《塑料成型技术》PPT课件.ppt

第第1010章章 塑料成型技术塑料成型技术材料成形技术基础10-1 塑料的组成、分类及主要塑料的组成、分类及主要成形方法成形方法材料成形技术基础 塑料是以人工合成树脂为主要塑料是以人工合成树脂为主要成分，添加一定数量的稳定剂、填成分，添加一定数量的稳定剂、填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、固化剂等助剂的高分子混合物。固化剂等助剂的高分子混合物。10.1.1 10.1.1 塑料的组成及结构特点塑料的组成及结构特点 低分子化合物单体经过聚合反低分子化合物单体经过聚合反应转变成大分子物质，其原子以共应转变成大分子物质，其原子以共价键的方式形成大分子结构，相对价键的方式形成大分子结构，相对分子质量一般不低于分子质量一般不低于104。聚合物所含单元的数量聚合物所含单元的数量N，称为，称为聚合度，聚合度，N越大，聚合物的相对分之越大，聚合物的相对分之质量越高。质量越高。聚聚合合物物大大分分子子均均为为长长链链状状结结构构，容容易易弯弯曲曲。其其链链状状结结构构有有线线性性、支支链链型型和和体型三种类型，如图示体型三种类型，如图示。图图101 大分子链结构的类型大分子链结构的类型 按制造方法分：按制造方法分：聚合树脂塑料和缩聚树脂塑料两类；聚合树脂塑料和缩聚树脂塑料两类；按成形性能分：按成形性能分：热塑性塑料和热固性塑料两类；热塑性塑料和热固性塑料两类；按用途分：按用途分：通用塑料、工程塑料和特殊用途塑料等通用塑料、工程塑料和特殊用途塑料等.10.1.2 10.1.2 塑料的分类塑料的分类图图102 常用塑料名称及英文代号常用塑料名称及英文代号 随随温温度度升升高高，聚聚合合物物将将呈呈现现玻玻璃璃态态、高高弹弹态态、粘粘流流态态三三种状态。种状态。图图103 聚合物的物理状态与温度的关系聚合物的物理状态与温度的关系 1线性非结晶聚合物；线性非结晶聚合物；2线形聚合物；线形聚合物；3金属。金属。10.1.3 10.1.3 塑料的可加工性及主要成形方法塑料的可加工性及主要成形方法玻璃态是聚合物的使用状态，玻璃态是聚合物的使用状态，称为玻璃化温称为玻璃化温度度,为衡量制品使用范围的标致之一，为衡量制品使用范围的标致之一，越高，制品越高，制品对环境温度适应性越强；对环境温度适应性越强；为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的温度；的温度；为熔点，是聚合物的熔融温度；为熔点，是聚合物的熔融温度；为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温度；温度；()和和 可用来衡量塑料的注射成可用来衡量塑料的注射成形性能，形性能，()低时，有利于熔融，生低时，有利于熔融，生产时好能少；产时好能少；()温度区间大时，温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好，可在较宽塑料熔体的热稳定性好，可在较宽温度范围内变形和流动。温度范围内变形和流动。塑料的成型方法有很多，其中主要塑料的成型方法有很多，其中主要有：注射（塑）成型、挤出成型、有：注射（塑）成型、挤出成型、压缩成型、压铸成型、吹塑成型等。压缩成型、压铸成型、吹塑成型等。据统计，目前注射制品约占所有塑据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的料制品总产量的30%30%，占工程塑料，占工程塑料制品的制品的80%80%，故注射成形是一种最，故注射成形是一种最主要的成型方法。主要的成型方法。10-2 塑料成形理论基础塑料成形理论基础材料成形技术基础 牛顿流动规律：温度一定时，低分子液体流牛顿流动规律：温度一定时，低分子液体流动时的切应力与切应变速率成正比，即：动时的切应力与切应变速率成正比，即：式中，式中，h h为剪切粘度为剪切粘度(Pas)符符合合上上式式的的流流体体称称为为牛牛顿顿流流体体，比比例例系系数数h称称为为牛牛顿顿粘粘度度，它它是是流流体体本本身身固固有有的的性性质质，其其数数值值表征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。表征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。10.2.1 10.2.1 塑料的流变性塑料的流变性图图104 层流流速分布模型层流流速分布模型 塑料成形中，大多数塑料熔体都塑料成形中，大多数塑料熔体都是非牛顿流体，它们中大部分近似服是非牛顿流体，它们中大部分近似服从指数流动规律：从指数流动规律：式中，式中，K K稠度系数；稠度系数；n n非牛顿系数非牛顿系数。指数流动规律也可表示为指数流动规律也可表示为：称为聚合物熔体的表观粘度。它表征称为聚合物熔体的表观粘度。它表征的是非牛顿流体在外力作用下的抗切应的是非牛顿流体在外力作用下的抗切应变的能力。变的能力。在聚合物流变学理论中，凡是服从指在聚合物流变学理论中，凡是服从指数流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。数流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。根据根据n的取值范围可将粘性流体分为三类：的取值范围可将粘性流体分为三类：n1时，称为膨胀性液体；时，称为膨胀性液体；n=1时，且只有切应力达到或超过一定时，且只有切应力达到或超过一定值后才能流动的，称为宾号体值后才能流动的，称为宾号体。图图105 不同类型流体的流动不同类型流体的流动 曲线曲线 图图106 不同类型流体的流变 曲线 粘度是描述塑料熔体流变行为粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的参数。最重要的参数。对于牛顿流体，其粘度对于牛顿流体，其粘度h为一个为一个不变常量。不变常量。对于非牛顿流体，其表观粘度对于非牛顿流体，其表观粘度 受多种因素影响，具体如下：受多种因素影响，具体如下：1）聚合物结构和其他组分的影响）聚合物结构和其他组分的影响 聚合物相对分子质量越大，熔体的聚合物相对分子质量越大，熔体的粘度和非牛顿性越大。粘度和非牛顿性越大。相对分子质量分布较宽的聚合物，相对分子质量分布较宽的聚合物，其粘度对剪切速率的敏感性较大，非其粘度对剪切速率的敏感性较大，非牛顿性也较强。牛顿性也较强。2）温度的影响）温度的影响 在粘流态，热塑性塑料熔体的在粘流态，热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈指数规律降低，粘度随温度升高而呈指数规律降低，但不同熔体粘度对温度的敏感程度但不同熔体粘度对温度的敏感程度不同。不同。3）压力的影响）压力的影响 随外部压力增大，熔体受压缩随外部压力增大，熔体受压缩体积减少，分子间作用力增加致使体积减少，分子间作用力增加致使粘度也随之增大。由于塑料熔体的粘度也随之增大。由于塑料熔体的压缩率不同，不同熔体的粘度对压压缩率不同，不同熔体的粘度对压力的敏感性也不同。力的敏感性也不同。4）剪切速率的影响）剪切速率的影响 塑料熔体的表观粘度随着剪切塑料熔体的表观粘度随着剪切速率或切应力的增大而减少，不同速率或切应力的增大而减少，不同种类的塑料对剪切速率的敏感性不种类的塑料对剪切速率的敏感性不同。同。1）聚合物的结晶）聚合物的结晶 在一定的外界条件下，聚合物分子在空间作规则性在一定的外界条件下，聚合物分子在空间作规则性的排列称为结晶。的排列称为结晶。聚合物结晶态与低分子物质结晶有很大区别，主要聚合物结晶态与低分子物质结晶有很大区别，主要表现为晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢、没有明表现为晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢、没有明晰的熔点等。其形态常为球晶，用结晶度来表示其程度。晰的熔点等。其形态常为球晶，用结晶度来表示其程度。一般聚合物的结晶度为一般聚合物的结晶度为1060。10.2.1 10.2.1 塑料成形过程的物理和化学变化塑料成形过程的物理和化学变化 结晶度的提高可增加聚合物密度、结晶度的提高可增加聚合物密度、抗拉强度、刚度和热变形温度，但降抗拉强度、刚度和热变形温度，但降低了聚合物冲击韧性。由于结晶时形低了聚合物冲击韧性。由于结晶时形成球晶，致使制品的透明度降低。另成球晶，致使制品的透明度降低。另外结晶度提高会在制品内产生较高的外结晶度提高会在制品内产生较高的附加应力而引起制品翘曲。附加应力而引起制品翘曲。在塑性加工中影响结晶度的因素在塑性加工中影响结晶度的因素有：温度及冷却速度、熔融温度与熔有：温度及冷却速度、熔融温度与熔融时间和应力。融时间和应力。2）聚合物取向）聚合物取向 聚合物的大分子及其链段或结晶聚合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物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列叫做取向。列叫做取向。塑料在成形过程中会发生不同类型的塑料在成形过程中会发生不同类型的取向。一种是流动取向，另一种是拉伸取取向。一种是流动取向，另一种是拉伸取向。向。取向会使制品产生明显的各向异性。取向会使制品产生明显的各向异性。其不利之处为增加了制品翘曲的可能其不利之处为增加了制品翘曲的可能性；性；有利之处为制品受力方向与取向方向有利之处为制品受力方向与取向方向一致可改善制品质量。同时使结晶提前，一致可改善制品质量。同时使结晶提前，使制品密度和强度都相应提高。使制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线收缩率另外，取向程度的提高会使线收缩率增加，线膨胀系数也随之变化。增加，线膨胀系数也随之变化。取向的影响因素有取向的影响因素有：塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产生解除取向效应；生解除取向效应；聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短容易使取向冻结，其取向成熟高于无定形塑料容易使取向冻结，其取向成熟高于无定形塑料;模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效应提高；应提高；塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，有利于取向的解除；有利于取向的解除；注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子取向；有助于分子取向；大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加强；强；快速充模使制品表面层分子取向增高，中快速充模使制品表面层分子取向增高，中心部位取向减弱。心部位取向减弱。3）聚合物的降解）聚合物的降解 聚合物相对分子质量降低的现象称聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物的降解。为聚合物的降解。通常聚合物分子是在受到热和应力通常聚合物分子是在受到热和应力或者微量水分、酸、碱等杂质及空气中或者微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用而使大分子结构改变，产生降氧的作用而使大分子结构改变，产生降解。解。降解是有害的，按轻重不同会使聚降解是有害的，按轻重不同会使聚合物变色、出现气泡和流纹、甚至焦化合物变色、出现气泡和流纹、甚至焦化变黑。变黑。10-3 注射成形及其模具注射成形及其模具材料成形技术基础 图图10-710-7是是注注射射成成型型过过程程示示意意图图。成成型型时时，先先将将粉粉状状或或粒粒状状物物料料从从料料斗斗送送入入高高温温机机筒筒内内加加热热熔熔融融塑塑化化使使之之成成为为粘粘流流态态熔熔体体，然然后后在在柱柱塞塞或或螺螺杆杆的的高高压压推推动动下下以以很很大大的的流流速速通通过过喷喷嘴嘴注注射射进进入入温温度度较较低低的的闭闭合合模模具具中中。熔熔体体在在压压力力作作用用下下充充满满型型腔腔并并被被压压实实，经经过过一一段段保保压压后后柱柱塞塞或或螺螺杆杆回回程程。此此时时，熔熔体体可可能能从从型型腔腔向向浇浇注注系系统统倒倒流流。冷冷却却定定型型后后开开启启模模具具，制品便可从模腔中脱出。制品便可从模腔中脱出。10.3.1 10.3.1 注塑成型过程注塑成型过程图图107 注塑成型过程注塑成型过程a)加热熔融塑化加热熔融塑化 b)充模、压实、保压、倒流充模、压实、保压、倒流 c)冷却定型、脱模冷却定型、脱模1料斗料斗 2机筒机筒 3喷嘴喷嘴 4分流锥分流锥 5柱塞柱塞 塑料在注射机筒内经过加热、塑料在注射机筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，最终冷却定注系统进入模具型腔，最终冷却定形的过程称为浇注过程。该过程可形的过程称为浇注过程。该过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。如图示为一个注射周却五个阶段。如图示为一个注射周期内压力随时间变化曲线。期内压力随时间变化曲线。图图108注射成形中的压力时间曲线注射成形中的压力时间曲线1注射压力曲线；注射压力曲线；2喷嘴末端的压力曲线；喷嘴末端的压力曲线；3型腔始端的压力曲线；型腔始端的压力曲线；4型腔末端的压力曲线。型腔末端的压力曲线。OA段为塑料熔体在注射段为塑料熔体在注射压力压力p1作用下，从料筒计作用下，从料筒计量室流入型腔始端的时量室流入型腔始端的时间；间；AB段熔体充满型腔，此段熔体充满型腔，此时注射压力达到最大值；时注射压力达到最大值；BC段是熔体的压实阶段段是熔体的压实阶段,注射压力用于压实熔体；注射压力用于压实熔体；CD段为保压阶段；段为保压阶段；E时刻熔体在浇口处凝固时刻熔体在浇口处凝固,封断流动；封断流动；EF段为冷却定形阶段；段为冷却定形阶段；决决定定注注塑塑件件成成形形质质量量的的关关键键参参数数有有:温温度度(熔熔体体和和模模具具温温度度)、压压力力、时时间间(充模时间）充模时间）和速度和速度。1.1.典型注射模具结构典型注射模具结构10.3.2 10.3.2 典型注射模具典型注射模具 图图10-910-9显显示示了了一一套套卧卧式式多多腔腔单单分分型型面面注注射射模模具具结结构构。该该模模具具可可分分为为定定模模（零零件件5 5、11 111414）和和动动模模（零零件件1 14 4、15151919）两两大大部部分分。按按其其主主要要功功能能，注注射射模模由由成成型型零零部部件件、导导向向机机构构、浇浇注注系系统统、顶顶出出脱脱模模机机构构、侧侧向向分分型型与与侧侧向向抽抽芯芯机机构构、排排气气结结构构、温温度度调调节节系系统统和和支支承零部件八大部分组成。承零部件八大部分组成。与冲压模具比较，浇注系统、温与冲压模具比较，浇注系统、温度调节系统、侧向分型与侧向抽芯度调节系统、侧向分型与侧向抽芯机构等三部分为注射成型模具所特机构等三部分为注射成型模具所特有。有。图图109 卧式多腔单分型面注射模卧式多腔单分型面注射模a)合模成形合模成形 b)开模顶出开模顶出1拉料杆拉料杆 2顶杆顶杆 3导柱导柱 4凸模凸模 5凹模凹模 6冷却水管冷却水管 7浇口浇口8分流道分流道 9主流道主流道 10冷料穴冷料穴 11定位环定位环 12主流道衬套主流道衬套 13定模座定模座14定模板定模板 15动动模板（凸模固定板）模板（凸模固定板）16支撑板支撑板 17动模座动模座18顶杆固定板顶杆固定板 19顶杆底板顶杆底板1)1)单分型面注射模具：单分型面注射模具：简单而而又又常常用用的的一一类。型型腔腔的的一一部部分分（型型芯芯）在在动模模上上，另另一一部部分分（凹凹模模）在在定定模模上上。主主流流道道设在在定定模模一一侧，分分流流道道设在在分分型型面面上上。开开模模后后由由于于动模模上上拉拉料料杆杆的的拉拉料料作作用用以以及及制制品品因因收收缩包包紧在在型型芯芯上上，制制品品连同同凝凝料料留留在在动模模一一侧，动模模上上设有有推推出出机机构构，用用于推出制品和流道内的凝料于推出制品和流道内的凝料。2.2.注射模具分类注射模具分类 2 2）双分型面注射模具（图）双分型面注射模具（图10-1010-10）双分型面注塑模以两个不同的分型面分别取出流双分型面注塑模以两个不同的分型面分别取出流道凝料和塑料制品。与两板式的单分型面注塑模具道凝料和塑料制品。与两板式的单分型面注塑模具相比，双分型面注塑模具在动模板与定模板之间增相比，双分型面注塑模具在动模板与定模板之间增加了一块可以移动的中间板（又名浇口板），故又加了一块可以移动的中间板（又名浇口板），故又称三板式模具。称三板式模具。图图1010 立式双分型面注塑模立式双分型面注塑模1支架支架 2凸模凸模 3支撑板支撑板 4动模板动模板 5推件板推件板 6导柱导柱 7限位钉限位钉 8弹簧弹簧 9定距拉板定距拉板 10主流道衬套主流道衬套 11定模座定模座 12中间板中间板 13导柱导柱 14顶杆顶杆 15顶顶杆固定板杆固定板 16顶杆底板顶杆底板3 3）带活动镶件的注射模具）带活动镶件的注射模具(图图10-11)10-11)对于复杂结构的塑料制品，由于无法通过对于复杂结构的塑料制品，由于无法通过简单的分型从模具中取出制品，因此可在模具简单的分型从模具中取出制品，因此可在模具中设置活动镶件和活动侧向型芯，脱模时必须中设置活动镶件和活动侧向型芯，脱模时必须将它们连同制品一起移出模外，然后用手工或将它们连同制品一起移出模外，然后用手工或简单工具将它们与制品分开，因此，这类模具简单工具将它们与制品分开，因此，这类模具的生产效率不高，常用于小批量的试生产。的生产效率不高，常用于小批量的试生产。图图1011 带活动镶件的注射模具带活动镶件的注射模具1顶杆底板顶杆底板 2顶杆固定板顶杆固定板 3顶杆顶杆 4弹簧弹簧 5支架支架 6支撑板支撑板 7动模板动模板4 4）带抽芯的注射模具（图）带抽芯的注射模具（图10-1210-12）当塑料制品上有侧孔或侧凹时，在模具内当塑料制品上有侧孔或侧凹时，在模具内可设置由斜导柱或斜滑块等组成的侧向分型可设置由斜导柱或斜滑块等组成的侧向分型抽芯机构，它能使侧型芯作横向移动。抽芯机构，它能使侧型芯作横向移动。图图1012 带侧带侧向分型抽芯的注射模具向分型抽芯的注射模具5 5）自动卸螺纹注射模具）自动卸螺纹注射模具(图图10-13)10-13)对带有内（外）螺纹的塑料制品，可在模对带有内（外）螺纹的塑料制品，可在模具中设置转动的螺纹型芯（型环），利用机具中设置转动的螺纹型芯（型环），利用机械的旋转运动或往复运动将螺纹制品脱出。械的旋转运动或往复运动将螺纹制品脱出。图图1013 自动卸螺纹的注射模具自动卸螺纹的注射模具1定模型板定模型板 2衬套衬套 3动模板动模板 4定距螺纹定距螺纹 5支撑板支撑板 6支架支架7螺纹型芯螺纹型芯 8注射机合模螺杆注射机合模螺杆6 6）推出机构设在定模（图）推出机构设在定模（图10-1410-14）由于注射机推出液压缸在动模一侧，因此塑由于注射机推出液压缸在动模一侧，因此塑料制品开模后常留在动模侧。对有些要求制品料制品开模后常留在动模侧。对有些要求制品留在定模的注射模具，应在定模一侧设置推出留在定模的注射模具，应在定模一侧设置推出机构，以便将制品从定模内推出。机构，以便将制品从定模内推出。图图1014 推出机构设在定模的注射模具推出机构设在定模的注射模具1支架支架 2支撑板支撑板 3成型镶件成型镶件 4螺钉螺钉 5动模板动模板 6螺钉螺钉7推件板推件板 8拉杆拉杆 9定模板定模板 10定模座板定模座板 11凸模凸模 12导柱导柱7 7）无流道凝料注射模具）无流道凝料注射模具(图图10-15)10-15)通过采用对流道加热和绝热的方法来保通过采用对流道加热和绝热的方法来保证从注射机喷嘴到浇口处之间的塑料保持熔证从注射机喷嘴到浇口处之间的塑料保持熔融状态。称为热流道注射模具。融状态。称为热流道注射模具。图图1015 无流道凝料注射模具无流道凝料注射模具1动模座 2垫板 3推板 4固定板 5顶杆 6支撑板 8动模板 9凸模 10导柱 11定模板 12凹模 13垫板 14喷嘴 15热流道板 16加热器孔 17定模座板 18绝热层 19主流道衬套 20定位环 21二级喷嘴10-4 塑料的焊接塑料的焊接材料成形技术基础对热塑性塑料：对热塑性塑料：在一定温度下软化直至粘滞流动，冷却后又重在一定温度下软化直至粘滞流动，冷却后又重新硬化。这个过程可重复多次而且大分子性质不变，新硬化。这个过程可重复多次而且大分子性质不变，所以可对它进行焊接加工。所以可对它进行焊接加工。对热固性塑料：对热固性塑料：在成形过程中已发生不可逆交联反应，因此不在成形过程中已发生不可逆交联反应，因此不能进行焊接加工。能进行焊接加工。10.4.1 10.4.1 塑料的可焊性塑料的可焊性1）塑料的热气焊）塑料的热气焊 用热气体对制品表面及焊条加热，再通过手工用热气体对制品表面及焊条加热，再通过手工或机械方式施加压力将两件制品连在一起的方法。或机械方式施加压力将两件制品连在一起的方法。图图1016 热气摆动焊热气摆动焊10.4.2 10.4.2 塑料的焊接成形方法塑料的焊接成形方法2）塑料的超声焊接）塑料的超声焊接 塑料的焊接面在超声波能量的作用下做高塑料的焊接面在超声波能量的作用下做高频机械振动而发热熔化，同时施加压力把制品频机械振动而发热熔化，同时施加压力把制品焊接在一起。焊接在一起。这种方法适用于大多数热塑性塑料，主要这种方法适用于大多数热塑性塑料，主要用于焊接模塑件、薄模、板、线材等，焊接时用于焊接模塑件、薄模、板、线材等，焊接时不用填充材料。不用填充材料。3）塑料摩擦焊）塑料摩擦焊 被焊接的塑料在焊接面上经摩擦发热而被焊接的塑料在焊接面上经摩擦发热而熔化，同时手控或机械操纵焊接压力把制品熔化，同时手控或机械操纵焊接压力把制品焊接在一起。焊接在一起。摩擦热可通过焊件之间的相对摩擦运动，摩擦热可通过焊件之间的相对摩擦运动，或与中间体之间的相对转动来产生。或与中间体之间的相对转动来产生。4）塑料挤塑焊）塑料挤塑焊 以焊接填料在塑化装置内充分均匀混合，塑以焊接填料在塑化装置内充分均匀混合，塑化后挤出的棒状熔料为焊接填料，填进已预热至化后挤出的棒状熔料为焊接填料，填进已预热至焊接温度的焊接表面并用专用压具压实的方法。焊接温度的焊接表面并用专用压具压实的方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接。5）热工具焊）热工具焊 利用一个或多个发热工具对两个被焊制件表利用一个或多个发热工具对两个被焊制件表面加热，直至其表面充分熔化，然后在压力作用面加热，直至其表面充分熔化，然后在压力作用下进行焊接的方法。下进行焊接的方法。此方法是应用最广泛的塑料焊接方法。此方法是应用最广泛的塑料焊接方法。