注塑工艺及模具设计第六讲特种注塑模（二）

2018-08-27洪慎章

橡塑技术与装备 2018年16期

洪慎章

(上海交通大学塑性成形技术与装备研究院，上海 200030)

6.2 热固性塑料注塑模

热固性塑料可用于注塑的种类有酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯、DAP塑料、环氧树脂、有机硅、聚酰亚胺和聚丁二烯等。他们都是塑料工业的重要材料。与热塑性塑料相比，它们通常有优良的耐热和阻燃性、耐化学性、抗蠕变等性能，且价格低廉。曾长期采用传统的压缩成型和压注成型方法制造热固性塑料产品，手工操作繁重，成型周期又长。用先进的注塑成型方法可成倍地提高生产效率。今后，大部分热固性塑料制件将用注塑成型方法生产。

6.2.1 注塑工艺特点

热固性塑料注塑成型是一种新技术。其成型模具的设计与注塑工艺、注塑物料和注塑设备密切相关。

6.2.1.1 工艺特点

热固性塑料注射有别于热塑性塑料。热固性塑料的注射料加入机筒，通过螺杆旋转产生剪切热和机筒的外加热，使之在较低温度（约55～105℃）下熔融。然后在高压下将稠胶状的物料注入模具，在150～200℃高温作用下，进行化学交联反应，经保压后固化成型。最后开模顶出取得成型制件。

（1）热固性注塑料

热固性塑料注射料应经改性后制成粒子、粉状或液态等供应。大多以粒子供应，仅环氧注塑料是液态的。对热固性塑料的注射料有下列要求：

a.合适的流动性。热固性注塑料的拉西格流动性一般大于200 mm。相对分子质量在1 000以内的线型分子或具有少量支链型的分子，其流动性最好。木粉作填料的注塑料流动性最好，无机填料的流动性较差，玻璃纤维和纺织填料的塑料流动性最差。添加润滑剂可提高流动性，过多固化剂会降低流动性。

b.塑化温度范围宽。一般要求物料在70～90℃能够塑化，具有一定流动性，并要求在注塑机的机筒中存留15～30 min，具有热稳定性。添加稳定剂可在较低温度下阻止交联固化。这对温流道注射模成型尤其重要。

c.高温下能快速固化。固化速度快能缩短成型周期，提高生产效率，但过快固化会造成局部型腔特别是细小部位充填不满。

d.收缩率要小。比起热固性塑料的压缩和压注成型，注塑料的收缩最大，因为成型中受到压力最小，且模具温度高，脱模后冷却至室温又再次收缩。另外热固性注塑料的收缩率与填料的种类和含量有关。木粉等有机填料会使收缩率大增。矿物填料，特别是玻璃纤维充填的注塑料收缩率较小。过大收缩率使制件尺寸变化大，又易产生变形翘曲。模具设计收缩率仍以模具和制件在室温条件下的尺寸计算。由于该收缩率与注塑料品种和配方关系很大，通常又含有40%以上填料，收缩率应由生产厂的注塑料说明书或试验确定。

（2）热固性塑料注塑机

热固性塑料注射应该用专门的注塑机。这种注塑机与常用的热塑性塑料注塑机主要有两方面的区别:

a.机筒加热方式。热固性塑料的塑化热量主要来源是螺杆旋转的剪切热。机筒的外加热主要起预热作用，并对机筒温度进行调节。单一的电热方式易使物料过热固化，因此，常用水或油加热机筒，也有电加热水结构的机筒。另一种是油电加热机筒，电热仅用于预热，塑化时调节油温来控制机筒温度，所以机筒温度控制精度较高。

b.塑化螺杆的压缩比。压缩比由对热性注塑料的（2～3.5):1减小至 1:1；长径比由（15～20):1减小为（12～15):=1，从而减小对物料的剪切和摩擦作用。

（3）注塑工艺

a.工艺要点。热固性塑料注塑过程中，物料在机筒中处于黏度最低的熔融状态。塑料熔体的黏度及其流动阻力与填料品种、比例和形状尺寸关系很大，需有相适应的注射压力。必须综合考虑摩擦热的因素。一般采用较高注射速度，以获得较高的摩擦热，有利于固化。热固性塑料在模具中进行固化反应，会产生缩合水和低分子挥发物。模具型腔必须设有畅通的排气系统，否则会在塑料件表面留下气泡和残缺。固化成型时间按最大璧厚计算，一般为8～12 s/mm，快速固化的注塑料为5～7 s/mm。

b.存在的问题。目前热固性塑料注射品种已有一百多种，但国内生产品种尚少，还需提高材料性能。热固性塑料中的填料，如玻璃纤维在螺杆剪切作用中会受损，而布屑、纸片等大颗粒填料难以进料。不但物料的流动性差，而且对螺杆和模具等磨损作用大，又使注塑件取向较严重，产品易翘曲变形。塑料件中嵌件的安放受成型速度等限制，不能过多和过慢。应看到热固性注射的设备和模具费用比其他加工工艺方法高几倍，而且耗能也大，单模具加热就占耗能1/4。最突出的问题是浇注系统凝料只能作废料处理，尤其是一模多腔小制件浪费率达15%～25%，甚至更高，故采用无浇注系统凝料的流道模具有重大意义。这种模具称为热固性塑料的温流道注塑模。此种温流道注射要使流道内物料始终保持熔融状态，为此对模具的温流道部分单独设置一个低温区，温度大致在105～110℃范围。此温流道板用热水或热油循环保温，而型腔部分是高温区。

6.2.1.2 模内流动和固化

热塑性塑料熔体充模时模壁温度低于熔体温度，使靠近模壁处的熔体迅速冷却生成冻结皮层。靠近冻结层处熔体黏度高于中心层，流速沿断面呈抛物线分布，如图328(a)所示。热固性塑料熔体充模时，模壁温度高于熔体温度，不会产生冻结层。接触模壁处熔体因受到加热反而使黏度降低。除紧邻模壁薄层因摩擦阻力流速较低外，整个断面流速分布相近，形成“活塞流”，如图328(b)所示。

图328 熔体充模流速分布比较

热固性塑料熔体的充模流速分布特性，与粉状料压制成型相比，型腔中充模终止时的塑料熔体温度均匀一致，没有明显的内外层，固化程度不易区别。因此，注射充模塑料件在整个断面上有较均匀一致的力学和电绝缘性能。但是这种充模流动，在模具高温模壁外的流速很高，对模壁产生很大摩擦、磨损。特别是在流道和型腔的狭窄通道处，壁面磨损甚。

热固性塑料充模后固化交联成三维网状结构。不会出现大分子链的取向，也很少产生熔体破裂现象。但是纤维状的填料在充模流动中会出现流动取向，使制件在流动方向的力学性能和收缩率高于垂直流动方向。

热固性塑料熔体在充模过程中，近模壁处的流速高且速度梯度大，与型腔面的传热系数高，又会产生不容忽视的摩擦热。这使充模熔体很快达到固化温度。与其他成型方法比较，同样厚度制件固化反应时间最短；若制件较厚，固化时问缩短更明显。这使模具温度控制较为困难。模温偏低会延长固化周期，或使固化不完全，致使塑料件性能下降。倘若模温偏高，低黏度熔体会到处钻模形成飞边。靠近模壁的熔体黏度迅速越过最低点而过早固化，会使塑料件表层发暗出现流痕和黏模。局部熔体过早固化，还会使塑料件某些部分缺料。模内熔体受热时，一方面由于分子链活动性增大使黏度降低；但另一方面因固化反应而使黏度大增。图329所示是两个相反的综合影响结果。

图329 热固性塑料黏度与加热温度、时间的关系

综上所述，热固性塑料注塑模具的总体结构设计时必须考虑如下特点:

(1）制件尚未固化前树脂黏度比热塑性塑料低，对于 0.01～0. 02 mm缝隙也会溢出。

(2）制件成型后硬而脆。其分型面上的飞边和钻入缝隙的溢料使清理困难。易破碎的小片会磨损模具表面。

(3）热固性塑料的摩擦因数和收缩率较小。塑料件对型芯包紧力较小，开模时易滞留在型腔的一侧。

(4）塑料熔体对模具成型表面有较严重的磨蚀磨损。

(5）模具工作温度远高于室温，使室温下的装配间隙很难控制。室温下过小间隙会使工作时的运动零件产生咬死和拉毛现象。

6.2.2 模具设计要点

许多重要设计步骤，如模具的强度和刚度计算等，与热塑性塑料注塑模相同或相似，这里从简。

6.2.2.1 模具设计过程

图330所示是—模八腔的酚醛塑料注塑模。因制件太小和飞边过多，如采用压制模生产则效率太低，现用单分型面的结构和侧浇口。因为过细的流道容易被推出杆推破并破裂，浇注系统的用料只能多些。

（1）型腔数目确定

应以保证足够大的锁模力，防止分型面上出现飞边来确定型腔数。型腔数目为

式中：

n——由锁模力决定的型腔数；

f——注塑机的锁模力，N；

Pc——型腔内塑料熔体的压力，MPa；

A'——流道和浇口在分型面上的投影面积，mm2；

A——每个制件在分型面上的投影面积，mm2。

图330 一模八腔酚醛塑料注塑模

根据经验，酚醛塑料成型时型腔压力Pc为30～40 MPa，氨基塑料Pc为40～60 MPa，不饱和聚酯Pc为10～20 MPa。

还需校核塑料熔体在机筒中的存留时间tb，使tb不得超过熔体状态的维持时间。目前，该允许维持时间 [tb]=4～6 min，即

式中：

tb——熔体在机筒中的存留时间，min ；

t——注塑成型周期，min；

mb——塑料在机筒中（包括螺杆槽中）的存料总量，g；

mg——每次注射用量，g。

因此，每次实际注射量mg为注射后机筒中存料mb的0.7～0.8倍较为合适。倘若注射量mg过少，会造成塑料件上有过早固化硬块，甚至必须经常对空喷射，以防止塑料在机筒中固化。

（2）嵌件和安装

热固性塑料制件中若要安放嵌件，首先要防止熔体钻料，其次要求安装快速。因此，通常在模外将嵌件装在嵌件杆或嵌件套上，然后整体装入。

防止钻料方法，其一是采用台肩式嵌件杆，如图331(a)所示。该台肩有时也制成锥面并与圆柱组合，如图331(b)所示。金属嵌件旋入嵌件杆后置于模内，还要防止嵌件杆与嵌件接触端面间被钻料。其二是提高嵌件杆和模具上插孔的配合精度，它们之间单边间隙在 0.01～0.02 mm之间。应先加上孔，然后配磨和配研成型杆，再镀钻抛光，并保证多个嵌件杆的互换性。

图331 嵌件与嵌件杆

（3）分型面设计

为增大锁模力以减薄甚至避免飞边，应减小分型面的实际接触面积，如图330所示。—般在型腔周围的10～20 mm之外部分削去0.5～1 mm。但也需注意到过大锁模力会使型腔塌陷。分型面上作用40～70 MPa锁模压力为好，流动性好的物料应取其大值进行验算。

分型面硬度应在40HRC以上，避免飞边碎屑过快损伤分型面。对分型面镀铬处理，可减小飞边的黏附力。

分型面上不允许存在任何孔和凹坑，否则会造成飞边清理困难。应将模板上螺孔等设计成不通孔。若有通孔，也应将其镶填磨平。

（4）成型零件设计

成型零件工作尺寸的计算方法与热塑性塑料注塑模具相同。但在确定成型收缩率时，应注意到热固性塑料注塑收缩率的离散性较大，如酚醛塑料注塑收缩率为 0.7%～1.2% 。此外，在计算型腔深度尺寸时，要计入分型面上毛边厚度0.05～0.1 mm，即将计算的模具型腔尺寸减去毛边值。

成型零件设计应尽量避免镶拼结构，以免熔体钻模。整体镶嵌式型腔常被采用。型腔表面粗糙度Ra应在0.20 µm以下。

型腔和型芯一般都应经过热处理淬硬。表面硬度为40～45HRC的析出硬化钢SM2和PMS用于高精度的中小型模具。为了提高耐磨性，也常用合金工具钢 9Mn 2V、5CrMnMo、9CrWMn，其表面硬度为53～57HRC。含有矿石粉或玻璃纤维等硬质填料时，要求其表面硬度为58～62HRC。成型零件常用镀硬铬后拋光来降低表面粗糙度，提高耐磨性并防腐和防锈，延长模具使用寿命。镀铬层厚度在 0. 03～0.08 mm 之间。

（5）脱模机构设计

由于热固性塑料熔体有0.02 mm以上单边间隙，就会钻模产生飞边，给脱模机构设计带来很大难度，所以应尽量避免采用推管和推板脱模元件。推管的内外柱面均有间隙配合。推板与型芯的配合间隙有时很难均匀一致，在高温下的实际间隙很难控制。倘若要使用推板，则脱模行程要增大到足以使推板脱出型芯。这样，便于清除飞边及碎片。

采用推杆比较容易使单边间隙达到0.01～0.02 mm的要求。0.03 mm以下间隙会产生极薄一层半透明的飞边，尚不妨碍相对滑动。但间隙小于0.005 mm时，在约160℃左右模温下易产生配合面的胀咬故障。如图332(a)所示，在推杆的中间滑动段制成三棱带，可减小与高温孔壁的摩擦面。棱带应有足够长度和精度，每棱应有1.5 mm的支承接触宽度。又见图332(b)，推杆在推出位置，动模底面与推杆三棱段应留有足够位置A,以允许碎屑从槽中自由脱落，而上部圆柱段要全部推出塑料件成型面。这种推杆直径通常大于5 mm。棱带数可视直径增大而增多。

（6）排气系统设计

图332 热固性注塑模推杆

热固性塑料注塑模不但要排出型腔中的空气，还要排出固化反应所产生的挥发性气体，因此，排气量大。在浇口前的分流道就应该开始排气。排气槽宽度就等于分流道宽度，在分型面上深度取0.12 mm左右。—般在型腔四周均应当排气，在料流末端更应保证排气畅通。分型面上排气槽宽度3～8 mm，深度0.06～0.18 mm，如图333(a)所示，排气槽相互间隔至少25 mm。排气槽允许物料溢出，并有与型腔表面相同的表面粗糙度和硬度。但遇到小型板件，排气量又不大，则用约深度0.06 mm的浅排气槽，使飞边去除容易。也可以在芯柱上开设排气隙，如图333(b)所示。在芯柱外圆上磨出3个或4个深0.05～0.075 mm的平面，然后经中心引气孔导出气体。在大多数场合，顶杆上也磨出类似的几个导气平面。加工时需注意，磨痕应沿着轴线方向，排气面端角上要磨出 0.12 mm左右的倒角。这样在有飞边形成时会黏连在制件上。最后—种有效的可靠方法是利用多孔的烧结块，如图333(c)所示。

图333 排气系统设计

（7）加热和绝热考虑

热固性塑料注塑模加热系统使用最多的是电热棒，也有用电热板的。其加热功率应该根据两绝热板之间的模具总质量计算。也有—个专用经验公式，即

式中：

P——加热器功率，W；

V——被加热模具体积，cm3。

如图330所示，动模和定模分别设置测温热电偶，以自动控制模具温度，使成型表面温差在±2.5℃之内。表51为部分热固性塑料注塑成型模具温度提供了参考。

表51 部分热固性塑料注塑模模温 ℃

为防止高温模具向注塑机的两块模板传热，需设置两个绝热垫层，常用石棉水泥板或环氧玻璃钢板等。如图330所示，绝热层设置在动模支承板和垫铁之间，需加设定位套筒，也有将绝热层设置在动模底板和注塑机动模板之间的。

6.2.2.2 浇注系统设计

在设计时，应注意采用由热固性塑料注塑工艺特点而获得的经验数据。

（1）主流道热固性塑料注塑成型时，物料在机筒内没有加热到足够高温度，因此，要求主流道有较大传热面积，而且热固性注塑机的喷嘴口径较大，锥角α应为1°～2°。主流道内壁的表面粗糙度Rα≤0.8 μm。

由于热固性塑料有脆硬特性，因此拉料的“冷料”井应防止物料折断。图334(a)所示球形拉料头，d=d1+2 mm。d与d1之差过小则无拉料作用，若过大会不能脱模或破裂。图334(b)所示Z形拉料头，最薄处不得小于4 mm，尖角处应设有r=1 mm的圆角。图334(c)所示薄片式拉料头，在圆柱杆头铣四条斜边，最薄处不得小于0.8 mm，斜片长约10 mm，使薄片具有弹性。

（2）分流道圆形截面的比表面积最大，有利于传热固化，但实际上分流道设计大多采用梯形和半圆形。分流道断面面积与物料流动性、物料温度和分流道长度等因素有关，但主要取决于流经分流道的物料量。对于酚醛类塑料，分流道截面积可按下式估算：

图334 常用拉斜杆形式

式中：

Ar——分流道截面积，mm2；

α——系数，取0.26 mm2/g；

mr——流经分流道的塑料量，g。

也可按图335的曲线1估算。生产中梯形截面厚度，对于中小型塑料件可取2～4 mm;对于较大塑料件可取4～8 mm。为了减小物料流动阻力，主流道与分流道、各分流道转向处，都应取较大的转角半径。转角半径应不小于分流道直径或宽度。分流道的表面粗糙度在 0.4 μm以下，并镀铬。

图335 酚醛塑料的分流道和浇口断面积、流过物料体积的关系

（3）浇口如图336～338所示，热固性塑料注塑模的浇口形式有直浇口、侧浇口、盘形浇口、外环形浇口、内环形浇口、扇形浇口、平缝形浇口、点浇口和潜伏式浇口等。物料流经浇口时摩擦磨损大，固化了的浇口凝料质脆易断，故与热塑性塑料注射的浇口有所差异。

下面介绍其中三种：

a.侧浇口。侧浇口长度为0.8～1.5 mm。宽度应比分流道稍窄，中小制件为2～4 mm，大制件为4～8 mm。其深度是浇口截面积的修模调节尺寸，根据经验常取0.5 mm左右。对于纤维填料取 0.8～l.0 mm，或取塑料件壁厚的1/2左右。对酚醛塑料的侧浇口截面积，可参考图335中的线2。

图336 热固性塑料注塑模的浇口类型

b.点浇口。填料粒度大的热固性塑料不能用点浇口。点浇口处磨损剧烈，直径比热塑性塑料模大得多，常取d=1.2～2.5 mm，可根据塑料件大小和壁厚选取。浇口形式见图334(a)(b)。浇口带有锥度可减小摩擦。

图337 热固性塑料注塑的点浇口

c.潜伏式浇口。倘若采用点浇口就要用如图339所示的三板模结构，而潜伏式浇口可简化模具。该种浇口成功设计取决于浇口位置、浇口的两个角度、推杆位置、塑料件在脱模温度下是否具有柔性。如图338所示，浇口中心线与开模方向的夹角α为25°～30°较适宜。浇口本身锥角在25°～35°为好。推杆距浇口太近，推出时浇口凝料不能产生充分的挠曲，易剪切折断；但推杆太远，则固化浇口没有足够的推出力。

浇口部位最好做成可换镶块。特别在大批量生产时，镶件的镀铬层磨去后，可重新镀铬或更新镶件。也可以考虑用硬质合金制造镶块，寿命可提高数倍。

图338 热固性塑料注塑模的潜伏式浇口

图339 中制件为模具注射石棉短纤维充填的酚醛环刷。该制件尺寸精度要求高，型腔的脱模斜度很小，采用盘形浇口有利于纤维的充模和分布。再用一模四腔的压制模成型时，成型周期达2.75 min。改为—模四腔注塑模，由于破裂线很难控制，现为—模二件。采用三板模结构，拉尺被仔细设计，让动模板与中间板首先分离并剪断盘形浇口。第二次分型时，塑料件中心引导流道的固化物不被咬合或破碎。这样可实现自动生产，注塑周期为58 s。