塑料成型工艺与模具设计 电子文档 学习情境4.docx
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塑料成型工艺与模具设计电子文档学习情境4
学习情境4:
塑件注射成型工艺参数的选用
项目内容
·塑件注射成型工艺参数的选用
学习目标
·了解塑件注射成型工艺
·查表选用塑件的注射成型工艺参数
能力目标
·能查表选用塑件的注射成型工艺参数
主要知识点
·塑件注射成型工艺
·塑件注射成型工艺参数
一、任务引入
图4-1所示塑料线圈骨架,材质为ABS,采用塑料精度MT5级,生产批量1万件。
请拟定该塑件的成型工艺方案、选定参数。
(一)注射成型原理和特点
·注射成型是热塑性塑料制品生产的一种重要方式。
注射成型又称注塑成型。
到目前为止,除氟塑料外,几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型方法生产塑件。
注射成型现在不但用于热塑性塑料的成型,而且已成功应用于热固性塑料的成型。
·注射成型主要通过注射机和模具来实现。
注射机种类很多,但其基本作用有两个:
其一是加热熔融塑料,使其达到粘流状态;其二是对粘流态的塑料施加高压,使其射入模具型腔内。
·根据使用的注射机类型的不同,注射成型可分为柱塞式注射机和螺杆式注射机注射成型。
柱塞式注射机结构简单,但注射成型中一般存在塑化不均匀、注射压力损失大、注射量小(一般在60g以下)和塑料流动状态不太理想、料筒清理较困难等方面的缺陷,所以柱塞式注射机正被螺杆式注射机所替代。
螺杆式注射机注射成型工作循环,如图4-3所示。
·与柱塞式注射机注射成型相比较,螺杆式注射机注射成型由于螺杆的剪切作用,塑料混合均匀,塑化效果好,改善了成型工艺,提高了塑件质量。
同时扩大了注射成型塑料品种的范围和最大注射量。
因此,对于热敏性和流动性差的塑料和大、中型塑件,一般可用移动螺杆式注射机成型。
·注射成型周期短,生产率高,可采用微机控制,容易实现自动化生产。
·注射成型能成型形状复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件制件。
·但是,注射成型模具结构复杂,成型设备昂贵,生产成本高,不适于单件小批量塑件生产。
(二)注射成型工艺过程
注射成型工艺过程的确定是注射工艺规程制定的中心环节,它包括成型前的准备、注射过程和塑件的后处理。
1、注射成型前的准备
为了使注射成型顺利进行,保证塑件质量,在注射成型之前应进行如下准备工作:
(1)塑料原材料的检验和预处理
·在成型前应对原料进行外观和工艺性能检验,内容包括色泽、粒度及均匀性、流动性(熔体流动速率、粘度)、热稳定性、收缩性、水分含量等。
对于吸水性强的塑料(如聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯等),在成型前必须进行干燥处理,去除物料中过多水分及挥发物,以防止成型后塑件表
(2)嵌件的预热
·为了满足装配和使用强度的要求,塑件内经常要嵌入金属嵌件。
由于金属和塑料收缩率相差较大,因而在塑件冷却时,嵌件周围产生较大的内应力,导致嵌件周围塑料层强度下降和出现裂纹。
因此,成型前应对金属嵌件进行预热,以降低它与塑料熔体的温差,减小内应力。
(3)料筒的清洗
·生产中,如需改变塑料品种、调换颜色,或发现成型过程中出现热分解或降解反应,则应对注射机料筒进行清洗。
(4)脱模剂的选用
·注射成型时,如果工艺条件合理,模具设计正确,塑件脱模比较顺利。
但由于工艺条件控制的不稳定性或塑件本身的复杂性,可能造成脱模困难,所以在实际生产中通常使用脱模剂。
常用的脱模剂有三种:
硬脂酸锌、液体石蜡(石油)和硅油。
使用脱模剂时,喷涂应均匀、适量,以免影响塑件的外观及性能,尤其是在注射成型透明塑料时更应注意。
·完整的注射过程包括加料、塑化、注射、保压、冷却和脱模等几个阶段。
(1)加料
·将粉状或粒状的塑料加入注射机料斗,由柱塞或螺杆带入料筒内加热。
(2)塑化
·成型塑料在注射机料筒内经加热、压实以及混料等作用,由松散的粉状颗粒或粒状的固态转变为连续的均匀塑化熔体的过程。
对塑化的要求是:
在规定的时间内塑化出足够数量的熔融塑料;塑料熔体进入模具型腔内之前应达到规定的成型温度,而且熔体各点温度应均匀一致,避免局部温度过低或温度过高。
(3)充模
·塑化好的塑料在注射机的螺杆或柱塞的快速推进作用下,以一定的压力和速度经注射机喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模具型腔。
(4)保压(压实)
·充模结束后,在注射机柱塞或螺杆推动下,熔体仍然保持压力进行补料,使料筒中的熔体继续进入型腔,以补充型腔中塑料的收缩需要,保持型腔内压力不变。
保压对提高塑件密度、减少塑件的收缩、克服塑件的表面缺陷都有重要意义。
(5)倒流阶段
·保压结束后,由于螺杆或柱塞后退,型腔内的压力比浇注系统流道内的高,导致塑料熔体从型腔内倒流,从而使型腔内压力迅速下降。
如果螺杆或柱塞后退时浇口己冻结或在喷嘴内装有止逆阀,则倒流不存在。
倒流是否存在和倒流多少与保压时间有关。
一般来说,保压时间较长,保压压力对模腔内熔体作用时间越长,倒流较小,塑件收缩情况会减轻。
(6)浇口冻结后冷却
·塑件在模内冷却过程指从浇口处的塑料熔体完全冻结时到塑件从模腔内推出为止的全部过程。
在这一阶段,补缩和倒流均不再继续进行。
型腔内的塑料继续冷却、硬化定型。
当脱模时,塑件具有足够的刚度,不致产生翘曲变形。
在冷却阶段,随着温度的迅速下降,型腔内塑料体积收缩,压力下降。
到开模时,型腔内的压力并不一定等于外界大气压力。
型腔内压力与外界大气压力之差称为残余压力。
·当残余压力为正值时,脱模比较困难,塑件容易被刮伤甚至破裂;当残余压力为负值时,塑件表面易出现凹陷或内部有真空泡。
因此,只有残余庄力接近为零时.脱模较顺利,而且可获得较满意的塑件。
·塑件的冷却速率应适中,冷却速率过快或模温不均匀,都会导致冷却不均和收缩的不一致,使塑件内部产生内应力,出现翘曲变形。
(7)脱模
·塑件冷却后开模,在推出机构作用下,塑件被推出模外。
3、塑件后处理
·由于塑化不均匀或由于塑料在型腔中的结晶、定向和冷却不均匀,造成塑件各部分收缩不一致,或因为金属嵌件的影响和塑件的二次加工不当等原因,塑件内部不可避免地存在一些内应力。
·内应力的存在会导致塑件在使用过程中产生变形或开裂,因此应设法消除。
·根据塑料的特性和使用要求,塑件可进行退火处理和调湿处理。
·退火处理的方法是把塑件放在一定温度的烘箱中或液体介质(如热水、热矿物油、甘油、乙二醇和液体石蜡等)中一段时间,然后缓慢冷却。
·退火的温度一般控制在高于塑件的使用温度100C~200C或低于塑料热变形温度100C~200C。
温度不宜过高,否则塑件会产生翘曲变形;温度也不宜过低,否则达不到后处理的目的。
·退火的时间取决于塑料品种、加热介质的温度、塑件的形状和壁厚、塑件精度要求等因素,一般取4~24小时。
·调湿处理主要用干聚酰胺类塑料的塑件。
因为聚酰胺类塑件脱模时,在高温下接触空气容易氧化变色。
另外,这类塑件在空气中使用或存放又容易吸水而膨胀,需要经过很长时间尺寸才能稳定下来,所以,将刚脱模的这类塑件放在沸水或醋酸钾水溶液中处理,一方面隔绝空气,防止氧化,消除内应力,另一方面还可以加速达到吸湿平衡,稳定其尺寸,故称为调湿处理。
·经过调湿处理,还可改善塑件的冲击强度,使冲击强度和抗拉伸强度有所提高调湿处理的温度一般为1000C~1200C,调湿处理的时间取决于塑料的品种、塑件形状与壁厚及结晶度大小。
凡是退火或调湿处理的塑件,在达到所需温度和时间后,应缓慢降温至室温。
如果突然冷却或冷却速率过快,则塑件内部又会产生新的内应力。
(三)注射成型工艺条件选择
对于一定的塑件,当选择了适当的塑料品种、成型方法及成型设备,设计了合理的成型工艺过程和塑料模具结构之后,在生产中,工艺条件的选择和控制就是保证成型顺利和塑件质量的关键。
注射成型最主要的工艺参数是温度、压力和时间。
1.温度
在注射成型中需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度等。
前两种温度主要影响塑料的塑化和塑料充满型腔;后一种温度主要影响充满型腔和冷却固化。
(1)料筒温度关于料筒温度的选择,涉及的因素很多,主要应考虑以下几方面:
①塑料的黏流温度或熔点
不同塑料,其黏流温度或熔点是不同的,对于非结晶型塑料,料筒末端温度应控制在它的黏流温度以上;对于结晶型塑料则应控制在熔点以上。
但不论非结晶型或结晶型塑料,料筒温度均不能超过塑料本身的分解温度。
也就是说,料筒温度应控制在黏流温度(或熔点)与分解温度之间。
②聚合物的分子质量及分子质量分布
同一种塑料,平均分子质量高的,分子质量分布较窄的,熔体黏度大,料筒温度应高些;而平均分子质量低,分布宽的,熔体黏度低,料筒温度可低些。
玻璃纤维增强塑料,随着玻璃纤维含量的增加,熔体流动性下降,因而料筒温度要相应地提高。
③注射成型机的类型
柱塞式注射成型机中,塑料的加热仅靠料筒壁和分流梭表面传热,而且料层较厚,升温较慢,因此,料筒的温度要高些;螺杆式注射成型机中,塑料受到螺杆的搅拌混合作用,获得较多的剪切摩擦热,料层较薄,升温较快,因此,料筒温度可以低于柱塞式温度的10~20℃。
④塑件及模具结构特点
对于薄壁塑件,其相应的型腔狭窄,熔体充模的阻力大,冷却快,为了提高熔体流动性,便于充满型腔,料筒温度应选择高些;反之,对于厚壁塑件,料筒温度可取低一些。
对于形状复杂或带有嵌件的制件,或熔体充模流程较长、曲折较多的,料筒温度也应取高一些。
(2)喷嘴温度
喷嘴温度通常比料筒的温度低,以防止熔体在直通式喷嘴上可能发生的“流涎”现象。
但喷嘴温度也不能太低,否则,喷嘴处的塑料可能产生凝固而将喷嘴堵死,或将凝料注入型腔成为零件的一部分而影响塑件的质量。
选择料筒和喷嘴温度需要考虑的因素很多,在生产中可根据经验数据,结合实际条件,初步确定适当的温度,然后通过对塑件的直观分析和熔体的“对空注射”进行检查,再对料筒和喷嘴温度进行调整。
(3)模具温度
模具温度对塑料熔体充型能力和塑件的内在性能及外观质量影响很大。
模具温度由通入定温的冷却介质来控制,也有靠熔体注入模具自然升温和自然散热达到平衡而保持一定模温的。
一般情况下,根据不同塑料成型时所需模具温度,确定需要设置的冷却或加热系统。
模具温度的选定主要决定于塑料的特性、塑件的结构与尺寸、塑件的性能要求以及成型工艺条件。
对于非结晶型塑料,模具温度主要是影响熔体黏度,从而影响熔体充满型腔的能力和冷却时间。
在保证顺利充满型腔的前提下,采用较低的温度,可以缩短冷却时间,从而提高生产率。
对于熔体黏度低的或中等的塑料(如聚苯乙烯、醋酸纤维塑料等),模具温度可以偏低些;而对于熔体黏度高的塑料(如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等),可采用较高的模温。
对于结晶型塑料,其结晶度受冷却速率的影响,而冷却速率又受模具温度的影响,也就是说,模具温度直接影响塑件的结晶度和结晶构造,从而影响到塑件的性能。
因此,对结晶型塑料,选择模具温度不仅要考虑熔体充满型腔和成型周期问题,还要考虑塑件的结晶及其对性能的影响。
一般说来,模具温度高,冷却速率慢,为结晶充分进行创造了条件,因而得到的塑件结晶度较高,塑件的硬度高,刚度大,耐磨性较好,但成型周期长,收缩率较大,塑件较脆;当模具温度较低时,冷却速率大,塑件内结晶度较低。
总之,对结晶型塑料,模具的温度取中等为宜。
模具温度还要根据塑件的壁厚选择。
壁厚大的,模具温度一般应较高,以减小内应力和防止塑件出现凹陷等缺陷。
2.压力注射成型过程需要控制的压力有塑化压力和注射压力。
(1)塑化压力塑化压力指采用螺杆式注射时,螺杆顶部熔体在螺杆转动后退时所受到的压力,又称背压。
塑化压力大小可以通过液压系统中的溢流阀来调整。
塑化压力大小对熔体实际温度、塑化效率及成型周期等均有影响。
在其他条件相同的情况下,增加塑化压力,会提高熔体温度及温度的均匀性,有利于色料的均匀混合,有利于排除熔体中的气体。
但塑化压力增高会降低塑化效率,从而延长成型周期,甚至可能导致塑料的降解。
因此,塑化压力一般应在保证塑件质量的前提下,以低些为好,通常很少超过2MPa。
塑化压力大小应根据塑料品种而定。
对于热敏性塑料(如聚氯乙烯、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等),塑化压力应低些,以防塑料过热分解;而对聚乙烯等热稳定性高的塑料,塑化压力高些不会有分解的危险。
对于熔体黏度大的塑料(如聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚等),塑化压力高,螺杆传动系统容易超载;注射熔体黏度很低的塑料(如聚酞胺)时,塑化压力要低些,否则塑化效率会很快降低。
料筒中熔体的实际温度除了与料筒温度直接有关外,还与塑化压力、螺杆转速、螺杆结构与长度等因素有关。
塑化压力对熔体温度的影响如上所述;螺杆转速增高,熔体温度也会增高;采用长径比小的螺杆应选较高塑化压力和螺杆转速,相反,采用长径比大的螺杆时,可选用较低的塑化压力和螺杆转速。
既然螺杆转速与熔体温度有关,因此应适当控制螺杆转速,一般来说,在不影响生产效率的前提下,螺杆转速以低为宜,对于热敏性塑料或熔体黏度大的塑料更应如此。
(2)注射压力注射压力是指柱塞或螺杆顶部对塑料熔体所施加的压力。
其作用是克服熔体从料筒流向型腔的流动阻力;给予熔体一定的充满型腔的速率以及对熔体进行压实。
因此,注射压力和保压时间对熔体充模及塑件的质量影响极大。
在注射成型机上常用表压指示注射压力大小,压力大小可通过注射成型机的控制系统调节。
对于一般性的工程塑料,其注射压力大都在40~130MPa范围内。
注射压力的大小取决于塑料品种、注射成型机类型、模具结构、塑件的壁厚和流程及其他工艺条件,尤其是浇注系统的结构和尺寸。
在其他条件相同的情况下,柱塞式注射成型。
因料筒内压力损失较大,故注射压力应比螺杆式注射成型机的高;对壁薄、面积大、形状复杂及成型时熔体流程长的塑件,注射压力也应该高;模具结构简单、浇口尺寸较大的,注射压力可以较低;料筒温度高、模具温度高的,注射压力也可以较低。
由于影响注射压力的因素很多,关系较复杂,在实际生产中可以从较低注射压力开始注射试成型,再根据塑件的质量酌量增减,最后确定注射压力的合理值。
模具型腔充满之后,注射压力的作用全在于对模内熔体的压实。
在生产中,压实时的压力有等于注射压力的,也有适当降低的。
压力高,可得到密度较高、尺寸收缩小、力学性能较好的塑件,但压力高,脱模后的塑件内残余应力较大,压缩强烈的塑件在压力解除后还会产生较大的回弹,可能卡在型腔内,造成脱模困难。
因此压力应适当。
3、时间(成型周期)
完成一次注射模塑过程所需的时间称为成型周期。
它所包括的部分如图4-4所示。
成型周期直接影响到生产效率和设备利用率,应在保证产品质量的前提下,尽量缩短成型周期中各阶段的时间。
(四)模流分析技术
1、模流分析技术的产生与发展
模流分析实质上是CAE技术在注射成型领域的具体应用。
各领域的CAE应用功能不尽相同,早期主要是用在结构体强度计算与航天工业上。
应用于塑料注射成型领域与塑料模具工业的CAE,被称为模流分析,最早是由原文MOLDFLOW直译而来。
早期只有简单的2D流动分析功能,并仅能提供数据透过越洋电话对客户服务,但这对当时的技术层次来说仍有相当的帮助,之后开发各阶段分析模块,逐步建立今日完整的分析功能。
自1980年代起,随着理论基础日趋完备,数值计算与计算机设备的发展迅速,众多同类型的CAE软件渐渐在各国出现,功能也不再局限于流动现象探讨。
目前,模流技术已普遍为世界各国所肯定,功能也加强到成型各不同阶段。
2.模流分析的作用
模流分析有以下作用:
(1)可以知道塑件能否充满。
分析还可提供其他有用的信息,如需要的注塑压力和合模压力。
(2)可以知道塑件是否有充填问题。
很多充填问题,例如短射、气泡和不平衡充填,都可以通过仔细分析充填曲线来确定。
模流分析允许改变浇口位置、注射速率和其他加工条件,从而可以知道这些问题是否可以得到改善或者纠正。
(3)可以预测塑件的变形。
通过变形分析来预测变形的绝对值,使用时需十分慎重。
变形的预测可用来比较浇口位置、壁厚的变化或设计改变。
(4)可以检查并纠正有问题的模具原型。
检测模具中出现的问题的最好方法是用模具原型来作短射。
模流分析可得出哪些改动会有效及更快并比修模的花费更少。
(5)可以知道冷却循环水路的效率。
把冷却分析加入到变形分析中可以增加精度。
因冷却水路是在模具中的,一旦完成就很难再修改,所以在开发模具前,这类分析非常有用。
(6)修复熔接线问题。
模流分析可以预测熔接线发生的位置,并可帮助将它移到不易发生问题的地方。
它还可提供一些影响熔接线质量的线索,如熔体流动前端相遇时的温度和充满熔接线所需要的压力。
然而,模流分析不可以预测熔接线的强度和其可视程度。
3.模流CAE的操作
模流CAE软件的操作可分成三方面:
(1)模型建立(Modeling)模型代表着成品几何形状与尺寸规格,通常软件会附有前后处理程序,前处理为建立模型,后处理为显示分析结果图形。
另外,透过转换接口也可以接受CAID工业设计软件如Alias|Wavefront,CAD软件如iDeaS、Pro-E、CATIA,或其他CAE软件如ANSYS、NASTRAN等建好的模型。
(2)物性数据(DataBank)所有的物理解析均根据材料的物性作计算,不同物料有不同的物性,产生不同的成型情况。
CAE软件内一般均有内建数据库,提供操作者选择使用。
(3)成型条件(分析模块)完整的射出成型分为几个阶段,各阶段均有不同物理现象在进行,因此也需要分段使用不同模块来做计算。
概略来说,充填是一种流动现象,保压是后续的二次高压以补偿固化收缩的体积,冷却则计算管路与模具、热塑性材料间的热传递现象。
固化后成品会收缩,收缩不均成品会产生翘曲,受外力时会产生应力变形,添加玻璃纤维的复合材料则有配向性问题,影响结构强度。
热固性材料则需考虑固化反应动力学,气体辅助注射成型则有塑料与空气两相流动的问题,另有一些不同于传统注射成型的新程序与观念也正在持续发展中,例如计算模具收缩尺寸、最佳化条件寻找的功能,以及智能型控制系统等。
4、模流分析技术的发展趋势——真实三维CAE分析技术
JonPeddieResearch(一家针对科技企业进行行销与管理咨询之研究单位)研究结果表明,“2007年,63%的CAD用户仍使用2D作业,而37%业者则升级到3D。
然而,采取3D的CAD用户却攻占53%市场,其利润远超过2D用户。
”3DCAD软体产业将持续稳定成长直到2012年。
3D设计软体成功减少工程师花费在验证与错误的时间,进而加速制造周期,好让产品能尽快上市。
3D分析已逐渐变成分析主流,也是现代制造业者正在绩极导入的技术。
塑件注射成型工艺参数选用实例
塑料注射成型模具设计,涉及成型设备的注射量、最大成型面积、注射压力、锁模力等成型能力,另外,试模时需要成型工艺参数,因此,需要拟定塑件成型工艺方案。
某公司塑料制品生产现场使用的注塑工艺卡片、注塑工艺过程卡,见表4-1、表4-2。
表4-1注塑工艺卡片(双管夹)
表4-2注塑工艺过程卡(凸轮块)
由于塑料成型工艺卡的内容包括了设备、模具的有关内容,在本阶段还不能拟定好成型工艺方案的所有内容,主要是初步选定塑件的成型工艺参数。
常用塑料的注射成型工艺参数,可查阅有关设计手册。
【例4-1】图4-7所示是某PA塑料齿轮的零件简图。
查阅有关教材、设计手册后,初步选定塑件的成型工艺参数。
【解】通过查阅设计手册,初步选定PA齿轮塑件的成型工艺参数,见表4-3。
表4-3PA塑料齿轮注射成型工艺参数
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