塑料制品与模具设计（二）

塑料制品与模具设计（二）高分子教研室第一章塑料制品设计和成型塑料制品设计首先要确定制品的功能和性能指标，再选择合适的材料，从而决定成型加工工艺。然后进行制品结构的设计和计算，绘制塑料制品生产图。完善的塑料制品设计还应包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能测试。1.1塑料制品设计原则和方法1.1.1概述塑料件的设计一般可分为三个阶段：（1）拟定设计方案在接受设计任务后，需全面收集有关各种资料和技术数据。进行综合和分析后，需进行以下工作。第一步：科学确定制品的功能和性能。第二步：选择合适的塑料材料。第三步：确定制品的加工方法。第四步：进行失效分析。拟定方案时，要遵循多个方案分析比较和逐步优化的方法。（2）结构设计基本上有功能结构、工艺结构和造型结构三方面。功能结构确定使用功能实现的制品形状、尺寸和壁厚。塑料件结构设计要做静载荷下短时和长期的形变校核；要作动载荷下冲击、疲劳、滞后热和磨损等校核。工艺结构设计是制品生产的前提，关系到质量、生产率和成本。其理论基础就是聚合物流变学。造型设计主要是对塑料制品进行装饰和美化。结构设计主要用工程制图来进行表达、描述，如各种草图、轴测图和三视图等等。现代的电子计算机绘图和三维造型是设计工作的发展方向。（3）生产准备和定型完成了塑料件的图纸设计后，还必须与工艺工程师和模具工程师合作，对制品进行计算机模拟和生产验证，并进行修改，直至定型。注射模塑制品有各种CAE/CAD分析软件。对塑件进行二维或三维造型后，数值模拟注射工艺过程，可获知塑料充模流动、保压冷却、固化收缩和翘曲变形的分析结果。在此过程中，需对塑料件设计进行修正和优化。在塑料制品的设计中，有四条基本原理必须遵循：保证塑料件在使用期限中的功能和性能，在塑料件失效分析基础上，进行理论设计计算机校核，以及试验测试。在保证塑料件的功能和性能前提下选择材料，必须考虑加工的可行和材料成本低廉。聚合物的流变固化过程，及其形态变化对塑料制品的影响必须考虑。大多数塑料件是各种装置和设备中的组成元件，它的设计应统一在整机产品中。在保证整机质量的前提下，降低塑料件的成本。此外，塑料制品的标准化、系列化程度反映了塑料工业的发展水平。1.1.2材料的选择材料的选择不仅要保证制品的功能和性能，还要考虑加工生产成本和供应。从材料手册和材料制造商的说明书可以查到材料信息。材料性能一般包括四个方面：

a.加工性能：熔体流动速率、熔化温度、加工温度范围、注射模塑的压力、固液态的压缩比等

b.力学性能方面：拉伸强度、断裂伸长率、拉伸屈服应力、拉伸模量、弯曲模量等等。

c.热性能方面：线膨胀系数、热变形温度等等。

d.物理性能方面：密度、吸水率、介电强度。各种环境下塑料件的性能下降因素必须考虑，如塑料件在低温下受到冲击，比原材料的抗冲性能下降w％，倘若受到化学试剂的侵蚀，性能又会下降x％．受紫外线辐射影响，又损失Y％的性能；由于振动疲劳又会损失w％的性能。因此塑料件在工作寿命期限内，有w％＋x％＋y%＋z%的总老化损失。此总损失在10％之内被评估为优良的工作玮境。损失30%-40％是差的不耐用塑件。老化总损失>40％是不允许的制品设计。根据工艺安全系数和老化损失系数处理分析，可提出塑料件对原材料性能的数据表，然后对照选用塑料材料品种乃至品级。材料的选择大致有四个步骤：（1）提出塑料件所需性能项目除了前述的加工性能、力学性能、热性能和物理性能外，还有实现各种功能的专项性能。如包装用制品，需提出透明性、抗化学腐蚀，对气体和液体的渗透性。食品包装还要有食用无害要求。室内的日用塑料件应有阻燃性能要求。而室外用品又必须有耐候性等各项抗老化性能。电工塑料件有各种绝缘性能要求。对注射模塑成型制品，应有熔体流动、固化收缩和脱模等有关性能要求。（2）提出对原材料性能项目的最低数值清单（3）初步选定一批候选材料（4）由专门的性能和材料成本最终选定材料1.1.3加工方法的选择热塑性塑料与热固性塑料的加工方法区别很大，需熟知各种加工方法适用的塑料品种。加工方法的选择可以从以下几个方面考虑拟定：①形状简单或复杂、中空或实芯、盘或柱体，②尺寸大小、厚或薄；③材料：刚硬或柔软、发泡或实体、单一或多种组合；④尺寸精度：精密、一般、低的；⑤体积生产率高、中、低；⑥对模具和设备的要求。确定加工方法还须考虑试制塑料制品的周期和费用。更重要的是市场需求所决定的生产批量。在获得相当规模的批量定单后，才可投资昂贵的模具和高效的设备。1.1.3.1热塑性塑料加工(1）挤塑①轮廓挤塑形状：沿轴线连续而截面一定的管、套、棒、板和型材。也可作为半成品的生产，如挤出片或板，再经热成型和机械切削等加工，最终连接成塑料制品。尺寸：长度由附属的切割设备位置决定，塑料管直径可达lm；板宽可达6m。

材料：各种柔软或刚硬的热塑性塑料，填料的添加受稳定性限制，均化差的填料有向表面迁移的现象，挤出热固性塑料是有限制的。精度：取决于材料、形状和尺寸，塑料管和板的壁厚公差取厚度的士(8%~10％），长度方向取偏移角士（2°~5°），一般挤出聚酰胺管材，外径可达士0.05mm。

生产率：取决于挤出参量和模具，可具有高生产率。挤出塑料管可达50m/min，片材可达25m/min，异形材可达5m/min。②线缆包覆挤塑形状：电线、电缆和光纤线缆的包覆挤出，线或芯被拖曳，还有套管式的二次包覆挤出，包覆柔软或发泡塑料．尺寸：热塑性软套管缆绳直径可达200mm。

材料：任何柔软的热塑性塑料或热塑性塑料的弹性体。精度：取决于直径大小，直径公差可达士0.05mm。

生产率：很高，导线包覆可达l000m/min。③吹膜挤塑形状：0.25mm以下薄膜．尺寸：吹泡直径可达2.5m

材料：柔软的热塑性塑料，且易于被吹胀和牵引。不同材质的多层共挤的吹塑复合薄膜可用于食品包装。④共挤以上的挤塑过程中、用多个塑化挤出装置提供多种料流，在一个口模中组合挤塑．可挤出复合的塑料管、复合的线缆包覆、复合的中空容器和复合薄膜。已经有五种挤出物料的七层复合制品。材料：共挤关键是各层聚合物间的熔粘。无论是加入有粘接性能的聚合物，还是添加粘接助剂，都要保证各组分之间的化学和物理的相容性。精度：预测和控制厚度方向各组分的厚度是困难的。但制品外形尺寸精度与单体挤出相同。⑤发泡挤塑形状：能挤很厚平片。分成硬质与软质两类。可用作塑料件的型坯尺寸：连续生产。宽度达3m,厚度可达0.5m。

材料：常用的是硬质或软质的聚氨酯发泡塑料，聚苯乙烯发泡塑料和天然或合成橡胶的泡沫体。聚烯烃和聚苯乙烯发泡塑料常用于抗震缓冲包装。生产率：很高。（2）压延形状：连续的薄而宽幅的平面。可经压纹、印花或层压到其他模或织物上。材料：具有较低加工温度的塑料，如聚烯烃和聚氯乙烯。精度：能很好的控制片材的厚度。生产率：很高，但设备昂贵。(3)热成型①单片热成型形状：深度受限制的开放式半充体尺寸：大的表面积和薄的壁厚。适宜于3mm以下璧厚。材料：适当的柔软度。被挤出的热塑性塑料片材。精度：相当粗糙，模具和设备较简易。生产率：较低，但比注射模塑高。最快3min一次循环。②双片材热成型形状：简单外形和浅拉伸的中空制品。尺寸：较大面积，壁厚较均匀。材料：被挤出的热塑性塑料片材，双片的颜色和厚度可不同。精度：粗糙。生产率：较低③连续进料的热成型形状：简单的浅杯、槽板和托盘．尺寸：薄壁小面积。材料：生产线由于挤出成型的热塑性塑料薄片直接连续供料，然后进行间歇的热成型。精度：粗糙。有蜂窝和网格状浅槽的制品变形较小。生产率：很高。流水线配有冲剪。每行多型腔可提高生产率。（4）注射模塑①一般注射形状：几乎没有复杂性限制，允许模具内有不同塑件的成型型腔。金属模具型腔表面的修饰河标记对塑料件是有用的。尺寸：小到不足一克，大到几十千克，没有限制。塑料件厚度与熔体充模流程比有关。小件壁薄，大件壁厚。材料：在一定温度范围内具有适宜流动性的热塑性塑料。精度：可注射高精度的塑件，但比金属零件的尺寸精度低。也有较好的表面质量和尺寸稳定性，但需要高精度的模具和注射机。生产率：中等，循环时间主要有塑件壁厚决定，最短在十几秒内。可增加每模的型腔数来提高生产率。②结构发泡注射形状：不带深坑的平面状的厚壁制品。具有封闭致密的表层，芯部呈微孔泡沫。尺寸：主要受大面积的锁模力限制，适宜的壁厚在5mm以上。材料：常用是ABS、聚碳酸酯、聚苯醚、和聚烯烃等。玻璃纤维增强的塑料也被使用。制品密度通常为650~800kg/m3。生产率：中等③共注射成型具有两个注射装置，控制两种熔体的充模流动，使塑料件表层和芯部具有不同材质。如表层和发泡的芯部是不同材料：外层是增强材料，内芯是未增强材料。④多工位注射具有两个或更多的塑化注射装置。随行的注塑模具在一个工位上注射后，移至下一个工位注射。将不同品种或不同着色的塑料先后注射成一个塑料件，俗称双色注射，如成型双色数码按键。⑤气体辅助注射可获得中空成型制品，在熔体欠料注射后，注射一定压力的氮气。常用于大型壳体、大型构件和手柄类三维中空制品。此种塑料件设计时要设置气体通道，还要专门的注气装置。（5）中空吹塑形状：中空薄壁的瓶和容器，开口瓶颈大多模塑外螺纹，模塑嵌件是困难的。

尺寸：限制于吹胀比（制品最大外径与型坯外径之比），限制于挤出型皮的长度。

材料：任何热塑性塑料，常用高密度聚乙烯、聚氯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。共挤吹塑可获得专门性能，如将三层回头料置于三层容器壁的芯层。精度：控制壁厚是困难的，，外形轮廓和瓶颈尺寸精度受模具分型面闭合的影响。生产率：较高。（6）浇铸

①静态浇铸：用于聚己二酰胺制品的铸塑，又称单体浇筑尼龙或MC尼龙制品。添加耐磨和增强填料可铸造尼龙轴承等塑件。据甲基丙烯酸甲酯也可浇铸成各色板材。②搪塑：主要用于聚氯乙烯糊塑料，经加热模具对物料胶凝和烘熔，制成中空玩具类的软制品。设备费用低，制品厚度不准确。③滚塑：用液状、糊状或粉状的塑料，放置于二个方向转动并加热的模具内腔。生产球和罐类中空壳体和容器，主要用料有聚乙烯、交联聚乙烯、改性聚苯乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯和聚碳酸酯等。生产周期长，每模周期20~30min。滚塑用设备和模具投资大。1.1.3.2热固性塑料加工热固性塑料和橡胶可以挤出和注射加工，但塑化装置的加热温度需要严格控制，物料停留时间要短。充模流动成型中要加热固化，并须充分的排气。由于设备和模具投资较大，应用有限。（1）压缩和压注模塑对热固性塑料的粉剂或粒子直接放入型腔，加热加压后融熔流动充模，固化交联定型。压注模塑与压缩模塑的主要区别，前者有加料室和浇注系统，有较高的制品质量和尺寸精度。

形状：压注模塑可安放细小嵌件和模塑细长成型孔。制品形状和结构复杂。压缩模塑则尽量避免。

尺寸：范围较大，受压机压力限制。材料：热固性塑料，常用酚醛、氨基和环氧树脂为基体经改性充填物料。

精度：由于较小收缩率和翘曲变形，尺寸精度较高。精度取决于模具精度和加工参量。

生产率：中等偏下。劳动强度大。（2）层压成型将多层附胶片材料叠合送入压机内，在一定温度和压力下压制成层压板。常用树脂是酚醛和环氧。（3）缠卷成型浸有树脂的纤维和织物在芯模上作一定规则的缠卷，然后加热硬化和脱模。常用环氧和不饱和聚酯树脂，与玻璃纤维等复合的制品。用来制造大型的储罐，航空航天飞行器上箱罩和壳体。（4）反应注射（ReactionInjectionMoulding，RIM）

此工艺是将两种具有化学活性的液体，在混合头内以高压对撞快速聚合。胶状流体立即充至密闭模具内固化成所需制品。RIM使用最多的材料是聚氨酯，经改性共混可注射软质或硬质发泡制品、弹性体或纤维增强型的塑件。用于汽车坐垫、方向盘和仪表板等。RIM也适用于聚酰胺、环氧树脂和聚酯等少数材料。RIM设备投资大。注射周期短，生产率高。模具结构简单，可以安放嵌件。1.1.4塑料制品失效分析塑料制品的设计和试验必须考虑三个主要特点：①负载作用于塑料件的负载有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转五种基本类型和它们的组合。塑料结构件载负载下容易产生塑性变形。另外，塑料的各种加工方法都要求塑件壁厚不能过厚。制品设计者追求薄壁组合的形体，以结构设计来提高塑件的刚性。塑料的负载校核计算有短期和长期的区分。塑料件在周期性交变载荷下，不但有疲劳破坏，冲击疲劳破坏，还有应变滞后热的生成。②温度比起金属件，塑料件是对环境温度很敏感的材料。塑料的热变形温度和低温脆化温度限制了塑料件的工作温度。③时间在长期的应力与应变作用下，塑料响应有蠕变和松弛行为。塑料的力学性能是时间的函数，塑料材料的弹性模量随时间增长而降低，粘弹性在塑料制品的设计和应用中必须考虑。塑料制品的性能与其材料的性能有很大差距。这是由于材料性能测试试样和环境条件的局限性。因此，在塑料件的设计过程中，必须进行失效分析来预测实效形式和寿命，以保证使用期内功能和性能满足要求。我们需要正确确定起决定作用的一个或几个主要失效形式进行理论计算和实验预测。下面陈述几种常见的失效形式：①屈服失效屈服点是塑性变形的起点，剪切屈服和银纹屈服是塑料件破坏的先兆。短时静态负载作用的塑料件，以一定的安全系数，用屈服点以下的许用应变或允许应力，作为塑料件上危险截面上的极限应变或极限应力。②蠕变和松弛失效负载长期作用的塑料件产生过大的蠕变形态，最终会蠕变断裂。蠕变塑料件的材料，其弹性模量称蠕变模量或表观模量，随着时间增长而下降。用蠕变模量计算塑料件上最大的变形量，应该小于塑料件工作寿命期的极限变形量。压力装配的连接件有和预应力的密封件，应力松弛会使连接松动，密封失效。③冲击失效冲击下塑料件的形变和断裂是常见失效形式。冲击负载的作用时间极短，塑料件的变形速率很高。材料、取向、缺口、温度和冲击速度都影响着塑料件的冲击性能。脆性聚合物与弹塑性聚合物及其复合塑料，有不同的冲击断裂机理。④疲劳失效长期的交变应力作用下，疲劳裂纹的生成和扩展导致塑料件最终断裂。各种塑料的抗疲劳性能有较大差异。疲劳破坏是塑料齿轮和传动带等传动零件，也是交通工具上受振塑料件的失效形式。使塑料件疲劳破坏的交变载荷的作用频率在10Hz以下，过高的频率会产生力学致热的失效。⑤力学致热在振动负载的激励下，塑料响应之后使一部分能量以热的形式被耗散。单位时间产生的热量与振动频率、应变幅和损耗角正切成正比。一旦塑料件的工作系统失去热平衡，塑料件就会软化失效。⑥环境失效气体和液体对塑料制品的渗透、扩散和溶解，会使整体力学性能劣化，并引发环境应力裂缝。化学介质、热、光和氧的环境导致塑料件逐渐变质老化，缩短了使用寿命。⑦摩擦与磨损摩擦使运动塑料件的工作能量有损失，导致塑件表面材料的损失和损伤。磨损破坏了塑件摩擦表面的性能、形状和尺寸精度。伴随产生的塑性变形，热软化和热熔化，裂纹和撕裂，使塑件过早丧失表面接触运动功能⑧成型加工形成的损伤熔合缝是模塑成型塑料件的重要缺陷，造成了塑件与原材料的力学性能的差距。模塑成型制品的取向、残余应力和收缩影响塑件的内部质量和表面质量、形状和尺寸精度。

下面介绍四种塑料材料制品的常见失效实例：

聚苯乙烯（PS）

在坠落和冲击时容易断裂。塑料件壁厚应均匀一致，各连接面处应有圆角，且不宜设计嵌件。塑料件中残余应力过大时，会出现应力发白和裂纹，使透明性下降。构件不能受动态的弯曲载荷，不能设计制造弹性夹钳等。PS有较大热膨胀系数。交替的膨胀和收缩力会使塑料件的联结基座产生开裂。蠕变使PS塑料件只有15年到20年的正常工作的期限。热变形和蠕变综合作用灯罩类装饰件