1、塑料成型工艺与模具设计,王立忠 副教授模具与先进成形技术研究所,绪 论,1塑料成型工业在生产中的重要地位塑料成型所用的模具称为塑料成型模，是用于成型塑料制件的模具，它是型腔模的一种类型。塑料成型工业是新兴的工业，并随着石油工业的发展应运而生，目前，塑料制件几乎已经进入了一切工业部门以及人民日常生活的各个领域。世界塑料工业从20世纪30年代前后开始研制，经历了30年代以前的初创阶段、30年代的发展阶段、5060年代的飞跃发展阶段和70年代至今的稳定增长阶段。,现代塑料成型生产中，塑料制件的质量与塑料成型模具、塑料成型设备和塑料成型工艺密切相关。在这三项要素中，塑料成型模具的质量最为关键，它的功能
2、是双重的：赋予塑料熔体以期望的形状、性能、质量；冷却并推出成型的制件。,1塑料成型工业在生产中的重要地位,1塑料成型工业在生产中的重要地位,据有关统计资料表明，在国内外模具工业中，各类模具占模具总量的比例大致如下：冲压模、塑料模各占3540，压铸模占1015，粉末冶金模、陶瓷模、玻璃模等其他模具约占10。 塑料成型模具的应用在各类模具的应用中占有与冲压模齐驾并驱的“老大”位置。随着我国经济与国际的接轨和国家经济建设持续稳定的发展，塑料制件的应用快速上升，模具设计与制造和塑料成型的各类企业日益增多，塑料成型工业在基础工业中的地位和对国民经济的影响日益重要。,2塑料成型技术的发展趋势,考察国内外模
3、具工业的现状及我国国民经济和现代工业品生产中模具的地位，从塑料成型模具的设计理论、设计实践和制造技术出发，设计与制造大致有以下几个方面的发展趋势:,(1)CADCAECAM技术在模具设计与制造中的应用,经过多年的推广应用，模具设计“软件化”和模具制造“数控化”已经在我国模具企业中成为现实。采用CAD技术是模具生产的一次革命，是模具技术发展的一个显著特点。引用模具CAD系统后，借助计算机完成传统模具设计中各个环节的设计工作，大部分设计与制造信息由系统直接传送，图纸不再是设计与制造环节的分界线，也不再是制造、生产过程中的唯一依据，图纸将被简化，甚至最终消失。近年来，CAD技术发展主要有以下特点：,
4、(1)CADCAECAM技术在模具设计与制造中的应用,模具CAD技术及其应用日趋成熟 发达国家机械制造业中CAD覆盖率超过60，十分注重CAD专业应用软件的开发。模具CAD/CAM技术日益深入人心，并且发挥着越来越重要的作用。在20世纪，能够进行复杂形体几何造型和NC加工的CADCAM系统，主要是在工作站上采用UNIX操作系统开发和应用的，如美国的ProE、UG、CADS5软件等。随着计算机技术突飞猛进的发展，新一代CADCAM软件(如Solidworks、Solidage)已崭露头角，并深得用户好评。,(1)CADCAECAM技术在模具设计与制造中的应用,基于网络化的CAD/CAECAM一体
5、化系统结构初见端倪. 随着计算机硬件和软件的进步以及工业部门的实际需求，国外许多著名计算机软件开发商已能按实际生产过程中的功能要求划分产品系列，在网络系统下实现了CADCAM的一体化。,(2)大力发展快速原型制造,对于形状复杂的曲面塑料制件，为了缩短研制周期，在现代制造模具技术中，可以不急于加工出难以测量和加工的模具凹模和凸模，而是采用快速原型制造技术，先制造出与实物相同的样品，看该样品是否满足设计要求和工艺要求，然后再开发模具。 快速原型制造(RPM)技术是一种综合运用计算机辅助设计技术、数控技术、激光技术和材料科学的发展成果，采用分层增材制造的新概念取代了传统的去材或变形法加工，是当代最具
6、有代表性的制造技术之一。,(3)研究和应用模具的快速测量技术与逆向工程,从实物样件获取产品数学模型的相关技术，称为逆向工程或反求工程技术。对于具有复杂自由曲面零件的模具设计，可采用逆向工程技术，首先获取其表面几何点的数据，然后通过CAD系统对这些数据进行预处理，并考虑模具的成型工艺性再进行曲面重构，以获得模具的凹模和凸模的型面，最后通过CAM系统进行数控编程，完成模具的加工。,(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,模具材料的选用在模具设计与制造中是涉及模具加工工艺、模具使用寿命、塑料制件成型质量和加工成本等的重要问题。开发研制出了具有良好使用性能和加工性能、热处理变形小、抗热
7、疲劳性能好的新型模具钢种，如预硬钢、耐腐蚀钢等。 模具成型零件的表面抛光处理技术和表面强化处理技术方面的发展也很快，国内的许多单位进行了研究与工程实践，取得了一些可喜的成绩。模具热处理的发展方向是采用真空热处理。该技术在国内许多热处理中心和一些大型模具企业已经得到应用并且正在进一步推广。模具表面处理除完善普及常用表面处理方法(如渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒)外，应发展设备昂贵、工艺先进的气相沉积、等离子喷涂等技术。,(5)提高模具标准化水平和模具标准件的使用率,模具标准化的水平在某种意义上体现了一个国家模具工业发展的水平。采用标准模架和使用标准零件，可以满足大批量制造模具和缩短模具制造周期的需
8、要。经过一段时期的建设，我国模具标准化程度正在不断提高，估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到60左右，发达国家的模具标准件使用覆盖率一般为80左右。为了适应模具工业发展，模具标准化工作必将加强，模具标准化程度将进一步提高，模具标准件生产也必将得到发展。,(6)模具的复杂化、精密化与大型化,为了满足塑料制件在各种工业产品中的使用要求，塑料成型技术正朝着复杂化，精密化与大型化方向发展，例如汽车的保险杠和某些内装饰件等塑料件的成型。大型塑料件和精密塑料件的成型，除了必须研制开发或引进大型的和精密的成型设备外，大型的和精密的塑料件成型模具更需要采用先进的模具CADCAECAM技术来设计与制造，否则这
9、类投资很大的模具研制将难以获得成功。,3塑料成型模具的分类,按照塑料制件成型的方法不同，塑料成型模具通常可以分成以下几类：(1)注射模注射模又称注塑模。塑料注射成型是在金属压铸成型的基础上发展起来的，成型所使用的设备是注射机。注射模通常适合于热塑性塑料的成型，目前部分热固性塑料也可以采用该方法成型。塑料注射成型是塑料成型生产中自动化程度最高、采用最广泛的一种成型方法。,3塑料成型模具的分类,(2)压缩模压缩模又称压塑模或压胶模。塑料压缩成型是塑件成型方法中较早采用的一种方法，成型所使用的设备是塑料成型压力机，是热固性塑料通常采用的成型方法之一。与塑料注射成型相比，成型周期较长，生产效率较低。,
10、3塑料成型模具的分类,(3)压注模压注模又称传递模。压注成型所使用的设备和塑料的适应性与压缩成型完全相同，只是模具的结构不同。,3塑料成型模具的分类,(4)挤出模挤出模是安装在挤出机料筒端部进行生产的，因此也称为挤出机头。成型所使用的设备是塑料挤出机。只有热塑性塑料才能采用挤出成型。,3塑料成型模具的分类,(5)气动成型模气动成型模是指利用气体作为动力介质成型塑料制件的模具。气动成型包括中空吹塑成型、抽真空成型和压缩空气成型等。与其他模具相比较，气动成型模具结构最为简单，只有热塑性塑料才能采用气动成型。,第一章 高分子聚合物结构特点与性能,塑料是以高分子聚合物(树脂)为主要成分的物质，高分子聚
11、合物也称高聚物.要了解塑料的性能和特点，研究塑料成型工艺，正确设计塑料成型模具，就必须认识高分子聚合物的结构、热力学性能、流变学性质、成型过程中的流动行为和物理化学变化。,1.1 高分子聚合物的结构特点,高聚物的结构是非常复杂的，在早期由于受生产和科学技术水平的限制和认识上的错误理解，曾把高分子看成是小分子的简单堆积。 H.Staudinger提出大分子学说，随着高分子工业的发展及近代科学技术的进步，人们对高分子结构的探究也在不断深化。,聚合物分子的链结构不同，其性质也不同。线型聚合物(见图1.2a)包括带有支链的线型聚合物(见图l.2b)，其物理特性是具有弹性和塑性，在适当的溶剂中可溶胀或溶
12、解，随温度的不断升高，聚合物微观表现为分子链逐渐由链段运动乃至整个分子链的运动，宏观表现为聚合物逐渐开始软化乃至熔化而流动，这些特性随温度的降低而呈现逆向性。体型聚合物的大分子链之间形成立体网状结构(见图12c)，它具有脆性，弹性较高，塑性较低，成型前是可溶可熔的，一旦成型固化后就成为既不溶解也不熔融的固体。,12 聚合物的热力学性能,1.2.1 聚合物分子运动单元的多重性聚合物性能是高聚物微观分子运动的宏观表现，而聚合物的物理、力学性能与温度密切相关。因而，要想了解高分子宏观上的热力学性能，必须通过材料内部的分子热运动，才能揭示不同高分子材料性能的真正本质。,1.2.1 聚合物分子运动单元的
13、多重性,从高分子结构来看，高分子有很多运动单元，除了高分子主链可以运动外，分子链上的侧基、支链、链节、链段等部可以产生相应的各种运动。一般来说，高分子运动主要包括三种类型：(1)分子链的整体运动 这是分子链质量中心的相对移动，它的宏观表现就是高分子熔体的流动。(2)链段的运动 这种运动是高分子的特殊运动形式；它是指高分子链在质量中心不变的情况下，一部分链段通过单键内旋转而相对于另一部分链段的运动。这种运动可导致高分子主链伸展或卷曲，宏观上表现有橡皮的回弹、拉伸等。(3)链节、支链和侧基的运动 实验表明，这类运动对聚合物的韧性有很大影响。,1.2.2 聚合物的热力学性能,非晶态高聚物的热力学性能
14、固体聚合物可划分为晶态聚合物和非晶态聚合物。取一块线形非晶态（无定形）聚合物，对它施加一个恒定应力，可发现试样的形变和温度的关系如图13所示。这种描述高聚物在恒定应力作用下形变随温度改变而变化的关系曲线称为热力学曲线。,1.2.2 聚合物的热力学性能,由图中可以看出，当温度较低时，试样成刚性固体状态，在外力作用下只发生较小变化。当温度升到某一定范围后，试样的形变明显增加，并在随后的温度区间达到一种相对稳定的形变。在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，温度继续升高时形变基本上保持不变；温度再进一步升高，则形变量又逐渐加大，试样最后完全变成粘性的流体。根据这种变化特征，可以把非晶态高聚物按温度区域不
15、同划分为三种力学状态玻璃态、高弹态和粘流态。,1.3 聚合物的流变学性质,流变学是研究物质变形与流动的一门学科，聚合物流变学研究的是聚合物材料在外力作用下产生的力学现象(如应力、应变及应变速率等)与聚合物流动时自身粘度之间的关系，以及影响聚合物流动的各种因素，诸如聚合物的分子结构、相对分子质量的大小及其分布，成型温度，成型压力等。 注射成型中，聚合物的成型依靠的是聚合物自身的变形和流动实现的，故有必要了解聚合物流变学，以便应用流变学理论止确地选择和确定合理的成型工艺条件，设计合理的注射成型浇注系统和模具结构。,1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体,流体在管内一般有层流和湍流两种流动状态。层流的特征
16、是流体质点的流动方向与流道轴线平行，其流动速度也相同，所有流体质点的流动轨迹均相互平行，如图15a所示；湍流的特点是管内的流体质点除了在与轴线平行的方向流动外，还在管内的横向上做不规则的任意流动，质点的流动轨迹成紊乱状态，如图15b所示。,1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体,英国物理学家雷诺提出的流体的流动状态转变(由层流变为湍流)条件为 (11)式中 Re雷诺数；d管道直径；流体密度；v 流体速度；流体动力粘度；Rec临界雷诺数。,1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体,其中临界雷诺数Rec的大小与流道的断面形状和流道壁的表面粗糙度有关系，对于光滑的圆管， Rec =20002300，故只有当只Re
17、的值大于20002300时，流体流动的状态才能转变为湍流。大多数聚合物熔体的粘度都很高，成型时的流速不大，流体流动的Re值远小于Rec一般为10左右，因此，通常可将聚合物熔体的流动视为层流状态来进行研究。,1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体,牛顿流体是指当流体以切变方式流动时，其切应力与剪切速率间存在线性关系.牛顿流体的流变方程式为：式中切应力，Pa；比例常数(粘度)，也称为牛顿粘度，其大小反映了牛顿流体抵抗外力引起流动变形的能力，Pas；单位时间内流体产生的切应变，一般称为剪切速率，s-1。,1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体,由于大分子的长链结构和缠结，聚合物熔体的流动行为远比低分子液体复杂。
18、在广阔的剪切速率范围内，这类液体流动时，切应力和剪切速率不再成正比关系，熔体的粘度也不在是一个常数，因而聚合物熔体的流变行为不服从牛顿流动规律。通常把不服从牛顿流动规律的流动称为非牛顿型流动，具有这种流动行为的液体称为非牛顿流体，在注射成型，其他绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体，其表达式为,式中 K与聚合物和温度有关的常数，可以反映聚合物熔体的粘稠性，称为粘度系数；n与聚合物和温度有关的常数，可以反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程度，称为非牛顿指数。上式也可改写为式中 a非牛顿流体的表观粘度。,1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体,就表观粘度的力学性质而言，它与牛顿粘度相同。但是，表观粘度表
19、征的是，服从指数流动规律的非牛顿流体在外力的作用下抵抗剪切变形的能力。由于非牛顿流体的流动规律比较复杂，表观粘度除与流体本身以及温度有关以外，还受到剪切速率的影响，这就意味着外力的大小及其作用时间也能够改变流体的粘稠性。式(13)中的K值及n值均可由实验测定。之所以说n的大小反映了聚合物熔体偏离牛顿性质的程度，是因为当n=1时，a=K=，这时非牛顿流体就转变为了牛顿流体。当n1时，绝对值1-n越大，流体的流动性越强，剪切速率对表观粘度a的影响也越大。当其他条件一定时，K值的大小反映了流体粘稠性的程度。,1.3.2 假塑性液体的流变学性质及其影响因素,1假塑性液体的流变学性质非牛顿流体也称为粘性
20、液体，当式(13)中的n1时，这种粘性液体称为假塑性液体。大多数注射成型用的聚合物熔体都具有近似假塑性液体的流变学性质。假塑性液体的非牛顿指数n通常为025067，当剪切速率较大时n值可降至020。假塑性液体的剪切速率与切应力及表观粘度的关系如图16所示。图16a为切应力与剪切速率的关系；图16b为表观粘度a与剪切速率的关系。由图可以看出，聚合物熔体粘度对剪切速率具有依赖性，且剪切速率的增大可导致熔体粘度的降低。,1假塑性液体的流变学性质,一般来说，对于假塑性流体而言，当流体处于中等剪切速率区域时，流体变形和流动所需的切应力随剪切速率而变化，并呈指数规律增大；流体的表观粘度也随剪切速率而变化，
21、呈指数规律减小。这种现象称为假塑性液体的“剪切稀化”。注射成型中，多数聚合物的表观粘度对熔体内部的剪切速率具有敏感性，对于这些聚合物，可以通过调整剪切速率来控制聚合物的熔体粘度。,2影响假塑性液体流变性的主要因素,(1)聚合物本身的影响 聚合物的相对分子质量较大时，大分子链加长，分子链的重心移动变慢，链的缠结点增多，解缠、伸长和滑移变得困难，因而宏观上表现为熔体的表观粘度加大。,2影响假塑性液体流变性的主要因素,(2)聚合物中添加剂的影响 注射成型用的聚合物中一般都要加入少量的添加剂，以提高其实用性能。这些添加剂主要有着色剂、润滑剂、稀释剂、增塑剂、稳定剂、抗静电剂、填料等。虽然添加剂在聚合物
22、中所占的比例不大，但当聚合物中加入这些添加剂后，聚合物大分子间的作用力会发生很大变化，熔体的粘度也会随之改变。例如，增塑剂的加入会使熔体粘度降低，从而提高熔体的流动性。,2影响假塑性液体流变性的主要因素,(3)温度对聚合物熔体粘度的影响 在聚合物注射成型过程中，温度对熔体粘度的影响与剪切速率同等重要。一般而言，温度升高，大分子间的自由空间随之增大，分子间作用力减小，分子运动变得容易，从而有利于大分子的流动与变形，宏观上表现为聚合物熔体的表观粘度下降，故在注塑成型过程中常常利用提高温度来降低粘度，提高流动性。,14 聚合物成型过程中的物理化学变化,在塑料的成型加工过程中，聚合物会发生物理和化学变
23、化，聚合物可能产生结晶和取向等物理变化，还可能在聚合物内部产生化学交联和降解等化学变化，这些物理化学变化对成型制件的性能和质量有很大的影响.因此很有必要对聚合物的物理化学变化进行深入研究，以便更好地控制、调整工艺参数，获得高质量、高性能的满意产品。,141 聚合物在成型过程中的物理变化,聚合物在成型过程中发生的物理变化主要是结晶和取向，处理不好结晶和取向这两个问题，制件的质量将会受到很大影响。因此，生产中对结晶和取向的问题很重视。,1聚合物的结晶,固体聚合物可划分为结晶态聚合物和非晶态聚合物，其中非晶态聚合物又称为无定形聚合物。结晶态聚合物是指，在高聚物微观结构中存在一些具有稳定规整排列的分子
24、的区域，这些分子有规则紧密排列的区域称为结晶区。存在结晶区的高聚物称为结晶态高聚物。非晶态高聚物的本体中，分子链的构象呈现无规则线团状，线团分子之间是无规则缠结的。,1聚合物的结晶,一般来说，高聚物的结晶总是从非晶态熔体中形成的，结晶态高聚物中实际上仍包含着非晶区，其结晶的程度可用结晶度来衡量。结晶度是指聚合物中的结晶区在聚合物中所占的重量百分数。通常，分子结构简单、对称性高的聚合物以及分子间作用力较大的聚合物等从高温向低温转变时都能结晶。例如聚乙烯(PE)的分子结构简单，对称性好，故当温度由高到低转变时易发生结晶。高聚物的结晶与低分子结晶区别很大，晶态高聚物的晶体结晶不完全，而且晶体也不及小
25、分子晶体整齐，结晶速度慢，且没有明显的熔点，而是一个熔融的温度范围，通常称为熔限。聚合物的结晶有很多不同的形态，但以球晶形态居多。,1聚合物的结晶,聚合物一旦发生结晶，则其性能也将随之产生相应变化。结晶可导致聚合物的密度增加，这是因为结晶使得聚合物本体的微观结构变得规整而紧密的缘故。这种由结晶而导致的规整而紧密的微观结构还可使聚合物的拉伸强度增大.同时，结晶还有助于提高聚合物的软化温度和热变形温度.表面光洁度增大。塑件的透明度降低甚至丧失。,2聚合物的取向现象,当线型高分子受到外力而充分伸展的时候，其长度远远超过其宽度，这种结构上的不对称性，使它们在某些情况下很容易沿某特定方向做占优势的平行排
26、列，这种现象称为取向。宏观上取向一般分为拉伸取向和流动取向两种类型。拉伸取向是由拉应力引起的，取向方位与应力作用方向一致；而流动取向是在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的。,2聚合物的取向现象,高聚物的取向现象从微观上来看，主要是高聚物分子的分子链、链段及结晶高聚物的晶片、晶带沿特定方向的择优排列。取向的高聚物分子的链段在某些方向上是择优取向的；因此材料性质呈现出各向异性。,2聚合物的取向现象,聚合物取向的结果是导致高分子材料的力学性质、光学性质以及热性能等方面发生了显著的变化。力学性能中，抗拉强度和疲劳强度在取向方向上显著增加，而与取向方向相垂直的方向上则显著降低，同时，冲击强度、断裂伸长率
27、等也发生相应的变化，聚合物的光学性质也将呈现各向异性。,1.4.2 聚合物在成型过程中的化学变化,降解和交联是聚合物成型过程中发生的主要化学反应，它们对制件的质量有很大的影响。,1聚合物的降解,降解是指聚合物在某些特定条件下发生的大分子链断裂、侧基的改变、分子链结构的改变及相对分子质量降低等高聚物微观分子结构的化学变化。导致这些变化的条件有：高聚物受热、受力、氧化，或水、光及核辐射等的作用.按照聚合物产生降解的不同条件可把降解分为很多种，主要有热降解、水降解、氧化降解、应力降解等。热降解主要是由于高聚物长时间高温受热时引起的降解；水降解是指当聚合物分子中含有容易被水解的化学基团时，高聚物就可能
28、在成型加工过程中遇到水分而被分解，这种成型生产中出现的现象称为水降解；而当高聚物与空气中的氧接触后导致的降解现象称为氧化降解；应力降解是指聚合物受到外力时导致微观分子结构发生化学变化，同时还会导致聚合物相对分子质量降低的现象。,1聚合物的降解,在成型过程中时，聚合物发生降解是难以避免的，这是因为聚合物中如果存在某些杂质(如引发剂、催化剂以及酸、碱等)，或是在贮运过程中吸水或混入某些机械杂质等都会导致降解的发生。在注射成型中，特别要注意避免热降解的发生。通常，为了确保成型塑件的质量，成型时必须将成型温度及加热时间控制好，一般加热温度不得高于热降解温度(即热稳定性温度)，否则易导致聚合物的热降解。
29、并且，成型温度和时间控制不好，也可能导致氧化降解，这会使高聚物分子结构中某些化学结合力较弱的部位产生过氧化结构，最终导致热降解。还有，通常在注射成型中，成型物料一般都要采取烘干等干燥措施，这对一些吸湿性较强的聚合物来说尤为必要，可以避免水降解的发生。总之，几乎大多数降解都对成型件的质量有负面影响。,2聚合物的交联,聚合物的交联通常是针对热固性塑料而言的。 在热固性塑料的树脂成分中，聚合物的大分子主要是线型结构，但这种线型聚合物与热塑性塑料中的树脂聚合物不同。热固性塑料在进行成型加工后，其内部的聚合物分子结构会发生化学变化，聚合物的大分子与交联剂作用后，其线型分子结构能够向三维体型结构发展，并逐
30、渐形成巨型网状的三维体型结构，这种化学变化称为交联反应。,2聚合物的交联,在工业生产中，“交联”通常也被“硬化”代替。工业上说的“硬化得好”或“硬化得完全”并不是指交联的程度就越高，而是指交联程度达到一种最适宜的程度；这时塑件各种力学性能达到了最佳状态。交联的程度称为交联度。因此，并不是交联度越高越好。通常情况下，聚合物的交联反应是很难完全的，因此交联度不会达到100。但硬化程度可以大于100，生产中一般将硬化程度大于100称为“过熟”，反之称为“欠熟”。,谢谢观看/欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,
