模具设计非机械类

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 热成型,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 热成型,1,2,3,8.1 概述,8.2 热成型基本方法,8.3 热成型的设备,8.4 模具及工艺因素分析,一、定义,二、成型材料及特点,三、热成型常用的塑料,四、成型基本过程,1、差压成型,2、覆盖成型,3、柱塞助压成型,4、回吸成型,5、对模成型,6、双片热成型,7、其他成型,一、加热器,二、夹持设备,三、气动与真空系统,四、传动装置,一、模具,二、工艺因素分析,三、热成型制品结构工艺性要求,四、,模具设计要求,4,本章重点：,1、掌握热成型工艺过程,2、掌握热成型方法的种类,3、掌握热成型模具的设计,4、了解热成型工艺因素分析,5,一、定义,热成型,：将热塑性塑料（见,热塑性树脂,）片材加工成各种制品的一种较特殊的,塑料加工,方法。片材夹在框架上加热到软化状态，在外力作用下，使其紧贴模具的型面，以取得与型面相仿的形状。冷却定型后，经修整即成制品。,此过程也用于橡胶加工。,8.1,概述,热成型属,二次加工成型，,它是用热塑性塑料片材作为原料来制造敞口塑料容器的一种方法。由于所用片材的厚度一般在12mm之间，所以制成的容器壁比较薄，其深度有一定的限制，一般多为浅杯形或浅盘形等半壳状容器。,成型外力力可以是真空吸力、空气压力、机械压力、弹性材料变形恢复力等。,6,二次成型：,是在一定的条件下，将一次成型所得聚合物型材通过再次成型加工，以获得制品的最终型样,一次成型：通过材料的流动或塑性形变，伴有状态和相态转变,二次成型：通过材料的粘弹性变，低于熔融温度和粘流温度,仅适用于热塑性塑料，包括中空吹塑成型、薄膜双向拉伸、热成型、合成纤维拉伸。,7,二、成型材料及特点：,热成型是以,热塑性塑料的片材,为原料制造塑料制品的一种方法。,适用的聚合物品种：,PET,、,PC,、,PS,、,PVC,、,PMMA,、,ABS,、,HDPE,、,PA,工艺特点,：,1,成型压力较低，对模具要求低,制品规格多样，可成型特厚、特薄、特大、特小各类制件，产品应用遍及各行各业范围极广。,2,工艺简单，,模具精度及材质要求低，,生产率高；,3,能成型较大面积的制品；,不能成型结构太复杂的塑件，制品与模具贴合面结构形状鲜明，光洁度较高，制品厚度均匀性差，与模具贴合晚的部位厚度较小,4,原料须经过一次成型，制品后加工较多,制品使用需要的孔洞需后加工,5,原料适应性强，几乎所有的热塑性塑料都可用此法成型,6,需要回收使用的，边角废料较多。,8,热成型制品的特点是壁薄，表面积很大，属于半壳性结构。制品的类型有杯、碟和其它日用器皿、医用器皿、电子仪表附件、收音机与电视机外壳、广告牌、浴缸、玩具、帽盔、包装用具等；另外还有汽车部件、建筑构件、化工设备、雷达罩和飞机舱罩等。,9,三、热成型常用的塑料,、硬质聚氯乙烯和软质聚氯乙烯 制品：浮图地图、帽盔、小型容器、化工设备、垫子和皮夹。,、聚乙烯、聚丙烯 制品：家庭家具、实验室用具、厨房用具、玩具、建筑构件、包装容器。,、聚苯乙烯、 制品：透明包装容器、文件盒、护罩；飞机、汽车和某些设备的部件；冷藏货车的衬材、机器护罩、货运箱等。,、聚甲基丙烯酸酯 制品：飞机舱罩、各种灯罩、天花板。,、纤维素类制品：透明包装容器和陈列用品。,、工程塑料制品：聚碳酸酯常用于制造飞机部件、仪表部件、医疗器皿、化学实验室用具、照明部件及包装容器等。聚酰胺主要用于包装鱼、肉等食品,10,四、成型基本过程 ：,1）先将裁成一定尺寸和固定形样的片材夹在框架上,2）加热到高弹态,3）成型 凭借施加压力使其贴近模具的型面，从而得到要求的形状。,4）冷却,5）脱模 压缩空气吹出 经修垫即可得到制品,11,8.2热成型基本方法,1、差压成型：包括真空成型和加压成型采用阴模,制品特点:制件结构鲜明，表面光洁度高；,贴合模具越早，制品厚度越大,制品光泽无瑕疵，透明性不变,12,2,、覆盖成型,制造厚壁和大深度的制品,采用阳模。,制品特点：制品结构鲜明，表面光洁度高；,贴合模具越早，制品厚度越大,制品侧面有牵伸和冷却的条纹。,13,3、柱塞助压成型,制造壁厚均匀的深度拉伸制品采用阴模。,包括柱塞助压真空成型和柱塞助压气压成型，以及气胀柱塞助压真空成型和气胀柱塞助压气压成型。,14,4、回吸成型,制造壁厚均匀、结构复杂的制品采用阳模。,包括真空回吸成型、气胀真空成型和推气真空回吸成型,15,16,5,、对模成型,采用两个彼此配对的单模来成型。,制造复制性和尺寸准确性好、结构复杂的制品,6、双片热成型制造中空制品,17,7、其他成型 板材的弯曲，法兰的弯制等，此外，有板材卷成筒，容器的口部或底部的卷材和管材的扩口等，都属于热成型的过程。,18,一、加热器,常见的加热方法有：热辐射加热、固体导热加热、组合加热法、高频电加热法等几种，其中热辐射法是加工中常见的，,如远红外加热器和电加热器,，加热器的功率约为总功率的,60%,。,1.,电加热器,它持续时间和质量取决于加热器的结构、辐射表面的温度、传导的热惯性、型坯与加热器的距离、辐射能的吸收系数、加热器的表面特性以及材料的热物理性能。通道式管状,/,板材加热器，其工作温度可达,597,度，条带式,/,芯棒式加热器的功率最大可达,10W/cm,（,497,787,度）,8.3热成型的设备,19,2.远红外加热器,特点：,1）加热速度快,2）远红外具有光的一切性质,3）具有穿透能力，内部和外部同时加热,4）通过发射元件的选择和组合，对形状复杂、体积庞 大 、死角多立体加热,5）设备费用低，（与高频加热和微波加热相比）对人体伤害小,6）向周围环境散射的能量多,20,2.远红外加热器,要求,1）远红外的波长与塑料材料的吸收带相配合,2）提高 加热器的表面输出功率,3）加热器和片材之间要有适当距离：A高温。薄板材，B低温，厚板材（d= 10-30cm）,4）加热器要设置反耐板/反耐罩等以集中能量,5）对厚度大于3mm的片材要双面加热,6）加热器的加热面要略大于夹持框的夹持面积，大1050cm,冷却：内冷：冷却 金属模具制品冷却,外冷：风冷却/喷水（少用，冷疤）,21,二、夹持设备,平板坯在成型时，板坯被固定在夹持装置上，夹持框架由上下两个机架组成,上机架：由压缩空操纵，均衡压在下机架上，但压力可调，均匀,下机架：压力：,0.5,5,吨 框架上有自动补偿压力的装置,压力均匀,要求：夹持要均衡，要有可靠的气密性，能实现自动化，动作迅速灵活，夹持框大多数呈垂直或水平放置。它的设计应考虑方便其工作温度保持低于板坯的玻璃化温度,20,30,.,22,三、气动与真空系统,在真空和气动成型以及综合成型的成型机系统中，都有产生气压的系统。真空系统一般只用来产生成型所需的压力差。气动系统用来产生成型压力/其它辅助用途，以保证部件传动的动力源。,真空系统有真空泵、贮存罐、阀门、管路以及真空表组成。在真空成型中常采用低真空泵,四、传动装置,是成型机建立工作压力和完成主要运动机构。成型机中广泛采用气动缸和液压缸，以完成各种机构的往复运动片材的牵引速度一般0.251.0m/s,23,由于热成型工作压力不很高，因此对模具刚度的要比较低，这样，用作制模的材料就不限定用钢材。常用的制模材料有：木材（硬木和压缩木料）、石膏、塑料（酚醛、环氧树脂、聚酯、氨基等塑料）、铝和钢等。选用制模材料的依据是制品的生产数量和质量。,8.4 模具及工艺因素分析,24,一、模具,1,、工作压力不高时，可采用强度底的材料制造模具。材料的选择要根据成型的数量和质量要求而定，如木制模具可承受,500,次成型，石膏模具可承受,50,次，型砂模具和树脂砂模可承受,500,次以上。,2,、模具上的通风孔制作也是在浇注型砂前插上表面涂有隔离剂的钢丝，浇注,14,小时后抽出钢丝。,3,、外形简单的制品用阴模成型。因制品收缩，易取出，如结构复杂，要施加顶出力；对用阳模成型小型拉伸制品时，阳模的高度尤为重要。,4,、为提高使用寿命，模具可用铝、铜、锌或钢制造。铝制模具表面质量高，导热好，大量使用，与制品接触的表面应精加工，,Ra=0.16,m,阳模侧圆半径不应小于板厚的,3-5,倍。,25,二、工艺因素分析,1、加热,1）片材厚度均匀，厚度差不大于4%-8%,2）厚的片材采用双面加热,3）加热温度上限为不降解，下限为拉伸不也出现应力发白。,2、成型,注意控制制品厚度的均匀性。受牵伸不同，牵伸速度的快慢,3、冷却脱模,外冷和内冷结合，以外冷为主。冷却以不变形为原则。,26,三、热成型制品结构工艺性要求,与其它模塑制品一样，热成型制品设计除考虑使用功能、强度要求及艺术造型等设计条件之 外，也必须满足其成型工艺性要求。,1.几何形状,开口宽阔、深度浅、流线型外轮廓、形状 简单，壁薄，避免大 平面，避免侧孔、侧 凹。,（a）使用要求,（b）改进设计,27,2.脱模斜度和转角,和其它型腔模一样， 需要脱模斜度。,选取范围：0.5 4,阴模：1/1201/60,阳模：1/301/20。,斜度大，壁厚均匀。,塑件角隅部分不允许有锐角，圆弧R要尽可能大一些，圆角半径不 小于壁厚的35倍。,28,3.引伸比和展开倍率,引伸比即深度和直径之比H/D。用于表示片材的变形程度。,引伸比在很大程度上反映了塑件成型的难易程度。引伸比大难成型，制品壁厚小、均匀性差。引伸比取值视片材变形能力而定，一般不大于1.5，韧性好易成型材料可大于4。,展开倍率（x）是指塑件表面积与夹持圈内片材面 积之比。也与片材的延展性有关，不同塑料有不同 最佳值：硬PVC3，ABS 57，PC35。同种片材，成型压力较大时可 获得较大的展开倍率。,制品厚度、展开倍率、片材厚度三者之间有以下关系，可以互相演算。,展开倍率制品厚度片材厚度,29,4.产品精度及形位公差,热成型时片材温度低于塑料粘流温度，制品形状靠成型压力强迫材料拉伸变形获得，成型收缩率很大。因此，热成型制品尺寸及形状精度都不能要求太高。,30,四、模具设计要点,热成型机模具类型很多，这里仅就比较常用的真空成型模具和气压成型模具设计要点作一介绍。,1.真空热成型模具,1）抽气孔设计,抽气孔的作用视抽走片材与模具型面间的空气，形成负压。要求即能在短时间内抽走空气， 制品上又不能留下抽气孔痕迹。,抽气孔直径取决于塑料品种和片材厚度。通常，取0.31.5mm。流动性好，易变形的塑料，抽气孔可小些；不易吸入孔内的厚片，抽气 孔可大些。,抽气孔位置排布要合理。型面最低处、角隅处，复杂点，要有足够数量的抽气孔。,31,2）型腔成型尺寸,与其它型腔模一样，模具成型零件尺寸计算需考虑成型收缩率和制造公差。,热成型制品成型收缩率大，与工艺条件关系密切，设计时需重点考虑。一般制品可根据材料特 性选取（表8-3-2），制品精度要求较高时，要先用简易模实测材料的成型收缩率。,32,3）型面粗糙度,与吹塑模类似，热成型模具允许有一定的粗糙度。,因为成型不大，材料不易进入粗糙度波谷， 即使型面较粗糙也不会影响制品表面光洁度。 型面有一定的粗糙度还有利于排气和脱模。一 般真空成型模具无顶出机构，靠压缩空气脱 模，型面过于平整光洁，塑件粘附在上面，反而不易脱模。,4）边缘密封,为达到良好的成型效果，片材和模具边缘要有一定的接触压力，以保证良好密封，避免外界空 气进入片材与型面之间的真空室。,33,2.气压热成型模具,1）排气孔和吹气孔的设计,气压热成型模具的排气孔大小及位置设计与真空成型模具的抽气孔设计一样，要求排气迅速顺 畅，但孔径也不能太大，以免留下痕迹。,吹气孔直径可取大值，位置排布要尽可能使气体均匀作用在片材上，减小片材温度和受力差异。,2）型刃设计及安装,多数气压热成型模具在型腔边缘设有型刃。其作用是成型时与片材贴紧密封，成型后切除边角余料。型刃锋利程度要适宜。,34,实 例,聚苯硫醚(PPS)是一种性能优异的特种工程塑料，它具有优异的热稳定性、阻燃性、耐化学药品性及良好的力学和电性能，在较高温度下还具有良好的尺寸稳定性。它是继聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(MPPO)、聚甲基丙烯酸丁二酯(PBT)之后的第六大工程塑料品种，广泛应用于化工、汽车、电气电子、机械、航空航天等领域。,35,热成型生产工序,热成型是将热塑性塑料片材加热至软化，在气体压力、液体压力或机械压力下，采用适当的模具或夹具而使其成为制品的一种成型方法，包括模压成型、真空成型、覆盖成型和回吸成型等方法。,36,生产设备及模具,片(板)材挤出成型设备采用的螺杆直径为,65-150mm，长径比为35-40,。PPS热成型设备可采用分批进料式和连续进 料式两种类型，一般分批进料式多用于生产大型制品，采用的原料大多为不易成卷的厚型片材(板)材。连续进料式多用于生产薄壁小型制品，可以用卷材，也可采用片材挤出机直接供料。PPS热成型模具可采用铝材模具，其模具成本要比传统注塑成型所使用的不锈钢等材料的模具成本低很多。,37,片(板)材 挤出工艺,由于热成型PPS的吸水率极低，约为0.05%-0.07%，为了减少气泡、银纹，提高产品的外观质量及力学性能，应将物料充分干燥。干燥时宜采 用抽湿干燥机，干燥温度约150，干燥时间3-4h。 热成型PPS具有很好的成型加工性能，成型加工温度范围宽，熔体流动性好，且具有较高的熔体强度。 成型时，一般料筒温度为290-325，机头温度310-330，三辊压光机辊筒温度分别为：上辊250-260，中辊258-265，下辊235-245。,成型过程中机头温度是影响片材厚度均匀性的重要因素，一定要严格控制好，一般机头温度应中间低、两 边高。机头温度不能太低，否则会使片材表面无光泽，且易引起开裂现象；机头温度也不能过高，否则片材易产生气泡等缺陷。三辊压光机辊筒温度对片材的表观质 量、厚度等影响很大，辊温过高会出现粘辊的现象，使片材难以脱辊，表面易产生横向条纹；辊温过低，片材不易贴辊，表面易产生斑点、无光泽，易翘曲变形等。,采用螺杆直径为90mm的 挤出机生产1.25mm厚片材时，螺杆转速一般为60-100r/min，机头压力为8-12MPa。 三辊压光机转速要与挤出速率相适应，一般略高于挤出速率10%-20%，以提高纵向力学强度。三辊压光机与挤出机的距离一般为5-10cm。,38,PPS片(板)材 热成型工艺,热成型方法可以采用真空成型或压力成型。由于PPS具 有高流动性，同时PPS片材有较好的加热均匀性，与大多数其它聚合物相比，可以成型更为复杂、大型 的壳型制品，且制品能够设计比较尖的转角，而不必要求额外增加压力。,片材的热成型过程中，片材的加热是成型的关键，加热方式一般可用热板传导的两面加热和红外线加热的 方式，为了保证加热的均匀性，最好采用红外线加热。,必须严格控制片材的加热温度和加热时间，PPS的 热成型温度一般为280-315，对于玻纤增强的PPS片材温度可稍高一点。如果采用上、下热板的两面加热方式加热时，为防止 片材加热时的过分下垂，下板加热器的温度应比上板加热器的温度低5-8。片材温度不能太高，否则易出现折皱、起拱，甚至变色、烧焦等现象；而温度太低，则表面灰暗、花纹不清晰，甚至难以成型。加 热时间因片材的厚度、加热方式的不同而不同，一般片材越厚，加热时间越长，如采用红外线加热时，3.1mm厚的PPS片材在没有冷却系统的模具中加工，通常从开始加热、成型到最后冷却的周期为60-90s。加热速度不能太快，否则会出现起泡等现象。,在成型时，热成型模具通常要先预热至200。3.18mm厚 度以下的PPS片(板)在加工过程中无需冷却系统。制品成型收缩率小于0.03%。 模温不能太高，否则会引起粘模，且成型后收缩加大，易引起变形。模温太低，则制品易出现冷痕、翘曲等缺陷。,39,热成型PPS的应用：,热成型PPS制品具有优良的耐热性、耐化学药品性、突出的力学性能及阻燃性能，与其它工程塑料相比，它还具有密度低、比强度高等特点，这意味着其单位体积的成本更低。与聚偏二氟乙烯(PVDF)、可溶性PTFE(PFA)等含氟聚合物片 材相比，其成本约降低30%，相对于PVDF来 说，质量也将减轻30%。在成型大型壳型部件方面，热成型PPS可 代替铝、钢及常用的一些耐高温塑料，在化工、航空航天、交通、电器等领域作为结构零部件应用有着很大的优势。,目前，在化工、航空航天、国防工业等领域的一些对耐化学药品性、耐热性要求高的结构零部件，大都是 采用聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯醚砜(PES)及PVDF或PFA等材料经传统的注射成型工艺加工制 成，而这种成型方法在成型大型薄壁制品时不仅成型困难，而且在成型过程中形成的熔接缝容易导致制品力学性能的下降。而采用PPS热成型工艺即可克服这一缺点，制品无熔接缝，材料能保持很高的力学强度，且其成型设备简单、成本低，模具 成本低、制造容易，因此在生产具有高性能要求的大型薄壁的半壳型制品方面具有极强的竞争力，目前这种材料已成为这一应用领域的最佳材料选择。,40,目前热成型PPS的主要应用有：,在化工领域用纤维增强的热 成型PPS可制作大型钢储罐内衬，它与钢壳体内表面结合的性能比PVDF或PFA更好。,在交通运输业领域热成型PPS耐高温性能好，且具有阻燃性，其阻燃级别为UL94V-0级， 通常在燃烧时只释放田少量的烟。因此，PPS板材可用于热成型制造火车、汽车的壁板和门，还可用于 代替PA或其它一些耐高温塑料制造发动机罩、进气歧管等。PA虽 然成本较低，但是由于性能上的局限，只能应用在一些普通的汽车零部件上，而热成型PPS强度高、耐 热、阻燃性好，使用的安全性更佳。,在航空航天领域它可用来制造飞机或航天器遮阳板、窗框、储物箱、储物箱门、天花板和紧急通道墙板和 侧边墙板等部件。另外，采用30%玻纤增强的热成型PPS还 可以用来制造飞机顶端储藏箱。,41,在国防工业方面可用来制造军用头盔、器皿、导弹垂直尾翼部件，核潜艇耐辐射、耐磨、耐腐蚀、轻型 的零部件。,食品包装方面 PPS能 够使用常规方法进行杀菌消毒，可以承受高温水蒸气上千次的循环消毒和高剂量的辐射消毒，比大多数材料具有更强的耐受力。不同级别的PPS都符合与食物接触、与水接触的卫生标准规定。因此，热成型PPS也 常用来代替铝或不锈钢制造食品容器，如用于制造烤箱的托盘，也用于需高温消毒的食品包装。,电器工业方面 热 成型PPS能够承受高强度卤素光产生的高热，因此热成型PPS还 可以用来制造照明设备的灯罩和配电板。此外，PPS还可以用于硬盘驱动器中激光架的制造。,建筑行业方面 PPS的强度高、惰性好，可用作各种结构装饰材料，如洁净室 用壁板、天花板和洁净室排气管衬里等。,42,43,44,45,思考题:,、简述热成型的工艺过程。 热成型是将热塑性塑料片材夹在框架内加热至软化温度，在外力作用下(如用工具、柱塞、实心模具等机械的方式，或用真空、压缩空气产生的气压差的气动方式)，使加热软化的片材压在模具的轮廓上冷却而制得制品的一种方法。,、真空成型有何特点？1)与模具面贴合的一面，结构上比较鲜明和精细，而且光洁度较高。2）胚料与模面贴和得越晚的部位，其后度越小。,、柱塞助压成型有何特点？,能精确控制制品断面厚度，片材能够均匀牵伸，制品的壁厚小，且重复性好，制品的力学性能由方向性。,46,4、热成型的方法有哪几种？简要介绍各自成型特点？,5、对热成型模具的设计要注意什么？,6、热成型的定义。,47,