塑料收缩性及模具尺寸相关资料

扇形制品注射成型的收缩特性研究 作者：宋满仓 荆晓南 赵丹阳 [模具网] 目前，对于生产普通形状塑料制品的模具型腔尺寸的计算方法已比较规范，但对于一些具有特殊形状或 结构单元如凸形、凹形和扇形制品来说，其相应的模具型腔尺寸的计算方法还存在一些不同的理解和认 识。一般计算模具型腔尺寸时必须考虑制品的收缩特性。为此，笔者设计制作了一副 1模 4腔的模具 （包括正方形、凸形、 凹形和扇形等 4种形状），通过注射成型实验重点探讨扇形制品的收缩特性。 1、扇形制品注射成型预期收缩分析 对塑料，制品的收缩趋势，一般有 2种认识：沿其几何中心收缩或沿其外围轮廓向内收缩。基于此，扇 形制品的收缩可能有 3种情况。 （1）收缩后扇形角度未变，径向尺寸均减小，如图 1所示。 （2）收缩后扇形角度变小，外径尺寸变小，内径尺寸加大，如图 2所示。 （3）收缩后扇形角度变大，径向尺寸均减小，如图 3所示。 究竟扇形制品如何收缩则必须通过实验来加以确定。 2、实验部分 2.1 原料与设备 由于实验要定量地分析特定形状制品的收缩规律，故选用收缩率较大的聚丙烯（PP），这样所得制品的 收缩率较大，测量、分析比较方便。实验设备为锁模力 1.2x106N的注塑机。 2.2 模具 将正方形、凸形、凹形和扇形制品设计在一副模具之中，型腔及流道系统在动模板中的分布如图 4所示。 各型腔孔皆为通孔，将各种形状的型腔镶块嵌入其中构成模具型腔，型腔深度（制品厚度）为 3mm。采 用扇形浇口，这样塑料熔体可在较大范围内注入，带入型腔的空气较少，熔体通过浇口后的横向流动均 匀，制品内产生的应力较小，所得制品尺寸稳定。 2.3 实验安排及数据采集 将原料从注塑机加料口注入进行注塑充模，将料温、注射速率、注塑压力、保压压力和保压时间这 5个 注塑工艺参数按单因素变化方法来设置，即每一大组实验中有 4个工艺参数值固定不变，只有 1个工艺 参数变化。本实验由此分为 5大组，即料温变化组、注射速率变化组、注塑压力变化组、保压压力变化 组和保压时间变化组。每大组都遵循一个工艺参数等差递增，其它 4个工艺参数为定值的变化规律，分 为 10组不同的注塑工艺状况。实验注塑件如图 5所示。 3、结果与讨论 3.1 测量结果 PP注塑件在成型后的数天至数周中还会继续收缩和结晶，大部分的收缩在成型后 24 h内发生。为得到 稳定可靠的结果，所有注塑件均是在注射成型的一个月后测量的。采用 GJ800 D三坐标测量仪对扇形的 内外径及扇形角度进行测量。以上每个变化组中的每一种不同的注塑工艺状况下都选择 3个注塑件进行 测量，然后取平均值。现以料温变化组和注塑压力变化组的数据为例来讨论扇形制品的收缩特性。 表 1、表 2和表 3分别是扇形制品扇形角度、内径和外径的收缩情况。 3.2 结果分析 由表 1可以得到扇形制品的平均扇形角度为 90.058°，其对应的型腔角度为 90°，呈放大趋势，角度平 均增长率为 0.06％。 由表 2可以得到扇形制品的平均内径为 29.432mm，其对应的型腔尺寸为 30 mm，呈缩小趋势，平均线性 收缩率为 1.89%。 由表 3可以得到扇形制品平均外径为 49.380mm，其对应的型腔尺寸为 50 mm，呈缩小趋势，平均线性收 缩率为 1.24%。 另外，扇形制品的径向厚度为 19. 948 mm，其对应的型腔尺寸为 20 mm，呈缩小趋势，平均线性收缩 率为 0.26%。 扇形制品收缩前后角度变化与弧长的收缩率有关，若扇形内弧长的收缩率与外弧长收缩率相同时，扇形 制品收缩前后的角度将不会改变；若扇形内弧长的收缩率小于外弧长的收缩率时，扇形制品收缩后的角 度将变小；若扇形内弧长的收缩率大于外弧长的收缩率时，扇形制品收缩后的角度将增大。实验数据表 明扇形内径收缩率（1.89%）要比扇形外径收缩率（1.24%）大，又由于扇形径向尺寸与弧长成正比，因 此扇形内弧长的收缩率要比扇形外弧长的收缩率大。由此可知，扇形制品收缩后的角度应该是增大的， 这也与扇形制品角度变化实验结果一致。 4、结语 对于其它特殊形状的制品，也可用同样的方法来研究其收缩特性。只有掌握了收缩特性才能计算出合理 的型腔尺寸，从而生产出合格的制品。 塑料收缩率和模具尺寸 设计塑料模时，确定了模具结构之後即可对模具的各部分进行详细设计，即确定各模板和零件的尺寸， 型腔和型芯尺寸等。这时将涉及有关材料收缩率等主要的设计参数。因而只有具体地掌握成型塑料的收 缩率才能确定型腔各部分的尺寸。即使所选模具结构正确，但所用参数不当，就不可能生产出品质合格 的塑件。 塑料收缩率及其影响因素 热塑性塑料的特性是在加热後膨胀，冷却後收缩，当然加压以後体积也将缩小。在注塑成型过程中，首 先将熔融塑料注射入模具型腔内，充填结束後熔料冷却固化，从模具中取出塑件时即出现收缩，此收缩 称为成型收缩。塑件从模具取出到稳定这一段时间内，尺寸仍会出现微小的变化，一种变化是继续收缩， 此收缩称为後收缩。另一种变化是某些吸湿性塑料因吸湿而出现膨胀。例如尼龙 610含水量为 3%时，尺 寸增加量为 2%；玻璃纤维增强尼龙 66的含水量为 40%时尺寸增加量为 0.3%。但其中起主要作用的是成 型收缩。 目前确定各种塑料收缩率（成型收缩＋後收缩）的方法，一般都推荐德国国家标准中 DIN16901的规定。即以 23℃±0.1℃时模具型腔尺寸与成型後放置 24小时，在温度为 23℃，相对湿度 为 50±5%条件下测量出的相应塑件尺寸之差算出。 收缩率 S由下式表示： S={(D－M)/D}×100%(1) 其中：S-收缩率； D-模具尺寸； M-塑件尺寸。 如果按已知塑件尺寸和材料收缩率计算模具型腔则为 D=M/(1-S) 在模具设计中为了简化计算，一般使用下式求模具尺寸： D=M+MS(2) 如果需实施较为精确的计算，则应用下式： D=M+MS+MS2(3) 但在确定收缩率时，由於实际的收缩率要受众多因素的影响也只能使用近似值，因而用式(2)计算型腔尺 寸也基本上满足要求。在制造模具时，型腔则按照下偏差加工，型芯则按上偏差加工，便於必要时可作 适当的修整。 难於精确确定收缩率的主要原因，首先是因各种塑料的收缩率不是一个定值，而是一个范围。因为不同 工厂生产的同种材料的收缩率不相同，即使是一个工厂生产的不同批号同种材料的收缩率也不一样。因 而各厂只能为用户提供该厂所生产塑料的收缩率范围。其次，在成型过程中的实际收缩率还受到塑件形 状，模具结构 和成型条件等因素的影响。下面对这些因素的影响作一介绍。 塑件形状 对於成型件壁厚来说，一般由於厚壁的冷却时间较长，因而收缩率也较大，如图 1所示。 对一般塑件来 说，当熔料流动方向 L尺寸与垂直於熔料流方向 W尺寸的差异较大时，则收缩率差异也较大。 从熔料流 动距离来看，远离浇口部分的压力损失大，因而该处的收缩率也比接近浇口部位大。 因加强筋、孔、凸 台和雕刻等形状具有收缩抗力，因而这些部位的收缩率较小。 模具结构 浇口形式对收缩率也有影响。用小浇口时，因保压结束之前浇口即固化而使塑件的收缩率增大。 注塑模 中的冷却回路结构也是模具设计中的一个关键。冷却回路设计得不适当，则因塑件各处温度不均衡而产 生收缩差，其结果是使塑件尺寸超差或变形。在薄壁部分，模具温度分布对收缩率的影响则更为明显。 成形条件 料筒温度：料筒温度（塑料温度）较高时，压力传递较好而使收缩力减小。但用小浇口时，因浇口固化 早而使收缩率仍较大。对於厚壁塑件来说，即使料筒温度较高，其收缩仍较大。 补料 在成型条件中，尽量减少补料以使塑件尺寸保持稳定。但补料不足则无法保持压力，也会使收缩率增大。 注射压力 注射压力是对收缩率影响较大的因素，特别是充填结束後的保压页号 335压力。在一般情况下，压力较 大时因材料的密度大，收缩率就较小。 注射速度 注射速度对收缩率的影响较小。但对於薄壁塑件或浇口非常小，以及使用强化材料时，注射速度加快则 收缩率小。 模具温度 通常模具温度较高时收缩率也较大。但对於薄壁塑件，模具温度高则熔料的流动阻抗小，而收缩率反而 较小。 成型周期 成型周期与收缩率无直接关系。但需注意，当加快成型周期时，模具温度、熔料温度等必然也发生变化， 从而也影响收缩率的变化。在作材料试验时，应按照由所需产量决定的成型周期进行成型，并对塑件尺 寸进行检验。用此模具进行塑料收缩率试验的实例如下。 注射机：锁模力 70t 螺杆直径 Φ35mm 螺杆转速 80rpm 成形条件：最高注射压力 178MPa 料筒温度 230(225-230-220-210)℃ 240(235-240-230-220)℃ 250(245-250-240-230)℃ 260(225-260 -250-240)℃ 注射速度 57cm3/s 注射时间 0.44～0.52s 保压时间 6.0s 冷却时间 15.0s 模具尺寸和制造公差 模具型腔和型芯的加工尺寸除了通过 D=M(1+S)公式计算基本尺寸之外，还有一个加工公差的问题。按照 惯例，模具的加工公差为塑件公差的 1/3。 但由於塑料收缩率范围和稳定性各有差异，首先必须合理化 确定不同塑料所成型塑件的尺寸公差。即由收缩率范围较大或收缩率稳定较差塑料成型塑件的尺寸公差 应取得大一些。否则就可能出现大量尺寸超差的废品。 为此，各国对塑料件的尺寸公差专门制订了国家 标准或行业标准。中国也曾制订了部级专业标准。但大都无相应的模具型腔的尺寸公差。德国国家标准 中专门制订了塑件尺寸公差的 DIN16901标准及相应的模具型腔尺寸公差的 DIN16749标准。此标准在 世界上具有较大的影响，因而可供塑料模具行业参考。 关於塑件的尺寸公差和允许偏差 为了合理地确定不同收缩特性材料所成型塑件的尺寸公差，让标准引入了成型收缩差△VS这一概念。 △VS＝VSR－VST(4) 式中： VS－成型收缩差　VSR－熔料流动方向的成形收缩率　VST－与熔料流动垂直方向的成形收缩率。 根据塑料△VS值，将各种塑料的收缩特性分为 4个组。△VS值最小的组是高精度组，以此类推，△VS 值最大的组为低精度组。 并按照基本尺寸编制了精密技术、110、120、130、140、150和 160公差组。 并规定，用收缩特性最稳定的塑料成型塑件的尺寸公差可选用 110、120和 130组。 用收缩特性中等稳 定的塑料成形塑件的尺寸公差选用 120、130和 140。如果用这类塑料成型塑件的尺寸公差选用 110组 时，即可能出大量尺寸超差塑件。 用收缩特性较差的塑料成型塑件的尺寸公差选用 130、140和 150组。 用收缩特性最差的塑料成型塑件的尺寸公差选用 140、150和 160组。 在使用此公差表时，还需注意以 下各点。 表中的一般公差用於不注明公差的尺寸公差。直接标注偏差的公差是用於对塑件尺寸标注公差 的公差带。其上、下偏差可由设计人员自行确定。例如公差带为 0.8mm，则可以选用以下各种上、下偏 差构成。如＋0.8，0；0，-0.8；＋／－0.4；＋0.3，-0.5；＋0.6，-0.2等。 每一公差组中均有 A、B 两组公差值。其中 A是由模具零件组合形成的尺寸，增加了模具零件对合处不密合所形成的错差。 此增加值为 0.2mm。其中 B是直接由模具零件所决定的尺寸。 精密技术是专门设立的一组公差值，供具 有高精度要求塑件使用。 在此用塑件公差之前，首先必须知道所使用的塑料适用哪几个公差组。 模具的制造公差 德国国家标准针对塑件公差制订了相应模具制造公差的标准 DIN16749。该表中共设 4种公差。不论何种 材料的塑件，其中不注明尺寸公差尺寸的模具 制造公差均使用序号 1的公差。具体公差值由基本尺寸范 围确定。 不论何种材料塑件中等精度尺寸的模具制造公差为序号 2的公差。不论何种材料塑件较高精度 尺寸的模具制造公差为序号 3的公差。精密技术相应的模具制造公差为序号 4的公差。 可以合理地确定各种材料塑件的合理公差和相应的模具制造公差，这不仅给模具制造带来方便，还可以 减少废品，提高经济效期益 扇形制品注射成型的收缩特性研究