塑料成型工艺与模具设计(完美篇)

第一章绪论

§1－1 课程的性质、内容和要求

1. 性质：主要专业课

2. 内容：

由于注射成型的用途广泛，所以近年来，注射成型技术无论是在成型物料方面，或者是在成型设备、成型模具和成型工艺方面，均在迅速发展。

本门课主要阐述：

注射成型理论；注射成型工艺条件选择与控制；注射模的结构组成与设计方法等。

3. 要求：

1）熟悉塑料注射成型的基本原理和工艺过程。

2）掌握塑料注射模的工作原理、结构组成和基本设计方法

3）了解塑料挤出成型、压注成型等其他成型工艺的基本原理。

4. 教学安排：

本课程是一门实践性很强，综合运用基础知识的课程

1）为配合本课程的学习，安排了认识实习、生产实习及试验课，以了解注射机的结构、原理、工艺、模具特点。

2）此外，还有2周的课程设计和约13周的毕业设计。

由此，对所学内容进行全面复习与应用，达到理论联系实际，培养分析问题和独立设计模具的能力。使用教材：

参考书目：

齐晓杰主编. 塑料成型工艺与模具设计. 哈尔滨：机械工业出版社，2007

曹洪深主编. 塑料成型工艺与模具设计. 北京：机械工业出版社，1993

王孝培主编. 塑料成型工艺及模具设计简明手册. 北京：机械工业出版社，2000

任鸿烈、冯良编. 塑料成型模具制造技术. 广洲：华南理工大学出版社，1989

王树勋、邓庚厚编. 典型注塑模具结构图册. 长沙：中南工大学出版社，1992

许健南主编. 塑料材料. 中国轻工业出版社. 北京，1999

§1－2 塑料及其应用

一、塑料的概念

1. 概念：塑料是一种由树脂和某些助剂结合而成的高分子化合物。

2. 性能：可在一定温度和压力下具有流动性，可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸的塑料制件。

3. 组成：

1）树脂：又称高分子有机化合物、聚合物。一般相对分子量在一万～数百万之间，分天然与合成两种。

合成树脂：是人工将低分子化合物单体通过合成方法生产出的高分子化合物。

作用：粘结作用，又叫粘料。

2）添加剂：添加到树脂中，以改善树脂的某种性能的材料。单纯树脂不能满足成型工艺要求和使用要求。

4. 特点：

1）密度小：ρ=0. 9～2. 3g／cm3，约为铝的1／2，铜的1／6。

泡沫塑料：ρ=0. 01～0. 5g／cm3。制成同样大小的制品，塑料件要轻得多。

2）比强度高：按单位质量计算的强度。虽然塑料的强度不如金属，但因小，其相当高。如：40Cr调质后=1000MPa，1000／7. 8=128。而用玻璃纤维增强的塑料，拉伸比强度可达170～400

3）绝缘性好：

原因：塑料原子内部一般没有电子和离子，故大多数绝缘性好。

用途：广泛用于电机电器、电子行业，作结构零件和绝缘材料，如插头、插座、开关、手柄、电器等。

4）化学稳定性好：对酸、碱等化学药品具有良好的耐腐蚀能力。

其中PTFE的化学稳定性最高，抗蚀能力优于黄金，”王水” 对它也无可奈何，故称为”塑料王”。

广泛用于化工行业和日用品中，如：管道、密封件等。

5）减摩、耐磨性好：摩擦系数小、耐磨性强，可用来制造轴承、齿轮、密封圈等。

如PTFE：对钢的动、静摩擦系数为0. 04，使用温度250℃。

6）减振、隔音性好：来自聚合物大分子的弹性、柔韧性。制成的传动摩擦零件噪音小、吸振性好。

7）不耐热，在阳光、压力和某些介质下易老化。

8）线胀系数大，影响精度。

9）透光、绝热。

§1－3 塑料工业的发展

1. 初创阶段：

30年代以前，科学家研制成了酚醛PF、硝酸纤维素（与樟脑混合制取可塑性塑料）及醋酸纤维素。

特征：间歇法，小批量生产。

2. 发展阶段：

30年代，低密度聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚氯乙烯PVC和聚酰胺PA等塑料相继工业化，为进一步发展开

辟了道路。

3. 飞跃发展阶段：50年代中期到60年代末。

1）石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料

2）齐格勒纳塔用有机金属铬化物定向催化体系聚合工艺创立的高分子学科的进一步发展及聚合技术的开拓，使高密度PE和PP工业化

3）工程塑料也因碳酸脂PC和聚甲醛POM、聚酰亚胺PI等的相继出现并实现工业化生产，使塑料向耐高温的领域发展。

4）增强及复合材料的出现使塑料步入高强度、耐高温的尖端材料领域。

5）此阶段，塑料的产量和品种不断增加，成型加工技术更趋完善

4. 稳定增长阶段：

70年代以来，出现石油危机，原材料价格猛涨，塑料的增长速度下降。

此阶段特点：

1）通过共聚、交联、共混、复合、增强、填充和发泡等方法来改进塑料的性能，提高产品的质量，扩大应用领域，生产技术更趋合理。

2）塑料工业向着生产工艺自动化、连续化，产业系列化，不断开拓功能性塑料的新领域发展。

5. 我国的塑料工业。起步较晚

40年代只有酚醛和赛璐珞两种塑料，年产量仅200t。

50年代，万吨级聚氯乙烯装置投产。

70年代中期，引进几套石化装置建成投产。

同时塑料成型加工机械和工艺方法也迅速发展。

由于新的工程塑料不断开发与应用，成型工艺不断成熟与完善，极大促进了塑料成型模具的开发与制造。

随着工业塑料制件和日用塑料制件的品种和需求量的日益增加，产品的更新换代周期越来越短，对塑料的产量、质量要求越来越高。

§1－4 塑料成型在工业生产中的重要性

* 认识：模具是工业生产中的重要装备。

塑料模是指用于成型塑料制品的模具。

模具设计水平的高低、加工设备的好坏、制造力量的强弱、模具质量的优劣，直接影响新产品的开发和老产品的更新换代，影响着产品质量和经济效益的提高。

美国称：模具工业是美国工业的基石；

日本称：模具是促进社会繁荣富裕的动力；

德国给模具工业冠之以”金属加工业中的帝王”称号；

欧盟国家称：模具就是黄金；

新加坡把模具工业作为”磁力工业”；

中国模具权威称：模具是印钞机。

*发展状况

在仪器仪表、家电、交通、通讯、轻工等行业的产品零件中，70%以上是用模具生产的。工业发达国家模具工业产值早已超过机床行业的产值。

日本：1991年模具工业已实现高度的专业化、标准化和商品化。全国一万多家企业中，塑料模、冲压模企业各占40%。

韩国：新近统计，模具专业厂中塑料模占43. 9%，冲压模占44. 8%。

新加坡：460家企业，60%生产塑料模，35%生产冲模和夹具。

说明目前塑料模已和冲压模并驾齐驱。

中国：1989年，国务院颁发了”当前产业政策要点的决定”在重点支持技术改造的产业、产品中，把模具制造列为机械工业技术改造序列的第一位，它确定了模具工业在国民经济中的重要地位。

中国发展状况

中国模具的历史已有数千年，数千年前的模具水平可谓世界最先进的技术水平。但近代与发达国家的模具行业比较，可能落后几十年到百年。1984年建立了中国模具协会，1987年以后才逐步形成中国模具行业。当时中国的模具在世界上是漠漠无闻的，经过二十多年的努力发展已是万人注目其存在，在世界上的竞争力与影响力日益增大。总体

目前全国：共有模具生产厂点l. 7万个，从业人员50多万人（01年）。

销售额： 1985年近2亿元 2006年的720亿元 21年间增长了360倍

进出口总额： 1984年2. 56万美金 2006年30亿美金 22年间增长了120倍

2001年进口11. 2亿美元，出口1. 88亿美元

2006年进口20亿美元，出口10亿美元

中国发展状况

我国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步：

大型、精密、复杂、高效和长寿命模具上了一个新台阶。过去不能生产的模具现在已能完全生产，有部分模具已达到国际水平，有的已为国际上大企业所采用。

在大型塑料模具方面，已能生产48英寸电视的塑壳模具、65Kg大容量洗衣机全套塑料模具，汽车保险杠、整体仪表板等模具。

在精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。

其他塑料模具，例如塑料门窗异型材挤出模等，也都达到了较高的水平，并可替代进口模具。

模具CAD／CAE／CAM技术广泛地得到应用，并开发出了自主版权的模具CAD／CAE／CAM软件。

电加工、数控加工在模具制造技术发展中发挥了重要作用。

热流道和气辅技术、快速原型技术、高速加工技术等都有了大的进步。

与国外的差距：

1）供需矛盾比较突出目前国内市场满足率仅在70％左右，大部分模具是企业自产自用，作为商品流通的模具仅占1／3；所产模具基本上以中低档为主，一些大型、精密、复杂和长寿命的高档模具，在技术上还无法与发国家相比．生产能力也远远不能满足国民经济发展的需要。

2）产品结构和企业结构很不合理

模具产品结构比例：

我国：冲压模50％，塑料模34％．压铸模6％，其它10％：

发达国家塑料模所占比例一般在40％左右；

大型、精密、长寿命模具所占比例我国25％，发达国家50％以上

企业结构比例：

我国主要模具生产能力集中在各主机厂的模具分厂(或车间)内，模具商品化率很低：只有30％～40％，而国外可达70％以上；

专业模具厂结构：我国也大多是”大而全” “小而全”

国外则大多是”小而专” “小而精”

3）专业化、标准化程度低除少量标准件外购外，大部分工作均需要模具厂自己去完成，造成模具制造周期长，不能适应市场要求

4）设计和工艺技术落后如模具CAD／CAM技术普及率不高，加工设备数控化程度低等，也造成了模具生产效率不高，周期较长。

5）产品水平低模具产品的水平主要有模具加工的制造精度和表面粗糙度，加工模具的复杂程度、模具的使用寿命和制造周期等

国外国内

最高加工精度 0. 005～0. 01mm 0. 02mm

粗糙度 Ra0. 1～0. 05μ Ra0. 2μ

交货期约为1个月为2～4个月

6）工艺装备水平较差我国机床工具行业已经可以提供成套的高精度模具加工设备，如加工中心、数控铣床、数控仿形铣床、电加工机床、座标磨床、光曲磨床和3坐标测量机等。

但在加工和定位精度、加工表面粗糙度、机床刚性、稳定性、可靠性、刀具和附件的配套性方面，与国外相比，仍有较大差距。

§1－5 塑料成型技术的发展趋势

1. 成型理论的进展：

随着塑料件的大型化和复杂化，模具的重量达数吨至十多吨，若只凭经验设计，往往因设计不当造成模具报废，数十万元的费用将毁于一旦，所以设计模具已逐渐向理论设计方面发展。

包括：模板刚度、强度计算，充型流动理论的建立。

目前，有关挤出成型的流动理论和数学模型已建立，并已有应用。有关注射成型的流动理论尚在探讨，注射成型的塑料熔体在一维、二维简单模腔的充型流动理论和数学模型已解决，并已加强在三维模腔中流动行为的研究。

2. 成型方法的革新：

一些新型或有特殊要求的塑料制品要求新的成型方法。

如对注射成型：有无流道凝料赘物的注射成型、热固性塑料注射成型、低发泡、排气反应、增强反应及多品种塑料的共注射成型等。

3. 塑料制件的精密化、微型化和超大型化：

精密注射成型是能将塑料制件尺寸公差控制在0. 01～0. 001mm之内的成型工艺方法，主要用于电子、仪表工业。

微型化制件要求在微型设备上生产：

德国已有0. 1g的微型注射机，可生产0. 05g左右的制件。

国内已有0. 5g的微型注射机，可生产0. 1g左右的制件。

大型化要求有大型、超大型注射成型设备：

法国已有17万g的超大型注射机，合模力150MN（1. 5万吨）

美国已有10万g的超大型注射机。

日本已有9. 6万g的超大型注射机。

国内已有3. 5万g的超大型注射机，合模力80MN。

4. 模具技术进步：体现在4个方面

1）模具加工技术：

已广泛应用仿形加工、电加工、数控加工等先进技术，并使用坐标镗、坐标磨、三坐标测量仪等精密加工与测量设备，提高加工精度，缩短加工周期。

2）新材料的研制和应用：

模具材料的选用是模具设计制造中的一个较重要的问题，它将直接影响模具加工成本、使用寿命及塑料件质量等。

国内外已对模具的工作条件、失效形式和提高寿命的途径进行大量研究，开发出许多性能良好、加工性好、热处理变形小的新型模具钢（预硬钢、新型淬火回火钢、马氏体时效钢、析出硬化钢、耐蚀钢等）。

3）CAD ／CAM ：

是塑料模具生产中一项革命性措施，也是模具技术发展的一座里程碑。它的出现可从根本上改变模具的生产面貌，其技术经济效益是十分巨大的，不仅可使模具生产效率提高几倍乃至几十倍，更可保证模具质量水平的提高。

4）模具零件的标准化、专业化：

是缩短模具加工周期，降低模具成本的重要方法之一。

据统计，只是标准化、专业化生产，即可降低成本50%。

目前，美国、日本标准化程度已达70%～80％，专业化程度分别为90%、74%。 中国标准化程度为20%，专业化程度约10％。

思考题

1） 为什么塑料有广泛的用途？

2） 学习塑料工艺与模具课程有什么意义？

3） 了解塑料与合成树脂的概念。

4） 第二章 注射成型理论基础

§2－1 聚合物大分子的结构特点

一、概念：

1. N×CH 2＝CH 2 ——→ [ CH 2－CH 2式中，CH 2＝CH 2是乙烯单分子， [ CH 2－CH 2 ] 是聚乙烯结构单元分子式。

N 是聚合度，即聚合物所含结构单元的数量，N 越大，则聚合物的相对分子质量越高。

2. 聚合物：聚合反应的产物。

3. 高分子化合物（也叫大分子物质、高聚物）：相对分子质量大于10000时的聚合物。

二、 大分子的形态特点：

1. 蜷曲状。

2. 具有柔顺性：由于C －C 键彼此相接时有一定角度，在外力作用时可改变角度，且可自由旋转。致使具有一定柔软性和弹性。

三、大分子链状结构的类型：

1. 线形结构：整条大分子象一根长长的链条，基本上没有分支。

特点：可反复加热，冷却。

2. 支链型：整条大分子具有一个线型主链，旁边带有一些分支。

特点：可反复加热，冷却。

3. 体形结构：多个大分子之间发生交联化学反应，使彼此联接起来，形成网状。

特点：

1）一般是有相对分子质量较小的预聚物经过交联反应生成。

2）只能在交联时进行一次加热，之后便永远固化

§2－2 聚合物的物理状态及加工性能

聚合物的物理力学性能与温度密切相关，温度变化时聚合物的受力行为发生变化，呈现出不同的力学状态。

如图：曲线1为非结晶聚合物即线形无定型聚合物受恒应力作用时变形程度与温度的曲线关系，此曲线明显分为三个阶段，即此聚合物存在三种物理状态。

1. 玻璃态：T ＜θg，曲线基本是水平的，变形程度小，且可逆，处于刚性状态

特点：

1）呈坚硬固体状。

2）受力变形符合虎克定律，弹性模量和力学强度较高。

3）可进行车、铣、刨、磨等切削加工

2. 高弹态：θg＜T ＜θf ，温度在玻璃化温度与粘流温度之间。表现为柔软而有弹性。

特点：

1）也呈固体状（橡胶状）。

2）可获得很大的弹性变形（不服从虎克定律），弹性是可逆的

3）长时间施加外力后，可产生塑性变形（外力强制分子链运动的结果）即外力等效温度作用的性质。

4）变形量不能满足注射成型要求。

5）可进行弯曲、吹塑、引伸、真空成型、冲压等。

3. 粘流态：或称熔融态熔体。θf ＜T ＜θd

特点：

1）可产生很大的宏观流动，且不能回弹。

2）其变形属于液态变形性质，叫粘性变形（此为注射成型应用的状态，并可挤压，压延，模压等）。

4. 热分解：即降解 T>θd

5. T<脆化温度θb 时，物理性能将发生变化，很小的外力就折裂。 使塑料失去使用价值。θb 是塑料是使用的下限，θg是塑料使用的上限温度，T>θg时塑料不能保持其尺寸稳定性和使用性能。

曲线2为线形结晶聚合物的热力学曲线。

可知，通常不存在高弹态，和θm对应的温度即叫熔点，即熔融与凝固的临界温度。

1) 该聚合物低于θm时变形量很小，耐热性较好。

2) 故无明显的高弹态可在脆化温度和熔点之间应用。所以使用温度范围较宽。

§2－3 成形过程中聚合物的物理化学变化

一、聚合物的结晶

1. 概念：

结晶： 材料的质点既近程有序，又远程有序，即有规则紧密排列

结晶型聚合物： 聚合物中具有分子作有规则紧密排列的区域(结晶区)

无定型聚合物： 聚合物中没有结晶区。

结晶度： 结晶区在聚合物中所占的重量百分比。

结晶过程： 聚合物由非晶态转为晶态的过程。

结晶特征： 在高温熔体向低温固体的转变过程中，分子链的构型得到稳定规整的排列。

2. 结晶对聚合物性能的影响：*

聚丙烯PP 结晶度 70% → 90%

1)密度： 结晶意味着有规则排列， ρ↑ 0. 896 → 0. 903

2)抗拉强度： 结晶后分子间作用加强σb (MPa)↑ 27. 5 → 42

3)冲击韧度： 因其分子链规整排列 ak↓ 15. 2 → 4. 86

4)弹性模量： E↓ 4400 → 980

5)热性能： 软化温度热变形温度 θg(℃)↑ 124. 9 → 151. 1

6)脆性： 脆化温度 θb (℃)↑ 0 → 20

7)表面粗糙度： 结晶后分子规整排列，是致密性↑从而Ra↓

8)透明度：球晶会引起光波散射，导致透明性下降或丧失。

二、聚合物的取向

1. 概念：聚合物的大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列。

2. 原因：聚合物熔体在流道中流动的速率是中心最大，管壁处为0，呈抛物线状，此时大分子链段将顺着流动方向作平行排列。(若不作这样的排列，细而长的链段将以不同的速度运动，实际上这是不可能的。)

3. 分类：

1) 按应力性质分

拉伸取向：由拉应力引起，取向方位与应力作用方向一致。如取向薄膜，单丝等。

流动取向：由切应力引起，沿熔体流动方向形成。 如注射。

2)按熔体流动性质分

单轴取向：取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列。

如流道中的流动情况。

多轴取向：取向结构单元均沿着两个或多个方向有序排列

如模腔中的流动情况。

3）按温度分布情况分

等温取向：机筒、喷嘴中的取向可近视为等温取向。

非等温取向：各种流道、浇口及模腔中的取向。

4. 取向对性能的影响

取向的结果是出现各向异性，取向方位的力学性能显著提高，收缩率增大，垂直与取向方位性能下降。 有时需要取向，如取向薄膜、单丝； 有时应消除取向，如许多厚度较大的塑料件。

5. 注射成型时影响取向的因素：

1）温度：

熔体θR↑→变形和流动能力↑→↑— 模具θm↑→解取向能力增加更快↑—

2）注射压力、保压力↑→熔体中切应力和切变速率↑→加速取向

3）冲模速度：快速冲模时因流速作用，表层附近高度取向，内部温度↑→解取向能力↑ 慢速冲模时模具带走的热量↑，熔体温度↓→取向能力↑

4）浇口冻结时间：

浇口尺寸↑→冷却变慢↓冻结较晚→充模延时→可在一定程度上补偿热运动引起的解取向，尤其在浇口附近取向非常明显。

三、降解

1. 概念：把相对分子质量降低的现象称为降解或裂解。

2. 原因：由于受到热和应力的作用或由于高温下聚合物的微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用，导致分子断裂、交联与结构改变。

3. 影响：较轻时，使聚合物变色。进一步，分解出低分子物质，粘度↓出现气泡、流纹等弊病，并削弱塑料的物理力学性能。严重时，会使塑料烧焦、碳化、变黑。

4. 措施：对成型来说，热降解是主要的，由应力、氧气和水引起的为次要的。

1）严格控制原材料的技术指标，避免杂质；

2）生产前，干燥处理，特别是聚酯、聚醚、聚酰胺等易吸水分

3）制定合理的成型工艺，特别是对热稳定性差，加工温度与分解温度接近塑料；

4）加入稳定剂、抗氧化剂等，以提高抗降解能力。

四、交联

1. 概念：聚合物线型结构转变为体型结构的化学反应过程。

2. 特点：交联后聚合物的强度、耐热性、化学稳定性和尺寸稳定性提高。

3. 适应：热固性塑料。对热塑性塑料是有害的。

4. 原理：聚合物分子链中带有反应基团（羟甲基）或反应活点（不饱和键等），成型时与交联剂（硬化剂）作用而交联在一起。

思考题

1）聚合反应的概念。

2）高聚物的相对质量有多少。

3）聚合物大分子的形态特点。

4）聚合物大分子有哪几种结构类型。

5）聚合物的物理状态。

6）结晶与结晶度的概念。

7）取向的原因和对制品性能的影响。

8）影响取向的因素。

9）降解的概念。

10）产生降解原因和预防措施。

11）交联反应的概念和特点。

第三章成型物料

§3－1 塑料的组成

1. 树脂（塑料的主要成分）

作用： 1）联系或胶粘着塑料中的其他一切组成部分；

2）决定塑料的类型和性能。

2. 助剂用以改善塑料原料的某些性能的添加剂。

作用：改善工艺性能：改进加工条件，提高生产效率；提高使用性能：改善制品性能，延长寿命。1）填充剂：

作用：大大降低塑料成本；显著改善塑料性能。

如：* 酚醛树脂中加入苯酚，克服了脆性，成本降低；

PE、PVC中加入钙，提高刚性耐热性，成本降低；

聚酰胺、聚甲醛中加入MoS2、石墨、PTFE，使耐磨耐热，抗水，硬度提高；

* 塑料中加入玻璃纤维，机械强度大大提高。

类型：按化学性能：无机填料、有机填料

按形状：粉状、层状、纤维状等

粉状：木粉、硅藻土、滑石粉、云母粉、石棉粉、高岭土、石墨、金属粉；

层片状：纸张、棉布、石棉布、玻璃布、木片；

纤维状：棉花、亚麻、石棉丝、玻璃丝、碳纤维、金属须

2）增塑剂

概念：能与树脂相溶的不易挥发的高沸点有机化合物。

作用： (1）降低树脂的熔融粘度和温度，改善流动性；

(2）改进塑料的柔软性、提高延伸率、冲击性及耐寒性。

原理：加大树脂分子间距，因而削弱大分子间的作用力，使树脂分子容易滑移，从而使塑料在较低温度下具有良好的可塑性和柔软性。

常用：邻苯二甲酸二丁酯、氯化石蜡。

3）稳定剂

概念：可以提高树脂在热、光、氧和霉菌等因素作用时的稳定性，阻缓塑料变质的添加剂。