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1、第五章 塑料成型加工,第一节 概 述 第二节 塑料成型加工方法 第三节 塑料注射成型工艺与设备 第四节 塑料制品的质量与缺陷分析,1,概述,非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称，通常主要包括有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料三大类。随着高新科学技术的发展，使用材料的领域越来越广，所提出的要求也越来越高。对于要求密度小、耐腐蚀、电绝缘、减振消声和耐高温等性能的工程构件，传统的金属材料已难以胜任。而非金属材料这些性能却有着各自的优势。另外，单一金属或非金属材料无法实现的性能,可通过复合材料得以实现。 非金属材料的来源十分广泛，大多成形工艺简单，生产成本较低，已经广泛应用于轻工、家电、
2、建材、机电等各行各业中，目前在工程领域应用最多的非金属材料主要是塑料、橡胶、陶瓷及各种复合材料。,非金属材料的发展,人类社会的发展在很大程度上取决于生产力的发展，生产力水平的高低往往以劳动工具为代表，而劳动工具的进步又离不开材料的发展。早在一百万年以前，人类开始用石头做工具，标志着人类进入旧石器时代。大约一万年以前，人类知道对石头进行加工，使之成为精致的器皿或工具，从而标志着人类进入新石器时代。,第一节 概 述,2,在新石器时代，人类开始用皮毛遮身。8 000年前，中国就开始用蚕丝做衣服，4 500年前，印度人开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进文明进步。在新石器时代，人类已发明了用粘土
3、成形，经火烧固化而成为陶器。陶器不但成为器皿，而且成为装饰品，历史上虽无陶器时代的名称，但其对人类文明的贡献却不可估量。这是人类有史以来第一次使用自然界存在的物质（粘土和水），发明制造了自然界没有的物品（陶器）。陶器可以盛水、煮食物。水在100 沸腾而保持恒温，食物的营养成分不但不被破坏，而且更易于消化吸收。人类的饮食生活习性由烧烤发展为蒸煮，人类自身生存状况有了彻底改观。因此，甚至有史学家认为陶器是人类最伟大的发明。时至今日，满足人类居住的建筑用材料，仍以非金属材料为主。随着5 000年前的青铜、3 000年前的铁以及后来钢等金属材料的出现，人类在十八世纪发明了蒸汽机，19世纪发明了电动机、
4、平炉和转炉炼钢。金属材料使人类农业繁荣并逐步走向工业时代，把人类带进了现代物质文明。当随着有机化学的发展，人造合成纤维的发明是人类改造自然材料的又一里程碑。目前，各种有机合成材料几乎渗透到人类日常生活的各个领域。高性能的陶瓷材料以及各种复合材料支撑了航空航天事业的不断发展，使人类的文明走向宇宙。以单晶硅、激光材料、光导纤维为代表的新材料的出现，使人类仅用五十年就进入了信息时代。所以非金属材料对人类社会文明的进步发挥着重大的作用。,材料的发展过程,非金属材料的分类,3,在现代科学技术的推动下，材料科学发展迅速，材料的种类日益增多，不同功能的新材料不断涌现，原有材料的性能不断改善与提高，以满足人类
5、未来的各种使用需求。因此，材料特别是品种繁多的新型非金属材料是未来高科技的基石、先进工业生产的支柱和人类文明发展的基础。,目前，非金属材料通常以其组成的主要成分分为无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料三大类。 典型无机非金属材料:水泥、玻璃、陶瓷。 典型有机高分子材料：塑料、橡胶、化纤。 典型复合材料：无机非金属材料基复合材料、有机高分子材料基复合材料、金属基复合材料。,非金属材料的选择及应用,1非金属材料的选择,由于非金属材料的种类繁多，不同类型、成分、性能及不同成形方法的非金属材料在工程实际中的使用和选择是个很复杂的过程。设计师和工程师在选择非金属材料时，主要应考虑以下因素：,4,(1
6、) 满足使用性能和工艺性能 (2) 防止出现失效事故 (3) 经济性 (4) 从整个人类社会的可持续发展角度考虑选材 此外，材料的选择是一个系统工程。在一个部件或者装置中，所选用的各种材料要能够在一起使用，而不能因相互作用而降低对方的性能。 因此，在大多数情况下，材料的选择是一个反复权衡的复杂过程。在某种意义上，其重要性不亚于材料本身的研究开发。,过去，非金属结构材料传统的应用领域主要是建筑、轻工、纺织、家电、仪器仪表、农业等，在工业上主要是装饰件、密封件、刀具、轮胎等。但是现在，非金属结构材料在工业领域的广泛应用正以前所未有的速度发展。随着各种非金属材料合成和制备技术的不断提高和完善，非金属
7、材料的产量和性能均不断提高。有关专家预测，很多传统上由金属制造的零件、部件、结构件，将会被工程塑料、工程陶瓷及复合材料等非金属材料所取代。例如，汽车的车身可采用工程塑料或复合材料，每千克工程塑料可代替45 kg钢铁，而且可整体成形，因而成本和油耗将进一步降低。由于原料充足，可以设计、制造出无穷的新产品，非金属结构材料在工业领域的应用前景十分广阔。,2非金属材料的应用领域,第二节 塑料成型加工方法,一、注射成型 二、挤出成型 三、压制成型 四、塑料成型的其他方法 五、塑料的加工,14,1. 塑料成形加工技术分类,塑料的成形，按各种成形加工技术在生产中所属成形加工阶段的不同，可将其划分为一次成形技
8、术、二次成形技术和二次加工技术三个类别。,2. 塑料的一次成形技术,塑料的一次成形是指将粉状、粒状、纤维状和碎屑状固体塑料、树脂溶液或糊状等各种形态的塑料原料制成所需形状和尺寸的制品或半制品的技术。这类成形方法很多，目前生产上广泛采用注射、挤出、压制、浇注等方法成形。,1) 注射成形 注射成形（图5-2）是将粒状或粉状塑料置于注射机的料筒内，经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞(或移动螺杆)快速而又连续的压力下，从料筒前端的喷嘴中以很高的压力和很快的速度注入到闭合模具的型腔中，经冷却脱模，即可得到所需形状的塑料制品。,图5-2 注射成形示意图,第二节 塑料成型加工方法,15,注射成形主要应
9、用于热塑性塑料和流动性较大的热固性塑料，可以成形几何形状复杂、尺寸精确及带各种嵌件的塑料制品，如电视机外壳、日常生活用品等。目前注射制品约占塑料制品总量的30%。近年来，新的注射技术如反应注射、双色注射、发泡注射等的发展和应用，为注射成形提供了更加广阔的应用前景。 注塑机是注塑加工的主要设备，按外形可分为立式、卧式、直角式；按注射方式可分为往复螺杆式、柱塞式，以往复螺杆式用得最多。注塑机除了液压传动系统和自动控制系统外，主要由料斗、料筒、加热器、喷嘴、模具和螺杆构成。 注塑工艺过程包括成形前的准备、注射过程、后处理等（见视频1）。 成形前的准备包括原料检验、原料的染色和造粒、原料的预热及干燥、
10、嵌件的预热和安放、试模、清洗料筒和试车等。 注射过程包括加料、塑化、注射、冷却和脱模等工序。在注射过程中，熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒前端并注入模具，当熔体在模具中冷却收缩时，柱塞或螺杆继续保持加压状态，迫使浇口和喷嘴附近的熔体不断补充进入模具中(补塑)，使模腔中的塑料能形成形状完整而致密的制品，这一阶段称为“保压”。当模具浇注系统内的熔体冻结浇口闭合时，卸去保压压力，同时通入水、油或空气等冷却介质，进一步冷却模具，这一阶段称为“冷却”。制品冷却到一定温度后，即可用人工或机械脱模。,注射成形主要应用,视频1 注射成形,16,制品的后处理主要指退火处理和调湿处理。退火处理就是把制品放在恒温的液体介
11、质或热空气循环箱里静置一段时间。退火温度一般高于制品的使用温度1020 ，低于塑料热变形温度1020 ；退火时间则视制品厚度而定。退火后使制品缓冷至室温。调湿处理是让制品在一定的湿度环境中吸收一定的水分，使其尺寸稳定下来，以免在使用过程中因吸水而发生变形。,2)挤出成形,17,挤出成形又称挤塑成形或挤出模塑，其成形过程如图5-3所示。首先将粒状或粉状的塑料加入到挤出机(与注射机相似)料斗中，然后由旋转的挤出机螺杆送到加热区，逐渐熔融呈粘流态，然后在挤压系统作用下，塑料熔体通过具有一定形状的挤出模具(机头)口模而成形为所需断面形状的连续型材。 挤出成形工艺过程包括物料的干燥、成形、制品的成形与冷
12、却、制品的牵引与卷曲(或切割)，有时还包括制品的后处理等。 (1) 原料干燥 原料中的水分会使制品出现气泡、表面晦暗等缺陷，还会降低制品的物理和力学性能等，因此使用前应对原料进行干燥处理。通常水分的质量分数应控制在0.5%以下。,图5-3 挤出成形示意图,视频2 挤出成形,18,(2) 挤出成形 当挤出机加热到预定温度后即可加料。开始挤出的制品外观和质量都很差，应及时调整工艺条件，当制品质量达到要求后即可正常生产。 (3) 制品的定形与冷却 定形与冷却往往是同时进行的，在挤出管材和各种型材时需要有定形工艺，挤出薄膜、单丝、线缆包覆物时，则不需此工艺。 (4) 牵引(拉伸)和后处理 常用的牵引挤
13、出管材设备有滚轮式和履带式两种。牵引时，要求牵引速度和挤出速度相匹配，均匀稳定。一般应使牵引速度稍大于挤出速度，以消除物料离模膨胀所引起的尺寸变化，并对制品进行适当拉伸。,挤出成形的塑料件内部组织均匀紧密，尺寸比较稳定准确。且其几何形状简单、截面形状不变，因此模具结构也较简单，制造维修方便，同时能连续成形、生产率高、成本低；几乎所有热塑性塑料及少部分热固性塑料可采用挤出成形。塑料挤出的制品有管材、板材、棒材、薄膜、各种异型材等。目前，约50%的热塑性塑料制品是挤出成形的。此外挤出成形还可用于塑料的着色、造粒和共混改性等。挤出成形见视频2。,3) 压制成形,19,压制成形是指主要依靠外压的作用，
14、实现成形物料造型的一次成形技术。压制成形是塑料加工中最传统的工艺方法，广泛用于热固性塑料的成形加工。根据成形物料的性状和加工设备及工艺的特点，压制成形可分为模压成形和层压成形。模压成形(图5-4a)是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料放入模具中，然后闭模加热加压而使其在模具中成形并硬化，最后脱模取出塑料制件，其所用设备为液压机、旋压机等。 层压成形(图5-4b)是以纸张、棉布、玻璃布等片状材料，在树脂中浸渍，然后一张一张叠放成所需的厚度，放在层压机上加热加压，经一段时间后，树脂固化，相互粘结成形。,图5-4 压制成形示意图,视频3 压制成形,压制成形设备简单(主要设备是液压机)、工艺
15、成熟，是最早出现的塑料成形方法。它不需要流道与浇口，物料损失少，制品尺寸范围宽，可压制较大的制品，但成形周期长，生产效率低，较难实现现代化生产。对形状复杂、加强肋密集、金属嵌件多的制品不易成形。,20,21,4)浇铸成形,浇铸技术包括静态浇注、离心浇注以及流延浇铸和滚塑等。 静态浇铸(图5-5a)是在常压下将树脂的液态单体或预聚体注入大口模腔中，经聚合固化定型得到制品的成形方法。静态浇注可生产各种型材和制品，有机玻璃是典型的浇铸制品。,离心浇注(图5-5b)是将原料加入到高速旋转的模具中，在离心力的作用下，使原料充满模具，而后使之硬化定型为制品。离心浇注可生产大直径的管制品，空心制品，齿轮和轴
16、承。 流延浇注是将热塑性塑料溶于溶剂中配成一定浓度的溶液，然后以一定的速度流布在连续回转的基材上（一般为无接缝的不锈钢带），通过加热使溶剂蒸发而使塑料硬化成膜。从基材上剥离即为制品。流延法常用来生产薄膜。,图5-5 浇铸成形,5) 滚塑成形,22,滚塑成形是将塑料加入到模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，模内的塑料在重力和热的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成形为所需要的形状，经冷却定型得到制品。滚塑可生产大型的中空制品。,图5-5_2 滚塑成形,3.塑料的二次成形技术,23,塑料的二次成形是指在一定条件下将塑料半制品（如型材或坯件等）通过再次成形加工，以获得制品的最终形样的技术。目前，生产上采用的有中空吹塑成形、热成形和薄膜的双向拉伸成形等几种二次成形技术。,6)中空吹塑成形,吹塑成形是制造空心塑料制品的成形方法，是借助气体压力使闭合在模腔内尚处于半熔融态的型坯吹胀成为中空制品的二次成形技术。中空吹塑又分为注射吹塑和挤出吹塑，注射吹塑是用注射成形法先将塑料制成有底型坯，再把型坯移入吹塑模内进行吹塑成形。图5-6所示
