第1课 1课时 设计师职业知识——模具塑料及成型工艺

1.1.1 模具成型工艺

由于本书中所讲解的模具是注射模具，其主要材料为塑料，所以要讲解模具的成型工艺，首先来介绍一下塑料的分类和性能，然后再介绍注塑成型的工作原理和工作参数。

1．塑料的分类

目前，塑料品种已达300多种，常见的有30多种。可根据塑料的成型性能、使用特点和微观聚集状态对塑料进行分类。

1）按成型性能分类

根据成型工艺性能，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。

●热塑性塑料。该塑料的分子链为线性或支链型结构，成型加工时发生物理变化，可反复多次加热软化和冷却硬化。常用的热塑性塑料包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

●热固性塑料。该塑料的分子链为体型结构，成型加工时发生化学反应，引起分子间的黏结或交联、硬化或聚合，即使再加热也不能使其恢复到成型前的原始软化状态。常用的热固性塑料包括酚醛、环氧树脂等。

2）按塑料的使用特点分类

根据使用特点，塑料可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。

●通用塑料。该塑料指常用的塑料品种，这类塑料产量大、用途广、价格低，包括聚氯乙烯、聚二烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料6种。其产量占整个塑料产量的80%以上。

●工程塑料。该塑料是具有优良力学性能的一类塑料，它能代替金属材料，可制造承受载荷的工程结构零件。常见的工程塑料包括ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺等。

●特种塑料。该塑料是具有某一方面特殊性能的塑料（如导电、导磁、导热等），用于特殊需求场合。常见的有氟塑料、有机硅等。

3）以高分子化合物的微观聚集状态分类

根据微观聚集状态，塑料可分为结晶型塑料和非结晶型塑料。

●结晶型塑料。在结晶型塑料中，存在树脂大分子的排列呈三相远程有序的区域，即结晶区。一般的结晶型高聚物如尼龙、聚乙烯等，其结晶度为50%～95%。

结晶区的大小对塑料性能有重要影响，通常结晶区越大，分子间作用力越强，塑料的熔点、密度、强度、刚性、硬度越高，耐热性、化学稳定性也越好，但弹性、伸长率、耐冲击性则降低。

●非结晶型塑料。在非结晶型塑料中，组成塑料的大分子链杂乱无章地相互穿插交缠着，无序地堆积在一起。这类塑料的性能主要取决于高聚物本身的特性、分子链的结构、分子量的大小和分子链的长短等因素。常见的非结晶型塑料有ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯等。

2．塑料的性能

塑料的性能主要指塑料在成型工艺过程中所表现出来的成型特性。在模具的设计过程中，要充分考虑这些因素对塑件的成型过程和成型效果的影响。

1）塑料的成型收缩

塑料制件的收缩不仅与塑料本身热胀冷缩的性质有关，而且还与模具结构及成型工艺条件等因素有关，故将塑料制件的收缩通称为成型收缩。收缩性的大小以收缩率表示，即单位长度塑件收缩量的百分数。

设计模具型腔尺寸时，应按塑件所使用的塑料的收缩率给予补偿，并在塑件成型时调整好模温、注射压力、注射速度及冷却时间等因素以控制零件成型后的最终尺寸。

2）塑料的流动性

塑料的流动性是指在成型过程中，塑料熔体在一定的温度和压力作用下填充模腔的能力。

流动性差的塑料，在注塑成型时不易填充模腔，易产生缺料，在塑料熔体的汇合处不能很好地熔接而产生熔接痕。这些缺陷会导致零件报废。反之，若塑料的流动性太好，注塑时容易产生溢料飞边和流延现象。浇注系统的形式、尺寸、布置，包括型腔的表面粗糙度、浇道截面厚度、型腔形式、排气系统、冷却系统等模具结构都对塑料的流动性起着重要影响。

热塑性塑料按流动性可分为以下3类。

●流动性好：有尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维等。

●流动性一般：有ABS、有机玻璃、聚甲醛、聚氯醚。

●流动性差：有聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、氟塑料。

3）塑料的取向和结晶

取向是由于各向异性导致的塑料在各个方向上收缩不一致的现象。影响取向的因素主要有塑料品种、塑件壁厚、温度等。除此之外，模具的浇口位置、数量、断面大小对塑件的取向方向、取向程度和各个部位的取向分子情况有重要影响，是模具设计中必须重视的问题。

结晶是塑料中树脂大分子的排列呈三相远程有序的现象，影响结晶的主要因素有塑料类型、添加剂、模具温度、冷却速度。结晶率对于塑料的性能有重要影响，因此在模具设计和塑件成型过程中应特别注意。

4）吸湿性

吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。在成型加工过程中，当塑料的水分含量超过一定的限度时，水分在高温料筒中变为气体，促使塑料高温分解，导致成型缺陷。

据此塑料大致可以分为两类：一类是具有吸湿或黏附水分倾向的塑料，例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚等；另一类是吸湿或黏附水分极少的塑料，如聚乙烯、聚丙烯等。

5）热敏性

某些热稳定性差的塑料，在高温下受热时间长、浇口截面过小或剪切作用大时，料温增高就容易发生变色、降解、分解的倾向，塑料的这种特性称为热敏性。为防止热敏性塑料出现过热分解现象，可采取加入稳定剂、合理选样设备、合理控制成型温度和成型周期、及时清理设备等措施。另外还可以采取给模具表面镀铝、合理设计模具的浇注系统等措施。

3．注塑成型工作原理

注塑成型又称注射成型，可以用来生产空间几何形状非常复杂的塑料制品。由于其具有应用广、成型周期短、生产效率高、模具工作条件可以得到改善、制品精度高、生产条件较好、生产操作容易实现自动化和机械化等诸方面的优点，因此在整个塑料制品生产行业中占有非常重要的地位。

利用塑料的可挤压和可模塑性，首先将松散的粒料或粉状成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔解塑化，使之成为黏流态熔体；然后用柱塞或螺杆压缩并推动塑料熔体向前移动，使熔体以很大的流速通过机筒前端的喷嘴，并以很快的速度注射进入温度较低的闭合模具型腔中；经过一段保压冷却成型时间后，开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制品。

4．注塑成型工艺参数

注塑成型工艺的核心问题，就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔体，并将塑料熔体注射到型腔中，在控制条件下冷却成型，使塑料达到所要求的质量。注塑成型需要具备三大工艺条件，即温度、压力和成型时间。

1）温度

注塑成型过程需控制的温度主要包括模具温度和料温。

（1）模具温度。

模具温度直接影响塑料熔体的充模能力以及塑件的内在性能与外观质量。通常，提高模具温度可以改善熔体的流动性、增强制件的密度和结晶度及减小充模压力。但制件的冷却时间、收缩率和脱模后的翘曲变形将会延长和增大，且生产效率也会因冷却时间的延长而下降。因此模具冷却系统的设计对于塑件的成型质量和成型效率有非常重要的影响，是模具设计中需要特别注意的问题。

（2）料温。

料温指塑化物料的温度和从喷嘴注射出的熔体温度。其中，前者称为塑化温度，后者称为注射温度，分别取决于料筒和喷嘴两部分的温度。

料温应根据塑料的熔点和软化点、制作的大小、厚薄、成型时间来确定。通常靠近料斗处较低，喷嘴端较高。

2）压力

注塑成型时需要选择与控制的压力包括注射压力、保压力和背压力。其中注射压力与注射速度相辅相成，对塑料熔体的流动和充模具有决定作用。注射压力的大小根据塑料的性能、制件的大小、厚薄和流程长短来确定。在塑料熔体黏度较高、壁薄、流程长等情况下，适合采用较高的注射压力。

3）成型时间

成型时间是指定完成依次注射成型全过程所需要的时间。成型时间过长，在料筒中原料因受热时间过长而分解，制件因应力大而降低机械强度。成型时间过短，会因塑料不完全导致制件易变形。因此，合理的成型时间是保证制件质量、提高生产率的重要条件。

1.1.2 模具结构和类别

下面来介绍一下注塑模具的结构和类别。

1．注塑模具的典型结构

注塑模具由动模和定模两部分组成，动模安装在注射机的移动模板上，定模安装在注射机的固定模板上。成型时，动模与定模闭合构成浇注系统和型腔，开模时动模与定模分离，以便取出塑料制品。根据各部件的作用，注塑模具可分为以下几个基本组成部分。

1）浇注系统

浇注系统又称流道系统，其作用是为塑料熔体提供从注射机喷嘴流向型腔的通道。包括主流道、分流道、浇口、冷料穴、钩料杆等。

2）成型部件

成型部件主要是由型腔和型芯组成。型芯形成制品的内表面形状，型腔形成制品的外表面形状。

3）导向部件

导向部件的主要作用是保证各结构组件相互的移动精度。通常由导柱、导套或导滑槽组成。

4）推出机构

推出机构也称顶出机构，主要作用是将塑件从模具中脱出，以及将凝料从流道内拉出并卸除。通常由推杆（或推管、推环、推块、推板）、推杆固定板、推板、拉料杆、流道推板组成。

5）温控系统

为了满足注射工艺对模具温度的要求，需要温控系统对模具的温度进行调节，对模具进行加热或冷却。针对热塑性塑料注塑模具主要是设计冷却系统模具冷却，常用的方法是在模具内开设冷却水道，利用循环冷却水带走模具冷却时需要散除的热量。对于热固性塑料用注塑模具或热流道模具通常需要加热，可以采取通蒸汽的方法提高或保持模具温度，有时也需要在模具内部和周围安装电加热元件，因此需要在模具内设置加热孔或安装加热板以及防止热量散失的隔热板。

6）排气槽

排气槽的作用是将成型过程中的气体充分排除，防止塑件产生气穴等缺陷，常用的办法是在分型面处或容易困气的部位开设排气沟槽。由于分型面、镶块、推杆之间存在微小的间隙，若它们可以达到排除气体的目的，可不必开设排气槽。

7）侧抽芯机构

对于带有侧凹、侧凸或侧孔的塑件，若将成型部件做成整体，成型完成后塑件将无法脱模。因此需要在模具中设置侧抽芯机构，以便在完成塑件的成型后，该机构能在塑件脱模之前先行让出，保证塑件顺利脱模。

8）模架

模架的主要作用是将各结构件组成整体的连接系统。包括定模座板、定模板、动模板、动模座板等。通常采用标准件，以减少繁重的模具设计与制造工作量。

2．塑料模具的一般类别

塑料模具的一般类别可以按照模具的板型来划分，大致可分为以下几种。

1）两板模（2 PLATE MOLD）

两板模又称单一分型面模，它是注塑模中最简单的一种。但是，其他模具都是两板模的发展，可以说，两板模是其他模具的基础。

两板模以分型面为界将整个模具分为两部分：动模和定模。

两板模的一部分型腔在动模，一部分型腔在定模，主流道在定模部分。分流道开设在分型面上。开模后，制品和流道留在动模，动模部分设有顶出系统以便取出制品，其常用结构如图1-1所示。

2）三板模或细水口模（3 PLATE MOLD，PIN-POINT GATE MOLD）

三板模是由两个分型面将模具分成三部分的塑料模具，它的结构比两板模复杂，设计和加工的难度也比较高。三板模比两板模多了浇口板，适用于制品的四周不准有浇口痕迹的场合，这种模具采用点浇口，所以又叫细水口模具。这种模具结构相对复杂些，启动动力一般使用螺纹机构或拉板机构，如图1-2所示。

3）热流道模具（HOT RUNNER MANIFOLD）

热流道模具是一种新兴的模具类型，它的制作成本相比前两种模具结构都要高，制作复杂，不易加工。但是热流道模具有很多无可比拟的优点，例如热流道模具借助加热装置使浇注系统中的塑料不会凝固，也不会随制品脱模，所以更有利于节省材料和缩短周期。所以，热流道模具又称无流道模。

热流道模具具有以下优点。

●无废料产生。

●可降低注射压力，可以采用多腔模。

●可大幅缩短成型周期。

●可大幅提高制品的品质。

但是，并不是所有的塑料都适合使用热流道模具进行加工的，适合热流道模具的塑料必须具有以下特点。

●塑料的熔融温度范围较宽，在处于低温状态时，流动性好；高温状态时，具有较好的热稳定性。

●用于热流道模具的塑料对压力相对敏感，不加压力不流动，当施加压力时即可流动。

●比热小，易熔融，而且又易冷却。

●导热性好，以便在模具中很快冷却。

目前，用于热流道模具的塑料有：ABS、PC、PE、POM、HIPS、PS等。目前常用的热流道有以下两种。

●加热流道模具：参见图1-3。

●绝热流道模具：参见图1-4。