塑料成型工艺与模具设计教案讲义Word文档下载推荐.docx
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注：
①每课题（指一个教学内容（单元）或一次课（2课时）、一次实验）拟写本教案一份；
②“课堂类型”填写：
新授课、复习课、练习课、实验课、考试、综合课等；
③“教学方法与手段”指采用讲授、讨论、读书指导、练习等方法，以及使用多媒体课件、实物、教具、实验器材等。
一、塑料及塑料工业的发展概况
如今，塑料已成为四大工业基础材料（钢铁、木材、水泥、塑料）之一。
20世纪20年代以前，主要是发展和利用热固性塑料；
20世纪20年代以后，逐渐发展热塑性塑料。
按塑料受热后呈现的基本特性分热固性塑料和热塑性塑料。
1热固性塑料：
指在一定的温度范围内，能反复加热乃至熔融流动，冷却后能硬化成一定形状的塑料。
2热塑性塑料：
指加热温度达到一定程度后能成为不溶和不熔性物质，使形状固化下来不再变化的塑料。
塑料的主要成分是树脂，树脂分为天然树脂和合成树脂。
塑料工业包括原料（合成树脂和助剂）生产，塑料成型加工工艺，塑料成型设备及成型模具四部分。
二、塑料工业在国民经济中的作用
塑料的特点：
质量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘性好、易着色、制件可加工成任意形状、生产效率高、价格低廉
作用：
日常用品（塑料鞋、盆、桶），仪表，机械制造，汽车，家用电器，化工，建材，医疗卫生，农业，军事，航天和原子能工业塑料已成为金属的良好代用材料，出现了金属零件塑料化的趋势。
三、模具工业在国民经济中的重要性
用模具生产的塑料制品（简称塑料）具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗等特点，模具技术已成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志，决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。
市场经济的发展对模具的要求是交货期短、精度高及成本化，塑料模具正朝着高效率、高精度及高寿命方向发展。
模具标准化是发展模具生产技术的关键。
四、本课程的任务及要求
该课程为模具专业的主要专业课之一，通过本课程的学习，需要掌握：
（1）系统了解塑料及有关成型原理、工艺特点、正确分析成型工艺对模具的要求。
（2）掌握模具零部件的设计、计算方法、模具结构特点及设计程序等
（3）了解其它模具有关知识及模具CAD/CAM。
（4）学完本课程后，应具有独立设计中等复杂程度的注射模具的能力。
丽水学院机械电子与建筑工程学院教案
02
第二章塑料成型技术基础
机自072班第2周星期三、五
4
1、了解塑料的概念
2、了解掌握塑料的组成及分类
3、理解塑料的三种热力学性能
1、理解塑料的组成部分。
2、掌握塑料的分类。
塑料种类繁多，采用文字讲解学生很难记忆，最好多用工业生产和日常生活产品中的实例，重点讲述塑料的分类。
2.1塑料的组成和特性
2.1.1聚合物的分子结构
一、塑料的概念
塑料的主要成分是树脂，树脂可分为：
1、天然树脂：
松香、虫胶、沥青
2、合成树脂：
人们按照天然树脂的分子结构和特性，用人工的方法合成制造的。
由于合成树脂是由相对分子质量小的物质经聚合反应而制得的相对分子质量的大的物质，因此称之为高分子聚合物，简称高聚物。
一般在常温常压下为固体，也有为粘稠液体（如胶水）。
合成树脂不完全等于塑料，有些合成树脂可直接作为塑料使用，但有些合成树脂必须在其中加入一些助剂，才能作为塑料使用。
天然树脂和合成树脂都属于高分子聚合物（高聚物）
二、高分子与低分子的区别
1.分子中所含有的原子数：
低分子物质每个分子所含有的原子数最多几百个，而高分子物质每个分子所含有的原子数目为几千个、几万个甚至几十万个原子。
2.相对分子质量：
低分子物质的相对分子质量少并且固定，而高分子物质的相对分子质量可达几万、几十万、上百万甚至上千万，而且还可以根据需要进行改变。
高分子的相对分子质量远远大于低分子。
3.分子长度：
高分子的分子长度远大于低分子的分子长度。
由此可知，高分子是含原子数多、相对分子质量大及分子很长的巨型分子。
三、高聚物的分子结构与特性
在每个高分子里都含有一种或数种原子或原子团，这些原子或原子团按一定的方式排列，首先是排列成许多具有相同结构的小单元，称之为结构单元或“链节”。
这些结构单元再通过化学键连成一个高分子，这个过程称之为“聚合”。
高分子中所含有结构单元的数量，称之为“聚合度”或“链节数”，用“n”表示。
高聚物分为：
线型高聚物，体型高聚物和支链型高聚物。
①线型高聚物：
由一根根的分子链组成的
②体型高聚物：
在大分子链之间有一些短链把他们连接起来
③支链型高聚物：
介于体型高聚物和支链型高聚物之间。
特点：
1线型高聚物：
具有可溶性和可熔性，成型后性质不变，因此可多次成型
2体型高聚物：
成型前是可溶和可熔的，成型后变成既不溶解又不熔融的固体，所以不能再次成型。
四.结晶型与非结晶型高聚物的结构及性能
1、结晶：
指聚合物从熔融状态到冷却凝固时，分子由独立移动的，完全处于无次序状态变成分子停止自由移动，取得一个略微固定的位置，并由一个使它自己排列成为正规模型倾向的一种现象。
聚合物由高温熔体向低温固态转化过程中，若分子链能够稳定规整排列，则称之为结晶型；
若子链不能得到规整排列，则称之为非结晶型。
结晶对材料性能有明显影响。
结晶高聚物一般具有耐热性、非透明性和较好的力学性能；
而非结晶型高聚物则相反。
2.1.2塑料的组成及分类
一.塑料的组成
按其成分的不同，可分为简单组成和多组分塑料。
简单组分：
以树脂为主要成分，不加或少加少量助剂
多组分：
除树脂外，还需要加入其它一些助剂。
1树脂
塑料的主要成分是合成树脂，约占塑料总重量的40%~100%。
作用：
使塑料具有可塑性和流动性，将各种助剂粘结在一起，并决定塑料的类型（热固性和热塑性）和主要性能（物理性能、化学性能、力学性能等）
2填充剂（又称填料）
可以改善塑料性能，扩大它的使用范围，减少树脂用量，降低成本（填料含量可大近40%）
3增塑性
加大了聚合物分子之间的距离，削弱了大分子之间的作用力，使树脂分子变得容易滑移，从而使塑料能在较低的温度下具有良好的可塑性和柔顺性。
4着色剂
美观和装饰，有些着色剂还具有改善塑件耐候性、耐老化性及延长塑件使用寿命和使塑件具有特殊的光学性能的作用。
5稳定剂
可以提高树脂在光、热、氧及霉菌等外界因素作用时的稳定性，阻缓塑料变质的一类物质。
6润滑剂
降低塑料材料内部分子之间的相互摩擦。
二.塑料的分类
1.按塑料的使用特性分:
通用塑料、工程塑料、功能塑料
2.按塑料受热后呈现的基本特性分:
热塑性塑料、热固性塑
2.1.3高聚物的热力学性能
高聚物的热力学性能是指在高聚物及其组成一定时，分子的运动程度和规模主要受温度影响，随着温度的变化，分子热运动表现出三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态、粘流态，在一定条件下他们可以发生变化。
通常所指的塑料，是指在室温下处于玻璃态的一类高聚物。
在室温下高聚物处于高弹态，则属于橡胶材料。
一.高聚物的加工工艺性能
1、<
玻璃化温度：
高聚物处于玻璃态，为坚硬的固体，不宜进行较大变形的成型，但可以进行切削加工。
2、玻璃化温度~流动温度：
可对某些塑料进行真空成型、压力成型和弯曲成型等。
3、流动温度~热分解温度：
聚合物在流动温度以上不高温度的范围内，表现为流动性质，可进行某些挤出和吹塑成型等。
在流动温度再高一些的情况下，在不大的外力作用下就能引起熔体的流动变形，可进行挤出、注射及吹塑等成型加工。
4、>
热分解温度：
将会发生分解。
二.高聚物的结晶
高聚物的结晶特点是：
晶体不整齐、洁净不完全、结晶速度慢及没有固定熔点
三.高聚物的取向
聚合物的取向：
指树脂的分子链在外力作用下，会有不同方式和不同程度的平行排列。
在成型过程中，由于受剪切力和拉伸力的作用，因此聚合物的取向分流动取向和拉伸取向。
1.取向对聚合物性能的影响
聚合物取向后的各向异性显著。
2.影响聚合物取向的主要因素（以注射成型为例）
温度、注射压力和保压压力、浇口冻结时间、模具温度
四.高聚物的降解
1.降解：
聚合物在热、力、氧和辐射等因素作用下而发生的相对分子质量降低或大分子结构改变等化学变化。
2.降解的主要类型
热降解、力降解、氧化降解、水降解
五.聚合物的交联
1.概念
指聚合物在成型过程中，由线形结构交联为体型结构的化学反应过程，通常也称为“硬化”或“熟化”。
2.影响交联的因素
温度和硬化时间、反应基团或反应活性点、应力的影响
2.1.5塑料在成型过程中的流动状态。
一、塑料熔体在简单截面导管内的流动
1、在圆形导管内的流动
切应力在管中心为零，逐渐增大，至管壁处为最大值。
2、在扁形导槽内的流动
二、塑料成型过程中的取向行为
1、注射、压注成型塑件中固体填料的流动取向
填料排列的方向主要顺着流动的方向，碰到阻力（如模壁后），它的流动方向改为与阻力成垂直的方向，并按此定型。
2、注射、压注成型塑件中聚合物分子的流动取向
聚合物在注射和压注成型过程中，总是存在着熔体的流动。
有流动就有分子的取向。
单轴取向时，取向结构单元均沿着一个流动方向排列；
而多轴取向时，结构单元可沿着两个或两个以上流动方向有序排列。
分子取向会导致塑件力学性能的各向异性，顺着分子定向方向的机械性能和伸长率总是大于与其垂直方向上的。
各向异性有时是塑件所需要的，如制造取向薄膜与单丝等，这样能使塑件沿着拉伸方向的抗拉强度与光泽度等有所增强。
[课后小结]
2.2塑料的工艺性能
热塑性塑料的工艺性能
1、收缩性：
塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积发生收缩的现象。
成型后塑件的收缩，称为成型收缩。
收缩的形式：
线尺寸收缩：
设计模具成型零件时，必须予以补偿
后收缩
后处理收缩：
在模具设计时，对于高精度塑件应考虑后收缩和后处理收缩的误差。
并予以补偿
2、流动性：
塑料在一定的温度及压力作用下，充满模具型腔的能力
流动性分类：
好，中等，差
影响流动性的因素：
温度、压力、模具结构
3、取向与结晶
一般平行于取向方向的力学性能较高，收缩率也大，而垂直于取向方向的力学性能较底，收缩率也较小。
按其冷凝时有无结晶现象，可分为结晶型塑料和非结晶型（又称无定型）塑料两大类。
4、热敏性和水敏性
热敏性塑料在成型过程中，很容易在不太高的温度下受热分解和热降解，或在料温高和受热时间较长的情况下，产生变色、降解和分解。
为避免热敏性塑料在成型中的分解和热降解，一方面在塑料中加入热稳定剂，另一方面合理选择设备。
水敏性：
这类塑料在成型前必须进行高燥处理。
5、应力开裂与熔体破裂
为防止塑件应力开裂，可在塑料中加入增强填料提高抗裂性；
合理布置浇口位置和顶出位置，减小残余应力或脱模力；
对塑件进行热处理，消除内应力；
使用时禁止与溶剂接触等。
产生熔体破裂的原因是成型过程中切应力或切变速率过大而引起的成型缺陷，会影响塑件的外观和性能。
需选用熔融指数较大的塑料，适当地增大喷嘴、浇道和浇口的截面积，降低注射速度，提高熔体温度等，减缓或消除熔体破裂现象。
6、吸湿性：
指塑料对水分子的亲疏程度。
具有吸湿或粘附水分的塑料，如果水分含量超过一定限度，会在成型加工过程中变成水气。
因此对吸湿性强的塑料，在成型前必须进行干燥处理。
热固性塑料的工艺性能
收缩性：
在模具设计时应根据影响因素综合因素考虑选取塑料的收缩率
流动性：
模具设计时应该根据塑料流动性来设计模具浇注系统、分型面和进料方向。
固化速度：
热固性塑料固化的速度有一定范围限制。
水分及挥发物含量：
模具设计时应开设必须的排气系统。
颗粒度和均匀性
比体积和压缩率
2.3常用塑料
一、热塑性塑料
1.聚乙烯（PE）
聚乙烯是目前合成树脂中产量最大，用途最广的品种。
约占世界塑料总量的30%，为塑料工业之冠。
聚乙烯按聚合时采用的压力不同分高压、中密度和低压聚乙烯，但由于工艺上的发展，目前习惯于按聚乙烯密度不同分为高密度、中密度和低密度聚乙烯。
2、聚丙烯（PP）
聚丙烯（PP）价格便宜、性能优良、用途广泛、因而发展速度居于几大通用塑料之首。
聚丙烯（PP）是白色、无味、无毒及可燃的白色蜡状透明塑料，密度低，是通用塑料中最轻的一种。
聚丙烯（PP）具有优良的耐热性、化学稳定性电性能和力学性能，易于成型。
聚丙烯（PP）常用来制造家电部件，如洗衣桶、电冰箱及吸尘器等；
日常用品如周转箱、包装和食品用的薄膜及容器等；
机械零件如齿轮及泵的叶轮等，化工设备的管道和容器等；
还可挤出电线电缆、管材、板材、编织带和袋。
3、聚氯乙烯（PVC）
聚氯乙烯（PVC）原料易得，价格低廉，性能较好，是热塑性通过塑料中耗能和生产成本最低的品种，因此应用广泛。
目前聚氯乙烯（PVC）世界产量仅次于聚乙烯，产量居第二位。
聚氯乙烯（PVC）根据增塑剂量的不同，分为硬质和软质聚氯乙烯（PVC）。
4、聚苯乙烯（PS）
聚苯乙烯（PS）为无色透明珠状或粒状的热塑性塑料，无臭、无味、无毒及易于着色，易燃烧。
聚苯乙烯（PS）有良好的光学性能，透光率为88%~92%，仅次于有机玻璃。
聚苯乙烯（PS）具有成本低，加工方便，刚性大，透明性好，电绝缘性优良，电性能不受频率影响，印刷和着色性能好等优点，因此性能广泛。
另外聚苯乙烯（PS）具有良好的卫生性能，可用于包装，尤其食品包装上，使用最多的热成型容器，特别是一次性使用的包装容器。
5、聚酰胺（PA）
1940年实现工业化生产，首先用于合成纤维，我国商品名为“涤纶”，其后逐渐用于塑料。
聚酰胺（PA）是白色淡黄色的结晶颗粒，主要品种有尼龙6，尼龙66，尼龙610。
尼龙具优良的力学性能，可代替金属材料。
尼龙具有良好的电性能，广泛用于电器零部件；
但尼龙的缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性。
6、聚甲醛（POM）
聚甲醛（POM）为半透明到不透明的白色粉末或粒状，着色性好，易燃及高结晶性。
聚甲醛（POM）具有良好的力学性能，用于制造各种齿轮、轴承、弹簧、凸轮、螺栓、螺母、泵体及机床导轨等。
聚甲醛（POM）是综合性能优良的工程塑料，广泛用于汽车、机械、仪表、电器、化工和农机等的零部件制造。
7、聚碳酸酯（PC）
聚碳酸酯（PC）是无色或呈淡黄色的透明塑料，透光性接近有机玻璃，无毒、无味及无臭，不易燃烧。
聚碳酸酯（PC）具有良好的力学性能，冲击强度优异，在热塑性塑料中最优。
具有综合的优异性能，应用广泛。
8、ABS塑料
ABS塑料是聚苯乙烯的改性产品，一种新型的工程塑料。
是目前产量最大，应用最广的一种工程塑料。
ABS塑料具有突出的力学性能和良好的综合性，坚固、坚韧、坚硬，是重要的工程塑料，用途广泛。
可作为家用电器和家用电子设备上的零部件；
还可用于制造玩具、包装容器、家具、安全帽及办公设备等。
二、热固性塑料
1、酚醛塑料
酚醛塑料属于通用塑料品种之一。
具有较高的力学强度、坚硬耐磨、耐热、阻燃、耐腐蚀、电绝缘性优良、尺寸稳定及价格低廉等优异性能。
主要缺点是硬而脆、耐电弧性差、吸湿率较高，色浑难于着色。
2、环氧树脂（EP）
环氧树脂（EP）未固化前具有很好的粘性，作胶粘剂用，能粘结金属和非金属材料，有“万能胶”之称。
固化后的环氧树脂（EP）具有优异的物理力学性能，耐热性能、耐候性能及电绝缘性能及高的耐电压强度。
[课后小结]
03
第三章塑料成型工艺及制品结构工艺性
机自062班第4、5、6周星期三、五
10
1、掌握注射成型原理、特点、工艺及工艺参数
2、了解压缩、压注、挤出成型原理、特点、工艺及工艺参数
4、掌握塑件工艺分析的方法
1、注射成型原理、特点、工艺及工艺参数。
2、掌握塑件工艺分析的方法。
塑料注射成型是本章的重点，由于经费原因，我们实验室还没有注射机，不能实际操作讲解，所以应该用动画视频结合讲解。
3.1塑料成型工艺
比较注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型的特点及应用范围（见课本）
一、注射成型
（一）.注射成型的特点
成型周期短，生产率高，能一次成型外形复杂，尺寸精确，能成型带有金属或非金属嵌件的塑件，易于实现自动化生产，生产适应性强等优点，因此广泛用于各种塑件的生产，其产量约占塑料制品总量的30%。
1、螺杆式注射机注射成型原理
将颗粒状或粉状塑料从注射机的料斗送入加热的料筒，塑料受到料筒的加热和螺杆对塑料的剪切摩擦作用而逐渐熔融塑化，并不断的被螺杆压实而推向料筒前端，产生一定压力，使螺杆转动的同时，缓慢的向后移动。
当螺杆退到预定位置时，触及限位开关时，螺杆即停止转动并后退，然后注射螺塞带动螺杆按一定的压力和速度，将塑料熔体经喷嘴注入模具型腔。
2、柱塞式注射机注射成型原理
塑料从料斗加入加热料筒，受料筒的加热，并经活塞在高压、高速中推进，塑料塑化后经喷嘴进入模具型腔中，经保压、冷却、开模，取得塑件，完成一个工作循环。
（二）注射成型的优点
3、注射成型工艺可由机床自动按照一定程序完成，便于实现自动化，生产率高，适于大批量生产。
4、注射一般可一次成型，减少了制品再加工程序
5、可制作形状复杂的塑料制品
6、注射成型后的废品及废料可以重新加热注射，故节约材料
7、操作易于掌握。
（三）注射成型工艺参数
1.料筒温度：
主要根据塑料的流动温度来确定，若制件较大、壁薄、流程长、成型时间长，应适当提高料筒温度；
若形状复杂或带有嵌件的，应适当提高料筒温度；
柱塞式注射机需适当提高料筒温度。
料筒温度分布：
靠近料斗处低，在喷嘴端最高。
热敏性塑料，严格控制料筒最高温度，还要控制其在料筒中停留的时间。
2.注射压力：
塑料熔体粘度较高、壁厚、流程长和针尖浇口等情况下，应采用较高的注射压力。
3.成型时间：
若时间过长，在料筒中的原料因受热时间过长而分解，制件因内应力大而降低机械强度；
若时间过短，会因塑化不完全导致制件变形。
合理的成型时间是保证制件质量，提高生产率的重要条件。
二、压缩成型原理与工艺
（一）压缩模的结构
压缩模主要用于成型热固性塑件，它可分为固定于压机上压板的上模和下压板的下模两大部分。
（二）压缩模的组成
压缩模一般由型腔、加料室、导向机构、侧向分型抽芯机构、脱模机构、加热系统等机构组成。
（三）压缩模的工作原理
开模后，将配好的塑料原料倒入凹模上端的加料室，上下模闭合使装于加料室和型腔中的塑料受热受压，成为熔融态充满整个型腔，当塑件固化成型后，上下模打开利用顶出装置顶出塑件。
（四）压缩成型工艺过程
1、压缩成型前的准备工作
（1）预压将松散的粉料或纤维状的热固性塑料预先用冷压法（即模具不加热）压成重量一定、形状规整的密实题的工序称为预压，所压物体叫锭料。
（2）预热为了提高塑件质量和便于模压的进行，在模压前将塑料进行加热，除去其中的水分和其他挥发物，同时提高聊温，增强塑件固化均匀性，便于缩短压缩成型周期，提高塑件的物理力学性能。
2、压缩成型过程
（1）嵌件的安放一般嵌件在固定位置安放。
（2）加料在模具内加入压缩所需分量的塑料为加料。
（3）合模当凸模尚未接触塑料前，应尽量加快速度，借以缩短模塑周期和避免塑料过早的固化或过多的降解。
当凸模触及塑料后，速度改为慢速。
避免模具中的嵌件、成型杆或型腔遭到破坏。
（4）排气压缩热固性塑料时，在模具闭合后，有时需要卸压，将凸模松动少许时间，以便排出其中的气体。
（5）固化热固性塑料的固化是在模塑温度下保持一段时间，以保证其性能达到最佳为度。
（6）脱模固化完毕后使塑件从模具中分开的工序为脱模。
3、压后处理
（1）清理模具脱模后，应用铜质工件去除残留在模腔或其他部位的塑料废边，然后用压缩空气将其吹净。
（2）后处理为进一步提高塑件质量，热固性塑料件脱模后常在较高的温度下保持一段时间，使其固化更趋完全，同时减少或消除塑件内应力，减少水分和挥发物。
（五）压缩成型工艺条件的选择
压缩成型工艺条件主要是指压缩成型压力、压缩成型温度、压缩成型时间。
1、压缩成型压力
压缩成型压力是指模压时迫使塑料充满型腔和进行固化而由压机对塑料所施加的压力。
2、压缩成型温度
压缩成型温度是指压缩成型时所规定的模具温度，它使塑料在型腔中受热熔融塑化和为塑料分子进行交联反应提供热能，并决定了交联反应的速度，从而影响塑件的性能。
3、压缩时间
压缩时间是指模具从闭合到模具开启的一段时间，也就是塑料充满型腔到固化成为塑件，在模腔内停留的时间。
三、压注成型原理与工艺
（一）压注成型原理和特点
压注成型又称为传递成型，它是在改进压缩成型的基础上发展起来的一种热固性塑料的成型方法。
模具闭合后，将塑料加入到已加热到一定温度的模具加料室中使其受热熔融，在柱塞压力作用下，塑料熔体经过模具浇注系统注入并填满闭合的型腔，塑料在型腔内继续受热受压而固化成型，最后打开模具取出塑件。
（二）压注成型的工艺过程和工艺条件
压注成型的工艺过程和压缩成型基本相似，只是在操作细节略有差异，压缩成型过程是先加料后合模。
而压注成型过程是先合模后加料。
压注成型的工艺条件与压缩成型相似，但也存在一定的区别，主要包括成型压力、成型温度、成型时间。
1、成型压力
由于塑料经浇注系统进入模具型腔有压力损耗，成型压力一般为压缩成型的2~3倍。
2、成型温度
压注成型中塑料经
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