塑料成型工艺与模具设计

塑料成型工艺与模具设计

本章讲述：

1.简介塑料；

2.简介塑料成形的主要方法塑料件的结构工艺性；

3.简介注射模结构及注射机；

4.简介注射模零部件设计。

教学目标及基本要求：

1.了解塑料制品的应用、塑料组成、分类、成形工艺特点；

2.了解塑料成形的主要方法、塑料件的结构工艺性；

3.了解注射模结构及特点、注射机结构；

4.了解注射模零部件设计。

本章重点：

注射模结构及特点。

本章难点：

注射模结构及特点。

绪论

引言

塑料目前是人类使用的第一大材料。我国的塑料工业正在飞速发展，塑料制品的应用已经深入到国民经济的各个部门。塑料工程通常是指塑料制造与改性，塑料成型及制品后加工。塑料制品与模具设计是塑料工程中的重要组成部分。

塑料制品量大面广

塑料制品本身有许多诸如质量轻、绝缘、耐腐蚀等优点， 同时它还有多种成型方法，可以用注射、挤出、热成型和压延等方法高效地生产各种制品。所以在国民经济的各行各业，大量的使用塑料制品。

塑料制品设计的技术难度

塑料只有通过正确的制品设计，才能步入国民经济以至尖端技术的各个领域。在塑料制品生产中，工程技术人员必须熟悉制品设计和有关理论、方法，结构和造型。塑料制品设计又与成型模具的设计制造密切相关。

塑料制品不同于金属零件，很少采用刀具进行切削加工，也极少采用高聚物的溶液状态来成型加工。绝大多数高聚物的成型加工都经过熔体的流动和形变，通过模具加工来成型制品。

塑料工业的发展历史

远古时代（天然高分子聚合物：沥青、琥珀、天然橡胶）。

19世纪中期人类的第一种塑料（赛璐珞）。

1877年合成酚醛树脂 1909 年工业化生产制成电话机、纽扣、派克自来水笔等。 20世纪20～30年代人工合成树脂氨基塑料。

20世纪到50～70年代，塑料 几乎是每4～5年就翻一番。

目前、塑料的总体产量超过了金属材料的总和。

塑料成型方法简介

塑料制品生产主要由成型、机械加工、修饰及装配四个连续过程组的其中，成型是将各种形态的塑料（粉、粒、溶液或分散体）制成所需形状的制品或毛坯的过程。它是这四个过程中的首位，也是一切塑料制品或型材生产的必经过程。

第一节塑料概述

塑料制件在工业中的应用日趋普遍，这主要是因为它们具有一系列特定的优点。塑料件举例如下： 塑料制件主要优点有：

1．塑料密度小、质量轻，这是“以塑代钢”的优点；

2．塑料的绝缘性能好，介电损耗低，是电子工业不可缺少的原材料；

3．塑料的化学稳定性高，对酸、碱和许多化学药品有良好的耐腐蚀能力；

4．塑料减摩、耐磨、减震、隔音等等性能也较好塑料已从代替部分金属、木材、皮革及无机材料发展成为各个部门不可缺少的一种化学材料，并跻身于金属、纤维材料和硅盐酸三大传统材料之列。

一、塑料的组成

塑料是以树脂为基础，再加入用来改善其性能的各种添加剂制成的。塑料在一定的温度和压力下具有可塑性，可以利用模具成形为具有一定形状和尺寸的塑料制件。

1．树脂（主要为合成树脂）

是塑料的主要成分，它联系和胶粘着塑料中的其它一切组成成分，并决定塑料的类型和性能。塑料之所以具有流动性，就是树脂赋予的。

2．填充剂

是塑料中另一重要的但并非必要的成分。它在塑料中既有增量（降低塑料的成本）作用，又有改性作用，对塑料的推广和应用起了促进作用。填充剂的种类如下。

粉状填充剂：木粉、纸浆、大理石粉、滑石粉、云母粉、 石棉粉、高岭土、石墨、金属粉等等；

纤维状填充剂：棉花、亚麻、石棉纤维、玻璃纤维、炭纤维、硼纤维、金属须等等； 层状填充剂：纸张、棉布、石棉布、玻璃布、木片等等。

3．增塑剂

常用的有甲酸脂类、磷酸脂类和氯化石蜡。

4．稳定剂

提高树脂在热、光、氧和霉菌等外界因素作用时的稳定性，阻缓塑料变质。常用的有硬脂 酸盐、铅的化合物、及环氧化合物等等。

5．润滑剂

其目的是改进塑料流体的流动性，减少或避免流体对设备和模具的摩擦、粘附，降低塑件表面粗糙度。常用的有硬脂酸及其盐类。

6．着色剂 无机颜料 、无机颜料、染料。

7．固化剂 使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制件。常用的有六亚甲基四胺、乙二胺等等。

另外还有为特殊需要加的添加剂，如：发泡剂、阻燃剂、防静电剂、导电剂、导磁剂等等。

二、塑料的分类

1．热塑性塑料

热塑性塑料是由可以多次反复加热而仍具有可塑性的合成树脂制得得塑料。

聚乙烯、聚氯乙稀、ABS等等均属于这类塑料。

2．热固性塑料

热固性塑料是由加热硬化（再加热，也不再软化，不再具有可塑性）的合成树脂制得得塑料。

酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等等均属于这类塑料。

三、塑料的性能

密度小、质量轻。

 比强度(b/ρ)和比刚度(E/ρ)高。

 化学稳定性好。

 电气性能优良。

 减摩、耐磨和自润滑性好。

 成型和着色性能好。

 多种防护性能：除防腐外，塑料还具有防水、防潮、防透气、防振、防辐射等。  耐热性差、受载荷易蠕变、老化现象。

塑料的成型工艺性（热塑性塑料）

1.收缩率

S实际＝(A热模具－B塑件)/B

S计算＝(C模具－B塑件)/B

一般用计算收缩率，大型、精密模具成形零件用实际收缩率。影响收缩率的因素有塑料品种、塑件结构、模具结构、成形工艺条件。

2．流动性

它将影响成型工艺的参数，如成型温度、压力、周期，模具浇注系统的尺寸及其结构参数、塑件的最小壁厚等等。影响流动性的因素主要有温度、压力、模具结构（浇注系统形状、尺寸、布置、冷却系统的设计、模具的表面光度等等）。

3．相容性

是指两种或两种以上不同品种的塑料在熔融状态不产生相分离现象的能力。

4．吸湿性

是指塑料对水分的亲疏程度。

5．热敏性

当料温增高塑料就易发生变色、降解、分解，分解会产生单体、气体、固体等副产物。

四、常用塑料

1．聚乙烯（PE)

无毒、无味、成乳白色，耐热、绝缘性好，有一定机械强度但不太高，表面硬度差。主要用途：塑料管、塑料板、、塑料薄膜、软管、塑料瓶、绝缘零件、包覆电缆、承载不高的齿轮、轴承等等。

2．聚丙烯（PP）

无色、无味、无毒，不吸水、光泽好、易着色、外观似聚乙烯但比它更透明，屈服强度、抗拉强度、抗压强度、硬度、弹性都比聚乙烯好，但在氧、光、热的作用下极易解聚、老化，所以必须加防老化剂。主要用途：做各种机械零件、水、蒸汽、各种酸减等的输送管道等等。

3．聚氯乙稀（PVC） 插座、插头、凉鞋、雨衣、人造革等等。

4．聚苯乙烯（PS） 绝缘材料、包装、玩具等等。

5．丙烯晴——丁二烯——苯乙烯共聚物（ABS）

齿轮、轴承、把手、管道、电机外壳、汽车上的很多零件、食品包装容器、玩具等等。

6．酚醛树脂（PF）

热固性材料。刚性好、变形小、耐热、耐磨。主要用途：齿轮、轴瓦、电器外壳等等。

7．氨基塑料（UF、MF）电话机等外壳、餐具、茶具等等。

8．环氧树脂（EP）封装各种电子元件、配以石英粉可以浇注各种模具、各种产品的防腐涂料。

第二节 塑料成型工艺与塑料制件的工艺性

一、塑料成型工艺

（一）注射成形

1．成型原理 如图1

注射模塑——又称注射成型(Injection

Molding )，主要用于热塑性塑料的成

型，也可用于热固性塑料的成型。

2.注射机的主要作用1）加热熔融塑料，

达粘流态；

2）在一定压力和速度下将塑料注入型腔； 图1

3）注射结束，进行保压与补缩；

4）开模与合模动作；

5）顶件

3．特点及应用

注射成型具有生产周期短；生产效率高；能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制品；易实现全自动化生产；但设备和模具造价高。它是热塑性塑料成型的一种主要方法，目前热固性塑料也有使用的。

4．成型工艺

（1）成型前准备 检查原材料质量和湿度、设备和模具；

（2）注射过程 加料—塑化—注射（充模、保压、倒流、浇口冻结后的冷却、脱模）

（3）塑件后处理

退火（放在热液体介质和热空气循环箱中静置一段时间目的消除内

应力）、调湿（将刚脱模的制件放在热水中，目的防止塑件氧化

5．注射成型工艺参数

（1）温度 料筒温度 喷嘴温度 模具温度

（2）压力 塑化压力 注射压力

（3）时间（成型周期） 注射时间（充模、保压时间）、

模内冷却时间、其它时间（开模、脱模、喷涂脱模剂、安放嵌件和合模时间）

（二）压缩成型

1．成型原理 如图2

压缩模塑——又称为模压成型或压制。主要用于热固性塑料的成型，也可以用于热塑性塑料的成型。

2．成型特点及应用

⑴塑料直接加入型腔，加料腔是型腔的延伸。

⑵模具是在塑件最终成型时才完全闭合。

⑶压力通过凸模直接传给塑料有利于成型流动性较差的以纤维为填料的聚合物不能压制带有精细、易断嵌件及较多嵌件的塑件。不易获得尺寸精度尤其是高精度的塑件。 ⑷操作简单，模具结构简单。

[5]没有浇注系统，料耗少可压制较大平面塑件或一次压制多个塑件塑件收缩小、变形小、各向性能均匀、强度高。

[6]生产周期长、效率低。工人劳动强度大、较难实现自动化、不易成型复杂形状的塑件。

3.模压设备

模压设备作用:合模、开模、顶件、提供所需的压力、某些情况下也传递压缩过程中所需的热量。

模压设备的种类：机械式压机、液压机。

4．成型工艺

（1）压缩成型前的准备 预压、预热

（2）压缩成型过程 嵌件的安放—加料—合模—排气——固化—脱模

（3）后处理 模具的清理 塑件的后处理

5．压缩成型工艺参数：压缩成型压力、温度、时间

成型压力：指压缩塑件时凸模对塑料熔体和固化时在分型面单位投影面积上的压力（单位MPa）。

成型温度：指压缩时所需的模具温度，对塑件质量、模压时间影响很大。

模压时间：指塑料在闭合模具中固化变硬所需的时间。与塑料品种、含水量、塑件形状尺寸、成型温度、压缩模具结构、预压预热、成型压力等因素有关。

（三）压注成型

1．成型原理如图3

与压缩成型相比，塑料在进入

型腔前塑化，因此，能生产外形复

杂、薄壁或厚度变化较大、带有精

细嵌件的塑件；塑件质量好、生产 图3

周期短、生产率高，但模具结构复杂、塑料浪费大、后处理修理工作量大，有浇口痕迹，工艺条件严格，操作难度大。压注成型主要用于热固性和批量小的热塑性塑料制件的生产。

成型工艺过程和工艺参数同上。

（四）挤出成型

1．成型原理如图4

2．成型特点及应用

挤出成型能连续成型、生产量大、

生产率高、成本低、塑件几何形状简 图4

单、模具结构简单。用于成型热塑性

和部分热固性塑料制件的生产。

电线电缆挤出成形机头：如图

薄膜吹塑机头：如图

（五）中空吹塑成型

挤出吹塑中空成型：如图

注射吹塑中空成形：如图

（六）真空成型

凹模真空成型

凸模真空成型

（七）其他成型

双层注射成型

二、塑料制件的工艺性

塑料制品的设计的原则：

 在保证制品的各种性能的前提下，尽量选用价廉且成型性能又好的塑料。并力求制品结构简单、壁厚均匀，而且成型方便。

 在设计塑料制品时应同时考虑模具的总体结构合理 。

 设计制品时，应考虑塑料原料的成型工艺性，如流动性、收缩性等 。

 当制品的外观要求较高时，应先通过造形而后逐步绘制出样图。

1．尺寸及精度

用SJ标准，用1～8级，4，5级为一般精度； 图5

2．表面粗造度 表面一般0.8～0.2μm，模具比工件高1～2级；

3．斜度

如图，一般取30/～1o30/，特殊型心为

10/～20/ ，型腔为5/ ；

塑料制件的形状设计

料制件的加强筋

塑料制件的壁厚塑

4．圆角

一般内圆半径为壁厚的1/3，外圆半径

为壁厚的1.5倍；

5．形状如图

6．壁厚 图6

热固性塑料小件壁厚一般取1.6～2.5mm，大件3.2～8mm，一般不宜大于10mm；热塑性塑料最小可达0.25mm，一般不小于0.6～0.9mm，常用2～4mm；

7．加强筋防变形结构

第三节注射机及典型注射成形模具

注射机有：卧式注射机、立式注射机和注射机角式

一、注射成型机

1．注射机的有关参数

1）注射量 用g或cm3、塑化量 用g/h或cm3/h；

2）注射压力 用Mpa 、 成型压力（一般为注射压力的80％）；

3）合模力 用KN、 最大成型面积；

4）注射机安装模具相关尺寸喷嘴尺寸、定位圈尺寸、模具厚度及尺寸、安装螺钉孔尺寸

5）开模行程、注射行程、顶出装置

2．注射机型号

例如：XS—ZY—30

XS—塑料成型机，Z—注射，Y—预塑式，30—注射量cm2 。

二、注射模的分类

1）按成型塑料的材料分：

热塑性注射模、热固性注射模

2）按所使用的注射机分：

卧式注射机用的、立式注射机用的、角式注射机用的

3）按结构可分为：

单分型面注射模、双分型面注射模、斜导柱（弯销、斜导槽、斜滑块、齿轮齿条等等）斜向分型与抽心注射模、带有活动镶块的注射模、定模带有顶出装置的注射模、自动斜螺纹注射模等等。

三、注射模的结构组成：模具如图7。

1）成型零件

2）合模导向机构

3）浇注系统 4）侧向分型与抽心机构

5）推出机构

6）加热与冷却系统

7）排气系统

8）支承零件

四、注射模的典型结构

1）单分型面 注射模（ 二板模） 如图7

结构简单

2）双分型面注射模：也叫三板模如图8弹簧件13第一次：分型定距拉杆件8第二次分型推板件6推出零件弹簧分型拉板定距，弹簧件7第一次分型定距拉板件8第二次分型推板件4推出零件。

图8 弹簧分型拉杆注射模 图9 双分型注射模

图10 双分型注射模 图11 双分型注射模

三次分型面 如教材图3－3

3）斜导柱侧向分型注射模：如图12、

如教材图3－2

4）斜滑块侧向抽心分型注射模：如图13

图12 斜导柱注射模 图13 斜滑块注射模

5）带活动镶块的注射模：如图14、图

15

6）定模部分带有推出装置的注射模：如图16

7）角式注射机用注射模：如图17

8）热流道注射模：

塑模标准模架：

图14带活动镶块的注射模 图15带活动镶块的注射模

图16定模部分带有推出装置的注射模 图17角式注射机用注射模

第四节 注射模设计

注射模设计程序：

1.接受任务书

成型塑料制件的任务书通常由制件设计者提出，其内容如下：

经过审签的正规制制件图纸，并注明采用塑料的牌号、透明度等。

塑料制件说明书或技术要求。

生产产量。

塑料制件样品。

通常模具设计任务书由塑料制件工艺员根据成型塑料制件的任务书提出，模具设计人员以成型塑料制件任务书、模具设计任务书为依据来设计模具。

2.收集、分析、消化原始资料

收集整理有关制件设计、成型工艺、成型设备、机械加工及特殊加工资料，以备设计模具时使用。

消化塑料制件图，了解制件的用途，分析塑料制件的工艺性，尺寸精度等技术要求。例如塑料制件在外表形状、颜色透明度、使用性能方面的要求是什么，塑件的几何结构、斜度、嵌件等情况是否合理，熔接痕、缩孔等成型缺陷的允许程度，有无涂装、电镀、胶接、钻孔等后加工。选择塑料制件尺寸精度最高的尺寸进行分析，看看估计成型公差是否低于塑料制件的公差，能否成型出合乎要求的塑料制件来。此外，还要了解塑料的塑化及成型工艺参数。 消化工艺资料，分析工艺任务书所提出的成型方法、设备型号、材料规格、模具结构类型等要求是否恰当，能否落实。

成型材料应当满足塑料制件的强度要求，具有好的流动性、均匀性和各向同性、热稳定性。根据塑料制件的用途，成型材料应满足染色、镀金属的条件、装饰性能、必要的弹性和塑性、透明性或者相反的反射性能、胶接性或者焊接性等要求。

3.确定成型方法，拟定制品成型工艺参数

采用压缩成型法、压注成型法还是注射成型法。

根据制件的尺寸精度、尺寸大小、质量要求、生产批量和交货周期、现有注射机的情况等等确定型腔数量。

与度型腔相比，单型腔的特点有：塑料制件的外形和尺寸始终一致；工艺参数易于控制；模具结构简单紧凑，设计自由度大；模具成本低，制造周期短；生产效率低，对小件不能充分发挥设备的效益。

成型工艺参数：料筒温度、喷嘴温度、模具温度、注射压力、注射时间、保压时间、冷却时间、总的生产周期。

4.选择成型设备

（1）根据每次所需的实际注射量初选某一公称注射量的机型；

（2）计算型腔胀型力，必使其小于该机的额定锁模力。；

（3）该制品所选择的注射压力必须小于该机的公称注射压力，通常所选注射压力为70～150MPa。；

（4）所设计的模具总厚度必须大于该机的最小模具厚度；

（5）制品脱模所需的开模行程要求小于该机动模移动板的行程。

以上几项校核条件都符合时，即为初选机型合理，否则必须重新选择机型，或者调整成型工艺参数。

5．拟定模具结构方案

（1）选择制品的分型面：分型面的形式和位置有利于模具加工、排气、脱模、塑件的表面质量及工艺操作。

将模具适当地分成两个或两个以上可以分离的主要部分，这些可以分离部分的接触面表面分开时，能够取出塑件及浇注系统凝料，当成型时，又必须接触封闭，这样的接触面称 为模具的分型面。分型面是决定模具结构形式的重要因素，它直接影响着塑料熔体的流动充填特性及塑件的脱模。

分型面的选择是注射模设计中的一个关键。

分型面的选择：选择分型面要考虑：塑件在模具中的位置；浇注系统设计；塑件的结构工艺性、精度、嵌件位置、形状及推出方式；模具的制造；排气；操作工艺等等。

1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处 ；

2）确定有利的留模方式；

3）保证塑件的精度要求；

4）保证塑件的外观要求；

5）便于模具加工；

6）对成型面积的影响；

8）对侧向抽心的影响。

（2）型腔布置；根据塑件的形状大小、

结构特点、尺寸精度、批量大小以及模

具制造的难易、成本高低等确定型腔数

目与排列方式，同时在草图上做好平面

布置。

合理的型腔排布可以 图18 型腔的布局

避免塑件尺寸的差异、应力形成及脱模困难等

问题。

型腔与主流道之间的距离尽可能短、采用平衡流道。

（3）确定浇注系统；包括主流道、分流道、冷料井等、

浇口的形状、大小和位置，同时应注意浇注系统的平衡问题。

浇注系统的组成：主流道（7）、

分流道（4）、冷料穴（6）、

浇口（3）另外还有拉料杆（5）

（4）溢流、排气系统的设计；根据制品的形状

与浇注系统的特点，决定是否增设溢流槽和排气

槽及其位置与尺寸大小。

1）利用配合间隙排气

2）在分型面上开设排气槽排气（深度0.01～0.03mm）

3）利用排气塞排气

4）强制排气（如设排气杆或利用真空泵抽气）

（5）选择脱模方式；考虑开模、

分型的方法与顺序，确定推出机构

（包括拉料杆、推杆、推管、推板）

的形式以及合模导向与复位机构的

设置，同时计算出脱模行程、脱模

力以及各推出机构的尺寸大小等。

（6）侧抽芯机构的设计；当塑件存在侧向凸、凹及侧孔时，需要考虑增设侧向抽芯机构。此时必须选择机构类型，计算抽芯力和抽芯距离，同时还要确定各抽芯机构的数量和尺寸大小。

（7）模具主要零件的结构设计；考虑成型与安装的需要以及制造与装配的可能，根据所选材料，通过理论计算（或经验公式和数据）确定定模座板、定模板（凹模板）、动模座板、动模板（型芯固定板）

、支承板、垫块、推板和推杆固定板等的外形尺寸，并在此基础上选

择标准模架；同时还确定导柱、导套、滑块等的结构与尺寸；用相应的公式计算型腔与型芯的尺寸并确定公差；此时还要确定各零件的安装、固定、定位的方法及相应尺寸。

（8）模具调温系统的设置；主要是通过计算方法确定模具冷却系统管道的形状、位置、数量及尺寸。

6.进行模具设计计算

1）根据成型设备上的模具安装尺寸、顶出装置及尺寸、喷嘴孔直径及喷嘴球面半径、浇口套定位圈尺寸、模具最大厚度和最小厚度、模板行程等，确定模具连接安装零件的部分尺寸。

2）成型零件工作尺寸的计算

成型零件的整体设计同冲模，大部分用镶拼结构。尺寸标注 如图

1．型腔尺寸 径向尺寸、深度尺寸

1）径向尺寸(LM)+δz=[(1+s)Ls－(0.5～0.7)Δ] +δz

2）型腔高度尺寸 (HM)+δz=[(1+s)Hs－(0.5～0.7)Δ] +δz

2、型心尺寸 径向尺寸、深度尺寸

1）型心径向尺寸 (lM)－δz=[(1+s)ls+(0.5～0.7)Δ] －δz

2）型心高度尺寸 (hM)－δz =[(1+s)hs+(0.5～0.7)Δ]－δz

3、中心距尺寸 (CM)±δz/2=[(1+s)Cs]±δz/2

图20 工作零件尺寸

3）型腔的结构及外形尺寸确定

型腔结构尺寸：如图

4）型芯结构及外形尺寸确定

5）模具其他零部件尺寸确定

7．绘制模具装配图和工作零件图

8. 编写设计说明书