第二章 真空吸塑成型基本原理和術(shù)語(yǔ)

1、第二章真空吸塑成型基本原理和術(shù)語(yǔ)本章將就真空吸塑成型的基本原理和相關(guān)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行介紹,對(duì)往后了解成型特性有著重要關(guān)系。一、真空吸塑成型原理真空吸塑成型工藝(圖2-1是一種熱成型加工方法。利用熱塑性塑料片材,制造開(kāi)口殼體制品的一種方法。將塑料片材裁成一定尺寸加熱軟化,借助片材兩面的氣壓差或機(jī)械壓力,使其變形后覆貼在特定的模具輪廓面上,經(jīng)過(guò)冷卻定型,并切邊修整。真空吸塑成型這種成型方法是依靠真空力使片材拉伸變形。真空力容易實(shí)現(xiàn)、掌握與控制,因此簡(jiǎn)單真空成型是出現(xiàn)最早,也是目前應(yīng)用最廣的一種熱成型方法。圖2-1 基本原理示意圖二、無(wú)模成型真空無(wú)模成型過(guò)程如圖2-2所示,將片材加熱到所需溫度后,置于夾持環(huán)

2、上,用壓環(huán)壓緊,打開(kāi)真空泵閥門抽真空,通過(guò)光電管控制真空閥調(diào)節(jié)真空度,直到片材達(dá)到所需的成型深度為止。由于自由真空成型法中制件不接觸任何模具表面,制件表面光澤度高,不帶任何瑕疵。如果塑料本自身是透明的,制件可以具有最小的光吸收率和透明性,故可用于制造飛機(jī)部件如儀器罩和天窗等。真空無(wú)模成型法在成型過(guò)程中只能改變制件的拉伸程度和外廓形狀,因此不能成型外型復(fù)雜的制件。另外,成型過(guò)程中,隨著拉伸程度的增大,最大變形區(qū)(即片材中心的厚度不斷減小,因此實(shí)際生產(chǎn)中拉伸比(H/D一般應(yīng)小于75%。在運(yùn)用此法進(jìn)行加工時(shí),操作員必須有熟練的技巧,調(diào)節(jié)好真空度,以得到符合設(shè)計(jì)要求的輪廓和尺寸一致的產(chǎn)品。三、陽(yáng)模(凸

3、模和陰模(凹模成型對(duì)于真空吸塑成型,受熱的材料僅有一面與成型工具相接觸。這樣,材料與模具相接的面就具有與成型模具完全相同表面輪廓。而成型制件的未接觸面的輪廓和尺寸就只有取決于材料的厚度。根據(jù)成型材料與成型模具的接觸面的不同,成型過(guò)程可分為陽(yáng)模和陰模成型。圖2-2 無(wú)模真空吸塑成型裝置圖2-3 無(wú)模真空吸塑成型壁厚分布成型模單陽(yáng)模單陰模用柱塞協(xié)助成型允許牽伸比>0.5>1>1表2-1 不同模具所允許的拉伸比真空吸塑陽(yáng)模成型工藝過(guò)程如(圖2-4所示。本法對(duì)于制造壁厚和深度較大的制品比較有利。制品的主要特點(diǎn)是:與真空陰模成型法一樣,模腔壁貼合的一面質(zhì)量較高,結(jié)構(gòu)上也比較鮮明細(xì)致。壁

4、厚的最大部位在陽(yáng)模的頂部,而最薄部位在陽(yáng)模側(cè)面與底面的交界區(qū),該部位也是最后成型的部位,制品側(cè)面常會(huì)出現(xiàn)牽伸和冷卻的條紋,造成條紋的原因在于片材各部分貼合模面的時(shí)候有先后之分。先與模面接觸的部分先被模具冷卻,而在后繼的相關(guān)過(guò)程中,其牽伸行為較未冷卻的部位弱。這種條紋通常在接近模面頂部的側(cè)面處最高。圖2-4 陽(yáng)模成型真空吸塑陰模成型工藝過(guò)程如圖(圖2-5所示。真空陰成型法生產(chǎn)的制品與模腔壁貼合的一面質(zhì)量較高,結(jié)構(gòu)上也比較鮮明細(xì)致,壁厚的最大部位在模腔底部,最薄部位在模腔側(cè)面與底面的交界處,而且隨模腔深度的增大制品底部轉(zhuǎn)角處的壁就變得更薄。因此真空陰模成型法不適于生產(chǎn)深度很大的制品。圖2-5 陰模

5、成型對(duì)于陽(yáng)模成型,制件的內(nèi)尺寸是很精確的,因?yàn)樗桥c真空吸塑成型工具相接的一面。相反,對(duì)于陰模成型,制品的外尺寸是很精確的,因?yàn)槠渫獠颗c真空吸塑成型模具相接觸如(圖2-6。圖2-6a 陽(yáng)模成型(簡(jiǎn)圖和b 陰模成型(簡(jiǎn)圖1-厚部位;2-薄部位;3-成品的內(nèi)尺寸;4-外尺寸對(duì)于陽(yáng)模制件我們必須注意如下問(wèn)題:在使用高的角式模具進(jìn)行加工時(shí),特別是當(dāng)模具與夾持框架間的距離很大時(shí),容易產(chǎn)生皺褶(圖2-7在角落處容易產(chǎn)生冷卻條紋(圖2-7;在凸緣處壁厚不均勻(圖2-7;由于側(cè)壁斜度不夠而使脫模困難;在成型區(qū)(夾持?？蚨嗲荒＞叩那都拖聤A持器之間會(huì)產(chǎn)生小的縫隙;陽(yáng)模成型模具通常比陰模價(jià)格低廉。圖2-7 陽(yáng)模制

6、件中的缺陷及其典型特征(簡(jiǎn)圖1-冷卻痕跡;2-皺褶;3-薄部位;4-厚部位對(duì)于陰模制件我們必須注意其(圖2-8:厚的邊緣;均勻的邊緣厚度;薄的角隅;單陰模有很好的脫模性;陰模模具通常比陽(yáng)模價(jià)格高。但是,對(duì)于每一種情況之中的不利影響都可以通過(guò)采用適當(dāng)?shù)募庸し椒▉?lái)降低。圖2-8 陰模制件的典型特征1-均勻的邊緣;2-薄的角隅四、機(jī)器基本裝置1.夾緊設(shè)備塑料片材成型時(shí),片材被固定在夾緊裝置上。在真空吸塑成型的通用型機(jī)和復(fù)合型的熱成型機(jī)上多采用便于固定各種尺寸片材的夾緊裝置。有的是整個(gè)成型機(jī)配一套夾緊框架。夾緊裝置可分為兩類:一類是框架式,另一類是分瓣式。框架式夾緊裝置由上、下兩個(gè)框架組成。片材夾在兩

7、個(gè)框架之間?？蚣艽蜷_(kāi)時(shí),下框架一般保持固定狀態(tài)。各種類型單工位成型機(jī)上框架的下部直接固定在成型室上。用手裝型坯和成品取出的手動(dòng)和半自動(dòng)成型機(jī)上,當(dāng)框架尺寸很大時(shí),都裝有在框架打開(kāi)范圍內(nèi)的安全操作裝置。對(duì)成型滑移性較大的型坯,要求夾緊力能在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),為此,采用兩個(gè)包膠輥,用彈簧相互壓緊,并配有壓力調(diào)節(jié)裝置。連續(xù)拉片成型機(jī)的夾緊是兩邊拉鏈與前后閘的共同作用。夾緊裝置最好采用自動(dòng)控制,以期動(dòng)作迅速,可有助于提高制件質(zhì)量和效率。2.加熱設(shè)備熱塑性塑料片材和薄膜的真空吸塑成型過(guò)程,主要工序之一就是片材加熱,讓片材軟化成可塑性的設(shè)備。電加熱的持續(xù)時(shí)間和質(zhì)量取決于加熱器的結(jié)構(gòu),輻射表面后溫度傳熱的

8、熱慣性,片材與加熱器間的距離,輻射能吸收系數(shù),加熱器表面的特性以及材料的熱物理性能。常用的加熱器有電加熱器、晶體輻射器和紅外線加熱器。3.真空設(shè)備真空系統(tǒng)由真空泵、儲(chǔ)氣罐、閥門、管路以及真空表等組成,在真空成型中常采用單獨(dú)機(jī)型真空泵,此種泵的真空度應(yīng)達(dá)到0.070.09Mpa(520mmHg以上。儲(chǔ)氣罐一般是用薄鋼板焊接的圓柱形箱體,底是橢圓形的。蓄氣罐的容量至少應(yīng)比最大成型室的容量大一半。真空管路上,必須裝有適當(dāng)?shù)拈y門,以控制真空窄容量。真空泵的轉(zhuǎn)動(dòng)功率由成型設(shè)備的大小和成型速度決定,較大或成型速度較快的設(shè)備常用大至24KW的。真空中央系統(tǒng)的大小視工廠具體生產(chǎn)和發(fā)展的要求而定。4.壓縮空氣設(shè)

9、備氣動(dòng)系統(tǒng)可由成型機(jī)自身帶有壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、車間主管路集、閥門等組成。成型機(jī)需要壓力為0.60.7MPa的壓縮空氣,各種真空吸塑成型機(jī)廣泛采用活塞式空氣壓縮機(jī)。也可以用大型的螺旋式空氣壓縮機(jī)整廠供給。壓縮空氣除大量應(yīng)于成型外,還有當(dāng)一部分用于脫模、初制品的外冷卻和操縱模具框架和運(yùn)轉(zhuǎn)片材等機(jī)件動(dòng)作的動(dòng)力。5.冷卻設(shè)備為了提高生產(chǎn)效率,真空吸塑成型制品脫模前常需進(jìn)行冷卻。理想的情況是制件與模具接觸的內(nèi)表面和外表面都冷卻,而且最好采用內(nèi)裝冷卻盤管的模具。對(duì)于非金屬模具,如木材、石膏、玻璃纖維增強(qiáng)塑料、環(huán)氧樹(shù)脂等模具,因無(wú)法用水冷,可改用風(fēng)冷,并可另加水霧來(lái)冷卻真空吸塑成型制件的外表面。生產(chǎn)中若采用自

10、然冷卻可以獲得退火制件,有利于提高制件的耐沖擊性。用水冷卻雖然生產(chǎn)效率高,但制件內(nèi)應(yīng)力較大。6.脫模設(shè)備脫模是將制品移出模外,通常無(wú)論是凹模還是凸模,多數(shù)場(chǎng)合是由于制品冷卻收縮而貼緊模具,所以通過(guò)真空吸引孔或向相反方向吹風(fēng)使之脫模。尤其對(duì)于脫模斜度小的或有凹模的模具,同時(shí)使用脫模機(jī)構(gòu)頂撞或震蕩脫模。7.控制設(shè)備控制系統(tǒng)一般包括對(duì)真空吸塑成型成型、整飾等過(guò)程中包括儀器、儀表、管道、閥門各個(gè)參數(shù)和動(dòng)作進(jìn)行控制?？刂品绞接惺謩?dòng)、電氣-機(jī)械自動(dòng)控制、電腦控制等,具體選用要根據(jù)最初投資人工費(fèi)、技術(shù)要求、原料費(fèi)用、生產(chǎn)和維修設(shè)備費(fèi)用等因素綜合考慮。五、有效成型壓力除了成型溫度、模具溫度和牽伸作用的影響外,

11、真空吸塑成型制件的成型精度還主要依賴于熱制件與模具之間的有效接觸壓力。?模具在預(yù)牽伸的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的接觸壓力(圖2-9a。而制品成型時(shí),若在接觸處抽真空或者使用柱塞的機(jī)械壓力,又就會(huì)產(chǎn)生一定的成型壓力。這也就是說(shuō)接觸處的有效壓力是牽伸產(chǎn)生的接觸壓力和由真空或柱塞的機(jī)械壓力產(chǎn)生的成型壓力之和。對(duì)于其他的區(qū)域,成型材料在預(yù)成型之后未與模具相接觸,有的甚至阻礙牽伸。這些區(qū)域其有效接觸壓力等于成型壓力和成型材料成型時(shí)產(chǎn)生的反向壓力之差(圖2-9。圖2-9 由材料的成型壓力和反向壓力之和得出有效成型壓力的簡(jiǎn)圖a 和b 陽(yáng)模;c 和d 陰模(+模具面積,在該面積區(qū)域材料的有效成型壓力因接觸壓力而增加;

12、(-模具面積,在該面積區(qū)域有效成型壓力因成型材料的反向壓力而降低對(duì)于模壓成型(陽(yáng)模通常的成型壓力:大面積模制件0.2 0.3MPa ( 2 3bar ;小的制件高達(dá)0.7MPa ( 7bar 。?對(duì)于真空成型,成型壓力較低,且主要取決于的大氣壓力。?在海拔高度為。時(shí),當(dāng)使用高質(zhì)量的真空泵時(shí),模塑壓力可達(dá)到約0.O98MPa ( 0 . 98bar 。?由于真空產(chǎn)生的壓力等于成型材料一側(cè)所受到的大氣壓與另一側(cè)產(chǎn)生的真空的壓差,所以接觸壓力就取決于空氣壓力和密封度。因此,即使使用最好的真空泵,隨海拔高度的增大,成型壓力也會(huì)不斷降低(圖2-10。六、成型面積、切入面積、夾持邊緣夾持框表面內(nèi)部寬度大小

13、范圍區(qū)域的面積被稱為成型面積(圖2-11。切人面積就是指在成型過(guò)程中發(fā)生牽伸的區(qū)域的面積。它依賴于制件的規(guī)格,而與夾持邊緣是否需要加熱無(wú)關(guān)。?應(yīng)用如下:成型材料未受熱的區(qū)域(如未受熱的夾持邊緣不收縮,而成型的部分則在成型后收縮;但是不同收縮的區(qū)域會(huì)造成模塑物的變形。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的意義:若制件的夾持邊緣在脫模后立即就被切斷,那么它就不必進(jìn)行加熱;若夾持邊緣留在制件上(無(wú)修邊成型過(guò)程,夾持邊就必須加熱到材料的Tg以上。圖2-10 成型機(jī)器的海拔高度對(duì)真空成型中的空氣壓力的影響七、廢料(邊料面積和廢料比率掌握廢料分寸,對(duì)成本核算有著重要意義。成型制品四周的切邊余量是沒(méi)有精確數(shù)據(jù)的,因?yàn)樗鼤?huì)由拉伸情況

14、影響。我們利用以下著個(gè)案例來(lái)分析:例:計(jì)算成型矩形盒(如圖2-12高200mm ,模具底面積(430x950mm2,制品在模具底平面四周延伸10mm邊位剪切(即產(chǎn)品尺寸440x960mm2,若用料片坯面積(610x1200mm2 ,夾持邊緣四邊各20mm,求此種情況時(shí)的廢料比。圖2-11 成型面積和切人面積a 對(duì)于陽(yáng)模成型,成型面積等于切人面積;b 在陽(yáng)模成型中由于附加的保護(hù)物的作用而使切人面積減小;c 在陰模成型中規(guī)定的加工切人面積L ·B-成型區(qū)域;Ll ·B1-切人面積;?-夾持邊緣;E-陽(yáng)模成型中牽伸起始處(壁厚發(fā)生變化圖2-12 矩形盒用料制品簡(jiǎn)圖(右邊為裁邊后的

15、成品圖AB-模具底面,C-高度,L1和L2-模具延伸到片坯邊緣的長(zhǎng)度,D-夾持邊緣片材的廢料由夾持邊緣面積和經(jīng)成型拉伸裁出制品后的片坯面積組成,最主要是計(jì)算經(jīng)過(guò)拉伸后,出制品后還剩余多少份量的邊料。注:裁邊面積制品的剪口面積根據(jù)此公式計(jì)算:成型/型腔面積=(610-20x2(1200-20x2/(430x950+430x200x2+950x200x2+(610-20x2(1200-20x2- 430x950 = 66120/1174720 =0.056廢料面積=0.056x(610-20x2(1200-20x2-440x960+610x1200-(610-20x2(1200-20x2= 142

16、353.2 mm2廢料比率= 142353.2/(610x1200 = 0.194或19.4%八、排氣面、排氣孔、排氣槽、槽口在真空吸塑成型加工過(guò)程中,為了除去塑料材料與模具之間所存留的氣體,模具必須是能排氣的或有足夠的排氣孔或排氣槽;這可以使空氣通過(guò)抽氣裝置(或轉(zhuǎn)移快速的除去。具體的設(shè)計(jì)將在模具設(shè)計(jì)章節(jié)詳細(xì)介紹。九、脫模斜度對(duì)于陽(yáng)模成型,制品會(huì)收縮而緊貼在模具上,而對(duì)于單腔陰模成型,制品收縮后可以脫離模具表面。為了能夠脫模,模具側(cè)面必須具有一定的傾斜度。在脫模方向上,模具側(cè)面的傾角被稱為脫模斜度(見(jiàn)圖2-13。脫模斜度應(yīng)該取得盡可能大。脫模斜度越大,脫模越快,成型周期越短,而且在脫模的過(guò)程中

17、制品變形的可能性小。單陽(yáng)模和單陰模的脫模斜度一般為:a=3o5o;對(duì)于收縮率<0.5%的和慢速脫模a > 0.50 。圖2-13 脫模斜度a單陽(yáng)模;b 單陰模十、成型比和牽引比成型比(圖2-14是指制品的最大抽拔深度H 與成型面B 之比,或與成型面直徑D之比。成型比并不能準(zhǔn)確反映出牽伸比。成型比可根據(jù)圖2-14 得到。成型面積:L ·B ,當(dāng)L > B (長(zhǎng)方形模制品成型比:H :B (長(zhǎng)方形或H :D(圓形模制品牽伸比是指模件修邊前的表面(不含夾持邊,與成型面積之比,其結(jié)果根據(jù)圖2-15。牽伸比S = F2/F1式中F1不含夾持邊的最初成型材料面積;F2制品的模塑

18、面積測(cè)定實(shí)際牽伸比的技巧:對(duì)于幾何形狀非常復(fù)雜的模制品,牽伸比可以在最大牽伸處用一個(gè)軟尺很容易地進(jìn)行測(cè)定(見(jiàn)圖2-16。寬度B 方向的牽伸比= 卷尺測(cè)量尺寸/寬度B圖2-14 成型比a 和b 不同幾何體的成型比H :B ; c 圓形幾何體的成型比圖2-15 用于計(jì)算壁厚的制件尺寸圖2-16 某塑件寬度B 方向的牽伸比1 -軟尺測(cè)量成型的牽伸比不宜過(guò)大,實(shí)際生產(chǎn)中選用牽伸比時(shí)不超過(guò)1/3為宜,否則轉(zhuǎn)角、底部的部位將急劇變薄,甚至成型不了。成型時(shí),造成制品厚薄不均的主要原因是片材各部分所受的拉伸情況不同,一般來(lái)說(shuō),陽(yáng)模成型時(shí),易造成頂部過(guò)厚,兩側(cè)逐漸變薄;陰模成型時(shí),口徑部位過(guò)厚兩側(cè)延至底部變薄,

19、特別側(cè)面與底部的轉(zhuǎn)角部位最薄。牽伸比應(yīng)控制在一個(gè)極限范圍內(nèi)。如果采用單陰模成型時(shí)牽伸比通常不超過(guò)0.5;采用單陽(yáng)模成型時(shí)拉伸比可以適當(dāng)增大,如果采取柱塞協(xié)助成型,牽伸比可以更大些。十一、壁厚計(jì)算、吸塑成型制件當(dāng)未成型材料的厚度已知時(shí),我們可以粗略地估計(jì)出吸塑成型制件的厚度。由于制件的設(shè)計(jì)壁厚和最終成型壁厚的不規(guī)則分布,最終的計(jì)算結(jié)果要考慮±30%的壁厚分布。對(duì)于這種計(jì)算,必須假定材料的體積在整個(gè)成型的過(guò)程中保持不變。因而有如下成立:V1 = V2這樣:F1·s1 = F2·s2從而:s2 = F1/F2·s1式中Vl 不含夾持邊緣的材料體積;V2 熱成型

20、制件的體積;F1 不含夾持邊緣的材料面積;F2 制件表面積;s1 原材料厚度;s2 制件壁厚。壁厚計(jì)算示例:長(zhǎng)方形成型制件的壁厚的確定根據(jù)圖3-21,有如下尺寸:a=800mm, b=500mm, c=400mm, L=880mm, B=580mm用這些數(shù)據(jù)計(jì)算面積和面積比得:F1 = L · B = 510400mm2F2 = L · B + 2bc + 2ac = 1550400 mm2F1/F2 = 0.3293? F2/F1 = 3.0367對(duì)于原材料厚度s1=4mm, 且厚度均勻分布的成型制件,其壁厚:s2 = F1/F2·s1 = 0.3292X4mm = 1.32mm由于成型制件的壁厚的波動(dòng)不均一,實(shí)際上制品的厚度分布在0.91.7mm之間s2act = s2±30% = 1.3mm±0.4mm 0.91.7mm若制件壁厚指定,所需材料的厚度確定根據(jù)