《塑料成型工艺及模具设计方案》第十章注射模新技术的应用.doc

第１０章　注射模新技术的应用
§1 热固性塑料注射工艺及模具
一、 发展概况
热固性塑料可用来填补热塑性塑料和金属之间的不足。
60年代以前热固性塑料制品一直是用压缩和压注成型，其工艺周期长、生产效率低、劳动强度大、模具易损坏、成本较高。
60年代后，热固性塑料注射成型得到迅速发展，压缩成型工艺在欧、美日等先进国家已逐渐被注射工艺取代。日本85%以上的热固性塑料制品都是以注射成型方法获得的。
我国70年代开始推广应用热固性塑料注射成型工艺，但发展较慢，目前只有3—4%。主要是热固性塑料注射成型的原料需要有特殊的工艺性能（流动与固化的特殊要求）。
国外自70年代开始研制应用无流道凝料注射工艺；还开发成功了热固性塑料注压成型新工艺。（将注射和压缩成型两者优点结合）；80年代又在注压工艺上进一步发展为无流道注压成型工艺。
二、工艺要点及模具简介
热固性注射成型需采用专门的热固性塑料注射机。
1、 热固性塑料注射工艺的要点
（1） 热固性注射原料在注射机料桶中应处于粘度最低的熔融状态。熔融的塑料高速（3～4.5m/s）流经截面很小的喷嘴和模具流道时，温度从７０——９００C瞬间提高到１３００C左右，达到临界固化状态，是物料流动性最佳状态转优化点，此时注射压力在118～235Mpa。

（2） 因热固性塑料中含有
40%以上的填料，粘度与磨擦
阻力较大，注射压力也较大.
（3） 注射原料在固化反应中，
产生气体，型腔排气要好，
避免制品上气泡和流痕。
图12-1为热固性塑料注射模结构
2、 热固性塑料注射模设计要点
（1） 成型时在料筒内没有加热
到足够的温度，希望主流道
断面积小一些，以增加磨擦热。
（2） 因需排除的气体较多，
在模具上要开设专门的排气槽。
（3）要提高模具分型面合模后的接触精度，避免采用推件板式结构，尽量少用镶拼成型零件。
（4）要求模具温度高于注射机料筒温度。制品与型芯之间吸力较大，要提高模具的推出能力。
（5）要求模具成型部位具有较好的耐磨性及较低的表面粗糙度。
（6）热固性塑料注射模在高温、高压下工作，活动型芯推杆等零件中尺寸精度要高，
（7）在注射模与注射机之间加设石棉垫板等绝热材料。
§2无流道凝料成型
无流道系指在浇注系统中无流道凝料，采用绝热或加热法，保持流道塑料处于熔融态。
一、 无流道凝料成型的特点
1、优点：
（1）有利于改善制品的质量，对大型塑料制品当采用直浇口时，减少了残余应力和变形。
（2）因没有流道凝料，减少了原料消耗。
（3）无二次分型（三板式结构）降低了对注射机开模行程的要求。
（4）易于实现自动化操作。
2、缺点：
（1）模具的设计和维护较难
（2）模具费用高，适于大批量生产，高速成型的塑料制品
（3）对制品的形状和使用的塑料有限制
（4）对多型腔模具，采用无流道成型时技术难度较高。
二、 适用范围
（1）塑料对温度不敏感，成型温度范围较宽。
（2）对压力敏感，不施加压力熔体不流动，施加低压力时熔体就能流动。
（3）导热性好，可缩短注射成型周期。比热容低，温度上升和下降迅速。
（4）热变形温度高，能将制品迅速从模具中取出。
§3无流道凝料模具
根据浇注系统方式不同分为：
① 无流道模具
② 绝热流道模具
③ 热流道模具
一、无流道模具
无流道模具是在单型腔模具的基础上发展起来的，单型腔模具一般只有主流道，而无流道模具中没有主流道，注塑机喷嘴进入到距型腔很近的位置，熔、融塑料由注塑机喷嘴射出并直接经浇口进入型腔。开模时，只需将塑件顶出模腔，而没有流道凝料。
无流道模具有井式喷嘴和延伸喷嘴两种。
1、 井式喷嘴
（1）井式喷嘴模具也称带有贮料腔的模具，是最简单的无流道凝料模具。在注塑机喷嘴与模具浇口之间有一贮料腔（图 ）熔融塑料贮存在贮料腔内，当有压力作用时，贮料腔内熔融塑料通过点浇口流入型腔。
井式喷嘴成型是一种连续成型方式，在成型过程中，喷嘴与模具不分开，当成型周期较长或成型温度范围小的塑件，浇口前端容易固化。
井式喷嘴的尺寸
塑件重量（ g ） 40～150 15～40 6～15 3～6
成型周期（ s ） 20～30 15～12 10～9 7.5～6
d(mm) 1.5～2.5 1.2～1.6 1.0～1.2 0.8～1.0
R(mm) 5.5 4.5 4 3.5
a(mm) 0.8 0.7 0.6 0.5
（２） 有的模具结构要求贮料腔长度尺寸较大，为使贮料腔容积不至增大，常采用喷嘴前部深入贮料腔的结构（图１２—４２）
（３） 对成型周期长，浇口可能凝固的塑料，可用图（１２—４３）结构。

2、 延伸喷嘴
使用井式喷嘴成型时，贮料腔内的塑料有国化的可能，特别是浇口处容易被堵塞，将注塑机的喷嘴伸入模具，使其直接与模具的浇口相接，这种伸入模具内的喷嘴称为延伸喷嘴。
延伸喷嘴中，喷嘴前端及浇口处的塑料因距加热筒较远，可能会发生冷凝堵塞现象。一般在延伸喷嘴上安装有加热圈，以调整塑料温度。
图12-45延伸喷嘴
图1２—46、47延伸喷嘴的结构形式
图12-48具有塑料绝热层的延伸喷嘴
图12-49内加热式延伸喷嘴
二、绝热流道模具
1、 普通绝热流道模具
特点：流道的直径较普通模具流道直径大得多，一般为16～25mm，注塑成型过程中，与流道内壁接触的一层塑料因热量损失面凝固，这个塑料凝固层起到了绝热层的作用，阻止了流道内熔融塑料向模具的传热，使流道内塑料始终处于熔融状态。
图12-50为一绝热流道模具结构图
绝热流道模具中，流道内一般没有加热装置，为防止浇口处塑料固化，采用了加热探针的绝热道模具。
２、带有加热探针的绝热道模具
如图12-51带加热探针的绝热流道模具
图12-52探针与流道及浇口的位置关系
加热探针的温度是由可调变压器来控制的，使浇口处熔料的温度变化控制在很小的范围内。
三、 热流道模具
特点：
在模具内设置专门的热流道系统用以控制流道内塑料的温度，使流道内塑料始终处于熔融状态。热流道模具主要用于多型腔成型。
热流道系统一般包括热流道板，热流道柱，主流道衬套，二级喷嘴等，图12-53为热流道模具的结构图。
热流道系统与模具型腔之间采用绝热垫绝热。
在热流道板或热流道柱上设置加热元件时，应对称布置，各加热元件到流道中心的距离应相等。
热流道系统与模具的绝热一般是采用压紧的石棉板或间隙在16mm以上的空气隙实现。
1、 热流道板和热流道柱
热流道板或热流道柱是热流道模具中不可缺少的零件，其作用是构成模具分流道，并加热分流道，使分流道内塑料始终保持熔融状态。
热流道板截面形状为短形，一般内加热方式，将筒形或其它形状加热元件置于其中，热量损失少，加热效率高，但温度不均匀，比较难控制。
热流道柱截面为圆形，一般为外加热式，将圆环形加热元件或线圈电阻套在热流道柱外面。热量损失多，温升慢，温度比较均匀，且容易控制。
因热流道柱上加工安装主流道衬套和二级喷嘴比在热流道板上困难，所以热流道柱用的较少。
热流道板的形式如图12-54，流道直径根据塑件重量而确定，一般取值在6-15mm之间，流道内表面粗糙度要小，过渡部分要光滑，以利于塑料流动，在流道的角落和缝隙处，注意不要积聚塑料，以免经长时间过热而引起塑料分解。
2、 热流道板主流道内塑料的温控
（1）外加热方法 图12-55
主流道衬套前端的螺纹与热流道板连接，主流道衬套外部有环状加热元件对主流道衬套进行加热。
主流道衬套与定模固定板之间最小要留13mm，以利塑料流动。
（2）内加热方式
在热流道板主流道内设置加热探针，探针内为空心结构，其中装有筒式加热元件，图12-56
（3）延伸喷嘴方式
没有主流道衬套，热流道板中主流道长度很短，延长的注塑机喷嘴伸入热流道板并与主流对接。延伸喷嘴外端有环形加热元件，其结构如图12-57。
3、 二级喷嘴
二级喷嘴是介于热流道板和定模型板之间起连接流道作用的零件，外形为圆柱形，以螺纹同热流道板连接，连接处要采取密封措施。
（1）喷嘴前端形式
普通形式喷嘴 图12-58（a）
熔融塑料由二级喷嘴进入定模型板中的流道再经浇口进入型腔。结构简单，喷嘴中心易偏离。
延伸式喷嘴，前部呈锥形，并直接进入定模型板上的锥形凹坑内，图12-58（b）
延伸喷嘴适合于热流道板受热膨胀后，喷嘴中心不偏离定模型板锥形凹坑中心的情况。
（2）绝热方式
1） 半绝热喷嘴
结构如图12-59，为使喷嘴头部与模板不直接接触，之间留有空隙1.6mm，塑料进入该处起到绝热作用。
2） 全绝热喷嘴
在热流道板与喷嘴之间设置滑动压环，使喷嘴与模板不直接接触。另外喷嘴四周侧隙中充满熔融塑料起到绝热作用。如图12-60。
3） 无绝热喷嘴
与模具间没有绝热层，喷嘴与模具直接接触。如图12-58
（3）加热方法
外加热方式—喷嘴外侧设置环形加热器。
内加热方式—流道内设置带有筒形加热元件的探针。
§4气体辅助成形
一、 气体辅助成型的原理
在充模过程中向熔体内注入相对注射压力而言的低压气体（为 几到几十兆帕），利用气体的压力实现保压补缩。如图12-10
成型时道首先向型腔注射经准确计量的熔体，然后经过特殊的喷嘴在熔体充满型腔，充模结束后，熔体内气体的压力保持不变或者有所升高进行保压补料。冷却后排除熔体内的气体，制品便可脱模。
二、 气体辅助成型的分类
1、标准成型法 如图12-12
a、熔体欠料注射 b、进入气体 c、补缩增压 d、排气 e、制品脱模
2、副型腔成型法 如图12-13
a、充模并保压 b、打开副型腔注气 c、关闭副型腔保压 d、排气并脱模
3、熔体回流法 如图12-14
气体注入时，多余的熔体不是流入副型腔，而是流回注射机的料筒。
4、活动型腔法 如图12-15
a、熔体充满型腔并保压 b、注入气体型芯退出
c、气体保压 d、排气、制品脱模
三、 气体辅助成型的优缺点
优点：（1）能够成型壁厚不均匀的制品及复杂的三维中空制品。
（2）能实现低压注成型，制品应力小、变形小、尺寸稳定。
（3）易于成型薄壁制品，减轻制品重量。
（4）注射成型压力低，可在锁模力较小的注射机上成型尺寸较大的制品，模具凹模壁厚也可减小。
缺点：（1）提高了成型设备的成本。
（2）对注射机的精度和控制系统有一定的要求。
（3）制品的表面光泽不均，注入气体和没注入气体部分不一样。
§5塑料模标准化和CAD技术
塑料模标准化是缩短模具设计制造周期，降低模具成本行之有效的方法，是实现塑料模CAD的必要条件。
1、 模具标准化的内容
（1）整体结构的标准化
根据塑件生产所用的设备规格，订出若干种标准典型模具结构和外形尺寸，设计模具时只要选择某一种标准结构，绘制部分模具零件图，其余的模具零件则按标准典型结构预先制造。
（2）常用模具零件的标准化
一般为通用零件，如推杆、导柱、导套、模板等。
（3）通用模架的标准化
目前标准化程度只达到20%
2、塑料模国家标准
（1）塑料成型模具术语（GB8846-88）
（2）塑料注射模具零件（GB4169.１—4169.11—84）
（3）塑料注射模具零件技术条件（GB4170-84）
（4）塑料注射模大型模架标准模架（GB/T12555.1-12555.15-90）
（5）塑料注射模中小型模架标准模架（GB/T12556.1-12556.2-90）
（6）塑料注射模技术条件（GB/T12554-90）
设计注射模应优先按GB/T12555.1、GB/T12556.1和GB/4169.1-4169.11-84选用标准模架和标准模具零件。注射模并应符合GB/T12554-90所规定的技术要求。
二、塑料注射模CAD简介
1、 注射模CAD和工作内容
（1）建立模具信息数据库
存储有模具的典型组合，模具零件尺寸规格、设计标准及注射材料及性能，模具材料和注射机规格等数据。
（2）编制CAD程序
包括注射模具的结构设计的各个环节，如塑料件的图形输入，型腔及型芯设计，模具典型选择；模具零件图设计及尺寸标注等。
（3）编制CAE程序（计算机辅助工程）
包括注射流动模拟，冷却过程模拟及模具强度和刚度分析等。
这三个方面的工作，作为实施注射模CAD的系统方案，大体上分以下四个步骤：
1） 几何造型（塑件几何造型和型腔表面形状生成）
2） 模具结构及模具零件设计
3） 注射成型工艺模拟
4） 与CAM系统接口，生成NC（数据）指令。
2、 注射模CAD的发展概况
目前国内外研制的注射模CAD/CAE/CAM软件有如下方面：
（1）注射模结构强度与刚度分析计算软件
主要用于型腔壁厚与垫板厚度计算。软件所采用的计算方法可分为两类：一类是简易分析法，另一类是有限元分析法。前者计算结果精度较差，后者精度高，但三维型腔有限元分析十分复杂，一般将三维问题化为二维进行分析计算。
（2）注射模浇注系统设计
利用计算机进行分流道尺寸、浇口尺寸设计，保证成型各型腔能同时充满，然后进行注射流动模拟，通过迭代法，对初始设计的流道及浇口尺寸进行修正。
（3）注射模冷却系统设计
利用有限元技术，分析模具在注射成型过程中的应力应变和热交换特性，求出模具内的应力，温度分布和模具在注射过程中的变形，通过迭代法，获得最优化设计，即获得模腔变形最小，表面温度均匀和冷却循环周期最短的管道数，管道分布及管间距离等。
（4）注射成型熔体流动的计算机模拟
利用数值分析技术，流体动力学和材料流变特性分析及有限差分法和有限元法等数学手段，研究出二维流动或三维流动分析程序，应用计算机进行注射过程动态模拟，预测种种因素对充模过程的影响，确定各个阶段的压力场、温度场和最佳工艺参数，以提高试模一次成功率。
（5）注射模CAD/CAE/CAM集成系统
该系统由CAD、CAE、CAM三部分软件组成。
1） CAD软件
可由塑件的零件图得到该塑件的全套模具图
2） CAE软件
3） CAM软件
利用CAD阶段所得到的型腔或型芯几何模型，在此基础上获得刀具轨迹软件，从而获得控制数控机床的NC纸带。
* 美国的PSP公司的IMES专家系统——解决模具质量问题
* 德国IKV研究所的CADMOULD系统——用于注射模的流动，冷却分析和力学性能校核。
* 华中科技大塑料注射模CAD系统HSC-1——包括塑件三维形状输入程序，流动模拟，冷却分析，模具型腔强度与刚度校核程序。
* 中华全国轻工总会模具中心的注射模模架图形库系统，注射用塑料性能数据库系统等。
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