冲压模设计(中)

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　　模具设计时根据各种塑料的收缩范围，塑件壁厚、形状，进料口形式尺寸及分布情况，按经验确定塑件各部位的收缩率，再来计算型腔尺寸。对高精度塑件及难以掌握收缩率时，一般宜用如下方法设计模具：

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　　(1)对塑件外径取较小收缩率，内径取较大收缩率，以留有试模后修正的余地。

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　　(2)试模确定浇注系统形式、尺寸及成形条件。

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　　(3)要后处理的塑件经后处理确定尺寸变化情况(测量时必须在脱模后24小时以后)。

　　(4)按实际收缩情况修正模具。

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　　(5)再试模并可适当地改变工艺条件略微修正收缩值以满足塑件要求。

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　　(二)流动性

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　　1.热塑性塑料流动性大小，一般可从分子量大小、熔融指数、阿基米德螺旋线长度、表现粘度及流动比(流程长度/塑件壁厚)等一系列指数进行分析。分子量小，分子量分布宽，分子结构规整性差，熔融指数高、螺旋线长度长、表现粘度小，流动比大的则流动性就好，对同一品名的塑料必须检查其说明书判断其流动性是否适用于注射成形。按模具设计要求我们大致可将常用塑料的流动性分为三类：

　　(1)流动性好尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚(4)甲基戍烯；

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　　(2)流动性中等改性聚苯乙烯(例ABS·AS)、有机玻璃、聚甲醛、聚氯醚；

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　　(3)流动性差聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料。

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　　2.各种塑料的流动性也因各成形因素而变，主要影响的因素有如下几点：

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　　(1)温度料温高则流动性增大，但不同塑料也各有差异，聚苯乙烯(尤其耐冲击型及MI值较高的)、聚丙烯尼龙、有机玻璃、改性聚苯乙烯(例ABS·AS)、聚碳酸酯、醋酸纤维等塑料的流动性随温度变化较大。对聚乙烯、聚甲醛、则温度增减对其流动性影响较小。所以前者在成形时宜调节温度来控制流动性。

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　　(2)压力注射压力增大则融料受剪切作用大，流动性也增大，特别是聚乙烯、聚甲醛较为敏感，所以成形时宜调节注射压力来控制流动性。

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　　(3)模具结构浇注系统的形式，尺寸，布置，冷却系统设计，融料流动阻力(如型面光洁度，料道截面厚度，型腔形状，排气系统)等因素都直接影响到融料在型腔内的实际流动性，凡促使融料降低温度，增加流动性阻力的则流动性就降低。

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　　模具设计时应根据所用塑料的流动性，选用合理的结构。成形时则也可控制料温，模温及注射压力、注射速度等因素来适当地调节填充情况以满足成形需要。

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　　(三)结晶性

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　　热塑性塑料按其冷凝时无出现结晶现象可划分为结晶形塑料与非结晶形(又称无定形)塑料两大类。

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　　所谓结晶现象即为塑料由熔融状态到冷凝时，分子由独立移动，完全处于无次序状态，变成分子停止自由运动，按略微固定的位置，并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象。

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　　作为判别这两类塑料的外观标准可视塑料的厚壁塑件的透明性而定，一般结晶性料为不透明或半透明(如聚甲醛等)，无定形料为透明(如有机玻璃等)。但也有例外情况，如聚(4)甲基戍烯为结晶性料却有高透明性，ABS为无定形料但却并不透明。

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　　在模具设计及选择注射机时应注意对结晶料有下列要求：

　　(1)料温上升到成形温度所需的热量多，要用塑化能力大的设备。

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　　(2)冷凝时放出热量大，要充分冷却。

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　　(3)熔态与固态的比重差大，成形收缩大，易发生缩孔、气孔。

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　　(4)冷却快结晶度低，收缩小，透明度高。结晶度与塑件壁厚有关，壁厚冷却慢结晶度高，收缩大，物性好。所以结晶性料应按要求必须控制模温。

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　　(5)各向异性显著，内应力大。脱模后未结晶化的分子有继续结晶化倾向，处于能量不平衡状态，易发生变形，翘曲。

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　　(6)结晶熔点范围窄，易发生未熔粉末注入模具或堵塞进料口。

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　　(四)热敏性及水敏性

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　　1.热敏性塑料系指某些塑料对热较为敏感，在高温下受热时间较长或进料口截面过小，剪切作用大时，料温增高易发生变色、降聚，分解的倾向，具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物，聚甲醛，聚三氟氯乙烯等。热敏性塑料在分解时产生单体、气体、固体等副产物，特别是有的分解气体对人体、设备、模具都有刺激、腐蚀作用或毒性。因此，模具设计、选择注射机及成形时都应注意，应选用螺杆式注射机，浇注系统截面宜大，模具和料筒应镀铬，不得有死角滞料，必须严格控制成形温度、塑料中加入稳定剂，减弱热敏性能。

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　　2.有的塑料(如聚碳酸酯)即使含有少量水分，但在高温、高压下也会发生分解，这种性能称为水敏性，对此必须预先加热干燥。

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　　(五)应力开裂及熔融破裂

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　　1.有的塑料对应力敏感，成形时易产生内应力并质脆易裂，塑件在外力作用下或在溶剂作用下即发生开裂现象。为此，除了在原料内加入附加剂提高抗裂性外，对原料应注意干燥，合理的选择成形条件，以减少内应力和增加抗裂性。并应选择合理的塑件形状，不宜设置嵌件等尽量减少应力集中。模具设计时应增大脱模斜度，选用合理的进料口及顶出机构，成形时应适当的调节料温、模温、注射压力及冷却时间，尽量避免塑件过于冷脆时脱模，成形后塑件还宜进行后处理提高抗裂性，消除内应力并禁止与溶剂接触。

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　　2.当一定融熔指数的聚合物熔体，在恒温下通过喷嘴孔时其流速超过某值后，熔体表面发生明显横向裂纹称为熔融破裂，有损塑件外观及物性。故在选用熔融指数高的聚合物等，应增大喷嘴、浇道、进料口截面，减少注射速度，提高料温。

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　　(六)热性能及冷却速度

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　　1.各种塑料有不同比热、热传导率、热变形温度等热性能。比热高的塑化时需要热量大，应选用塑化能力大的注射机。热变形温度高的冷却时间可短，脱模早，但脱模后要防止冷却变形。热传导率低的冷却速度慢(如离子聚合物等冷却速度极慢)必须充分冷却，要加强模具冷却效果。热浇道模具适用于比热低，热传导率高的塑料。比热大、热传导率低，热变形温度低、冷却速度慢的塑料则不利于高速成形，必须用适当的注射机及加强模具冷却。

　　2.各种塑料按其品种特性及塑件形状，要求必须保持适当的冷却速度。所以模具必须按成形要求设置加热和冷却系统，以保持一定模温。当料温使模温升高时应予冷却，以防止塑件脱模后变形，缩短成形周期，降低结晶度。当塑料余热不足以使模具保持一定温度时，则模具应设有加热系统，使模具保持在一定温度，以控制冷却速度，保证流动性，改善填充条件或用以控制塑件使其缓慢冷却，防止厚壁塑件内外冷却不匀及提高结晶度等。对流动性好，成形面积大、料温不匀的则按塑件成形情况有时需加热或冷却交替使用或局部加热与冷却并用。为此模具应设有相应的冷却或加热系统。各种塑料成形时要求的模温及热性能见表1-4及表1-5。

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　　(七)吸湿性

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　　塑料中因有各种添加剂，使其对水分各有不同的亲疏程度，所以塑料大致可分为吸湿、粘附水分及不吸水也不易粘附水分的两种，料中含水量必须控制在允许范围内，不然在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用，使树脂起泡、流动性下降、外观及机电性能不良。所以吸湿性塑料必须按要求采用适当的加热方法及规范进行预热，在使用时还需用红外线照射以防止再吸湿。

　　二、成形特性

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　　常用热塑性塑料成形特性及成形条件见表1-4及表1-5。

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　　第三节增强塑料

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　　为了进一步改善热固及热塑性塑料的机电性能。常在塑料中加入玻璃纤维填料(简称玻纤)，作为增强材料，以树脂为粘结剂而组成新型复合材料，通称为增强塑料(热固性塑料的增强塑料又称为玻璃钢)。

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　　由于塑料配方的玻璃纤维的品种、长度、含量等不同，其工艺性及使用特性也各不相同。本节主要介绍模压用的热固性增强塑料及注射用的热塑性增强塑料。

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　　一、热固性增强塑料

　　热固性增强塑料是以树脂、增强材料、辅助剂等组成。其中树脂作为粘结剂，它要求有良好的流动性、适宜的固化速度、副产物少，易调节粘度和良好的互溶性，并需满足塑件及成形要求。增强材料起骨架作用，其品种规格繁多主要用玻璃纤维，一般含量为60%、长度为15～20毫米。辅助剂包括调节粘度的稀释剂(用以改进玻纤与树脂的粘结)、用以调节树脂-纤维界面状态的玻纤表面处理剂、用以改进流动性，降低收缩，提高光泽度及耐磨性等用的填料和着色颜料等。由于选用的树脂，玻纤的品种规格(长度、直径，无碱或含碱，支数，股数，加捻或无捻)，表面处理剂，玻纤与树脂混制工艺(预混法或预浸法，塑料配比等不同则其性能也各不相同。

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　　(一)工艺特性

　　1.流动性增强料的流动性比一般压塑料差，流动性过大时易产生树脂流失与玻纤分头聚积。过小则成形压力及温度将显著提高。影响流动性的因素很多，要评定某种料的流动性，必须按组成作具体分析。影响流动性的因素见表1-6。

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　　2.收缩率增强塑料的收缩率比一般压塑料小，它主要由热收缩及化学结构收缩组成。影响收缩的因素首先是塑料品种。一般酚醛料比环氧、环氧酚醛、不饱和聚酯等料要大，其中不饱和聚酯料收缩最小。其它影响收缩的因素是塑件形状及壁厚，厚壁则收缩大，塑料中所含填料及玻纤量大则收缩小，挥发物含量大则收缩也大，成形压力大，装料量大则收缩小，热脱模比冷脱模的收缩大，固化不足收缩大，当加压时机及成形温度适当，固化充分而均匀时则收缩小。同一塑件其不同部位的收缩也各不相同，尤其对薄壁塑件更为突出。一般收缩率为0～0.3%，而0.1～0.2%的则居多，收缩大小还与模具结构有关，总之选择收缩时应综合考虑。

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　　3.压缩比增强料的比容，压缩比都较一般压塑料大，预混料则更大，因此在模具设计时需取较大的装料室，同时向模内装料也较困难，尤其预混料更为不便，但如采用料坯预成形工艺则压缩比就可显著减小。

　　装料量一般可预先估算，经试压后再作调整。估算装料量的方法可由如下四种：

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　　(1)计算法装料量可按公式(1-3)计算：

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　　　　A = V×G(1+3～5%)(1-3)

　　式中A——装料量(克)；

　　　　　　　　V——塑件体积(厘米3)；

　　　　　　　　G——所用塑料比重(克/厘米3)；

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　　　　　　3～5%——物料按发物、毛刺等损耗量补偿值。

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　　(2)形状简化计算法将复杂形状塑件简化成由若干个简单形状组成，同时将尺寸也相应变更再按简化形状进行计算，如图1-1所示。

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　　(3)比重比较法当按金属或其它材料的零件仿制塑件时，则可将原零件的材料比重及重量与所选用的增强塑料比重之比求得装料量。

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　　(4)注型比较法用树脂或石蜡等浇注型材料注入模具型腔成形后再以此零件按比重比较法求得装料量。

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　　4.物料状态增强料按其玻纤与树脂混合制成原料的方式可分为如下三种状态。

　　(1)预混料是将长达15～30毫米的玻纤与树脂混合烘干而成，它比容大，流动性比预浸料好，成形时纤维易受损伤，质量均匀性差，装料困难，劳动条件差。适用于压制中小型、复杂形状塑料及大量生产时，不宜用于压制要求高强度的塑件。使用预混料时要防止料“结”使流动性迅速下降。该料互溶性不良，树脂与玻纤易分头聚积。

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　　(2)预浸料是将整束玻纤浸入树脂，烘干切短而成。它流动性比预混料差，料束间相溶性差，比容小，玻纤强度损失小，物料质量均匀性良好，装模时易按塑件形状受力状态进行合理辅料，适用于压制形状复杂的高强度塑料。

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　　(3)浸毡料是将切短的纤维均匀地铺在玻璃布上浸渍树脂而成的毡状料，其性能介于上述两者之间。适用压制形状简单，厚度变化不大的薄壁大型塑件。

　　5.硬化速度及贮存性增强塑料按其硬化速度可分为快速和慢速两种。快速料固化快，装料模温高，为适用于压塑小型塑件及大量生产时常用原料。慢速料适用于压制大型塑件，形状复杂或有特殊性能要求及小批量生产时，慢速料必须慎重选择升温速度，过快易发生内应力，硬化不匀，填充不良。过慢则降低生产效率。所以模具设计时应预先了解所用料的要求。

　　各种料都有其允许贮存期及贮存条件。凡超期或贮存条件不良者都会导致塑料变质，影响流动性及塑件质量，故试模及生产时都应注意。

　　(二)成形条件

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　　热固性增强塑料的成形条件见表1-7。

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　　(三)塑件及模具设计注意事项

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　　1.塑件设计时应注意下列事项。

　　(1)塑件光洁度可达7～9，精度一般宜取3～5级，但沿压制方向精度不易保证，宜取自由公差。

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