注塑工藝及模具設計第六講 特種注塑模（二）

洪慎章

(上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院，上海 200030)

6.2 熱固性塑料注塑模

熱固性塑料可用于注塑的種類有酚醛塑料、氨基塑料、不飽和聚酯、DAP塑料、環氧樹脂、有機硅、聚酰亞胺和聚丁二烯等。他們都是塑料工業的重要材料。與熱塑性塑料相比，它們通常有優良的耐熱和阻燃性、耐化學性、抗蠕變等性能，且價格低廉。曾長期采用傳統的壓縮成型和壓注成型方法制造熱固性塑料產品，手工操作繁重，成型周期又長。用先進的注塑成型方法可成倍地提高生產效率。今后，大部分熱固性塑料制件將用注塑成型方法生產。

6.2.1 注塑工藝特點

熱固性塑料注塑成型是一種新技術。其成型模具的設計與注塑工藝、注塑物料和注塑設備密切相關。

6.2.1.1 工藝特點

熱固性塑料注射有別于熱塑性塑料。熱固性塑料的注射料加入機筒，通過螺桿旋轉產生剪切熱和機筒的外加熱，使之在較低溫度（約55～105℃）下熔融。然后在高壓下將稠膠狀的物料注入模具，在150～200℃高溫作用下，進行化學交聯反應，經保壓后固化成型。最后開模頂出取得成型制件。

（1）熱固性注塑料

熱固性塑料注射料應經改性后制成粒子、粉狀或液態等供應。大多以粒子供應，僅環氧注塑料是液態的。對熱固性塑料的注射料有下列要求：

a.合適的流動性。熱固性注塑料的拉西格流動性一般大于200 mm。相對分子質量在1 000以內的線型分子或具有少量支鏈型的分子，其流動性最好。木粉作填料的注塑料流動性最好，無機填料的流動性較差，玻璃纖維和紡織填料的塑料流動性最差。添加潤滑劑可提高流動性，過多固化劑會降低流動性。

b.塑化溫度范圍寬。一般要求物料在70～90℃能夠塑化，具有一定流動性，并要求在注塑機的機筒中存留15～30 min，具有熱穩定性。添加穩定劑可在較低溫度下阻止交聯固化。這對溫流道注射模成型尤其重要。

c.高溫下能快速固化。固化速度快能縮短成型周期，提高生產效率，但過快固化會造成局部型腔特別是細小部位充填不滿 。

d.收縮率要小。比起熱固性塑料的壓縮和壓注成型，注塑料的收縮最大，因為成型中受到壓力最小，且模具溫度高，脫模后冷卻至室溫又再次收縮。另外熱固性注塑料的收縮率與填料的種類和含量有關。木粉等有機填料會使收縮率大增。礦物填料，特別是玻璃纖維充填的注塑料收縮率較小。過大收縮率使制件尺寸變化大，又易產生變形翹曲。模具設計收縮率仍以模具和制件在室溫條件下的尺寸計算。由于該收縮率與注塑料品種和配方關系很大，通常又含有40%以上填料，收縮率應由生產廠的注塑料說明書或試驗確定。

（2）熱固性塑料注塑機

熱固性塑料注射應該用專門的注塑機。這種注塑機與常用的熱塑性塑料注塑機主要有兩方面的區別:

a.機筒加熱方式。熱固性塑料的塑化熱量主要來源是螺桿旋轉的剪切熱。機筒的外加熱主要起預熱作用，并對機筒溫度進行調節。單一的電熱方式易使物料過熱固化，因此，常用水或油加熱機筒，也有電加熱水結構的機筒。另一種是油電加熱機筒，電熱僅用于預熱，塑化時調節油溫來控制機筒溫度，所以機筒溫度控制精度較高。

b.塑化螺桿的壓縮比。壓縮比由對熱性注塑料的（2～3.5):1減小至 1:1；長徑比由（15～20):1減小為（12～15):=1，從而減小對物料的剪切和摩擦作用。

（3）注塑工藝

a.工藝要點。 熱固性塑料注塑過程中，物料在機筒中處于黏度最低的熔融狀態。塑料熔體的黏度及其流動阻力與填料品種、比例和形狀尺寸關系很大，需有相適應的注射壓力。必須綜合考慮摩擦熱的因素。一般采用較高注射速度，以獲得較高的摩擦熱，有利于固化。熱固性塑料在模具中進行固化反應，會產生縮合水和低分子揮發物。模具型腔必須設有暢通的排氣系統，否則會在塑料件表面留下氣泡和殘缺。固化成型時間按最大璧厚計算，一般為8～12 s/mm，快速固化的注塑料為5～7 s/mm。

b.存在的問題。目前熱固性塑料注射品種已有一百多種， 但國內生產品種尚少， 還需提高材料性能。熱固性塑料中的填料，如玻璃纖維在螺桿剪切作用中會受損，而布屑、紙片等大顆粒填料難以進料。不但物料的流動性差，而且對螺桿和模具等磨損作用大，又使注塑件取向較嚴重，產品易翹曲變形。塑料件中嵌件的安放受成型速度等限制，不能過多和過慢。應看到熱固性注射的設備和模具費用比其他加工工藝方法高幾倍，而且耗能也大，單模具加熱就占耗能1/4。最突出的問題是澆注系統凝料只能作廢料處理， 尤其是一模多腔小制件浪費率達15%～25%，甚至更高，故采用無澆注系統凝料的流道模具有重大意義。這種模具稱為熱固性塑料的溫流道注塑模。此種溫流道注射要使流道內物料始終保持熔融狀態， 為此對模具的溫流道部分單獨設置一個低溫區，溫度大致在105～110℃范圍。此溫流道板用熱水或熱油循環保溫，而型腔部分是高溫區。

6.2.1.2 模內流動和固化

熱塑性塑料熔體充模時模壁溫度低于熔體溫度，使靠近模壁處的熔體迅速冷卻生成凍結皮層。靠近凍結層處熔體黏度高于中心層，流速沿斷面呈拋物線分布， 如圖328(a)所示。熱固性塑料熔體充模時，模壁溫度高于熔體溫度，不會產生凍結層。接觸模壁處熔體因受到加熱反而使黏度降低。除緊鄰模壁薄層因摩擦阻力流速較低外，整個斷面流速分布相近，形成“活塞流”，如圖328(b)所示。

圖328 熔體充模流速分布比較

熱固性塑料熔體的充模流速分布特性，與粉狀料壓制成型相比，型腔中充模終止時的塑料熔體溫度均勻一致，沒有明顯的內外層，固化程度不易區別。因此， 注射充模塑料件在整個斷面上有較均勻一致的力學和電絕緣性能。但是這種充模流動，在模具高溫模壁外的流速很高，對模壁產生很大摩擦、磨損。特別是在流道和型腔的狹窄通道處，壁面磨損甚。

熱固性塑料充模后固化交聯成三維網狀結構。不會出現大分子鏈的取向， 也很少產生熔體破裂現象。但是纖維狀的填料在充模流動中會出現流動取向，使制件在流動方向的力學性能和收縮率高于垂直流動方向。

熱固性塑料熔體在充模過程中， 近模壁處的流速高且速度梯度大，與型腔面的傳熱系數高，又會產生不容忽視的摩擦熱。這使充模熔體很快達到固化溫度。與其他成型方法比較，同樣厚度制件固化反應時間最短；若制件較厚，固化時問縮短更明顯。這使模具溫度控制較為困難。模溫偏低會延長固化周期，或使固化不完全，致使塑料件性能下降。倘若模溫偏高，低黏度熔體會到處鉆模形成飛邊。 靠近模壁的熔體黏度迅速越過最低點而過早固化，會使塑料件表層發暗出現流痕和黏模。局部熔體過早固化， 還會使塑料件某些部分缺料。模內熔體受熱時， 一方面由于分子鏈活動性增大使黏度降低； 但另一方面因固化反應而使黏度大增。圖329所示是兩個相反的綜合影響結果。

圖329 熱固性塑料黏度與加熱溫度、時間的關系

綜上所述，熱固性塑料注塑模具的總體結構設計時必須考慮如下特點:

(1） 制件尚未固化前樹脂黏度比熱塑性塑料低，對于 0.01～0. 02 mm縫隙也會溢出。

(2） 制件成型后硬而脆。其分型面上的飛邊和鉆入縫隙的溢料使清理困難。易破碎的小片會磨損模具表面。

(3） 熱固性塑料的摩擦因數和收縮率較小。塑料件對型芯包緊力較小，開模時易滯留在型腔的一側。

(4） 塑料熔體對模具成型表面有較嚴重的磨蝕磨損 。

(5） 模具工作溫度遠高于室溫，使室溫下的裝配間隙很難控制。室溫下過小間隙會使工作時的運動零件產生咬死和拉毛現象。

6.2.2 模具設計要點

許多重要設計步驟，如模具的強度和剛度計算等，與熱塑性塑料注塑模相同或相似，這里從簡。

6.2.2.1 模具設計過程

圖330所示是—模八腔的酚醛塑料注塑模。因制件太小和飛邊過多，如采用壓制模生產則效率太低，現用單分型面的結構和側澆口。因為過細的流道容易被推出桿推破并破裂，澆注系統的用料只能多些。

（1）型腔數目確定

應以保證足夠大的鎖模力，防止分型面上出現飛邊來確定型腔數。型腔數目為

式中：

n——由鎖模力決定的型腔數；

f——注塑機的鎖模力，N；

Pc——型腔內塑料熔體的壓力，MPa；

A'——流道和澆口在分型面上的投影面積，mm2；

A——每個制件在分型面上的投影面積，mm2。

圖330 一模八腔酚醛塑料注塑模

根據經驗，酚醛塑料成型時型腔壓力Pc為30～40 MPa，氨基塑料Pc為40～60 MPa，不飽和聚酯Pc為10～20 MPa。

還需校核塑料熔體在機筒中的存留時間tb，使tb不得超過熔體狀態的維持時間。目前，該允許維持時間 [tb]=4～6 min，即

式中：

tb——熔體在機筒中的存留時間，min ；

t——注塑成型周期，min；

mb——塑料在機筒中（包括螺桿槽中）的存料總量，g；

mg——每次注射用量，g。

因此，每次實際注射量mg為注射后機筒中存料mb的0.7～0.8倍較為合適。倘若注射量mg過少，會造成塑料件上有過早固化硬塊，甚至必須經常對空噴射，以防止塑料在機筒中固化。

（2）嵌件和安裝

熱固性塑料制件中若要安放嵌件，首先要防止熔體鉆料，其次要求安裝快速。因此，通常在模外將嵌件裝在嵌件桿或嵌件套上，然后整體裝入。

防止鉆料方法，其一是采用臺肩式嵌件桿，如圖331(a)所示。該臺肩有時也制成錐面并與圓柱組合，如圖331(b)所示。金屬嵌件旋入嵌件桿后置于模內，還要防止嵌件桿與嵌件接觸端面間被鉆料。其二是提高嵌件桿和模具上插孔的配合精度， 它們之間單邊間隙在 0.01～0.02 mm之間。應先加上孔，然后配磨和配研成型桿，再鍍鉆拋光，并保證多個嵌件桿的互換性。

圖331 嵌件與嵌件桿

（3）分型面設計

為增大鎖模力以減薄甚至避免飛邊，應減小分型面的實際接觸面積，如圖330所示。—般在型腔周圍的10～20 mm之外部分削去0.5～1 mm。但也需注意到過大鎖模力會使型腔塌陷。分型面上作用40～70 MPa鎖模壓力為好，流動性好的物料應取其大值進行驗算。

分型面硬度應在40HRC以上，避免飛邊碎屑過快損傷分型面。對分型面鍍鉻處理，可減小飛邊的黏附力。

分型面上不允許存在任何孔和凹坑，否則會造成飛邊清理困難。應將模板上螺孔等設計成不通孔。若有通孔，也應將其鑲填磨平。

（4）成型零件設計

成型零件工作尺寸的計算方法與熱塑性塑料注塑模具相同。 但在確定成型收縮率時， 應注意到熱固性塑料注塑收縮率的離散性較大， 如酚醛塑料注塑收縮率為 0.7%～1.2% 。此外，在計算型腔深度尺寸時，要計入分型面上毛邊厚度0.05～0.1 mm，即將計算的模具型腔尺寸減去毛邊值。

成型零件設計應盡量避免鑲拼結構，以免熔體鉆模。整體鑲嵌式型腔常被采用。型腔表面粗糙度Ra應在0.20 μm以下。

型腔和型芯一般都應經過熱處理淬硬。表面硬度為40～45HRC的析出硬化鋼SM2和PMS用于高精度的中小型模具。為了提高耐磨性，也常用合金工具鋼 9Mn 2V、5CrMnMo、9CrWMn，其表面硬度為53～57HRC。含有礦石粉或玻璃纖維等硬質填料時，要求其表面硬度為58～62HRC。成型零件常用鍍硬鉻后拋光來降低表面粗糙度，提高耐磨性并防腐和防銹，延長模具使用壽命。鍍鉻層厚度 在 0. 03～0.08 mm 之間。

（5）脫模機構設計

由于熱固性塑料熔體有0.02 mm以上單邊間隙，就會鉆模產生飛邊，給脫模機構設計帶來很大難度，所以應盡量避免采用推管和推板脫模元件。推管的內外柱面均有間隙配合。推板與型芯的配合間隙有時很難均勻一致，在高溫下的實際間隙很難控制。倘若要使用推板，則脫模行程要增大到足以使推板脫出型芯。這樣，便于清除飛邊及碎片。

采用推桿比較容易使單邊間隙達到0.01～0.02 mm的要求。0.03 mm以下間隙會產生極薄一層半透明的飛邊，尚不妨礙相對滑動。但間隙小于0.005 mm時，在 約160℃左右模溫下易產生配合面的脹咬故障。如圖332(a)所示，在推桿的中間滑動段制成三棱帶，可減小與高溫孔壁的摩擦面。棱帶應有足夠長度和精度，每棱應有1.5 mm的支承接觸寬度。又見圖332(b)，推桿在推出位置，動模底面與推桿三棱段應留有足夠位置A,以允許碎屑從槽中自由脫落，而上部圓柱段要全部推出塑料件成型面。這種推桿直徑通常大于5 mm。棱帶數可視直徑增大而增多。

（6）排氣系統設計

圖332 熱固性注塑模推桿

熱固性塑料注塑模不但要排出型腔中的空氣，還要排出固化反應所產生的揮發性氣體，因此，排氣量大。在澆口前的分流道就應該開始排氣。排氣槽寬度就等于分流道寬度，在分型面上深度取0.12 mm左右。—般在型腔四周均應當排氣，在料流末端更應保證排氣暢通。分型面上排氣槽寬度3～8 mm，深度0.06～0.18 mm，如圖333(a)所示，排氣槽相互間隔至少25 mm。排氣槽允許物料溢出，并有與型腔表面相同的表面粗糙度和硬度。但遇到小型板件，排氣量又不大，則用約深度0.06 mm的淺排氣槽，使飛邊去除容易。也可以在芯柱上開設排氣隙，如圖333(b)所示。在芯柱外圓上磨出3個或4個深0.05～0.075 mm的平面，然后經中心引氣孔導出氣體。在大多數場合，頂桿上也磨出類似的幾個導氣平面。加工時需注意，磨痕應沿著軸線方向， 排氣面端角上要磨出 0.12 mm左右的倒角。這樣在有飛邊形成時會黏連在制件上。最后—種有效的可靠方法是利用多孔的燒結塊，如圖333(c)所示。

圖333 排氣系統設計

（7）加熱和絕熱考慮

熱固性塑料注塑模加熱系統使用最多的是電熱棒，也有用電熱板的。其加熱功率應該根據兩絕熱板之間的模具總質量計算。也有—個專用經驗公式，即

式中：

P——加熱器功率，W；

V——被加熱模具體積，cm3。

如圖330所示，動模和定模分別設置測溫熱電偶，以自動控制模具溫度， 使成型表面溫差在±2.5℃之內。表51為部分熱固性塑料注塑成型模具溫度提供了參考。

表51 部分熱固性塑料注塑模模溫 ℃

為防止高溫模具向注塑機的兩塊模板傳熱，需設置兩個絕熱墊層，常用石棉水泥板或環氧玻璃鋼板等。如圖330所示，絕熱層設置在動模支承板和墊鐵之間，需加設定位套筒，也有將絕熱層設置在動模底板和注塑機動模板之間的。

6.2.2.2 澆注系統設計

在設計時，應注意采用由熱固性塑料注塑工藝特點而獲得的經驗數據。

（1）主流道 熱固性塑料注塑成型時，物料在機筒內沒有加熱到足夠高溫度，因此，要求主流道有較大傳熱面積，而且熱固性注塑機的噴嘴口徑較大，錐角α應為1°～2°。主流道內壁的表面粗糙度Rα≤0.8 μm。

由于熱固性塑料有脆硬特性，因此拉料的“冷料”井應防止物料折斷。圖334(a)所示球形拉料頭，d=d1+2 mm。d與d1之差過小則無拉料作用，若過大會不能脫模或破裂。圖334(b)所示Z形拉料頭，最薄處不得小于4 mm，尖角處應設有r=1 mm的圓角。圖334(c)所示薄片式拉料頭，在圓柱桿頭銑四條斜邊，最薄處不得小于0.8 mm，斜片長約10 mm，使薄片具有彈性。

（2）分流道 圓形截面的比表面積最大，有利于傳熱固化，但實際上分流道設計大多采用梯形和半圓形。分流道斷面面積與物料流動性、物料溫度和分流道長度等因素有關，但主要取決于流經分流道的物料量。對于酚醛類塑料，分流道截面積可按下式估算：

圖334 常用拉斜桿形式

式中：

Ar——分流道截面積，mm2；

α——系數，取0.26 mm2/g；

mr——流經分流道的塑料量，g。

也可按圖335的曲線1估算。生產中梯形截面厚度，對于中小型塑料件可取2～4 mm;對于較大塑料件可取4～8 mm。為了減小物料流動阻力，主流道與分流道、各分流道轉向處，都應取較大的轉角半徑。轉角半徑應不小于分流道直徑或寬度。分流道的表面粗糙度在 0.4 μm以下，并鍍鉻。

圖335 酚醛塑料的分流道和澆口斷面積、流過物料體積的關系

（3）澆口 如圖336～338所示，熱固性塑料注塑模的澆口形式有直澆口、側澆口、盤形澆口、外環形澆口、內環形澆口、扇形澆口、平縫形澆口、點澆 口和潛伏式澆口等。物料流經澆口時摩擦磨損大，固化了的澆口凝料質脆易斷，故與熱塑性塑料注射的澆口有所差異。

下面介紹其中三種：

a.側澆口。側澆口長度為0.8～1.5 mm。寬度應比分流道稍窄，中小制件為2～4 mm，大制件為4～8 mm。其深度是澆口截面積的修模調節尺寸，根據經驗常取0.5 mm左右。對于纖維填料取 0.8～l.0 mm，或取塑料件壁厚的1/2左右。對酚醛塑料的側澆口截面積，可參考圖335中的線2。

圖336 熱固性塑料注塑模的澆口類型

b.點澆口。填料粒度大的熱固性塑料不能用點澆口。點澆口處磨損劇烈，直徑比熱塑性塑料模大得多，常取d=1.2～2.5 mm，可根據塑料件大小和壁厚選取。澆口形式見圖334(a)(b)。澆口帶有錐度可減小摩擦。

圖337 熱固性塑料注塑的點澆口

c.潛伏式澆口。倘若采用點澆口就要用如圖339所示的三板模結構，而潛伏式澆口可簡化模具。該種澆口成功設計取決于澆口位置、 澆口的兩個角度、 推桿位置、塑料件在脫模溫度下是否具有柔性。如圖338所示，澆口中心線與開模方向的夾角α為25°～30°較適宜。澆口本身錐角在25°～35°為好。推桿距澆口太近，推出時澆口凝料不能產生充分的撓曲，易剪切折斷；但推桿太遠， 則固化澆口沒有足夠的推出力。

澆口部位最好做成可換鑲塊。 特別在大批量生產時， 鑲件的鍍鉻層磨去后，可重新鍍鉻或更新鑲件。也可以考慮用硬質合金制造鑲塊，壽命可提高數倍。

圖338 熱固性塑料注塑模的潛伏式澆口

圖339 中制件為模具注射石棉短纖維充填的酚醛環刷。該制件尺寸精度要求高，型腔的脫模斜度很小，采用盤形澆口有利于纖維的充模和分布。再用一模四腔的壓制模成型時，成型周期達2.75 min。改為—模四腔注塑模，由于破裂線很難控制，現為—模二件。采用三板模結構，拉尺被仔細設計，讓動模板與中間板首先分離并剪斷盤形澆口。第二次分型時，塑料件中心引導流道的固化物不被咬合或破碎。這樣可實現自動生產，注塑周期為58 s。

圖339 一模二腔石棉短纖維充填酚醛塑料的雙分型面注塑模