第1課 1課時 設計師職業知識——模具塑料及成型工藝

1.1.1 模具成型工藝

由于本書中所講解的模具是注射模具，其主要材料為塑料，所以要講解模具的成型工藝，首先來介紹一下塑料的分類和性能，然后再介紹注塑成型的工作原理和工作參數。

1．塑料的分類

目前，塑料品種已達300多種，常見的有30多種。可根據塑料的成型性能、使用特點和微觀聚集狀態對塑料進行分類。

1）按成型性能分類

根據成型工藝性能，塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

●熱塑性塑料。該塑料的分子鏈為線性或支鏈型結構，成型加工時發生物理變化，可反復多次加熱軟化和冷卻硬化。常用的熱塑性塑料包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

●熱固性塑料。該塑料的分子鏈為體型結構，成型加工時發生化學反應，引起分子間的黏結或交聯、硬化或聚合，即使再加熱也不能使其恢復到成型前的原始軟化狀態。常用的熱固性塑料包括酚醛、環氧樹脂等。

2）按塑料的使用特點分類

根據使用特點，塑料可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。

●通用塑料。該塑料指常用的塑料品種，這類塑料產量大、用途廣、價格低，包括聚氯乙烯、聚二烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料6種。其產量占整個塑料產量的80%以上。

●工程塑料。該塑料是具有優良力學性能的一類塑料，它能代替金屬材料，可制造承受載荷的工程結構零件。常見的工程塑料包括ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺等。

●特種塑料。該塑料是具有某一方面特殊性能的塑料（如導電、導磁、導熱等），用于特殊需求場合。常見的有氟塑料、有機硅等。

3）以高分子化合物的微觀聚集狀態分類

根據微觀聚集狀態，塑料可分為結晶型塑料和非結晶型塑料。

●結晶型塑料。在結晶型塑料中，存在樹脂大分子的排列呈三相遠程有序的區域，即結晶區。一般的結晶型高聚物如尼龍、聚乙烯等，其結晶度為50%～95%。

結晶區的大小對塑料性能有重要影響，通常結晶區越大，分子間作用力越強，塑料的熔點、密度、強度、剛性、硬度越高，耐熱性、化學穩定性也越好，但彈性、伸長率、耐沖擊性則降低。

●非結晶型塑料。在非結晶型塑料中，組成塑料的大分子鏈雜亂無章地相互穿插交纏著，無序地堆積在一起。這類塑料的性能主要取決于高聚物本身的特性、分子鏈的結構、分子量的大小和分子鏈的長短等因素。常見的非結晶型塑料有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藝過程中所表現出來的成型特性。在模具的設計過程中，要充分考慮這些因素對塑件的成型過程和成型效果的影響。

1）塑料的成型收縮

塑料制件的收縮不僅與塑料本身熱脹冷縮的性質有關，而且還與模具結構及成型工藝條件等因素有關，故將塑料制件的收縮通稱為成型收縮。收縮性的大小以收縮率表示，即單位長度塑件收縮量的百分數。

設計模具型腔尺寸時，應按塑件所使用的塑料的收縮率給予補償，并在塑件成型時調整好模溫、注射壓力、注射速度及冷卻時間等因素以控制零件成型后的最終尺寸。

2）塑料的流動性

塑料的流動性是指在成型過程中，塑料熔體在一定的溫度和壓力作用下填充模腔的能力。

流動性差的塑料，在注塑成型時不易填充模腔，易產生缺料，在塑料熔體的匯合處不能很好地熔接而產生熔接痕。這些缺陷會導致零件報廢。反之，若塑料的流動性太好，注塑時容易產生溢料飛邊和流延現象。澆注系統的形式、尺寸、布置，包括型腔的表面粗糙度、澆道截面厚度、型腔形式、排氣系統、冷卻系統等模具結構都對塑料的流動性起著重要影響。

熱塑性塑料按流動性可分為以下3類。

●流動性好：有尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維等。

●流動性一般：有ABS、有機玻璃、聚甲醛、聚氯醚。

●流動性差：有聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、氟塑料。

3）塑料的取向和結晶

取向是由于各向異性導致的塑料在各個方向上收縮不一致的現象。影響取向的因素主要有塑料品種、塑件壁厚、溫度等。除此之外，模具的澆口位置、數量、斷面大小對塑件的取向方向、取向程度和各個部位的取向分子情況有重要影響，是模具設計中必須重視的問題。

結晶是塑料中樹脂大分子的排列呈三相遠程有序的現象，影響結晶的主要因素有塑料類型、添加劑、模具溫度、冷卻速度。結晶率對于塑料的性能有重要影響，因此在模具設計和塑件成型過程中應特別注意。

4）吸濕性

吸濕性是指塑料對水分的親疏程度。在成型加工過程中，當塑料的水分含量超過一定的限度時，水分在高溫料筒中變為氣體，促使塑料高溫分解，導致成型缺陷。

據此塑料大致可以分為兩類：一類是具有吸濕或黏附水分傾向的塑料，例如聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚等；另一類是吸濕或黏附水分極少的塑料，如聚乙烯、聚丙烯等。

5）熱敏性

某些熱穩定性差的塑料，在高溫下受熱時間長、澆口截面過小或剪切作用大時，料溫增高就容易發生變色、降解、分解的傾向，塑料的這種特性稱為熱敏性。為防止熱敏性塑料出現過熱分解現象，可采取加入穩定劑、合理選樣設備、合理控制成型溫度和成型周期、及時清理設備等措施。另外還可以采取給模具表面鍍鋁、合理設計模具的澆注系統等措施。

3．注塑成型工作原理

注塑成型又稱注射成型，可以用來生產空間幾何形狀非常復雜的塑料制品。由于其具有應用廣、成型周期短、生產效率高、模具工作條件可以得到改善、制品精度高、生產條件較好、生產操作容易實現自動化和機械化等諸方面的優點，因此在整個塑料制品生產行業中占有非常重要的地位。

利用塑料的可擠壓和可模塑性，首先將松散的粒料或粉狀成型物料從注塑機的料斗送入高溫的機筒內加熱熔解塑化，使之成為黏流態熔體；然后用柱塞或螺桿壓縮并推動塑料熔體向前移動，使熔體以很大的流速通過機筒前端的噴嘴，并以很快的速度注射進入溫度較低的閉合模具型腔中；經過一段保壓冷卻成型時間后，開啟模具便可以從模腔中脫出具有一定形狀和尺寸的塑料制品。

4．注塑成型工藝參數

注塑成型工藝的核心問題，就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔體，并將塑料熔體注射到型腔中，在控制條件下冷卻成型，使塑料達到所要求的質量。注塑成型需要具備三大工藝條件，即溫度、壓力和成型時間。

1）溫度

注塑成型過程需控制的溫度主要包括模具溫度和料溫。

（1）模具溫度。

模具溫度直接影響塑料熔體的充模能力以及塑件的內在性能與外觀質量。通常，提高模具溫度可以改善熔體的流動性、增強制件的密度和結晶度及減小充模壓力。但制件的冷卻時間、收縮率和脫模后的翹曲變形將會延長和增大，且生產效率也會因冷卻時間的延長而下降。因此模具冷卻系統的設計對于塑件的成型質量和成型效率有非常重要的影響，是模具設計中需要特別注意的問題。

（2）料溫。

料溫指塑化物料的溫度和從噴嘴注射出的熔體溫度。其中，前者稱為塑化溫度，后者稱為注射溫度，分別取決于料筒和噴嘴兩部分的溫度。

料溫應根據塑料的熔點和軟化點、制作的大小、厚薄、成型時間來確定。通常靠近料斗處較低，噴嘴端較高。

2）壓力

注塑成型時需要選擇與控制的壓力包括注射壓力、保壓力和背壓力。其中注射壓力與注射速度相輔相成，對塑料熔體的流動和充模具有決定作用。注射壓力的大小根據塑料的性能、制件的大小、厚薄和流程長短來確定。在塑料熔體黏度較高、壁薄、流程長等情況下，適合采用較高的注射壓力。

3）成型時間

成型時間是指定完成依次注射成型全過程所需要的時間。成型時間過長，在料筒中原料因受熱時間過長而分解，制件因應力大而降低機械強度。成型時間過短，會因塑料不完全導致制件易變形。因此，合理的成型時間是保證制件質量、提高生產率的重要條件。

1.1.2 模具結構和類別

下面來介紹一下注塑模具的結構和類別。

1．注塑模具的典型結構

注塑模具由動模和定模兩部分組成，動模安裝在注射機的移動模板上，定模安裝在注射機的固定模板上。成型時，動模與定模閉合構成澆注系統和型腔，開模時動模與定模分離，以便取出塑料制品。根據各部件的作用，注塑模具可分為以下幾個基本組成部分。

1）澆注系統

澆注系統又稱流道系統，其作用是為塑料熔體提供從注射機噴嘴流向型腔的通道。包括主流道、分流道、澆口、冷料穴、鉤料桿等。

2）成型部件

成型部件主要是由型腔和型芯組成。型芯形成制品的內表面形狀，型腔形成制品的外表面形狀。

3）導向部件

導向部件的主要作用是保證各結構組件相互的移動精度。通常由導柱、導套或導滑槽組成。

4）推出機構

推出機構也稱頂出機構，主要作用是將塑件從模具中脫出，以及將凝料從流道內拉出并卸除。通常由推桿（或推管、推環、推塊、推板）、推桿固定板、推板、拉料桿、流道推板組成。

5）溫控系統

為了滿足注射工藝對模具溫度的要求，需要溫控系統對模具的溫度進行調節，對模具進行加熱或冷卻。針對熱塑性塑料注塑模具主要是設計冷卻系統模具冷卻，常用的方法是在模具內開設冷卻水道，利用循環冷卻水帶走模具冷卻時需要散除的熱量。對于熱固性塑料用注塑模具或熱流道模具通常需要加熱，可以采取通蒸汽的方法提高或保持模具溫度，有時也需要在模具內部和周圍安裝電加熱元件，因此需要在模具內設置加熱孔或安裝加熱板以及防止熱量散失的隔熱板。

6）排氣槽

排氣槽的作用是將成型過程中的氣體充分排除，防止塑件產生氣穴等缺陷，常用的辦法是在分型面處或容易困氣的部位開設排氣溝槽。由于分型面、鑲塊、推桿之間存在微小的間隙，若它們可以達到排除氣體的目的，可不必開設排氣槽。

7）側抽芯機構

對于帶有側凹、側凸或側孔的塑件，若將成型部件做成整體，成型完成后塑件將無法脫模。因此需要在模具中設置側抽芯機構，以便在完成塑件的成型后，該機構能在塑件脫模之前先行讓出，保證塑件順利脫模。

8）模架

模架的主要作用是將各結構件組成整體的連接系統。包括定模座板、定模板、動模板、動模座板等。通常采用標準件，以減少繁重的模具設計與制造工作量。

2．塑料模具的一般類別

塑料模具的一般類別可以按照模具的板型來劃分，大致可分為以下幾種。

1）兩板模（2 PLATE MOLD）

兩板模又稱單一分型面模，它是注塑模中最簡單的一種。但是，其他模具都是兩板模的發展，可以說，兩板模是其他模具的基礎。

兩板模以分型面為界將整個模具分為兩部分：動模和定模。

兩板模的一部分型腔在動模，一部分型腔在定模，主流道在定模部分。分流道開設在分型面上。開模后，制品和流道留在動模，動模部分設有頂出系統以便取出制品，其常用結構如圖1-1所示。

2）三板?；蚣毸谀＃? PLATE MOLD，PIN-POINT GATE MOLD）

三板模是由兩個分型面將模具分成三部分的塑料模具，它的結構比兩板模復雜，設計和加工的難度也比較高。三板模比兩板模多了澆口板，適用于制品的四周不準有澆口痕跡的場合，這種模具采用點澆口，所以又叫細水口模具。這種模具結構相對復雜些，啟動動力一般使用螺紋機構或拉板機構，如圖1-2所示。

3）熱流道模具（HOT RUNNER MANIFOLD）

熱流道模具是一種新興的模具類型，它的制作成本相比前兩種模具結構都要高，制作復雜，不易加工。但是熱流道模具有很多無可比擬的優點，例如熱流道模具借助加熱裝置使澆注系統中的塑料不會凝固，也不會隨制品脫模，所以更有利于節省材料和縮短周期。所以，熱流道模具又稱無流道模。

熱流道模具具有以下優點。

●無廢料產生。

●可降低注射壓力，可以采用多腔模。

●可大幅縮短成型周期。

●可大幅提高制品的品質。

但是，并不是所有的塑料都適合使用熱流道模具進行加工的，適合熱流道模具的塑料必須具有以下特點。

●塑料的熔融溫度范圍較寬，在處于低溫狀態時，流動性好；高溫狀態時，具有較好的熱穩定性。

●用于熱流道模具的塑料對壓力相對敏感，不加壓力不流動，當施加壓力時即可流動。

●比熱小，易熔融，而且又易冷卻。

●導熱性好，以便在模具中很快冷卻。

目前，用于熱流道模具的塑料有：ABS、PC、PE、POM、HIPS、PS等。目前常用的熱流道有以下兩種。

●加熱流道模具：參見圖1-3。

●絕熱流道模具：參見圖1-4。