【材料课件】模块十一 热固性塑料注塑模设计.ppt
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1、河南机电高等专科学校:杨占尧,模块十一 热固性塑料注塑模设计,内容简介: 本模块主要讲述热固性塑料的成型方法和特点;热固性塑料注塑模具的设计要点,包括型腔数目的确定、分型面的设计、成型零件的设计、嵌件的安装要求、排气系统的设计等内容; 浇注系统设计,包括主流道、分流道、型腔位置、浇口位置形状尺寸的设计等。,河南机电高等专科学校:杨占尧,模块十一 热固性塑料注塑模设计,学习目的和要求: 1、了解热固性塑料的成型方法特点。 2、掌握热固性塑料注塑模具的设计要点和其浇注系统设计的有关知识。,河南机电高等专科学校:杨占尧,模块十一 热固性塑料注塑模设计,重点: 1、热固性塑料注塑模具的设计要点。 2、
2、热固性塑料注塑模具浇注系统设计。 难点: 热固性塑料注塑模具浇注系统设计。,河南机电高等专科学校:杨占尧,模块十一 热固性塑料注塑模设计,11.1 概述 11.2 模具设计要点 11.3 浇注系统设计,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.1 概 述,热固性塑料可供注塑种类有酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯、DAP塑料、环氧树脂、有机硅、聚酰亚胺和聚丁二烯等。它们都是塑料工业的重要材料。与热塑性塑料相比它们通常有优良的耐热和阻燃性、耐化学性、抗蠕变等,且价格低廉。它们曾长期采用传统的压制成型和压铸成型方法,手工操作繁重,成型周期又长。用先进的注塑成型方法可成倍地提高生产效率。今后,大部分热固性塑料
3、制品将用注塑成型方法生产。,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.1.1 成型方法特点,1生产效率高 与传统的压制和压铸成型相比,热固性注塑时由于塑料先在料筒中经过加热塑化,塑化后的塑料又在螺杆或柱塞推挤下流经喷嘴和浇注系统进一步摩擦加热在进入闭合的模腔后,已经达到了能够快速固化反应的温度。同时,由于采用能够快速固化的塑料,使固化反应时间大大缩短。以壁厚6.35mm塑件为例,采用不同成型方法所需净固化时间分别为: 末预热的粉状料压制成型 60s 高频预热压制成型 40s 高频预热压铸成型 30s 注塑成型 24s,河南机电高等专科学校:杨占尧,值得指出的是,随塑件壁厚增加,采用热固性注塑比压制和
4、压铸成型所需固化时间缩短更明显。图11-1是采用以上3种成型方法,固化时间与塑件壁厚关系比较。经验证明,对于厚壁塑件和带筋塑件,热固性注塑的固化时间比类似的热塑性注塑件冷却变硬时间更短。因此,对于成型大型厚壁塑件,热固性注塑更具有独特优越性。 热固性注塑使生产效率提高,不仅是由于净固化时间减少,也由于不需要对塑料预热和预压(压锭)工序,只需将松散料加入注塑机料斗即可。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,2塑件固化均匀性改善 由于热固性注塑时进入模腔的是已经塑化均匀、内外温度基本一致的塑料,可以使内外层固化比较均匀,而压制成型时加入模腔的是松散或预压为锭的加料,尚
5、需从模壁由热传导从外向里对塑料传递热量,使内、外层有明显温差,外层固化较早较快,内层固化较晚较慢,产生内外层固化程度的明显差别,常常出现外层固化过分内层仍固化不足的现象,对塑件性能不利。由于热固性注塑件在整个断面上固化较均匀一致,赋予塑料良好的电绝缘性能,某些力学性能也得到改善。,河南机电高等专科学校:杨占尧,3劳动条件明显改善 热固性注塑比压制、压铸成型的自动化程度高,使操作人员劳动强度和工作条件都明显改善,特别是向料斗中加料是密闭加料,减少了粉尘飞扬的危害。,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.1.2 注塑工艺特点,热固性塑料注塑成型是一项新技术,还处于发展阶段。其成型模具的设计与注塑工艺
6、、注塑物料和注塑设备密切相关。 (一)工艺特点 热固性塑料注塑有别于热塑性塑料。热固性塑料的注塑料加入料筒,通过螺杆旋转产生剪切热和料筒的外加热,使之在较低温度(约55105)熔融。然后在高压下将稠胶状的物料注入模具。在加热(约达150200)高温作用下,进行化学交联反应,经保压后固化成型。最后开模顶出取得成型制品。,河南机电高等专科学校:杨占尧,1热固性注塑料 热固性塑料的注塑料应经改性后制成粒子、粉状或液态等供应。现今大多以粒子供应,仅环氧注塑料是液态的。对热固性塑料的注塑料有下列要求。 (1)合适的流动性 热固性注塑料的拉西哥流动性般大于200mm。相对分子质量在1000以内的线型分子或
7、具有少量支链型的分子,其流动性最好。木粉作填料的注塑塑料流动性最好,无机填料的流动性较差。玻璃纤维和纺织填料的塑料流动性最差。添加润滑剂可提高流动性,过多固化剂会降低流动性。,河南机电高等专科学校:杨占尧,(2)塑化温度范围宽 一般要求物料在7090能够塑化,具有一定流动性。并要求在注塑机的料筒中存留1530min,具有热稳定性。添加稳定剂可在较低温度下阻止交联固化。这对温流道注塑模成型尤其重要。,河南机电高等专科学校:杨占尧,(3)高温下能快速固化 固化速度快能缩短成型周期,提高生产效率。但过快固化,会造成局部型腔特别是细小部位充填不满。 (4)收缩率要小 比起热固性塑料的压制和压铸成型,注
8、塑料的收缩率最大。因为成型中受到压力最小;且模具温度高,脱模后冷却至室温又再次收缩。另外热固性注塑料的收缩率与填料的种类和含量有关。木粉等有机填料会使收缩率大增。矿物填料,特别是玻璃纤维充填的注塑料收缩率较小。过大的收缩率使制品尺寸变化大,又易产生变形翘曲。模具设计收缩率仍以模具和制品在室温条件下的尺寸计算。由于该收缩率与注塑料品种和配方关系很大,通常又含有40以上填料,收缩率应由生产厂的注塑料说明书或试验确定。,河南机电高等专科学校:杨占尧,2热固性塑料注塑机 热固性塑料注塑应该用专门的注塑机。这种注塑机与常用的热塑性塑料注塑机主要有两个方面的区别: (1)料筒加热方式 热固性塑料的塑化热量
9、主要来源是螺杆旋转的剪切热。料筒的外加热主要起预热作用,并起对料筒温度的调节作用。单一的电热方式易使物料过热固化。因此,常用水或油加热料筒。也有电加热水结构的料筒。另一种是油电加热料筒,电热仅用于预热,塑化时调节油温来控制料筒温度,所以料筒温度控制精度较高。 (2)塑化螺杆的压缩比 由对热塑性注塑料的23.5:1改小至1:1。长径比由1520减小为1215,以减少对物料的剪切和摩擦作用。,河南机电高等专科学校:杨占尧,3注塑工艺 (1)工艺要点 热固性塑料注塑过程中,物料在料筒中处于粘度最低的熔融状态。塑料熔体的粘度及其流动阻力与填料品种、比例和形状尺寸关系很大,需有相适应的注塑压力。必须综合
10、考虑摩擦热的因素。一般采用较高注塑速度,以获得较高的摩擦热,有利固化。热固性塑料在模具中进行固化反应,会产生缩合水和低分子挥发物,模具型腔必须设有畅通的排气系统。否则会在塑件表面留下气泡和残缺。固化成型时间按最大壁厚计算,一般为812smm,快速固化的注塑料57smm。,河南机电高等专科学校:杨占尧,(2)存在的问题 目前热固性塑料注塑品种已有一百多种,但国内生产品种尚少,还需提高材料性能。热固性塑料中的填料,如玻璃纤维在螺杆剪切作用中会受损;而布屑、纸片等大颗粒填料难于进料。不但物料的流动性差而且对螺杆和模具等磨损作用大。又使注塑件取向较严重,产品易翘曲变形。塑件中的嵌件的安放受成型速度等限
11、制,不能过多和安放过慢。最突出的问题是浇注系统凝料只能作废料处理。尤其是一模多腔小制件,浪费率达1525,甚至更高。故采用无浇注系统凝料的流道模具有重大意义。应看到热固性注塑的设备和模具费用比其他加工工艺方法高几倍,而且耗能也大。单模具加热就占耗能14。,河南机电高等专科学校:杨占尧,2 模内流动和固化 塑性塑料熔体充模时模壁温度低于熔体温度,使靠近模壁处的熔体迅速冷却生成冻结皮层。靠近冻结层处熔体粘度高于中心层,流速沿断面呈抛物线分布,如图11-2(a)所示。热固性塑料熔体充模时,模壁温度高于熔体温度,不会产生冻结层。接触模壁处熔体因受到加热反而使粘度降低。除紧邻模壁薄层因摩擦阻力流速较低外
12、,整个断面流速分布相近,形成“活塞流”,如图112(b)所示。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,热固性塑料熔体的充模流速分布特性,与粉状料压制成型相比,模腔中充模终止时的塑料熔体温度均匀一致,没有明显的内外层,固化程度不易区别。因此注塑充模塑件在整个断面上有较均匀一致力学相电绝缘性能。但是这种充模流动,在模具高温模壁处的流速很高,对模壁产生很大摩擦磨损。特别是在流道和型腔的窄狭通道处,壁面磨损更甚。 热固性塑料充模后固化交链成三维网状结构,不会出现大分子链的取向,也很少产生熔体破裂现象。但是纤维状的填料在充横流动中会出现流动取向,使制品在流动方向的力学性能和收
13、缩率高于垂直流动方向。,河南机电高等专科学校:杨占尧,热固性塑料熔体在充模过程中,近模壁处的流速高且速度梯度大,与模腔面的给热系数高,又会产生不容忽视的摩擦热。这使充模熔体很快达到固化温度。与其他成型方法比较,同样厚度制品固化反应时间最短;若制品愈厚,固化时间缩短更明显。这使模具温度控制较为困难。模温偏低会延长固化周期,或使固化不完全,致使塑件性能下降。倘若模温偏高,低粘度熔体会到处钻模形成飞边。靠近模壁的熔体粘度迅速越过最低点而过早固化,会使塑件表层发暗出现流痕和粘模。局部熔体过早固化,还会使塑件某些部分缺料。模内熔体受热时,一方面由于分子链活动性增大使粘度降低;但另一方面因固化反应而使粘度
14、大增。如图11-3所示,是两个相反的综合影响结果。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,综上所述,热固性塑料注塑模具的总体结构设计时必须考虑如下特点。 1 制品尚未固化前树脂粘度比热塑性塑料低,对于001002mm缝隙也会溢出。 2 制品成型后硬而脆。其分型面上飞边和钻入缝隙溢料使清理困难。易破碎的小片会磨损模具表面。 3 热固性塑料的摩擦系数和收缩率较小。塑件对型芯包紧力较小,开模时易滞留在型腔的一侧。 4 塑料熔体对模具成型表面有较严重的磨蚀磨损。 5 模具工作温度远高于室温,使室温下的装配间隙很难控制使工作时的运动零件产生咬死和拉毛现象。,河南机电高等专科学
15、校:杨占尧,11.2 模具设计要点,许多重要设计步骤,如模具的强度和刚度计算等,与热塑性塑料注塑模相同或相似,这里从简。 典型注塑模具如图11-4所示。它和热塑性注塑模结构类似,即包括型腔、浇注系统、导向零件、顶出装置、分型抽芯机构、排气孔等。在注射机上也采取相同的安装方法,用定位圈定位。其分流道和浇口、排气孔等的开设更类似于压铸模具,模具多采用电加热以满足物料迅速固化的要求。热固性塑料注塑模也有其特点,例如排气量大,注塑压力和速度比较高,应考虑其排气和磨损的问题。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.2.1 型腔数目确定,应以保证足够大的锁模力,防止分型面
16、上出现飞边来确定型腔数。 其中,n为由锁模力决定的型腔数;F为注塑机的锁模力(N);Pc为型腔内塑料熔体的压力(MPa);B为流道和浇口在分型面上的投影面积(mm2);A为每个制件在分型面上的投影面积(mm2)。 根据经验,酚醛塑料成型时型腔压力Pc为3040MPa,氨基塑料Pc为4060MPa,不饱和聚酯Pc为1020MPa。,河南机电高等专科学校:杨占尧,还需校核塑料熔体在料筒中的存留时间 b。使 b不得超过熔体状态的维持时间。目前,该允许维持时间 b 46min,有 所以,每次实际注塑量为注塑后料筒中存料的0.70.8较为合适。倘若注塑量过少,会造成塑件上有过早固化硬块。甚至必须经常对空
17、喷射,以防止塑料在料筒中固化。,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.2.2 分型面设计,应该尽可能减小分型面处动、定模的实际接触面积,目的是增大接触面处的闭合压力,增加模具闭合的紧密性,避免分型面处溢料或减小溢料厚度。应将分型面除型腔和浇注道所在区以外部分削去0.51.0mm,如图11-5所示。 分型面处尽量减少穿通的孔或凹槽,如螺钉固定孔、销钉孔等应设计为盲孔。对于难以避免的孔,应尽可能远离型腔,并避免与排气槽连通以避免这些孔内溢入塑料,难以清理。,河南机电高等专科学校:杨占尧,分型面应具有比热塑性注塑模较高的硬度,以避免末清理干净的树脂碎片在闭模时压伤分型面造成麻点,即使是非分型面部分硬度
18、也不应低于HRC30。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.2.3 成型零件设计,成型零件工作尺寸的计算方法与热塑性塑料注塑模具相同。但在设定成型收缩率时应注意到热固性塑料注塑收缩率的离散性较大,如酚醛塑料注塑收缩率为0.7%1.2%。此外,在计算型腔深度尺寸时,要计入分型面上毛边厚度0.050.1mm,即将计算得模具型腔尺寸中减去毛边值。 成型零件设计应尽量避免镶拼结构,以免熔体钻模。整体镶嵌式型腔常被采用。型腔表面粗糙度应在Ra0.20以下。,河南机电高等专科学校:杨占尧,型腔和型芯一般都应经过热处理淬硬。表面硬度有HRC 4045的析出硬化钢,SM2和
19、PMS用于高精度的中小型模具。为提高耐磨性,也常用合金工具钢9Mn2V、5Cr2MnMo、9CrWMn,具有HRC5357。含有矿石粉或玻璃纤维等硬质填料时,要求HRC5862。成型零件常用镀硬铬后抛光来提高光洁度;提高耐磨性并防腐和防锈,延长模具使用寿命。镀铬层厚度在0.030.08mm之间。,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.2.4 对相对运动零件的要求,凡可能接触到塑料的配合面间,配合间隙(双边)一般应不超过0.03mm,这不仅对零件加工提出了较严要求,即使制造上达到了这一要求,模具工作中由于加热也会使单边间隙变化,不是超过溢料间隙,就是单面接触,在较高工作温度下极易磨损,仍应采取下述
20、措施避免或减少磨损。 1.提高配合面硬度。一般情况下应达到HRC5458,特殊情况下达HRc60以上。,河南机电高等专科学校:杨占尧,2降低表面粗糙度。热塑性注塑模运动零件配合面一般为Ra 1.60,很少小于0.80,热固性注塑模运动零件配合面应不超过Ra0.40。 3采用镀铬或采用固体润滑剂。镀铬是为了增加表面耐磨性,某些小孔、深孔不易镀铬,可采用耐高温的石墨类固体润滑剂减少磨损。 4采用无摩擦磨损的配合方式。对于顶杆、脱件板等的顶出部分,应尽可能改用锥面配合,闭模状态无间隙或仅极小间隙,推件时无摩擦。,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.2.5 嵌件和安装,热固性塑料制品中若要安放嵌件,首
21、先要防止熔体钻料,其次要求安装快速。因此通常在模外将嵌件装在嵌件杆或嵌件套上,然后整体装入。 防止钻料方法,其一是采用台肩式嵌件杆如图11-6(a)所示。该台肩也有制成锥面并与圆柱组合,见图11-6(b)。金属嵌件旋入嵌件杆后置于模内,还要防止嵌件杆与嵌件接触端面间被钻料。其二是提高嵌件杆和棋具上插孔的配合精度,它们之间单边间隙在0.010.02mm之间。应先加工孔,然后配磨和配研成型杆,再镀铬抛光,并保证多个嵌件杆的互换性。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,11.2.6 某些机构的设计特点,热固性塑料由于溢料间隙小,给模具顶出机构提出特殊要求。 1脱件板机构
22、 脱件板机构的设计难度比热塑性注塑模中要大,主要的问题是脱件板上的孔与型芯的配台这里的配合间隙比热塑性注塑模中要求的要小,且要求脱件板淬硬,热处理过程中孔位变形使板上孔与型芯难以达到良好配合,特别是对于型芯多的大尺寸模具。采用局部镶件方法同样存在因间隙误差引起的钻料问题,特别是非圆形型芯。即使在室温下是良好的配合,模具升温后间隙分配也会改变,引起一侧钻料,钻料后使型芯受到侧向压力。钻料一侧钻入更多塑料,另一侧则因接触而迅速磨损。,河南机电高等专科学校:杨占尧,热固性注塑模中,应避免采用图11-7(a)中所示“封闭式”脱件板,这种结构使钻料无法清理。即使采用图11-7(b)中的脱件板形式,也应增
23、大顶出距离,使塑件被顶出超过型芯高度,才可使钻入的溢料碎片容易清理。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,2顶管和推块机构 对于管状塑件,必须采用顶管脱模时必须避免采用整体式顶管,不仅是因为会使模具高度增加,更重要的是因为难以清除溢入的塑料,因为采用顶管脱模,顶管内、外表面都是间隙配合,溢入的塑料若无法清除,对顶管本身、配合孔壁和型芯的磨损很严重,很快就无法生产。应该采用两脚式顶管或开窗式顶管。 采用推块脱模时,要避免采用带凸肩推块(图11-8(a),因为推块与型腔下端配合面间钻入的塑料累积到凸肩处无法清除。不带凸肩的推块可以增大顶出距离推出型腔之外,容易使塑料碎
24、片用压缩空气吹干净(图11-8(b)。,河南机电高等专科学校:杨占尧,返回,河南机电高等专科学校:杨占尧,3顶杆脱模 顶杆机构是最适用于热固性注塑模的脱模机构,顶杆顶出端采用圆柱面配合,容易达到配合要求,溢入的塑料也可以从配合段下段孔的扩大部分逸出。 由于热固性塑料熔体有0.02mm以上单边间隙就会钻模产生飞边,给脱模机构设计带来很大难度。所以应尽量避免采用顶管和推板脱模元件。因为顶管的内外柱面均有间隙配合。推扳与型芯的配合间隙有时很难均匀一致,在高温下的实际间隙很难控制。倘若要使用推板,则脱模行程要增大到足以使推板脱出型芯。这样,便于清除毛边及碎片。,河南机电高等专科学校:杨占尧,采用顶杆比
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