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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，
2、它的功能是双重的：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
3、国内外模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
4、特点：,(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/CAEC
5、AM一体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
6、当代最具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
7、小、抗热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
8、周期的需要。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
9、，否则这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
10、产效率较低。,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
11、成分的物质，高分子聚合物也称高聚物. 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，
12、在适当的溶剂中可溶胀或溶解，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
13、.2.1 聚合物分子运动单元的多重性,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
14、热力学性能,非晶态高聚物的热力学性能 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
15、这种变化特征，可以把非晶态高聚物按温度区域不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
16、管内一般有层流和湍流两种流动状态。层流的特征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
