第1章 塑料成型技术的基本知识

第1章塑料成型技的基本知识读书不是为了雄辩和驳斥，也不是为了轻信和盲从，而是为了思考和权衡。——培根10/16/2023第1章塑料成型技术的基本知识作为塑料模具设计人员，了解塑料的基本性能以及有关塑料成型的基本知识，对设计出结构合理易于成型、高质高效低耗的塑料结构件来说是十分必要的。10/16/2023第1章塑料成型技的基本知识1.1塑料的基础知识1.2塑料的使用性能1.3热塑性塑料的成型性能1.4塑料的注射成型过程1.5塑料注射成型机1.6塑件结构设计的基本知识10/16/20231.1塑料的基础知识塑料的定义

塑料是以高分子合成树脂为主要原料加上旨在改善和提高其性能的各种添加剂制成的合成材料。塑料的组成

塑料由合成树脂、各种添加剂如填充剂（填料）、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂和固化剂等共同组成。10/16/20231.1塑料的基础知识树脂决定着塑料的性质和类别，是塑料中最主要的原料。填充剂有增量作用以减少合成树脂的比例，利于降低成本，同时还有改善性能的作用。增塑剂可改善塑料的成型性能，降低刚性和脆性即增加塑性、流动性和韧性。稳定剂可以抑止和防止降解，它可分为三种即1）热稳定剂—防止受热而降解；2）光稳定剂—防止因受光而降解3）抗氧化剂—防止发生氧化而加速降解4）着色剂—主要起装饰美化作用，但同时还可提高塑料的光和热的稳定性和耐候性。10/16/20231.1塑料的基础知识塑料的分类1.按合成树脂的分子结构分类1）热塑性塑料

是由可以多次加热加压，反复成型，具有一定的可塑性的合成树脂的各种添加剂、着色剂制成的塑料。在反复加热加压的多次成型过程中，只有物理变化而无化学变化；其变化过程是可逆的；其分子结构是线性或者支链型的二维结构聚合物。10/16/20232）热固性塑料

与前者相比主要不同处是：不但合成树脂有所不同，而且在添加剂中还加入了固化剂。因此在加热成型过程中，当温度达到使固化剂产生化学变化的温度时，其分子结构从线型结构或支链型结构变为网状的交联体形三维结构而固化，再加热也不再变化。整个成型过程中既有物理变化也有化学变化，其过程是不逆的。图1.1聚合物分子结构10/16/20232.根据塑料的用途分类1）通用塑料即普通的易于成型、产量大，用途广而又廉价类的塑料如最常用的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料2）工程塑料即可成型工程结构件一类的塑料。较之前者有强度高、尺寸稳定，在高温下变形小，能保持良好的性能如ABS、尼龙、聚甲醛等。3）特种塑料即有特种功能的塑料。如耐高低温、高冲击、具有高强度的塑料；具有导电、或超导功能的塑料（导磁、吸波、光敏）等。10/16/20231.2塑料的使用性能塑料的使用性能包括物理性能（密度、吸水性、透光性能）、力学性能（强度韧性、硬度等）、化学性能（抗腐、抗老化）等、热性能（膨胀系数、导热率、耐热性、熔体流动速率、热稳定性等）以及电性能（电阻率、介电强度、介电耗损等绝缘性能）。10/16/20231.2塑料的使用性能一、塑料及其制品的优点（1）相对密度低：

最轻的塑料泡沫0.01～0.05g/cm3；普通塑料的相对密度0.9～2.3；木材0.28～0.98；飞机火箭之类要求减轻重量的制品中—特殊重要作用（2）比强度高（材料的强度与材料的相对密度比值）

在各种材料中，塑料材料具有最高的比强度，甚至比特种合金铝还要高，在一些既要求减重又要求高强度的中、低载荷使用环境中，塑料材料是最合适的材料品种，如各种交通工具中的结构部件，都可用相应的塑料代替；在汽车工业中，塑料结构件的使用量已达到6％以上，而且正逐步增长；在飞机、轮船及航天工具上，使用塑料材料减重的意义更加巨大10/16/2023（3）有优良的电绝缘性能

大部分塑料的体积电阻率都可达到绝缘材料（>109Ω·cm）的要求，是优良的绝缘材料。（4）有良好的耐腐蚀性能

具有很高的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性仅次于玻璃及陶瓷材料。在塑料中，聚四氟乙烯的耐腐蚀性最好，可耐各种强酸、强碱及强氧化剂，其他塑料不行。（化工管道、容器及需要润滑的结构部件）（5）具有防震、隔热、隔音性能

塑料尤其是泡沫塑料同时具有优异的防震、隔热、隔音性能，只有木材具有相近的性能，而其他材料都无可比拟。在防震应用上，软质聚氨酯PU、PE、PS泡沫塑料最为常用。隔热常用硬质PU、PS、PF和脲醛（UF）等泡沫塑料。隔音常用PS泡沫塑料。10/16/2023（6）加工性能好在各种材料中，塑料具有易于加工的特点，它可用各类方法加工，如注射、挤出、压延、中空吹塑、真空吸塑、粉末滚塑等。（7）优异的透光性和防护性，常用作玻璃替代品（8）自润滑性好很多塑料品种都有优异的滋润滑性，如PA、POM等。在很多场合，摩擦接触的结构制品禁止使用润滑剂，以防止污染，如食品、纺织、日用及医疗机械等。用自润滑性塑料材料制造运动型结构制品，不经润滑即可正常运动，而且可避免污染，如日常生活中的拉链，常选用具有自润滑性的PA和POM.10/16/20231.2塑料的使用性能二、塑料的缺点（1）机械强度低

与传统的工程材料相比，塑料的机械强度低，即使用超强纤维增强的工程塑料虽强度会大幅度提高，并且比强度高于钢，但在大载荷应用场合，如拉伸强度超过300MPa时，塑料材料仍满足不了需要。此时只好用高强度金属材料或超级陶瓷材料了（2）尺寸精度低

由手塑料材料的成型收缩率大且不稳定，塑料制品受外力作用时产生的变形（蠕变）大，热膨胀系数比金属大几倍。因此，塑料制品的尺寸精度不高，很难生产高精度产品。对于精度要求高的制品，建议尽可能不要选用塑料材料，而选用金属或高级陶瓷。10/16/2023（3）耐热温度低

塑料的最高使用温度一般不超过400℃，而且大多数塑料的使用温度都在100一260℃范围内；只有不熔聚酞亚胺、液晶聚合物、聚苯醋(AP)、聚硼二苯基硅氧烷(PBP)的热变形温度可大于300℃。因此，如果使用环境的温度长时间超过400℃，几乎没有塑料材料可供选用；如果使用环境的温度短期超过400℃，甚至达到500℃以上，并且无较大的负荷，有些耐高温塑料可短时使用。不过以碳纤维、石墨或玻璃纤增强的酚醛等热固性塑料很特别，虽然其长期耐热温度不到200℃，但其瞬时可耐上千度高温，可用作耐烧蚀材料，用于导弹外壳及宇宙飞船面层材料。10/16/20231.3热塑性塑料的成型性能

塑料具有独特的成型性能，如有良好的可挤压性、可模塑性、可延展性。根据这些特性塑料可制作成形状复杂的结构件。一塑料的流动性

塑料在相当的高温下会成为熔融状态，这时在较大压力推动下，经过浇注系统注射到模具型腔中，这些都是由塑料的流动性来实现的。但由于塑料分子结构的不同、模具的结构的差异引起的流动阻力的变化，以及在注射过程中所选用的温度、压力等的因素都真接影响塑料的流动性。①分子结构不同流动性能也不同。分子量小、表现黏度小及流动比大的塑料，它的流动性能就好，如聚乙烯、聚丙烯及尼龙等。分子量大的塑料黏度较高，其流动性就差一些，如聚矾、聚碳酸酯等。流动性好的塑料在注射成型过程中则容易跑料，即产生溢边。因此在模具的配合面的间隙要小一些。

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②模具结构的影响。流道的形式、流道长度以及型腔形状比较通畅的，能减小融料流动阻力，塑料的流动性则好。比如增大流道截面积，可使物料流动顺畅；但如果过大，则必然加大塑料损耗和延长成型固化时间，增加成本。所以流道的结构形式应选用其截面积最大且表面积较小的。从流动性、热传导性的角度考虑，流道的截面积的形状以圆柱形的最为优越，其次是梯形和矩形，且流道长度应尽量缩短。③增加注射压力，提高流道及型腔、型芯的光洁度，可减少流动摩擦，减少压力降亦可提高其流动性。④融料温度较高则它的流动性增大（但有限度）10/16/2023二塑料的结晶性

热塑性塑料在其冷凝时视其有无出现结晶现象可分为结晶性塑料和非结晶性塑料（无定型塑料）两类。结晶性塑料在成型时，因塑料分子在熔融状态到冷凝的过程，由完全处于无序状态的独立运动，并逐渐按略微固定的位置造成的分子定向使分子沿流动方向被拉伸，并趋向于恢复原来的正规排列状态而引起收缩，固定向引起的内部变形越大，则因这种分子定向的缓和到逐渐固化所引起的收缩就越大。结晶性塑料由于分子结构的不同，因此在注射成型过程中应注意以下几个问题：①结晶性塑料的熔点范围窄，应注意控制进料温度；②料温上升到成型温度所需热量大，应选用塑化能力大的设备；③控制和调节模温并应充分冷却；④成型收缩率大，并易发生缩孔气孔10/16/2023三塑料的收缩性

塑料注射成型过程是在较高温度下将熔融的熔料注入型腔内，固化、冷却后成型。这样由于热胀冷缩的作用，其尺寸必然收缩，即塑件尺寸小于模具相应的尺寸。所以在模具设计时必须把塑件的收缩量补偿到模具相应的尺寸中去，这样注射成型的塑件才能符合蓝图尺寸的要求。塑料的收缩率一般是指塑件的成型收缩量，成型收缩量与塑件在成型状态下的直线尺寸之比来表述；若按百分比表述叫做它的实际收缩率S实，如图1.2所示。设D为室温下模具的直线尺寸，D‘为塑件在成型状态下的直线尺寸。当塑件冷却后，从模腔中脱出，其成型收缩量=D’-M,那么，这时的成型收缩率为：图1.2成型收缩率计算10/16/2023（1－1）（1－2）——实际收缩率，％；——计算收缩率，％；——塑件在成型状态下的直线尺寸，mm——室温下塑件的直线尺寸，mm——室温下模具的直线尺寸，mm通常D’接近于D,所以通常采用公式（1-2）来进行型腔和型芯的计算。式中：10/16/2023（1－3）——成型零件设计制造的公称尺寸，mm；——塑件的公称尺寸，mm；——该塑件的成型收缩率；％式中：各种塑料的收缩率是各不相同的，即使是同一种牌号的塑料的收缩率由于成型条件的不同而不同，所以说收缩率是一个在一定范围内波动的变数或约数。10/16/2023影响热塑性塑料成型收缩的主要因素如下：①塑料的品牌不同，收缩率不同，可以认为软质的塑料的热膨胀系数较大，因而成型收缩率也越大，而结晶性塑料也比非结晶性塑料收缩率大。②与塑件形状有关。如壁厚塑件比壁薄塑件收缩率大，内孔比外形的大，形状简单的比形状复杂的大等。③与流动方向有关。一般说来与进料方向平行的尺寸比与进料方向垂直的收缩率大，而热塑性增强塑料则表现为沿料流方向的收缩率小，垂直方向收缩率大。浇口截面积大的则收缩率小，距浇口较近的收缩率较小。④与成型条件有关。模具温度高收缩率大，料温高收缩率小，注射压力大的收缩率小，冷却速度快、冷却时间长的收缩率小等。10/16/2023四塑料的热敏性和水敏性

塑料的热敏性指在加工状态下，受热易引起热分解。具有热敏性的树脂代表为聚氯乙稀（PVC）、聚甲醛（POM）等。为防止热敏性塑料在加工中分解，需在配方中加入热稳定剂。在选用设备和模具设计中，对热敏性塑料应注意如下：①尽可能不用点浇口；②螺杆压缩比要小。塑料的水敏性指在加工中，水分含量较大时会引起水解反应的。具有水敏性的代表品种为聚酰胺（PA等。这类塑料在加工前一定要好好干燥，尽可能降低含水量。10/16/20231.4塑料的注射成型过程10/16/20231.4塑料的注射成型过程10/16/2023S1如图0.2所示，料斗1中的塑料落入己被加热器5加热的料筒8和螺杆9之间后，被旋转的螺杆推送至喷嘴6一端，在液压缸活塞10的推动下，通过螺杆将推送过程中已被加热并在摩擦、剪切作用下预塑为熔融状态、具有良好可塑性和流动性的塑料粘流体，射入正对喷嘴且已完全密合的成型模具之中，经由模具的浇注系统流入并充满型腔，再经保压冷却，固化定型后开模，取出制品，完成注射成型工艺的一次循环。1料斗；2螺杆转动传动装置；3注射液压缸；4传动系统；5加热器；6喷嘴；7模具；8料筒；9螺杆；10活塞图0.2螺杆式注射机注射成型图10/16/2023从塑料熔体注射入模具开始，经充满模腔、冷却、固化、定型，直至塑件从模腔内脱出的过程。该过程可分为如下四个阶段：1．充模阶段0～t1从柱塞或螺杆开始推动熔料起至塑料充满型腔为止。在该过程中起决定作用的是注射压力，它决定充模时间。快速充模：注射压力较大时，熔体通过喷嘴、主流道、分流道及浇口时产生大量摩擦而使温度升高，可得到强度及外观很好的塑件。慢速充模：注射压力较小时，先进入模腔的塑料温度下降，黏度提高，当熔料温度降至软化点以下时，固化时会有冻结的取向分子，影响塑件强度，甚至出现裂纹。

10/16/20232．保压阶段t1～t2从熔体充满型腔起至柱塞或螺杆撤回为止。熔体在型腔内冷却收缩，在柱塞或螺杆的稳压下，料筒内的熔料向模内继续填充以补充因收缩而留出的空间。该阶段对于提高制品密度，克服制品表面缺陷（缩孔、凹陷、气泡等）有重要作用。保压的作用：一是防止模具中熔融塑料的逆向倒流，造成制品表面缺料成为废品；二是为了补充型腔内的塑料因冷却收缩不足之需要。防止制品出现凹陷、皱纹、缺料等成型缺陷。3．倒流阶段t2～t3从螺杆或柱塞后退开始到后退结束为止。因型腔压力大于流道压力，熔体会倒流，模腔压力迅速下降，当浇口处熔体凝结时倒流结束。4．冷却阶段t3～t4熔料凝结后制品的冷却阶段。该阶段对制品的脱模、表面质量和挠曲变形等有很大影响。10/16/2023两板式模具工作流程10/16/202310/16/202310/16/20231.4塑料的注射成型过程10/16/20231.4塑料的注射成型过程柱塞式注射机柱塞式注射机是通过柱塞依次将料筒的颗粒状塑料推向料筒前端的塑化室，依靠料筒外的加热器提供的热量，使塑料塑化成黏流状态，并被柱塞注射到模腔中。10/16/2023一注射成型机的分类按塑化方式和注射方式，可分为以下两种。1)柱塞式注射机它是通过柱塞依次将料筒的颗粒状塑料推向料筒前端的塑化室，依靠料筒外的加热器提供的热量，使塑料塑化成黏流状态，并被柱塞注射到模腔中去。2)螺杆式注射机螺杆式注射机的注射装置如图1-3所示。它主要由（1）机座、（2）注射部分（包括螺杆、料筒、料斗、加热环和喷嘴）、（3）合模部分（包括固定模板、移动模板、拉杆、连杆机构、合模液压缸、调整机构和推出机构）、（4）液压传动部分、（5）微机及电器控制系统共五大部分组成。如图0.6所示。1.5塑料注射成型机10/16/202310/16/202310/16/2023按其外形可分为下列几种类型：

(1)立式注射机注射方向向下，合模方向向上，即注射和合模都在同一竖直线上。注射方式是柱塞式，其结构特点是占地面积小，安装和拆卸方便，嵌件及活动型芯易于安放，料斗中的塑料能均匀地进人料筒。

缺点是由于柱塞式送料塑料的塑化不均匀，引起成型压力高，注射速度不均匀，其塑件内应力大，且塑件顶出后需人工取出，效率较低，并难以实现自动化。这类注射机都是小型的，一般的注射容量多在60cm3以下，适宜加工流动性较好的塑料。(2)卧式注射机目前使用最广泛，其注射方向与合模方向都在同一水平线上横卧安装，其注射方式多为螺杆式。它的结构特点是：机体较低，容易操作和加料，开模后顶出的塑件在其重力作用下可自行落下，易于提高生产效率，并可实现自动化操作。它的缺点是，装模和安放嵌件比较麻烦，占地面积大。这类住射机有多种机型，且注射容量范围较大，从30-32000cm3均有系列机型，因此它的使用范围很广，适宜于各种塑件的注射成型。10/16/2023(3)角式注射机它的注射方向向下，与合模方向呈垂直排列，其注射方式是柱塞式。它的优点介于立式和卧式两种注射机之间，它结构简单，使用方便，开模后顶出的塑件亦可自动落下。由于合模方向与注射方向垂直，使模具受力均匀，锁模可靠。

缺点是安放嵌件不便，易倾斜、脱落。这类注射机都是小型的，其注射容量也多在60cm3以下，亦适于加工小型塑件。特别适用于型腔偏在一侧时的模具或塑件中心部位不允许有浇口痕迹的塑件。10/16/2023二注射成型机的选择在模具设计时，必须根据塑件的具体情况，选用合适的注射机。1注射容量注射容量是选择注射机的重要参数，它在一定程度上反映了注射机的注射能力，标志着注射机能成型最大体积的塑料制品。以容量计算时：

V塑≤0.8V注

其中:V注——注射机的最大注射量，cm3

V塑——塑件的总体积(塑件+浇注系统)，cm30.8——最大注射容量的利用系数10/16/2023以质量计算时：G塑≤0.8G注

其中:G注——注射机的最大注射质量，g；G塑——成型塑件与浇注系统质量总和，g；0.8——最大注射容量的利用系数；2.最大成型面积

最大注射面积是指塑件在模具分型面上所允许成型的最大投影面积(cm2),也就是说在模具设计时，布局在模具分型面上的塑件及浇注系统的总投影面积S塑，只能小于这个数据时候才能正常可靠的注射。最大成型面积由以下因素决定：注射机上标定的注射压力是指最大注射压力，但一般熔料经喷嘴注人模具型腔时的注射压力P型（由于压力的损失和截面积的增大），只有注射机最大注射压力的0.25～0.5，一般的型腔压力P型约为35~50MPa.10/16/2023这时在分型面上即动模板上所受到的压力F型为:F型＝P型·S=R·

P机·S但是分型面上所受到的压力应小于注射机上的额定锁模力F锁，否则会因锁模力量不够而产生溢料或强制开模现象，即F型＜P机·SR·

P机·S＜F锁即S＜F锁/(P机·R)式中：S——塑件总投影面积，m2；F锁——注射机额定锁模力，kN；R——损耗系数，一般取R＝0·25～0.5；P机——注射机最大注射压力，MPa。最大成型面积在实际应用中是给定的，在设计模具时必须满足这个条件。10/16/20233模具的闭合高度

注射机动压板的最大行程和压板间最大和最小距离是一个固定的参数。它决定着所能安装的模具的闭合高度。对于所选用的注射机来说，注射模的闭合高度必须符合下列的要求：—允许的最小模厚，mm—实际闭合高度，mm—允许的最大模厚，mm如果H<H小，可采用加备用垫板或者增大模具支块高度的方法来解决合模问题。若H>H大，则模具不能使用。10/16/2023设计注射模具时候，塑件脱模时所要求的开模距离L还要小于注射机压板的最大开距H0,L<H010/16/20234模体的截面尺寸

可安装的注射模外形最大尺才取决于注射机的压板尺寸和拉杆的空间距，因此注射模不应超过压板尺寸，而模具的最短边应小于拉杆空间距，才能将注射模装人注射机，并应留有固定模体的压紧空间。同时，注射模动、定模上的紧固螺栓孔，也应与注射机压板上的标准螺孔一致。10/16/2023

5.模具的顶出注射机的顶出装置通常有中心顶杆顶出、两侧顶杆顶出以及液压顶出几种形式。应在动模座板与注射机顶出位置相对的位置上，设置稍大于注射机顶杆的通孔，以便于注射机顶杆通过。

6.定位环和浇口套定位环是将定模部分装入注射机定压板的定位对中装置，应与注射机的定位孔采取动配合的连接形式，以保证模体对中。浇口套的凹球面应与注射机喷嘴球面相吻合，一般采取凹球面半径稍大于注射机喷嘴半径的方式，使喷嘴孔紧密接触，以防止主流道凝料产生翻边倒拔现象，影响凝料的顺利脱模。浇口套圆锥孔的小端尺寸应大于喷嘴孔的直径0.5～1mm，以防止熔料外溢。10/16/20231.6设计塑料结构件的基本知识

塑料结构件的设计是由它的用途、性能以及外观要求决定的，但是在设计塑料结构件时，应充分考