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1、任務(wù)一 選擇與分析塑料原料,項目二 塑料成型工藝設(shè)計,一、 項目引入,某企業(yè)大批量生產(chǎn)塑料燈座，要求燈座具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性能，外表面無瑕疵、美觀、性能可靠，要求設(shè)計一套成型該塑件的模具。通過本項目，完成對塑件材料的選擇及對材料使用性能和成型工藝性能的分析。,圖1-1 燈座二維圖形,圖1-2 燈座三維圖形,二、相關(guān)知識,塑料是指以樹脂為主要成份、加入添加劑，在一定溫度和壓力下具有塑性和流動性，可被模塑制成一定形狀，且在一定條件下保持形狀不變的材料。 組成：聚合物合成樹脂（高分子有機(jī)物、簡稱高聚物，40 100%）和添加劑,天然樹脂：橡膠、松香、蟲膠、瀝青等 1）樹脂 合成樹脂 ：PE、PVC
2、、PP、PC、ABS、PA、PF等（P13頁）,聚合反應(yīng)、縮聚反應(yīng),2）添加劑（輔助材料） 填充劑即填料（增量、改性）、穩(wěn)定劑（防降解）、增塑劑（塑性、柔性、流動性）、潤滑劑（防粘模、改善流動性和表面光澤）、著色劑（裝飾美觀）、發(fā)泡劑、增強(qiáng)材料。,1. 塑料的組成,圖1-3 塑料原料,(一) 塑料的組成及性能,2塑料的通用性能,(一) 塑料的組成及性能,（1） 塑料的優(yōu)良性能 1）密度小，重量輕，比強(qiáng)度和比剛度高 2）多種優(yōu)良的機(jī)械性能 3）耐化學(xué)作用好 4）電絕緣、絕熱、隔聲性能好 5）成型和著色能力好 6）加工性能好 7）自潤滑性好 （2）塑料的不足性能 1）機(jī)械強(qiáng)度低、2）尺寸精度低、3
3、）耐熱溫度低 另外，高溫下容易降解和老化；導(dǎo)熱性能較差；吸濕性大，容易發(fā)生水解老化；使用壽命短。,1高聚物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（二）高聚物的結(jié)構(gòu),單個高分子結(jié)構(gòu),線型 支鏈型 網(wǎng)狀,2聚合物分子鏈的聚集狀態(tài),（二）高聚物的結(jié)構(gòu),結(jié)晶型塑料 非結(jié)晶型塑料（線性無定型),結(jié)構(gòu),結(jié)晶造成分子的緊密聚集狀態(tài)，增強(qiáng)了分子間的作用力，使聚合物的抗拉強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)、耐熱性和耐化學(xué)性提高；彈性模量、伸長率和沖擊強(qiáng)度則降低，表面粗糙度值增大，而且還會導(dǎo)致塑件的透明度降低甚至喪失。,1. 按塑料的成型性能分類,（三）塑料的分類,（1） 熱塑性塑料 呈線型分子鏈或支鏈型結(jié)構(gòu) 受熱變軟或熔化，成為可流動性的穩(wěn)定黏性液體，在
4、此狀態(tài)具有可塑性；冷卻后保持既得的形狀；再加熱，又可變軟并可制成另一形狀。 可逆的 如：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、有機(jī)玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）PMMA、 尼龍（聚酰胺）PA （2） 熱固性塑料 網(wǎng)狀分子鏈結(jié)構(gòu)，固化后： 不可逆. 電木（酚醛樹脂PF）、環(huán)氧樹脂 EP 課本P9表1-1 常用塑料名稱/代號,2. 按塑料的應(yīng)用范圍分類,（三）塑料的分類,（2）按用途 1） 通用塑料：指產(chǎn)量大，用途廣。價格低廉的一類塑料。如：聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，醛酚塑料，氨基塑料6大類，占塑料產(chǎn)量的80% 2）工程塑料：指具有較高的機(jī)械性能、良好的耐磨性、耐腐蝕性、自潤滑性及尺寸穩(wěn)定性
5、，可替代金屬而作某些機(jī)械構(gòu)件，如：聚酰胺PA，聚甲醛POM，ABS 3）特種塑料：環(huán)氧樹脂、光敏塑料、導(dǎo)磁塑料、耐高溫塑料等。 （3）按聚集狀態(tài) 結(jié)晶型塑料和非結(jié)晶型塑料（線性無定性型塑料） 結(jié)晶度,高聚物形變溫度曲線,（四）聚合物的熱力學(xué)性能和成型加工適應(yīng)性,聚合物在恒定壓力下，隨著加工溫度的變化，存在三種狀態(tài)：,Tg: 玻璃化溫度,Tf: 粘流化溫度,Tb ：稱脆化溫度,Td: 熱分解溫度,常溫下玻璃態(tài)的典型材料：有機(jī)玻璃、聚乙烯； 常溫下高彈態(tài)的典型材料：橡膠； 常溫下粘流態(tài)的典型材料：環(huán)氧樹脂（如膠黏劑等）。,（四）聚合物的熱力學(xué)性能和成型加工適應(yīng)性,圖1-6 聚合物的溫度、力學(xué)狀態(tài)及
6、成型加工適應(yīng)性1線形無定形 2結(jié)晶型,1黏度與剪切稀化效應(yīng),（五）聚合物的黏性流動,流體在管內(nèi)一般有兩種流動狀態(tài)：層流和湍流,（1）牛頓流體（低分子物質(zhì)及少部分聚合物如PC、PA等）： 低分子流體，剪切力與剪切速率間存在線性關(guān)系 牛頓流體的流變方程式為 : 切應(yīng)力，單位Pa 剪切速率：單位時間的切應(yīng)變，一般稱為剪切速率，s-1, 比例常數(shù)（黏度），也稱牛頓黏度，反應(yīng)了牛頓流體抵抗外力引起流動變形的能力， Pas,1黏度與剪切稀化效應(yīng),（五）聚合物的黏性流動,（2 ）非牛頓流體（大部分聚合物）： 流變方程式為 :, 非牛頓流體的表觀黏度。非常數(shù)，為變量 表征： 在外力的作用下抵抗剪切變形的能力。
7、 與流體本身和溫度以及剪切速率有關(guān) n 與聚合物和溫度有關(guān)的常數(shù)，可以反映聚合物熔體偏離牛頓流體性質(zhì)的程度。 K 與聚合物和溫度有關(guān)的常數(shù)，反映聚合物熔體的粘稠性，稱為黏度系數(shù)。,1黏度與剪切稀化效應(yīng),（五）聚合物的黏性流動,在注射成型中，除了熱固性聚合物和少數(shù)熱塑性聚合物外，大多數(shù)聚合物熔體均有近似假塑性液體流變學(xué)的性質(zhì)。 注塑成型中近似具有假塑性流體性質(zhì)的高聚物有聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯、ABS、聚苯乙烯等,不同類型流體的流變曲線 1 膨脹性流體； 2 牛頓流體； 3 假塑性流體,剪切變稀,（3） 假塑性液體的流變學(xué)性質(zhì),3聚合物熔體在模內(nèi)的流動現(xiàn)象,（五）聚合物的黏性流
8、動, 入口效應(yīng)：聚合物熔體在管道入口端因出現(xiàn)收斂流動，消耗能量突增，使壓力降突然增大的現(xiàn)象。, 離模膨脹效應(yīng)：聚合物熔體流出流道或者澆口時，熔體發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象。其實質(zhì)是一種由彈性回復(fù)而引起的失穩(wěn)流動。,圖1-8 聚合物熔體在管道入口區(qū)和出口區(qū)的流動,（1）端末效應(yīng),3聚合物熔體在模內(nèi)的流動現(xiàn)象,（五）聚合物的黏性流動,圖1-9 聚合物失穩(wěn)流動時的 熔體概貌（PMMA 170）,（2）失穩(wěn)流動和熔體破裂, 失穩(wěn)流動：假塑性聚合物熔體在極高的剪切作用下，大分子鏈會被拉直，繼續(xù)變形就會呈現(xiàn)很大的彈性性質(zhì)，熔體將陷入彈性紊亂狀況，各點(diǎn)流速將相互干擾，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)流動。, 熔體破裂：聚合物熔體在
9、失穩(wěn)狀態(tài)下通過模內(nèi)流道后，將變得粗細(xì)不均、沒有光澤，表現(xiàn)出粗糙的鯊魚皮狀。 此時，如繼續(xù)增大剪切力，熔體將呈波浪、足片形等，更嚴(yán)重時，斷裂成碎塊，這種現(xiàn)象稱為熔體破裂。,3聚合物熔體在模內(nèi)的流動現(xiàn)象,（五）聚合物的黏性流動,圖1-11 熔體充模速度不同時的表現(xiàn),（3）聚合物熔體的充模流動,澆口截面高度與型腔厚度相差很大時，容易噴射，熔體高速充模，受離模膨脹影響，易 形成蛇形流，表面粗糙，甚至破裂。 b. 澆口截面高度與型腔厚度相差不太大時，中速充模，熔體平穩(wěn)擴(kuò)展。 c. 澆口截面高度與型腔厚度相差接近時，當(dāng)制件厚度很小時出現(xiàn)這種情況，熔體一般不會發(fā) 生噴射，充模更平穩(wěn)。,澆口截面高度與型腔厚度
10、對充模流動的影響,3聚合物熔體在模內(nèi)的流動現(xiàn)象,（五）聚合物的黏性流動,圖1-12 聚合物熔體繞不同斷面形狀障礙物時的速度變化與流動情況,（3）聚合物熔體的充模流動, 熔接痕,熔接痕處往往是塑件強(qiáng)度最弱的地方。 設(shè)計澆口尺寸和選擇澆口位置時，應(yīng)綜合考慮模腔內(nèi)型芯結(jié)構(gòu)、鑲件安放等，避免出現(xiàn)料流分流、熔體噴射和蛇形流引起的熔合縫。,兩股料流的結(jié)合處產(chǎn)生熔接痕,1熱塑性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,1）影響收縮的基本因素是： (1)塑料種類：不同塑料收縮率不同，詳見課本P31表2-3 (2)塑料制品結(jié)構(gòu)：制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、嵌件多且均勻分布的，則收縮率小。如塑料加強(qiáng)筋 (3)模具結(jié)構(gòu)：澆口的
11、型式、尺寸及位置(注射模塑與傳遞模塑)熱收縮 (4)成型工藝：有預(yù)熱，成型溫度不高，成型壓力較大，保壓時間較長 的，收縮率較小。,（1）收縮性 塑料的膨脹系數(shù)比鋼大，塑料件冷卻收縮比模具大,1熱塑性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,實際收縮率 2）收縮率 計算收縮率 a-成型溫度下塑料尺寸 b -室溫下塑件尺寸 c -室溫下模具尺寸 在普通中小模具成型零件尺寸計算時，計算收縮率和實際收縮率相差很小。常用計算收縮率； 在大型、精密模具成型零件尺寸計算時常用實際收縮率 。 注意: *收縮率是一個范圍值(查手冊可得Sman Smin)，設(shè)計時收縮率一般取平均值，但精確確定收縮率需反復(fù)實驗求其平均
12、值。,1熱塑性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,（2）流動性 指在成型過程中，塑料熔體在一定的溫度與壓力下充填模腔的能力。 線性分子結(jié)構(gòu)的聚合物流動性好。 塑料流動性的好壞，很大程度上影響成型工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)。 料溫高、注射壓力大，流動性好。 各種塑料流動好壞常分三類，見課本P33(P22) （3）相容性 相容性又稱共混性，指兩種或兩種以上不同品種塑料，在熔融狀態(tài)下不產(chǎn)生相分離現(xiàn)象的能力。 分子結(jié)構(gòu)相似者相容性好,常用熱塑性塑料的流動性：（書P24表2.2） 流動性好： 尼龍PA、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP、醋酸纖維素CA。 流動性中等： ABS、有機(jī)玻璃PMMA、聚甲醛POM
13、、氯化聚醚CPT。 流動性差 ： 聚碳酸酯PC、硬聚氯乙烯、聚苯醚PPO、聚砜PSU、氟塑料。,吸濕性 ：表明塑料對水分的敏感程度 具有吸濕或粘附水分傾向的塑料：PA、PC、PSU、ABS等； 既不吸濕也不易粘附水分的塑料，如PE、PP、POM等。 注： 凡是具有吸濕或粘附水分傾向的塑料，如成型前水分未去除，則在成型過程中由于水分在成型設(shè)備的高溫料筒中變?yōu)闅怏w并促使塑料發(fā)生水解，成型后塑料出現(xiàn)氣泡、銀絲等缺陷。因此，對吸濕性和粘附水分傾向大的塑料，在成型之前應(yīng)進(jìn)行干燥，使水分控制在0.50 .2%以下,1熱塑性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,（4）吸濕性 吸濕性是指塑料對水分的親疏程度。
14、親疏性好壞分兩種，見課本P33(P23) 塑料在加工成型前，一般都要經(jīng)過干燥，使水分含量在0.2%以下。 （5）取向性 在應(yīng)力作用下，聚合物分子鏈或纖維填料隨著應(yīng)力（流動）方向作平行排列的現(xiàn)象。取向會使塑料產(chǎn)生明顯的各向異性，易使塑料翹曲變形，甚至在垂直取向方向上產(chǎn)生裂紋。但塑件鉸鏈結(jié)構(gòu)有效使用了取向性能。 （6）降解和熱敏性 降解指聚合物在某些特定條件下發(fā)生的大分子鏈斷裂及分子質(zhì)量降低的現(xiàn)象，主有熱降解、水降解、氧化降解等，輕度降解使塑料變色，進(jìn)一步降解使塑料制品出現(xiàn)氣泡、流紋，甚至焦化變黑。 熱敏性指塑料在高溫下受熱時間長、澆口截面過小或者剪切作用力過大，塑料制品變色、降解、分解的傾向。,
15、熱敏性：某些熱穩(wěn)定性差的塑料，在料溫高和受熱時間長的情況下就會產(chǎn)生降解、分解、變色的特性。 熱敏性塑料： 硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚甲醛（POM）等。 解決方法： 添加抗熱敏的熱穩(wěn)定劑； 注射機(jī)筒內(nèi)壁、流道和模腔表壁鍍鉻（避免過大摩擦熱） 生產(chǎn)時嚴(yán)格控制成型工藝條件,2熱固性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,（1）收縮性,同熱塑性塑料的收縮性,1）定義： 2）測定值： 衡量熱固性塑料流動性的指標(biāo)通常用拉西格流動性表示。,（2） 流動性,每一品種的塑料分為三個不同等級的流動性 流動性較差(2580mm),適用于壓制無嵌件、形狀簡單、厚度一般的塑 件
16、； 流動性中等(81131mm)，用于壓制中等復(fù)雜程度的塑件； 流動性好(131180mm)，可用于壓制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔很深、嵌件較多的薄壁塑 件，或用于壓注成型。200mm以上，注射成型。,2熱固性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,（1）收縮性,同熱塑性塑料的收縮性,1）定義： 2）測定值： 衡量熱固性塑料流動性的指標(biāo)通常用拉西格流動性表示。,（2） 流動性,每一品種的塑料分為三個不同等級的流動性 流動性較差(2580mm),適用于壓制無嵌件、形狀簡單、厚度一般的塑 件； 流動性中等(81131mm)，用于壓制中等復(fù)雜程度的塑件； 流動性好(131180mm)，可用于壓制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔很深
17、、嵌件較多的薄壁塑 件，或用于壓注成型。200mm以上，注射成型。,2熱固性塑料的工藝特性,（六）塑料的工藝特性,（3）比體積與壓縮率 1) 定義：比體積（比容）是單位質(zhì)(重)量塑料所占的體積； 壓縮率是塑料的體積與塑料制品體積之比，其值恒大于1。 2）功用：比體積和壓縮率都表示了各種塑料的松散程度，它們都可以作為確定加料腔大小的依據(jù)；比體積和壓縮率大，內(nèi)部充氣多，成型時排氣困難，成型周期長，生產(chǎn)率低。 （4）水分和揮發(fā)物的含量 1）來源： 2）作用 3）相應(yīng)措施： 成型前預(yù)熱干燥；模具中開排氣槽或壓制操作時設(shè)排氣工步；模具表面鍍鉻是防止腐蝕。,（5）交聯(lián)與硬化速度(固化特征),硬化是指塑料成
18、型時完成交聯(lián)反應(yīng)的過程。 硬化速度通常以塑料試樣硬化每1mm厚度所需的秒數(shù)來表示 此值越小，硬化速度越快,三、項目實施,燈座為電器類零件，需大批量生產(chǎn)，通過查P28表2-1（1-4）及表(1-5)對多種塑料的性能與應(yīng)用進(jìn)行綜合比較，材料品種可選擇聚碳酸酯（PC）。,（一）選擇制件材料,（二）分析制件材料使用性能,PC屬熱塑性非結(jié)晶型塑料，為無色透明粒料，密度為1.021.05g/cm3. PC是一種性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，韌而剛，抗沖擊性在熱塑性塑料中名列前茅。成型零件可達(dá)到很好的尺寸精度并在很寬的溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定性；成型收縮率穩(wěn)定在0.5%0.8%；抗蠕變、耐熱、耐磨、耐寒；PC吸水率較低，能在較寬的范圍內(nèi)保持良好的電性能。 其缺點(diǎn)是耐疲勞性能較差，成型后制件的內(nèi)應(yīng)力較大，容易開裂；不耐堿、酮等溶劑；水敏性強(qiáng)（含水量不得超過0.2%），且吸水后會降解。用玻璃纖維可以克服以上缺點(diǎn)，使聚碳酸酯具有更好的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性以及更小的成型收縮率，并可提高耐熱性，降低成本。,（三）分析塑料工藝性能,三、項目實施,PC性能特點(diǎn)歸類得表2-5,P39,燈座制件為日常生活用品，要求具有一定的強(qiáng)度和耐磨性能，中等精度，外表面無瑕疵、美觀、性能可靠。采用PC材料，產(chǎn)品的使用性能基本能滿足要求，但在成型時，要注意選擇合理的成型工藝，對原料充分干燥，采用較高的溫度和壓力。,（四）結(jié)論,
塑料成型工藝設(shè)計.ppt
