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1、第六章 塑料成形工艺基础,了解塑料的基础知识、塑料成形设备及设备技术参数；理解塑料件的结构工艺性设计知识。,塑料的基本组成、塑料成形的工艺特性；塑料成形设备分类及注射机工作原理、技术参数；塑料件的结构工艺性设计包含的內容。,主要内容：,学习要求：,6.1 塑料的基本组成、分类与特性,1塑料 塑料是一种以树脂为主要成分，加入适量的添加剂制成的高分子有机化合物。在一定的温度和压力条件下，塑料可以用模具成形出具有一定形状和尺寸的制件，并且当外力解除后，在常温下仍能使形状保持不变。2塑料的组成 塑料是由合成树脂、添加剂组成，在一定条件下可塑成形，并在常温下保持形状不变的材料。,6.1.1 塑料及其组成
2、,是塑料的主要成分，起胶粘剂作用，它将塑料的其他部分胶结成一体。树脂分天然树脂和合成树脂两大类。合成树脂来源广、种类多、性质容易控制，因而应用广泛。合成树脂是由低分子化合物经聚合反应所获得的高分子化合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等。塑料中的树脂含量为40%-100%。,合成树脂,聚乙烯（polyethylene，PE）,聚氯乙烯（Polyvinylchlorid，PVC）,酚醛树脂（phenolic resin,PF）,（1）树脂,聚乙烯 polyethylene，简称PE,聚乙烯英文名称：polyethylene，简称PE，是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。在工业上，也包括乙烯与少量 烯
3、烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒,手感似蜡,具有优良的耐低温性能(最低使用温度可达-70-100),化学稳定性好,能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸),常温下不溶于一般溶剂,吸水性小,电绝缘性能优良。聚乙烯可用一般热塑性塑料的成型方法加工。用途十分广泛，主要用来制造薄膜、容器、管道、单丝、电线电缆、日用品等，并可作为电视、雷达等的高频绝缘材料。,LDPE：低密度聚乙烯、高压聚乙烯 LLDPE：线形低密度聚乙烯 MDPE：中密度聚乙烯、双峰树脂 HDPE：高密度聚乙烯、低压聚乙烯 UHMWPE：超高分子量聚乙烯 改性聚乙烯：CPE、交联聚乙烯（PEX）乙烯共聚物：乙烯-丙烯共聚物（塑料）、E
4、VA、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-其它烯烃（如辛烯POE、环烯烃）的共聚物、乙烯-不饱和酯共聚物（EAA、EMAA、EEA、EMA、EMMA、EMAH）,聚乙烯种类,PVC是聚氯乙烯塑料，色泽鲜艳、耐腐蚀、牢固耐用，由于在制造过程中增加了增塑剂、抗老化剂等一些有毒辅助材料，故其产品一般不存放食品和药品。PVC其实是一种乙烯基的聚合物质。简单地说，盐的水溶液在电流作用发生化学分解。这一过程会产生氯、苛性钠和氢气。精炼、裂化石油或汽油能产生乙烯。当氯和乙烯混合后，就会产生二氯乙烯；二氯乙烯又可以转换产生氯化乙烯基，它是聚氯乙烯的基本组成部分。聚合过程将氯化乙烯基分子连接在一起组成了聚氯乙烯链。以这种方
5、式生成的聚氯乙烯呈白色粉末状。它是不能单独使用的，但是可以与其它成分混合生成许多产品。,聚氯乙烯（Polyvinylchlorid，PVC）,聚氯乙烯具有原料丰富（石油、石灰石、焦炭、食盐和天然气）、制造工艺成熟、价格低廉、用途广泛等突出特点，现已成为世界上仅次于聚乙烯树脂的第二大通用树脂，占世界合成树脂总消费量的29%。聚氯乙烯容易加工，可通过模压、层合、注塑、挤塑、压延、吹塑中空等方式进行加工。聚氯乙烯主要用于生产人造革、薄膜、电线护套等塑料软制品，也可生产板材、门窗、管道和阀门等塑料硬制品。,1872年德国化学家拜尔首先合成了酚醛树脂，1907年比利时裔美国人贝克兰提出酚醛树脂加热固化法
6、，使酚醛树脂实现工业化生产，1910年德国柏林建成世界第一家合成酚醛树脂的工厂，开创了人类合成高分子化合物的纪元。由于采用酚、醛的种类、催化剂类别、酚与醛的摩尔比的不同可生产出多种多样的酚醛树脂，它包括：线型酚醛树脂、热固性酚醛树脂和油溶性酚醛树脂、水溶性酚醛树脂。主要用于生产压塑粉、层压塑料；制造清漆或绝缘、耐腐蚀涂料；制造日用品、装饰品；制造隔音、隔热材料、人造板、铸造、耐火材料等。,酚醛树脂 phenolic resin,简称PF,酚醛树脂 固体酚醛树脂为黄色、透明、无定形块状物质，因含有游离酚而呈微红色，比重1.251.30，易溶于醇，不溶于水，对水、弱酸、弱碱溶液稳定。由苯酚和甲醛在
7、催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成的树脂。因选用催化剂的不同，可分为热固性和热塑性两类。酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。,压塑粉生产模压制品的压塑粉是酚醛树脂的主要用途之一。采用辊压法、螺旋挤出法和乳液法使树脂浸渍填料并与其他助剂混合均匀，再经粉碎过筛即可制得压塑粉。常用木粉作填料，为制造某些高电绝缘性和耐热性制件，也用云母粉、石棉粉、石英粉等无机填料。压塑粉可用模压和注射成型法制成各种塑料制品。热塑性酚醛树脂压塑粉主要用于制造开关、插座、插头等电气零件，日用品及其他工业制品。热固性酚醛树脂压塑粉主要用于制造高电绝缘制
8、件。,增强酚醛塑料 以酚醛树脂（主要是热固性酚醛树脂）溶液或乳液浸渍各种纤维及其织物，经干燥、压制成型的各种增强塑料是重要的工业材料。它不仅机械强度高、综合性能好，而且可进行机械加工。以玻璃纤维、石英纤维及其织物增强的酚醛塑料主要用于制造各种制动器摩擦片和化工防腐蚀塑料；高硅氧玻璃纤维和碳纤维增强的酚醛塑料是航天工业的重要耐烧蚀材料。酚醛涂料 以松香改性的酚醛树脂、丁醇醚化的酚醛树脂以及对叔丁基酚醛树脂、对苯基酚醛树脂均与桐油、亚麻子油有良好的混溶性，是涂料工业的重要原料。前两者用于配制低、中级油漆，后两者用于配制高级油漆。,包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂和固化剂等。常用的填充剂有
9、木粉、纸张、布、硅石、硅藻土、云母、石棉、石墨、金属粉、玻璃纤维和碳纤维等。增塑剂 用来提高塑料的可塑性、柔软性和耐寒性。常用的软质聚氯乙烯含有大量的增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯）。稳定剂 可防止塑料在光照、热和其他条件的影响下过早老化，以延长使用寿命。着色剂 又称色母，为满足塑件的外观色泽和光学性能要求，常加入着色剂。固化剂又称硬化剂，它的作用是促使合成树脂进行交联反应而形成体型网状结构，或加快交联反应速度。固化剂一般多用在热固性塑料。,(2）添加剂,塑料的分类,（1）热塑性塑料 在特定的温度范围内能反复加热和冷却硬化的塑料。塑料在成形过程中只有物理变化，而无化学变化，塑料的树脂分子结构呈线型或
10、支链型，通常互相缠绕在一起，受热后能软化或熔融，从而可以进行成形加工，冷却后固化。,如常见的热塑性塑料:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃、聚酰胺、聚甲醛、ABS聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜和聚四氟乙烯等。,是指在初次受热时变软，可以制成一定形状，但加热到一定时间或加入固化剂后就硬化定型，再加热则不软化也不熔解的塑料。这类塑料在成形过程中发生了化学变化，树脂分子结构在开始受热时为线形或支链形，因此，可以软化或熔融，但受热后这些分子逐渐结合成网状结构（称为交联反应），成为既不熔化又不溶解的物质，称为体型聚合物。,（2）热固性塑料,热固性塑料有:酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、尿醛塑料、三聚氰胺
11、、甲醛和不饱和聚酯等。,塑料的特性,（1）密度小 塑料密度一般为克/cm3（2）比强度高 强度与重量之比叫比强度 工程塑料比金属轻得多；玻璃纤维增强的环氧树脂，它的单位重量的抗拉强度比一般钢材高2倍左右。（3）化学稳定性好 工程塑料一般对酸、碱、盐等化学药品，都有良好的抗腐蚀能力，“塑料王”的聚四氟乙烯，能抵抗“王水”的腐蚀。,（4）绝缘性能好 电工电线外皮、开关外壳、空气开关的防弧片等。（5）减摩、耐磨性能优良 制造自润滑轴承、齿轮和密封圈等。（6）成形加工方便 一般塑料都可以一次成形出复杂的塑件，如家用电器的外壳等。塑料的机械加工也比金属容易。,塑料制品的不足之处：刚性差、尺寸精度低、易老
12、化、耐热性差等。,6.2 塑料成形的方法及工艺特性,注射成形、压缩成形、压注成形、挤出成形、吹塑成形等。（1）注射成形 通过注射机的螺杆或柱塞作用，将熔融状态的塑料经浇注系统射入闭合的模具型腔内，经保压、冷却、硬化定型后，从模具中取出成形的塑件。所用为注射机。,塑料的成形方法,图 6.1 注射成形原理,1-动模；2-塑件；3-定模；4-料斗；5-传动装置；6-液压缸；7-螺杆；8-加热器,（2）压缩成形将预热过的塑料原料放在经过加热的模具型腔内，凸模向下运动，在压力和热的共同作用下，熔融状态的塑料充满型腔，然后固化成形。所用设备为液压机。,图 6.2 压缩成形原理,1-上模座板；2-螺钉；3-
13、上凸模；4-加料室（凹模）；5、11-加热板；6-导拄；7-加热孔；8-型芯；9-下凸模；10-导套；12-推杆；13-支承钉；14-垫块；15-下模座板；16-推板；17-连接杆；18-推杆固定板；19-侧型芯；20-型腔固定板；21-承压块,图 6.3 压缩模结构,3）压注成形 通过压柱或柱塞，将加料室内受热的熔融的塑料经浇注系 统压入加热的模具型腔，然后固化成形。所用设备为液压机。,图 6.3 压注成形原理,（4）挤出成形,利用挤出机的螺杆旋转加压，连续地将熔融状态的塑料从料筒中挤出，通过特定截面形状的机头口模成形，并借助于牵引装置将挤出的塑件均匀拉出，同时冷却定型，获得截面形状一致的连
14、续型材。所用设备为挤出机。,图 6.4 挤出成形原理,1-挤出机料筒；2-机头；3-定径装置；4-冷却装置；5-牵引装置；6-塑料管；7-切割装置,图 6.5 挤出成形原理,1-挤管机头；2-定型与冷却装置；3-牵引装置；4-切断装置；5-片（板）坯挤出机头；6-碾平与冷却装置；7-切边与牵引装置,图 6.6 管材挤出成形机头,1-管材；2-定径套；3-口模；4-芯棒；5-调节螺钉；6-分流器；7-分流器支架；8-机头体；9-过滤网；10-加热器,（5）吹塑成形,吹塑成形是先通过挤出或注塑的成形方法生产出高弹状态的塑料型坯，再把塑料型坯放入处于打开状态的瓣合式吹塑模具内，闭合模具，然后向型坯内
15、吹入压缩空气，使高弹塑料型胀开，并紧贴在模腔表壁，经冷却定型后，获得与模具型腔形状一致的中空制品。,主要用于制造瓶类、桶类、箱类等中空塑料容器。所用设备为各种专用中空吹塑设备或吸塑设备。,吹塑成形方法包括：挤出吹塑成形、注射吹塑成形、注射拉伸吹塑成形和片材吹塑成形等。,图 6.7 注射吹塑成形,1-注射机喷嘴；2-注塑型坯；3-空心凸模；4-加热器；5-吹塑模；6-塑件,注射吹塑成形,图 6.7 挤出吹塑成形,1-挤出机头；2-吹塑模；3-型坯：4-压缩空气吹管；5-塑件,挤出吹塑成形,图 6.8 热坯法注射拉伸吹塑成形,1-注射机喷嘴；2-注射模；3-拉伸心棒（吹管）；4-吹塑模；5-塑件,
16、热坯法注射拉伸吹塑成形,(6)真空成型,真空成形又称吸塑成形，是把热塑性塑料板、片材等固定在模具上，用辐射加热器加热至软化温度，然后用真空泵把板材和模具之间的空气抽掉，借助大气的压力使板材贴在模腔上而成形，冷却后用压缩空气使塑件从模具型腔内脱出。,图 6.9 凹模真空成形,凹模真空成形,图 6.10 凸模真空成形,凸模真空成形,图 6.11 凹凸模先后抽真空成形,凹凸模先后抽真空成形,(7)其他成形方法 气动成形、泡沫塑料成形、浇注成形、滚塑成形、压延成形以及聚四氟乙烯冷压成形等。,塑料成形的工艺特性,1流动性塑料在一定的温度、压力作用下能够充满模具型腔的能力，称为塑料的流动性。塑料的流动性差
17、，就不容易充满型腔，易产生缺料或熔接痕等缺陷，因此需要较大的成形压力才能成形。塑料的流动性好，则可以用较小的成形压力充满型腔。但流动性太好，会使塑料在成形时产生严重的溢料，产生飞边。,热塑性塑料的流动性大小，一般可从分子量大小、熔融指数、阿基米得螺旋线长度、表观黏度及流动比等一系列指数进行分析。熔融指数高、螺旋线长度大、表观黏度小、流动比大的则流动性好。热固性塑料的流动性通常以拉西格流动性（以mm计）来表示。数值大则流动性好。每一品种塑料通常分三个不同等级的流动性，以供不同塑件及成形工艺选用。,影响塑料流动性的主要因素：（1）塑料的分子结构与成分 具有线型分子结构而没有或很少有交联结构的塑料流
18、动性好。塑料中加入填料，会降低其流动性；而加入增塑剂或润滑剂，则可增加其流动性。（2）温度 塑料温度高，则流动性好。（3）注射压力 注射压力增大，则熔料受剪切作用大，流动性也增大，尤其是聚乙烯和聚甲醛较为敏感。成形时可通过调节注射压力大小来控制塑料的流动性。（4）模具结构 模具型腔表面粗糙度，型腔的形式，模具浇注系统、冷却系统、排气系统的形式及尺寸等因素都会直接影响熔料的流动性。,2收缩性塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积会发生收缩变化，这种性质称为收缩性。收缩性的大小以单位长度塑件收缩量的百分数来表示，称为收缩率。,3.结晶性结晶性是指塑料从熔融状态到冷凝过程中，分子由无次
19、序的自由运动状态而逐渐排成为正规模型倾向的一种现象。热塑性塑料按其冷凝时是否出现结晶现象可分为结晶型塑料和非结晶型塑料两大类。不透明的或半透明的是结晶型塑料；透明的是非结晶型塑料；ABS非结晶型塑料，但却不透明。,4硬化特性 硬化是指热固性塑料成形时完成交联反应的过程。在塑化、充型过程中，希望硬化速度慢，以保持长时间的流动性；充满型腔后，希望硬化速度快，以提高生产率。5吸湿性 吸湿性是指塑料对水分的敏感程度。吸湿性塑料具有吸湿或粘附水分倾向，在成形过程中由于高温、高压的作用容易使水分变成气体或发生水降解，成形后塑件上会出现气泡斑纹等缺陷。,6热敏性及水敏性,热敏性塑料是指某些塑料对热较为敏感，
20、其成形过程中在不太高的温度下也会发生分解、热降解，从而影响塑件的性能、色泽和表面质量。因有的塑料即使含有少量水分，但在高温、高压下也会发生分解，这种现象称为塑料水敏性，对此必须预先加热干燥。,6.3 塑件的结构工艺性,1尺寸流动性好，塑件尺寸可大些；流动性差，塑件尺寸不可过大，以免充型不满或形成熔接痕，影响塑件外观和强度。2精度 工程塑料模塑件尺寸公差的国家标准（GB/T 14486-1993)，塑件尺寸公差的代号为MT，等级共分为7级，每级又分为A、B两部分。A不受模具活动部分影响尺寸的公差；B为受模具活动部分影响尺寸的公差（如由于水平分型面溢料厚薄不同，影响塑件高度方向的尺寸公差）。,塑件
21、尺寸、精度及表面粗糙度,3表面粗糙度 m,壁厚,塑件的壁厚决定塑件的使用性能，即强度、刚度、结构、电气性能、尺寸稳定性以及装配等各项要求。壁厚过大，则浪费材料，还易因收缩而产生气泡、缩孔等缺陷；壁厚过小，则成形时流动阻力大，难以充型。壁厚应尽可能均匀，否则会因冷却或固化速度不同而产生内应力，使塑件产生变形、缩孔及凹陷等缺陷。壁厚变化比不应大于1：2，且应采用适当的修饰半径使厚薄部分缓慢过渡。,热塑性塑件的最小壁厚和常用壁厚推荐值,试验证明，壁厚与流程成正比关系。,热固性塑件壁厚推荐值,改善塑件壁厚的典型实例,壁厚不可过厚，否则易产生气泡、缩孔或凹陷等缺陷，使塑件变形；热固性塑料则交联不完全，强
22、度降低,在不影响塑件使用功能的情况下，可设置加强筋减小壁厚，保证原有强度,全塑齿轮轴应在中心设置钢芯嵌件，增加强度，减小塑件壁厚,1,2,3,4,序号,不合理,合理,说明,形状设计,塑件内外表面的形状设计在满足使用性能的前提下，应尽量使其有利于成形，尽量不采用侧向抽芯机构。进行塑件设计时应尽可能避免侧向凹凸或侧孔，某些塑件只要适当地改变其形状，即能避免使用侧向抽芯机构，使模具设计简化。,改善塑件壁厚的典型实例,改变形状后，不需采用侧抽芯，使模具结构简单,塑件有外侧凹时，必须采用瓣合凹模，故模具结构复杂，塑件外表面有接痕,内凹侧孔改为外凹侧孔，有利于抽芯,1,2,3,4,序号,不合理,合理,说明
23、,应避免塑件表面横向凸台，便于脱模,孔的设计,通孔 盲孔 异性孔 自攻螺钉孔,孔间距和孔边距b,孔径,1.5,1.53,36,610,1018,1830,热固性塑料,热塑性塑料,11.50.8,1.52.00.8,231.5,342,453,574,孔均应设置在不易削弱塑件强度的地方；在孔与孔之间、孔与边壁之间应留有足够的距离。塑件上的孔周围可设计凸边或凸台加强孔的强度；当两孔直径不一样时，按小的孔径取值。,1.孔的类型,2.孔的加强方式,图 6.12 孔的加强,自攻螺钉孔（圆管状）,3.孔的形成方法,（1）通孔通孔设计时孔深不能太大，通孔深度不应超过孔径的3.75倍。,图 6.13 通 孔的
24、成形方法,（2）盲孔盲孔只能用一端固定的型芯来成形，因此其深度应浅于通孔。注射成形或压注成形时，孔深不应超过孔径的4倍；直径较小或深度较大的孔最好用成形后机械加工的方法获得。,（4）自攻螺钉孔 对于切割螺纹的螺钉孔，其孔径等于螺钉的中径。,（3）异性孔 塑件孔为异形孔（斜孔或复杂形状孔）时，常常采用 拼合的方法来成形，这样可以避免侧向抽芯。,图 6.14 用拼合型芯成形异形孔,嵌件设计,塑件中嵌入嵌件的目的是为为提高塑件的强度、硬度、耐磨性、导电性、导磁性等。嵌件材料可以是金属，也可以是玻璃、木材和已成形的塑件等非金属材料，其中金属嵌件的使用最为广泛。,金属嵌件的设计原则如下：为防止嵌件受力时
25、在塑件内转动或脱出，嵌件表面必须设计 有适当的凹凸形状；模具中嵌件应定位可靠；嵌件周围的壁厚应足够。,图 6.15 嵌件的止转与防脱,螺纹设计,塑料螺纹的机械强度比金属螺纹机械强度小5-10倍，因此，对塑料螺纹成形直径有一定要求，如注射成形螺纹直径不得小于2mm；压制成形螺纹直径不得小于3mm；精度不得高于IT8。,为防止内外螺纹的损坏，螺纹不能突然开始和结束,开始,结束,其他结构要素,1.脱模斜度,塑件的脱模斜度,图 6.16 塑件的托模斜度,2.圆角半径,连接处圆角半径不小于 内角半径 R=0.5t外角半径 R1=1.5t,3.加强筋,塑件厚度为t加强筋的高度 L=（1-3）t肋根宽度 A
26、=（0.25-1）tR=（）t肋端部圆角r=t/8=2-5当t2mm，可取A=t,图 6.17 圆角半径尺寸,图 6.18 加强筋尺寸,加强筋设计,使用加强筋，可以减薄塑件厚度,加强筋与注射料流动方法平行,避免塑料局部集中；加强筋要矮一些,1,2,3,序号,不合理,合理,说明,4.支承面,以塑件的整个底面作为支承面是不合理的；采用塑件凸起的边框或底脚（三点或四点）来作支承面。,图 6.19 塑件的支承面,6.4 塑料成型设备,1.设备分类 挤出机、注射机、浇铸机、中空成形机、发泡 成形机、塑料液压机以及与之配套的辅助设备等。,用量最大：注射机和挤出机，其次是液压机和压延机；注射机的产量最大。,
27、注射机,卧式注射机,立式注射机,角式注射机,其他注射机,多模注射机热固性塑料注射机发泡注射析机排气注射机多色注射机精密注射机气体辅助注射机高速注射机,塑料成型设备分类,1-锁模液压缸；2-锁模机构；3-移动模板；4-项杆；5-固定模板；6-控制台；7-料筒及加热器；8-料斗；9-定量供料装置；10-注射液压缸,2.注射机,图 6.20 卧式注射机结构示意图,（1）卧式注射机,关闭模具充填模穴保压螺杆后退顶出塑件开始下一个循环,卧式注射机工作过程,图 6.21 卧式注射机工作过程示意图,注射系统与合模锁模系统的轴线都呈水平布置，其注射系统有柱塞式和螺杆式两种结构，注射量60cm3及采用螺杆式；机
28、器重心低，比较稳定，操作、维修方便，成形后的塑件推出后自动落下，便于实现自动化生产；主要缺点是模具安装比较困难。,卧式注射机特点,（2）立式注射机,立式注射机的注射系统与合模锁模系统的轴线一致并垂直于地面，注射系统多为柱塞式结构，注射量一般小于60cm3；立式注射机的优点是占地面积较小，模具装卸方便，动模一侧安放嵌件便利；其缺点是机器重心高、不稳定，加料比较困难，不易实现自动化生产。,图 6.22 角式注射机,图 6.23 角式注射机,（3）角式注射机,角式注射机的注射系统与合模系统的轴线相互垂直。常见的角式注射机是沿水平方向合模，沿垂直方向注射。注射系统采用柱塞式结构，采用齿轮齿条传动或液压传动，注射量较小，一般小于45cm3。,注射机型号及主要参数,1.型号表示方法,注射量、合模力、注射量与合模力同时表示等三种方法,国际上通用方法,X 塑料机械Z 注射机注射容量：63cm3合模力：5010kN,XS 塑料成形机械Z 注射成形Y螺杆式注射容量：125cm3,中国采用方法：注射量,2.注射机主要参数,注射量、注射压力、锁模力、与模具的配合连接尺寸,P207，国产注射机规格和性能,
