度； b, 可减少制件中的壁厚； c ,降低充模阻力。 这里有一个原则：为了提高塑料的强度和刚度，宁可要增加加强筋的数目，而不要增加其壁厚。 加强筋的厚度5080%壁厚，避免接头部凹陷。 对于空心制件，加强筋的端面不应与塑件的支承面齐平，应低0.5mm。（七）支承面或凸台 一般地不利用整个支承面作凸台，这是由于塑料的收缩，制件的整个底平面上各点很难保持在同一水平面上。 正确的方法是设置凸边或凸台。（八）圆角 塑件因模具结构的关系要求不

9、能有圆角外，一般情况下必须有圆角过渡，以减少应力集中，提高塑件的强度。（九）孔孔的边缘易产生熔接痕。1、孔与孔、孔与边缘之间的距离： （1）孔与孔之间的距离，一般应取孔径2倍以上；（2）孔与塑件边缘之间的距离，一般应取孔径3倍以上。如因塑件设计的限制作为固定用孔，则可在孔的边缘设计凸台来加强2、通孔 通孔一般要求： 对压制孔，孔深不得大于4d d孔径 对注射孔，孔深不得大于8d 对特深的孔，可先压定位孔，成型后再钻。3、用以紧固塑件的孔 图221，应用平头的螺钉孔，以免塑件产生裂纹。 防止塑件周围边缘出现壁薄的现象，采用图226的开式。（十） 螺纹设计螺纹时： 内螺纹直径一般不小于2mm 这是

10、考虑到塑件螺纹的机 外螺纹直径一般不小于4mm 械强度较低的缘故 精度不高于8级 与金属螺纹的配合长度不大于螺纹直径的1.52倍 螺距不宜大小螺纹成型的三种方法： a, 成型杆成型环在成型后，从制品上拧下来； b,阳螺杆采用瓣合模成形，这时工效高，但精度差，飞边不易除尽； c, 浅的阴螺纹，软塑料时可强制脱膜。 同一塑件的前后两段螺纹的螺纹方向与螺纹应一致，若不一致，就应用镶块。（十一） 嵌件 塑件压入嵌件的目的： 增加塑件的强度、硬度、耐磨性、导电性、导磁性和保证尽寸稳定和制造精度。 但安放嵌件会降低生产效率，不利于生产自动化。 注意点：金属嵌件周围应保持一定的壁厚，以保证嵌件与塑件的结合强

11、度，以免塑料会因冷却收缩而开裂。 内螺纹嵌件的高度应低于型腔的成型高度0.05mm，以免压坏嵌件和型腔；金属嵌件的非嵌入部分，其形状是非圆形时，难以保证与模具的定位精度。四、 浇注系统的设计（参考）一，概述 浇注系统是指模具中从喷嘴开始到型腔为止的塑料熔体的流动通道。 浇注系统的组成：主流道、分流道、浇口和冷料井。二，浇注系统的设计 （一），主流道设计 主流道是指从喷嘴起到分流道入口处止的一段通道。它与注射机喷嘴在同一轴线上，熔料在主流道中并不改变方向。 主流道设计要点：（1）锥角，便于凝料的拔出。锥角一般240对流动性差的塑料360过大会造成流速减慢，易成涡流。（2）大端成圆角，减少料流阻力

12、。半径 r=13mm 1）分流道的形状： 分流道的断面形状可以呈圆形、半圆形、梯形、矩形、U字形。 流道效率=流道横截面积 / 流道周长 对热塑性塑料来说，比值越大，效率越高。 评价一个好的流道的标准是：在传递压力方面流道的截面积应尽可能大，而在传热方面，流道的截面积应尽可能小。因此，流道截面积和圆周边长的比值可直接表示流道的效率。比值俞高，流道的效率亦俞高。另外，分流道应短，以减少塑料耗损。 一般常用的采用全圆形、梯形、U形和六角形四种。 圆形流道：流道效率高，但加工、对中均较困难。 由于正方形流道脱模困难，所以一般改进成梯形或U形。2）分流道的布置形式 型腔与分流道的分布原则是：排列紧凑，

13、以缩小模具尺寸，流道的流程短，锁模压力力求平衡。 分布形式： a、平衡式：主流道到各个型腔的分流道的长度、形状、断面尽寸都是对应相等；各个型腔中制品的性能一致性佳，但可能流道会较长，压力损失大。 b、非平衡式：流道总长度短，但为确保均衡进料，浇口须经多次修改。 分流道的设计要求： （1）表面不必很光，一般1.25即可。目的是使塑料冷皮层固定，以利于保温； （2）当分流道较长时，分流道末端应开设冷料井； （3）分流道与浇口的连接部分加工成斜面，有利于物料的流动与填充。分流道的尺寸：（Runner Size) 考虑五个因素： （1）塑件的壁厚和体积 （2）型腔离开主流道的距离； （3）流道的冷却；

14、 （4）模具制造者所拥有的刀具； （5）将要加工的塑料类型。（1）流道的横截面积应大到足以允许熔融塑料在流道里凝固之前进入型腔，并在需要的情况进行保压，以补充塑料的收缩。为此很少采用直径小于2mm的流道，而且即使用这一尺寸的流道时，也通常只限于长度在25mm以下的分流道。（2）熔融塑料沿流道流动的路程愈长，则阻力愈大。因此型腔离开喷嘴的距离将直接影响选择横截面积的尺寸。（3）流道的横截面积不应该太大，以致影响了注射周期。（横截面积在，塑料多，冷却时间长，延长模具开启及塑件和流道冷却的顶出时间）。对大多数塑料来说，流道的直径不宜超过10mm。对于硬质聚氯乙烯和丙烯酸塑料则是例外。对于这两种塑料来

15、说，已采用了直径达13mm的流道。（4）流道采用的尺寸应在一般模具制造者所拥有的刀具的合理范围内。 对于200克以下、壁厚小于3mm的塑料：W=塑料的重量 克L= 流道的长度 mm （二）浇口的设计 流道末端与型腔之间的一段细短通道。1、浇口的设计一般比较小，其原因是：（1）在型腔进料后不久浇口内的料便会凝结，使注射杆能抽回而又不致在模具内产生真空。（2）使浇口尾料切除简单化，而且在某些模具内可使此工序自动化。（3）在切除浇口尾料后只留下一个小的痕迹。（4）能够更好地控制充模过程。充模：高速射流，表观粘度下降，可快速充模。（5）可减少因塑料收缩时所需要的补料。2、常用的浇口形式，有十种（1）针

16、点式浇口 三板式模具，尾料能在开模时自动切除。 对于薄壁制品，针点浇口附近的剪切速率过高，会造成分子高度定向，增加局部应力。改善措施，浇口对面壁厚增加。 物料通过时，有很高的剪切速率，这对降低塑料熔体的表观粘度是很有利的，同时还有磨擦生热提高料温的优点，浇口容易在开模时容易实现自动切断，故被广泛采用。（2）潜伏式浇口 从针点式浇口演变而来，浇口较隐蔽，不影响塑件的美观。对于强韧的塑料，不适宜，脆性塑料由于塑料会断，不用。（3）边缘浇口（侧浇口） 一般开在分型面上，从制件边缘进料。 制造修改容易，浇口位置灵活。选用于一模多件，但容易形成熔接痕、缩孔、气孔等缺陷。注射压力损失大，排气不便，保压补缩

17、作用比直接浇口小。 尺寸：宽1.52mm，长0.72mm。（）扇形浇口边缘浇口的变异形式。常用来成型宽度（横向尺寸）较大的薄片状制品。（）平缝式浇口适用于大面积的扁平制品（）圆环形浇口适用于圆桶形制品或中间带有孔的制品。浇口切除困难。（）轮辐式浇口浇口切断方便，缺点是有几条接合缝。（）爪浇口轮辐式浇口的变异形式。适用于管状制件，尤其制件内孔较小的管状制件和同心度要求高的制件（型芯的顶端伸入定模内，起到定位作用）（）护耳式浇口（又名分接式浇口）避免了喷射，浇口去除困难。由于浇口离塑件较远，使浇口处残余应力不致于直接影响塑件。（）直接浇口优点：流动阻力小，进料速度快，保压补缩作用大，有利于排气。缺

18、点：浇口去除困难，浇口处制件的内应力大（此处热量集中）适用场合：成型深腔的壳形塑料件，不宜成型平薄形塑件和容易变形的塑件。成形薄壁塑件时，浇口直径最多等于塑件壁厚的倍。对热敏性、流动性差的塑料尤其有利。（四）塑件上浇口开设部位的选择（）浇口的尺寸及位置选择应尽量避免产生喷射和蠕动（蛇形流）要点：尽量采用冲击形浇口（可以加大浇口的断面尺寸）。（）考虑定位方向对塑件性能的影响。（）有利于流动、排气和补料。要点：浇口应开设在塑件断面最厚处，避免厚部形成气泡或收缩。（）减少熔接痕，增加熔接牢度。（）校核流动距离比流动距离比 Li/ti式中：Li：各段流路长度 ti：壁厚（）防止料流将细长型芯或嵌件挤歪

19、变形。（五）冷料井和拉料杆设计设冷料井的目的：储藏注射间隔期内由于喷端温度低造成的冷料，因冷料进入型腔会影响塑件质量。拉料杆的作用是：开模时拉出流道的凝料。常用有形式有：（）带形拉料杆、倒锥形、圆环槽冷料井（）球形拉料杆的冷料井（）无拉料杆冷料井（六）排气和引气系统的设计（一）、排气系统模具型腔在塑料的充填过程中，除了型腔内原有的空气外，还有因塑料受热或凝固而产生的低分子挥发气体，尤其是在高速注射成型时，考虑排气是很有必要的，一般是在塑料填充的同时，必须将气体排出模外，否则，被压缩的气体所产生的高温，会引起塑料局部碳化烧焦或使塑料起泡、或使塑料熔接不良引起强度下降，甚至阻碍塑料填充等。排气的开

20、设位置，通常是通过试模以后才能正确地确定。排气槽应开设在型腔最后被充满的地方。在大多数情况下可利用模具分型面或模零件间的配合间隙排气，这时可不设排气槽。排气槽最好开设在分型面上，因为分型面上排气槽产生的毛边很容易随塑件脱出。 排气槽最好开设计在靠近嵌件中或壁厚最薄处，因为此处最容易形成熔接痕，熔接痕处应排尽气体和排出部分冷料。（二）、引气系统 1、对于大型、深腔、壳形塑件，注射成型以后，整个型腔由塑件填满，型腔内气体被排除，当塑件脱模时，塑件的包容面与型芯的被包容面基本上构成真空。由于受到大气压力的作用，造成脱模困难，如采用强行脱模，势必使塑件产生变形或损坏，影响塑件的质量，因而必须加设引气装

21、置。2、型腔成型零件的总磨量 与脱模方向垂直的不考虑。 一般取塑件公差的1/6，对于大型塑件取1/6以下。3、成型收缩率的影响 设计选取的计算收缩率与实际收缩率的差异，以及由于工艺条件波动、材料发生变化而造成制件收缩率的波动，前者造成系统误差，后者造成偶然误差。 收缩率 SL =（L0-L）/ L *100%式中：L0模具型腔在室温和标准压力下的单维尺寸； L制品在相同情况下与模具型腔相应的单维尺寸。 第四节 复合材料成型一、复合材料及特点1、复合材料及特点2、复合材料发展及历史二、树脂基复合材料的成型1、热固性树脂基复合材料的成型1）、手糊成型工艺2）、铺层成型法 袋压法 热压罐法 液压釜法

22、和热膨胀模塑法成型（1）袋压法袋压成型是将手糊成型的未固化制品，通过橡胶袋或其它弹性材料向其施加气体或液体压力，使制品在压力下密实，固化。袋压成型法的优点是：产品两面光滑；能适应聚酯、环氧和酚醛树脂；产品重量比手糊高。袋压成型分压力袋法和真空袋法2种：压力袋法 压力袋法是将手糊成型未固化的制品放入一橡胶袋，固定好盖板，然后通入压缩空气或蒸汽（0.250.5MPa），使制品在热压条件下固化。真空袋法 此法是将手糊成型未固化的制品，加盖一层橡胶膜，制品处于橡胶膜和模具之间，密封周边，抽真空（0.050.07MPa），使制品中的气泡和挥发物排除。真空袋成型法由于真空压力较小，故此法仅用于聚酯和环氧复

23、合材料制品的湿法成型。 （2）热压釜法 热压釜是一个卧式金属压力容器，未固化的手糊制品，加上密封胶袋，抽真空，然后连同模具用小车推进热压釜内，通入蒸汽（压力为1.52.5MPa），并抽真空，对制品加压、加热，排出气泡，使其在热压条件下固化。它综合了压力袋法和真空袋法的优点，生产周期短，产品质量高。热压釜法能够生产尺寸较大、形状复杂的高质量、高性能复合材料制品。产品尺寸受热压釜限制，目前国内最大的热压釜直径为2.5m，长18m，已开发应用的产品有机翼、尾翼、卫星天线反射器，导弹再入体、机载夹层结构雷达罩等。此法的最大缺点是设备投资大，重量大，结构复杂，费用高等。（3）热膨胀模塑法热膨胀模塑法是用

24、于生产空腹、薄壁高性能复合材料制品的一种工艺。其工作原理是采用不同膨胀系数的模具材料，利用其受热体积膨胀不同产生的挤压力，对制品施工压力。热膨胀模塑法的阳模是膨胀系数大的硅橡胶，阴模是膨胀系数小的金属材料，手糊未固化的制品放在阳模和阴模之间。加热时由于阳、阴模的膨胀系数不同，产生巨大的变形差异，使制品在热压下固化。3）、喷射成型工艺原理 喷射成型工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。喷射成型的优点：用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成本；

25、生产效率比手糊的高24倍；产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好；可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗；产品尺寸、形状不受限制。其缺点为：树脂含量高，制品强度低；产品只能做到单面光滑；污染环境，有害工人健康。 4）、缠绕成型工艺 缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。2、热塑性树脂基复合材料的成型从生产工艺角度分析，塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类：（1）短纤维增强复合材料 注射成型工艺；挤出成型工艺；离心成型工艺。（2）连续纤维增强及长纤维增强复合材料 预浸料模压成型；片状模塑料冲压成型；片状模塑料真空成型；预浸纱缠绕成型；拉挤成型。