模具设计与制造 教学课件 ppt 作者 杨占尧 第1章 塑料成型基础

1、第1章 塑料成型基础,学习目的及要求 掌握塑料的概念及其特点 掌握热固性塑料、热塑性塑料的概念以及二者的区别 掌握塑料模具的概念和功用 掌握塑件形状结构与模具结构的关系 熟悉螺纹塑件、齿轮塑件的结构设计 能够正确选择塑件的尺寸精度和表面粗糙 了解注射机的基本结构与类型,1.1 塑料及其组成,1.1.1 塑料的特点 塑料是以树脂为主要成分的高分子材料，它在一定的温度和压力条件下具有流动性，可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸，并在成型固化后保持其既得形状不发生变化。树脂是指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物，它是塑料最基本的，也是最重要的成分。,作为日常用品，塑料的用途已经广为人知，但由于它们的一些特殊优点，塑料在工业中的应用也已经非常普遍，主要有以下几个方面： 1.密度小、质量轻 塑料的密度约为0.92.3gcm3，但大多数都在1.01.4gcm3左右，如果采用发泡工艺生产泡沫塑料，则塑料的密度将会更小，其数值可以小到0.010.5gcm3。塑料具有这样小的密度意味着在同样体积下，塑料制品要比金属制品轻得多因此，若要减轻工业产

2、品的重量，将金属制品改换成塑料制品是一个很重要的途径，即所谓的“以塑代钢”。,2.比强度高 按单位质量计算的强度称为比强度，由于塑料的密度小，所以其比强度比较高，若按比强度大小来评价材料的使用性能，则一些特殊的塑料品种的比强度和比刚度比金属还高，可以代替钢材做工程材料用，如碳纤维和硼纤维增强塑料可用于制造人造卫星、火箭、导弹上的强度高、刚度好的结构零件。,3.绝缘性能好、介电损耗低 塑料原子内部一般都没有自由电子和离子，所以大多数塑料都具有良好的绝缘性能以及很低的介电损耗。塑料是现代电工行业和电器行业不可缺少的原材料，许多电器用的插头、插座、开关、手柄等等，都是用塑料制成的。 4.化学稳定性高 生产实践和科学试验已经表明，绝大多数塑料的化学稳定性都很高，它们对酸、碱和许多化学药物都具有良好的耐腐蚀能力，可以用来制作各种管道、密封件和换热器等。,5.减摩、耐磨性能好 大多数塑料都具有良好的减摩和耐磨性能，它们可以在水、油或带有腐蚀性的液体中工作，这是一般金属零件无法与其相比的。 6.减振、隔音性能好 塑料是现代工业中减振隔音性能极好的材料，不仅可以用于高速运转机械，而且还可以用作汽车中的

3、一些结构零部件，例如一些轿车已经开始采用碳纤维增强塑料制造板簧。,此外，许多塑料还都具有透光和绝热性能，或可以与金属一样进行电镀、着色和焊接，从而使得塑料制品能够具有丰富的色彩和各种各样的结构形式。另外，许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射以及耐瞬时烧蚀等特殊性能。,塑料虽然具有以上诸多优点，但它们还有一些比较严重的缺陷至今未能克服，如绝对强度低；对温度的敏感性较高，不耐热，容易在阳光、大气、压力和某些介质作用下老化；收缩率波动范围较大，塑料制品的精度不容易控制；长期受载荷作用会产生“蠕变”等。正是由于以上缺陷的存在，严重地影响了塑料的应用范围，使得塑料制品在许多领域还不能从根本上取代金属制品。,1.1.2 塑料的组成,塑料是以聚合物为主体，添加各种助剂的多组分材料。根据不同的功能，塑料所用的助剂可分为：增塑剂、稳定剂、润滑剂、填充剂、增强剂、交联剂、着色剂、发泡剂等等。塑料中的各种主要助剂及其在塑料中的作用如下：,1.聚合物,聚合物是塑料中配方中的主要成分，它在塑料制品中为均匀的连续相，其作用在于将各种助剂粘合成一个整体，使制品能获得预定的使用性能。在成型物料中，聚合物应能与所添

4、加的各种助剂共同作用，使物料具有较好的成型性能。聚合物决定了塑料的类型和基本性能，如物理、化学、机械、电、热等方面的性能。单一组分的塑料中，聚合物几乎是100%；在多组分塑料中，聚合物含量约占30%90%。,2.增塑剂,为了改善聚合物熔体在注射成型过程中的流动性，常常需要在聚合物中添加一些能与聚合物相溶并且不易挥发的有机化合物，这些化合物统称为增塑剂。增塑剂加入聚合物后，其分子可插入到大分子链之间，并因此而削弱聚合物大分子之间的作用力，从而导致聚合物的粘流温度和玻璃化温度下降，粘度也随之减小，故流动性可以提高。增塑剂加入聚合物后，还能提高塑料的伸长率、抗冲击性能以及耐寒性能，但其硬度、强度和弹性模量却有所下降。,3.稳定剂 为了防止或抑制不正常的降解和交联，需要在聚合物中添加一些能够稳定其化学性质的物质，这些物质称为稳定剂。根据发挥作用的不同可分为热稳定剂、抗氧化剂和光稳定剂。生产中，稳定剂的添加量一般大于2%，也有少数情况下高达5%。 4.润滑剂 为了改善塑料在注射成型过程中的流动性能，并减少或避免塑料熔体对设备及模具的粘附和摩檫，常常需要在聚合物中添加一些必要的物质，这些物质统称为

5、润滑剂。它还能使塑料表面保持光洁。,5.填充剂 填充剂又称填料，通常对聚合物呈惰性。在聚合物中添加填充剂的主要目的是为了改善塑料的成型性能、减小塑料中的聚合物用量以及提高塑料的某些性能。 6.交联剂 亦称硬化剂，添加在聚合物中能促使聚合物进行交联反应或加快交联反应速度，一般多用在热固性塑料中。可以促使制品加速硬化。 7.着色剂 添加在聚合物中可使塑料着色的物质统称为着色剂。它们可以分为无机颜料、有机颜料和染料三种类型。着色剂用量一般为0.01%0.02%,一味提高用量并不能加重色泽和鲜艳程度。,8.发泡剂 添加在聚合物中，可使塑料形成蜂窝状泡孔结构的物质叫做发泡剂。它主要用来增大塑料制品的体积和减轻重量，同时也可提高防振性能。发泡机理可分为物理发泡和化学发泡两种类型。物理发泡通过液体发泡剂蒸发膨胀实现，化学发泡通过发泡剂受热分解产生气体实现。 9.其他助剂 其他助剂主要有阻燃剂、驱避剂、防静电剂、偶联剂和开口剂等。,1.2 塑料的分类,塑料是一个庞大的家族，分支多，分类方法很多。最常用的分类方法有以下两种： 1.2.1 按聚合物的热性能分类 按塑料中聚合物的分子结构和热性能可以将塑料分

6、为热塑性塑料和热固性塑料两大类。,1.热塑性塑料,其聚合物的分子结构呈线型或支链状线型，因此受热后比较容易活动，外征表现为变软。将该类塑料升温熔融为粘稠液体后施加高压，便可以充满一定形状的型腔，而后使其冷却固化定型成为制品。如果再将其加热又可进行另一次塑料成型，如此可以反复地进行多次。在成型过程中，该塑料主要是发生物理变化，仅有少量化学变化（热降解或少量交链），其变化过程基本上是可逆的。一般的热塑性塑料在一定的溶剂中可以溶解。常见的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS、聚甲基丙烯酸甲脂（有机玻璃）、聚甲醛、尼龙、聚碳酸脂、聚砜、SAN等。,2.热固性塑料,热固性塑料在尚未成型时，其聚合物为线型聚合物分子，但是它的线型聚合物分子与热塑性塑料中的线型聚合物不同，其分子链中都带有反应基因（如羟甲基等）或反应活点（如不饱和链等）。成型时，塑料在热和压力作用下充满型腔的同时，这些分子通过自带的反应活点与交联剂作用而发生交联反应，随着塑料温度的升高和交联反应程度的加深，原线型聚合物分子向三维发展而形成网状分子的结构量逐渐增多， 最终形成巨型网状结构。所以热固性塑料制品内部聚合物为

7、体型分子，它是既不熔化双不溶解的物质，若被高温加热时只能烧焦。由此可见，热固性塑料耐热变形的性能比热塑性塑料的好。 常见的热固性塑料有酚醛，脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚脂等。,1.2.2 按塑料的用途分类,若按用途分类，塑料可分为通用塑料和工程塑料两大类。 1.通用塑料 通用塑料，般指产量大、用途广、成型性能好、价格低廉的塑料，它包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、氨基塑料等六大品种。通用塑料般不具有突出的综合性能和耐热性，不宜用于承载要求较高的构件和在较高温度下工作的耐热件。,2.工程塑料,工程塑料，一般指机械强度高，可代替金属而用作工程材料的塑料，如制作机械零件、电子仪器仪表、设备结构件等。这类塑料包括尼龙、聚甲醛、ABS、聚砜(PSF)等。工程塑料又可分为“通用工程塑料”和“特种工程塑料”。一般把产量大的工程塑料称为“通用工程塑料”，如尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛及其改性产品等，通常所说的工程塑料一般指这一部分。把生产数量少、价格昂贵、性能优异，可做结构材料或特殊用途的塑料称为“特种工程塑料”，如氟塑料、聚酰亚胺塑料、聚四氟乙烯、环氧树脂、导电塑料、导磁塑料、导热塑料等。

8、,其实，通用塑料和工程塑料的划分范围并不很严格，如ABS是一种主要的工程塑料，但由于其产量大，所以也可划入通用塑料；聚丙烯是典型的通用塑料，而增强的聚丙烯因其有工程塑料的某些特性，故可划入工程塑料的范围。,1.3 塑料模的功用与分类,1.3.1 塑料模的功用 在高分子材料加工领域中，用于塑料制品成形的模具，称为塑料成形模具，简称塑料模。在塑料材料、制品设计及加工工艺确定以后，塑料模设计对制品质量与产量就具有决定性的影响。首先，模具结构均对制品尺寸精度和形状精度以及塑件的物理力学性能、内应力大小、表观质量与内在质量等，起着十分重要的影响。其次，在塑件加工过程中，塑料模结构的合理性，对操作的难易程度具有重要的影响。再次，塑料模对塑件成本也有相当大的影响，除简易模具外，一般说来制模费用是十分昂贵的，大型塑料模更是如此。,在现代塑料制品生产中，合理的加工工艺、高效率的设备和先进的模具，被誉为塑料制品成形技术的“三大支柱”。尤其是塑料模对实现塑件加工工艺要求、塑件使用要求和塑件外观造型要求，起着无可替代的作用。高效全自动化设备，也只有装上能自动化生产的模具，才能发挥其应有的效能。此外，塑件生产与

9、产品更新均以模具制造和更新为前提。,我国塑料工业的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，国内塑料模具市场以注射模具需求量最大。近年来，人们对各种设备和用品轻量化要求越来越高，这就为塑料制品提供了更为广阔的市场。塑料制品要发展，必然要求塑料模具随之发展。汽车、家电、办公用品、工业电器、建筑材料、电子通信等塑料制品主要用户行业近年来都高位运行，发展迅速，这些都会导致对模具的需求量大幅度增长，促进塑料模具也快速发展。,1.3.2 塑料模的分类,按照塑料制品成形主要方法的不同，塑料模具的类型很多，主要有注射模、压注模、压缩模、挤出模、吹塑模、真空成型模和热压印模等。 1.注射模 通过注射机的螺杆或活塞，使料筒内塑化熔融的塑料经喷嘴与浇注系统注入型腔，并固化成型所用的模具，称为注射模。注射模主要用于热塑性塑料制品成形，近年来也越来越多地用于热固性塑料制品成形。这是一类用途宽、占有比重大、技术较为成熟的塑料模具。,2.压缩模 使直接放入型腔内的塑料熔融，并固化成型所用的模具，称为压缩模。压缩模主要用于热固性塑料制品的成形，但也可用于热塑性塑料制品成形。另外还可用于冷压成形聚四氖乙烯塑件，此种模具称为压锭模。 3.压注模 通过柱塞，使加料腔内塑化熔融的塑料经浇注系统注入闭合型腔，并固化成型所用的模具，称为压注模。压注模多用于热固性塑料制品的成形。,4.挤出模 用于连续挤出成形塑料型材的模具，通称挤出模，也称为挤出机头。这是又一大类用途很宽、品种繁多的塑料模具。主要用于塑料棒材、管材、板材、片材、蒲膜、电线电缆包段、网材、单丝、复合型材及异型材等的成形加工。也用于中空制品的型坯成形，此种模具称为型坯模或型坯机头 。,1.4塑料模具材料及其选用,1.4.1 塑料模成型零件材料要求 塑料模成型零件材料选用的要求如下。 1.机械加工性能良好 要选用易于切削，且在加工后能得到高精度零件的钢种。为此，以中碳钥和中碳合金钢最常用，这对大型模具尤其重要。对需电火花加工的零件，还要求该钢种的烧伤硬化层较薄。,2.抛光性能优良 注射模成型零件工作表面，多需抛光达到镜面，Ra0.05m，要求钢材硬度3540HRC为宜，过硬表面会使抛光困难。钢材的显微组织应均匀致密，较少杂质，无疵瘢和针点。,3.耐磨性和抗疲劳性能好 注射模型腔不仅受高压塑料熔体冲刷，而且还受冷热交变的温度

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