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吹塑成型技术.doc

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塑成 技术
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第 1 章 吹塑成型基础 1.1 定义 塑料吹塑成型是一种生产中空塑料制品的加工过程, 它仅适用于热塑性塑料, 例如聚乙烯、 聚氯乙烯、 聚对苯二甲酸乙二醇 酯,及工程塑料如聚碳酸酯等。吹塑成型加工的三种主要方法是:挤出吹塑成型、注塑吹塑成型和拉伸吹塑成型。 1.2 基 本加 工过程 吹塑成型加工过程可分为三个阶段: 1) 熔融塑化 利用挤出机或注塑 机使原料熔融; 2) 型坯成型 利用挤出机机头和 口模或注塑模具成型型坯; 3) 吹塑成型 利用辅助的空气压 缩机提供压缩空气并用液压夹紧装置夹紧模具成型制品。 上述成型加工过程中, 首先是需要生产管坯, 通常称为 型坯, 此术语来源于玻璃工业。 可以用挤出机或注塑机生产型坯, 常将注塑机生产的型坯称为预成型。 吹塑过程是将热的型坯或坯料送入吹塑模具内, 模具闭合的同时夹紧型坯, 然后将热的管坯吹到冷的模具壁上, 冷却定 型后顶出制品。 多数情况下, 中空制品需要后加工, 例如去除飞边、 印刷、 贴标签、 灌入 产品等。 一些制品上的钻孔、 研磨 操作等可用自动操作设备完成,基本的吹塑加工过程见图 1.1 。 1.3 吹 塑历 史 玻璃、 塑料、 铝是现今吹塑制品的三种原材料。 现代的塑料吹塑成型技术是从玻璃吹塑制品中发展起来的, 如图 1.2 所 示。 这种方法是公元前 1 世纪 由叙利 来玻璃工人首先发明的。 他们把吹管末端的玻璃泡吹成许多带有手柄、 底座并随意附加 一些装饰物的制品。 在中世纪, 由英国和欧洲的一些地方将这种加工技术进行了改进和完善并使之成为一种重要的商品工业。 1.4 发 展史 简介 现代塑料吹塑成型加工 (图 1.1 ) 起源于 20 世纪 30 年代。 当时的 Plax 公司和 Illinois 的 Owens 公司发明了第一个专利。 它是以玻璃吹塑技术为基础的自动化设备, 如图 1.3 所示。 但 由于当时塑料材料价格高、 性能差而阻碍了塑料吹塑成型的发 展, 使塑料瓶优点不及玻璃瓶。 然而在 40 年代中期, 由于低 密度聚乙烯的采用 (英国 ICI 研制) , 提供了玻璃所不能比拟的 耐挤压的优点。1950 年,Elmer Mill 发明了一个连续挤出旋 转吹塑机的专利并由 Continental Can 公司使用。50 年代末, 高 密度聚乙烯和工业化成型设备的研制使塑料工业得到了迅速的发展。 高密度聚乙烯的采用也拓宽了塑料瓶设计能力。 更重要的是塑料瓶具有质轻、 不易破碎的优点, 同时工业化的生产设备 也给吹塑成型加工创造了有利的条件。 那时, 世界上只有几 家公司利用专有技术生产吹塑成型制品。 当时由于美国的信息接 近闭塞,大部分设备在欧洲得到了发展,主要是在德国。美国第一个工业 化吹塑成型设备就来自欧洲,并于 1958 年在国 际 塑料展览会上展出。 Empire 塑 料玩具公司买了一台 Fischer 吹 塑成型机用于生产玩具滚动杆, Empire 公司的工程技术人员 也 将一种 Reed Prentice 注塑机进 行改良去生产玩具棒球棒。其吹塑是通过模板上部的一个可移动的注塑料筒和一个带有口模 和轴瓦装置的固定机头实现的, 如图 1.4 所示。 后一步骤是由 带有旋转阀的两个机头控制并分配塑料从一侧到另一侧完成的 (图 1.5 ) 。中部的 Ross Hartig 公司得到 Empire 公司的允许, 利用这种设计为 Ideal 玩具公司 制造 了 6 台机器用来生产娃娃 的 身体, 这是由制造挤出机的 Harting 公司生产的第一批吹塑成型机。 后来公司相继改名为 Waldron Hartig 公司和 Battenfild Hartig 公司, 现在该公司已具有自己的 Davis 标准。 同一时期,Paul Marcus 公司也设计和制造了被称为自动吹塑的双机头吹塑机。 1960 年, ZARN 公司在北卡罗来纳与生产机器和模具的 Uniloy 公司一起合作( 现由 Johnson 控制) 为 Borden Dairy 公司生产 奶 瓶。为了减少空奶瓶的运输费用,Uniloy 机器和模具生产奶瓶的生产线就建 在 Burlington 北卡罗来纳的牛奶场。 在所有的吹塑塑料材料中, 聚乙烯的综合使用价值比其他所有材料都大。 尽管其主要产品仍是瓶子, 但吹塑方法已发展 到用来生产工业零件, 例如可生产汽车后部空气阻流器盖、 座椅靠背、 玩具三轮车、 车轮、 打字机盒、 冲浪板、 柔软的波纹 管和燃料罐等,如图 1.6 所示 。 高分子量聚乙烯的采用加快了吹塑的发展, 由于这种材料在密度、 熔体流动速率及一些其他基本性能上的范围较宽, 所 以制品最终性能上的可允许变化范围也较宽。 柔软瓶子最好用低密度或中密度聚乙烯制造, 高密度聚乙烯塑料更适合于做硬 制品。 聚乙烯 吹塑制品的共同优点是质量轻、 韧性 (即使在低温下) 好、 耐腐蚀、 耐化学渗透性, 当灌满液体时在压力下耐 龟裂 (环境压力下耐龟裂性) 和极好的可模塑性。 工程上应用的塑料, 如聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚碳酸酯和尼龙的使用范 围也在不断增加,现在也已成为吹塑市场上的一个重要组成部分。 图 1.7 显示的是吹塑成型加工 过程的流程图。 吹塑设备与其他任何塑料二次加工方法相比有很大的不同。 一台吹塑机可 以像办公桌那样大,用来生产像铅笔一样小的中空制品,也可以占据一个大房间,生产容积为 1937.5L 大的制品。 表 1.1 显示了吹塑市场单一生 产中空 塑料制品的材料增长情况。 这种生产能力与注塑成型、 热成型及金属冲压成型完全 不同。 与其他成型方法相比, 吹塑成型模具的花费比相关的注塑模具的价格要少得多。 图 1.8 表示了北美树脂 、 合金、 共 混 料的分布情况。 1.5 设 计特 点和优 缺点 吹塑成型加工是生产容器和中空制品最常用的成型加工方法。 类似的成型加工方法是滚塑成型加工。 滚塑成型时, 将定 量的粉料放到铝壳模具中, 然 后合模, 再一同放到烘箱中旋 转加热, 当模具旋转时, 材料 紧贴着加热的模具内表面旋转并粘 附在上面, 使之成为有一定厚度且均匀一致的料层, 最后将模具从烘箱中取出再放到冷却室中冷 却, 取出已成型的料层即成 为所需的中空制品。 此种方法 的材料是从粉料熔融的, 没有 均相结构, 所以制品物理性能 没有吹塑制品好, 然而对于小 容 积 制品是可采用的,因为其模具投资少且更容易制造,如图 1.9 所示。 吹塑成型适用于生产大容积、 高强度制品的场合, 如汽车和农业用储罐、 压力容器、 通风 管道及电线、 电缆槽等。 当需 要的制品结构强度高时,制品可用泡沫塑料充填,这种方法也常应用在需要制品绝缘或浮起的地方。 当设计者看到一个可以用吹塑成型加工的制品时, 首先需要 确定中空制品壁的结构。 一般 用加工的可行性、 外观、 经济 性等条件控制壁厚。 设计过程中, 如果制品需要进行批量生产, 最好将壁的结构设计成单壁式、 易成型的结构。 壁厚的设计 也要考虑制品的实用性、外观和价格等因素。 用压力热成型或真空热成型方法形成的中空制品是把需要成型的塑料片材放到凹模型腔或凸模上热成型, 然后将两个整 齐的制品焊在一起。 另一个例子是用片材成型, 其强度和刚度是通过将片材弯曲、 定型、 焊接或夹持成接合缝而产生的。 图 1.10 简单解释了注塑成型、滚 塑成型和吹塑成型的成型过程并比较了每种成型加工过程的优缺点。 第 2 章 吹塑成型设计加工 及组织结构 2.1 概述 设计批量生产的塑料吹塑 制品时, 必须考虑美学、 操作过程 、 性能和加工制约条件等多种 因素。 设计者需对这些问题有 一个全面的了解(本书的目的) ,但设计者不可能是众多学科 的专家,其成功的关键是需要 充分了解大或小公司、部门与 顾 客之间的关系等。 制品的设计水平对每个制品的费用因素都有着深远的影响。 例如: 组装、 维修、 总使用周 期等。 图 2.1 显示了设计、 材 料、加工功能效率三者之间的相互关系。 2.2 主 要结 构 一个做加工管理工作的雇员或顾问必须有与不同学科、 不同背景的人一起工作的能力, 也需要有能正确选择材料和加工 过程达到设计目标的能力。Brigham Young 大学发明了一种简 化计算方法,这种方法被称为计算机集成制造(CIM )系统, 其模型就像一个车轮一样,如图 2.2 所示。这个体系后来又 由计算机与制造工程师协会的自动化系统共同加以完善。 图 2.3 显示了一个以用户为轮 中心的制造基础结构。 这个轮形图显示, 在机构中的每一个人必须把制造企业的成功实施 作为共同的奋斗目标,这个轮子图形就好像一个圆桌上的棋子,没有主次之分,也就是“人人为我,我为人人” 。 2.2.1 新 制造 企业 的 6 点 要素 新制造企业轮描述了制造业竞争中的 6 个基本要素。 (1 )以用户和发展用户的需要 为中心任 务。清楚了解市场和 用户的需要是本企业成功的关 键。市场、设计、制造及器 材、物资技术保证等都必须对准满足用户需要这一中心,这就是旋转轮的目标中心和企业的任务及梦想。 (2 )企业员工的任务和机构中 的协作。这里包括组织方法、 雇员的雇用和培训、激励措施 、标准评价和通讯等方面。 企业的基层组织也要考虑班组的自我管理、班组的组合及学会组织、领导、质量标准、酬金、质量周期、社团文化等。 (3 ) 共同了解革新的效果, 使体系支持员工和各个工序。 这些工序包括使用人工和计算机去做研究、 分析、 文件编制、 制订决策以及企业每一过程的控制。 (4 ) 从产品确定和制造到被用户认可的关键过程。 有三个主 要阶段, 即产品/ 工艺确定, 制 造和用户的认可。 在这三个 阶段中,有 15 个关键过程构成 了产品的寿命周期。 (5 )企业资源(输入)和责任(输出) 。资源包括资金、人材 、材料、管理、信息、技术、供应。互惠责任包括雇员、 发明者和全体人员的相互关系及规章制度、 道德、 环境的约束。 在新的制造企业中, 管理因素是圆周上很薄的一层, 他们把新的方法带到企业中并支持关键的过程。 (6 )制造基础结构。当公司自 治时,公司的成功依赖于用户 、竞争者、供应商和其他环境 因素。制造的基础结构包括 用 户和用户的需要、供应商、竞争者、优秀的工人、销售商、自然资源、金融市场、社会、政府、教育和研究机构。 2.3 产 品设 计和 开发管理 系统 在论述产品加工过程中, 许多设计方案是在完成产品目标后采取的各种方法中得到的。 经验表明, 每个项目都有 5 个阶 段和目标,如图 2.4 所示。 2.3.1 产 品设 计和 开发管 理系 统 阶段 0 :设想。是否可行? 目标:制定任务和资源保证 阶段 1 :设计。结构和功能 目标:设计批准和符合目标 阶段 2 :工程。是否确实可行 ? 目标:最后生产/ 不生产、包括机器工具的资金提供 阶段 3 :测试、技术规范、鉴 定(如 果需要可修正) 目标:产品交付 ——完成目标 阶段 4 :运行管理 ——反馈 目标:第一个运行报告 ——满足目标了吗? 写出目标很重要, 包括记录和了解用户需要什么, 想要什么和喜欢什么都要进行记录和了解。 设计者的作用是对这些标 准与资源、时间一览表和价格参数等一起有清楚的了解,当然也需要全组人员观点的一致。 工程组长有一个额外的责任是监视项目方案的进程及向项目法人做报告, 项目法人也必须保证资源的提供和全组人员的 相互配合。 2.3.2 加 工管 理跟 踪系统 有许多项目管理系统能够处理 项目的进度、工序,甚至于缔 约(本书范畴之外的内 容) 。这些包括:程序评估和审查技 术(PERT ) ,工艺次序一览表及判定路径的方法。如果你的组织结构中还没有这个管理系统,建议加以补充和完善。 2.3.3 资 源保 证 两个基本情况使资源的管理复杂化。 多项目 当几个项目同时执行时,会产生一些重点和资源上的大小冲突。解决方法是加强相互联系并定期开会审查。 修改 修改总会引起麻烦, 但是不可避免, 我们在前进过程 中不应该一成不变。 解决的方 法: 经常审查目标和文件的 变 化,审查细目表和价格的影响因素。 初看起来, 图 2.4 建议项目的 责任是随着营销组的新产品发明一组一组通过的。 实 际上, 想法不论来自于何地, 它必须 被市场认同, 然后经工业设计组通过并进行测绘和绘制制品图, 最后再进入工程组。 工程 组将依靠理论分析和标准测试确定 加工工艺、 原料并分析结构的 需要。 然后将确定的结果移到 工具工程部, 由他们检查一下 工具设计到加工的情况, 他们 也 可 能判断制品的模具加工是否困难或可行。 虽然系统是可行的, 但需要时 间去吸收和修正。 再回到制造 结构轮上来, 所有组都包含在 开始的加工过程中, 这些联 系 不仅在发展效率点上而且在人际关系及观点上都有意义。 我们应该正确对待生产第一线的工人, 加工还需要管理的作用和时 间去确保任务的 确定和按时完成。 保持各个部门的活动使产品从概念到生产的现实是很复杂和耗费时间的。 进一步说, 在今 天竞争的世界上, 对于一个成 功的制造企业来说,为了发展产品,必须对产品的生产线、图表、花费、预测、质量和利润有完善的管理。 为了能为企业项目状况、历程及进一步计划的推论提供及时的分析,必须使用电子计算机进行工作,这些工作如图 2.5 所示。它显示了计算机集成制造系统,一种根据小组工作反复地做制造基础结构的系统。 2.3.4 合 作管 理工 程 图 2.4 中“阶段”和“目标” 是每一个参与组间的工作都与产品的发展和工程系统相互有关联 。图 2.5 显示公司中不同 组间相互联系的流程图。 市场、 加工、 产品研制、 销售、 在 预算内保证赢利等等都与按时生产出产品有着密切的联系。 许多 工作在这样的互相配合下可以极大地节省时间和减少消耗。 今天使用计算机软件程序可以瞬时传递数据和工程图, 但需要工程上不断的配合。 为系统提供吹塑、 产品设计和工程的 阶段情况,图 2.5 显示了每一 个开发阶段的设计次序、工作重点及确定要点。 2.4 结论 虽然一个人不可能是所有设计领域的专家, 但是应对系统怎样工作有所了解。 当设计一个塑料吹塑制品时, 必须考虑美 学、 加工过程和能力及制造的 约束条件 等。 如上所述, 设计 加工过程必须有严密的组织, 有从现状到实现目标的计划及有与 之相关的供给等。 第 3 章 吹塑成型制品设计 3.1 设 计的 基本 依据 所有吹塑制品都是通过把压缩空气吹到型坯的内部, 使型坯胀大到充满模具内表面的方法成型的。 因而, 模具确定了制 品的外表面尺寸。制品的吹胀比是完成的制品直径与型坯的直径之比。如果型坯被吹成圆柱形,这样定义吹胀比是正确的。 当形状不规则时, 其吹胀比是 以这些不规则开关的断面去确定这些区域的附加吹胀比。 换 句话说, 与总吹胀比相比, 形 状不 规则的区域有其独立的吹胀比区域。 3.1.1 尺寸 变化 当吹胀比改变时, 型坯尺寸的增加有助于吹塑一个完整制品, 如图 3.1 所示。 挤出吹塑的优 点是可以选择与制品相应的 型坯尺寸。 当吹胀比确定时, 型坯被挤压到模具内, 同时被吹到模具的内表面上。 一般来说, 最好让型坯比模具大一些, 这样模具 可将型坯夹断,进而吹成模具内表面的形状,如图 3.2 所示 。 对于整体制件,型坯的定位是有效模型的基本条件,以确保壁厚的均匀性。 3.1.2 中 空制 品结 构 当进行吹塑设计时, 要认识到 吹塑加工与单壁制品加工 (注 塑模塑加工) 是完全不同的。 成功生产制品的第一步是要了 解吹塑中空制品结构的优缺点以 及怎样最好地确立最佳的结构形式。 当用吹塑方法加工一个制品时, 设计者首先必须确定中 空制品的双壁结构。 对大多数加工过程, 都可以按照单壁结构进行设计, 再模塑成需要的形状。 壁厚的选择可由加工经验、 制品外观、 经济 等方面来控制。 压力或真空热成型方法与吹塑成型方法较接近, 因为它是用塑料片吸附在凹模上, 再将两个整齐的制品焊接在一起成为 一个整体的中空制品。 另一个例子是用金属片材成型的方法, 先弯曲成型, 再将两部分夹 紧在一起焊接形成焊缝并产生强度 和刚度的中空制品,如图 3.3 所示。 设计过程中所涉及的模具分开 (合模线) 的位置、 制品斜度、 制品布局、 吹胀比、 圆角、 修饰 外观等因素是设计工程师、 工具工程师或加工工程师必须考虑的。这些术语定义如下: 1) 制品斜度 平行于模具移动方 向的所有表面要有一定斜度,其中斜度要使模具能容易开启便于制品取出为宜; 2) 外形 中空制品的外形是制品 的外表面; 3) 检查所有使用功能 当作为一 个制品使用时,零部件越少、装配工作越少越好, 因为可以减少制品成本; 4) 吹胀比 吹胀 中,注 意引起 壁 厚极薄几 何形状 的区域 ,这些 地方可能 是凸出 或凹入 的部位 ,宽与深 之比过 大时可 辅助以真空成型; 5) 半径原则 避免尖锐的边缘、 转角、表面的 突然变化、制品直径或壁厚的突然转变; 6) 结构强度和刚度 可考虑设计 成几何外型上如折边、筋和两平板相交的接缝等结构; 7) 结构制品表面焊接 有时也叫 做截坯口接合缝或粘接口,这些通常位于吹塑制品压缩成型面上; 8) 嵌件、排气槽、进气针、顶销孔、刻字和标签的位置必须仔细考虑。 3.1.3 制 品的 斜度 合模线和适当斜度的选择是第一步工作, 对大多数制品来说 , 当合模线是平直线时, 很明 显其斜度是简单的累加, 如图 3.4(a) ~3.4(c) 所示。 当制品合模线不规则时,图示合模线的形状变得更复杂。有些模具结构的影响是要考虑的,以使 模具中没有锋刃出现, 如图 3.5 所示。下面是斜度的 一般原则: 最小斜度:1 °/ 边 推荐的斜度:2 °/ 边 斜度增加的原则:增加 1 °/ 每 增加 0.025mm 深 3.2 吹 胀比 增加 时斜度增 加 制品冷却时将会从凹模壁上收缩, 但如果凸模 (型芯) 在凹 模内, 制品将向凸模收缩, 如 图 3.6 所示。 为了易于取出制 品,设计一定的斜度是非常重要的,吹胀过程如图 3.7 所示 。 吹塑加工中吹胀比是设计中最重要的参数, 型坯吹胀到型腔的内表面后使其表面积有较大的增加, 而型坯材料的总体积 是不变的,这样表面积增加,壁厚必定减少。 如图 3.8 所示,如果面积(L ×W)是 10 个平方单位,扩展 到型腔表面积时为 50 个平方单 位。这样初始壁厚为 1mm 时,成型 后的 平均壁 厚为 0.2mm 。这 只是 个简单 的表示 ,不 能代表真 实的 情况, 因为真 实 的制品不 可能 均匀扩 展,这 样 最 后的壁厚依赖于制品的几何形状。 最直接的因素是与深度有关的宽度和长度尺寸。 作为一般原则, 当使用的最小斜度为 2 °, 两倍壁厚的半径时,深度应不超过宽度或长度的两倍。 当制品半径、 顶部、 底部及斜度都较大时, 允许制品的深度深些, 如图 3.9 所示。 另一个 需要考虑的因素是开模时的形 状,如图 3.10 所示。确定吹胀 半径的四种应用准则 如图 3.11 所示。 吹胀比= D H = 凸 起 部 分 最 小 尺 寸 型 腔 开 模 处 最 小 尺 寸 或 度 型 腔 最 大 深 度 或 凸 起 高注意: 最佳的吹胀比可受所用材料和加工过程的影响, 例如注塑-吹塑聚对苯二甲酸乙二醇酯和挤出吹塑高密度聚乙烯 时会有不同的吹胀比。 3.3 圆 角指 南 一般来说,如果不是厚壁制品 ,不要将制品设计成尖角或尖 边的形状(尖角处易吹破) 。下面是特殊半径极限情况的说 明: 1) 材料将变得极薄,而且在没有充满转角或边缘时就被吹破了; 2) 当制品还没有完全被吹大时,尖角或尖边会使应力显着增加,导致弯曲、疲劳和最终模 塑制品的冲击强度下降; 3) 薄壁产生在型腔尖锐的边或角上; 4) 模具型腔内的尖角或小的凸起限制了可达到的吹胀比。 如图 3.12 所示,可将制品表面 转折分成两类:内半径和外半径。型坯在模具内吹胀时,产生外半径,模具中的凸起部 分压进型坯而使制品形成型腔或凹陷时会产生内半径。 对外半径的要求更苛刻, 因为当型坯吹胀进入模具型腔时, 材料会产 生拉伸。 3.3.1 圆 弧形 转角 和边缘 为了保持吹塑制品有相等的壁厚, 在设计制品和模具时必须假定型坯贴紧模具壁。 这样当吹胀开始时就会产生拉伸, 引 起过薄甚至吹破, 因此最后成型的转角或边缘必须设计 适当的圆弧。 对圆柱形的模塑制品, 边缘的圆弧半径应不小于容器直 径的 1/10 。对椭圆形制品,可 以以最小的直径为准。对矩形制品转角圆弧的最小许用值较容易确定,如图 3.13 所示。根 据 此图,转角圆弧的半径是: r E ≥t F / 2(1-sin45 °) ≥0.15t F然而如果可能,可略微放大一些,因为是多向拉伸。 为了避免缺口影响, 所有的螺纹边和筋、 瓦楞形、 装饰条上的边缘都做成圆弧形。 如果需要特别高的抗震性, 例如薄壁 容器, 必须避免不适当的设计。 如果两个半模的模具能准确对准, 沿着模具的合模线将不会出现脊棱。 不要使用嵌件, 例 如 瓶模具的嵌件。这些原则也适用于重型负载的容器。 3.3.2 倒角 倒角与圆弧在吹塑制品中经常 交替使用(两者选一) ,因为它们可提供更好的外观。倒角是 一种高技巧,它呈现矩形外 观并减小了聚合物的拉伸(见图 3.14)。 3.4 模 塑的 几何 形状 吹塑加工的夹壁中空结构制品特别有利于提高中空制品的刚度和强度,并且适用于有支撑点形状的制品(图 3.15)。 筋和联接板在结构上是增加强度和刚度的一种有效方法(见图 3.16)。 一般应避免大平面,因为薄壁制品易出现弯曲或呈“油罐”的倾向。解决的方法如图 3.17 所示。 3.5 凸 缘和 粘接 为了保证设计的最大有效性必须考虑到许多其他设计条件。 吹塑制品是中空的制品, 因此在做成一个整体时, 在断面相 对薄的大面积板上,板的一面必须有瓦楞或粘接,以提供刚度或支撑。同时,也可以利用凸缘保证制品的刚度。 凸缘和粘接是将型坯的两面用压力模塑在一起的工艺。模塑后制品将是原型坯厚度的 1.5 ~2 倍。需凸缘或粘接以外的 其他地 方不 要施 加压力 ,否 则 当制品 设计 成锐 角时, 制品 表 面将出 现凹 陷或 表面湿 晕( 泛 白现象 )及 撕裂 现象, 如图 3.18 所示。 制品壁和凸缘区域可直接模塑出联接孔, 以便用螺栓插入联接, 膨胀钉插入联接 , 自攻螺 攻插入联接以及同时辅以粘合 剂粘合和熔剂粘合固定。 3.5.1 带 螺纹 的制 品 制品上 的螺 纹能 被吹塑 成内 螺 纹和外 螺纹 两种 形式。 通常 外 螺纹位 于合 模线 上(3.19 ) ,内 螺纹是 将一 个嵌 件(例 如一 个注塑制品) 放到气针上并与型坯成型在一起使之最终成为产品的一部分。 另一种方法是将一个金属螺纹型芯与型坯模塑在 一起,在吹塑周期结束后再将螺纹型芯拧松卸下。 3.5.2 连 接件 和嵌 件 此外, 可将其他连接件和嵌件插入模具中, 成型时吹塑型坯可包覆住它们使之与吹塑件组成一个整体制品。 嵌件需要设 计成能使型坯流到它周围并包住它, 使嵌 件成为最终制品的一部分。 这些嵌件可以是注塑模塑件或金属件, 如图 3.20 所 示。 图 3.21 所示为计算机办公用具 上嵌件的应用,以及应用粘合和加强筋的实例。所有这些设计思路都必须和模具的设计 联系在一起,因为这些零件都是插入到模具里或插入到模具的截坯口区域里的。 3.6 结论 近十年来大量的吹塑成型知识和技术已相继展开, 一个完整的分类法也已得到发展。 设计者设想了吹塑制品的夹壁结构 和怎样使用这种结构在大型结 构制品上应用(其中有流体和 动能的应用) 。其中设计者应熟悉怎样使用加强筋、连接板、 铰 链、双壁结构连锁装置来提高吹塑 制品的使用功能。这些内容将在以后的章节中讨论。图 3.22 显示了模塑的结构制品。 致 谢: 本章的基础工作是在美国通用电气公司 (GE) 塑料部及工 程吹塑塑料部研究的基础上完成的。 其中一些内容已被收集 在由 Linclon J. Avord 编着、由美国通用电气公司出版的专着《工程吹塑成型制品设计》中。虽然其中主要论述的是工程塑 料,但作者从经验中发现其基本原理和分类方法也同样适用于聚烯烃类塑料。 第4章 吹 瓶 设 计 在保证产品质量、提供最佳产品价值的同时,包装工业同其他工业一样也必须争取提高生产效率。 在不损失市 场需要的情况下, 减少包装成本的一个有效途径是使用吹塑成型加工方法生产包装容器, 因为树脂用量是成 本中最重要的因素。 这样, 减 少容器材料的质量就减少了成本。 为了满足包装需要而又能 达到制造中的效率, 要综合考 虑容 器质量和加工机器的生产效率。 为了生产一个具有功能性的低成本、 高效率的制品, 要充分考虑到设计、 美学、 消费者的运 输、加工过程和容器性能等各方面的因素。 4.1 吹塑 成型加 工的基 本形 状 吹塑成型加工中最佳容器的设计需要考虑三种基本形状。 圆管 用封闭底部的试管状型 坯注塑吹塑(图 4.1)。 牙膏形管 挤出吹塑成型的型 坯下落到型腔内并用瓶颈中心定位, 设想瓶子底部是椭圆形, 顶部是圆形的形状 (图 4.2)。 平枕形 挤出吹塑成型的型坯 落在瓶颈外部(图 4.3)。 4.2 型坯 吹胀的 简单假 设( 实际机 理更 复杂) 假设型坯横断面形状膨胀,但是在接触到模具内表面以前,它应保持壁厚相对一致的均匀变薄。 假设型坯的厚度在一接触到模具内表面就迅速冻结,仍在空间的型坯继续保持匀速变薄直到全部接触模具内表面为止。 4.3 吹瓶 设计基 本原理 高密度聚乙烯的挤出吹塑成型有四个基本原则(这些原则对其他树脂及注塑成型吹塑稍有不同) 。 (1) 型坯 直径对瓶子的最小直径的吹胀比不应超过 4 :1 , 如图 4.4 所示。 这个规则也适 用于断面带有手柄的瓶子。 吹 胀比越低,壁厚就越均匀一致。用高吹胀比吹塑厚瓶底的瓶子时将会使瓶重增加、冷却时间增长,而制品几乎没有强度。 (2) 所有表面是弧面、 斜面 和锥面 (图 4.5 ) 。 虽然弧面、 斜面和锥面可以呈现方形的效果, 但应避免带有尖锐转角的 方形和平面, 如图 4.6 所示。 因为薄壁处强度低, 壁厚变化显着, 而平面处厚且易变形。 厚壁处的变形是由于冷却效果差和 收缩不均引起的。图 4.7 显示 了改进容器底部的形状,从图中可见平面也几乎没有负载上部的载物 强度。图 4.8 显示的 是使 用瓶肩和颈环的实例。 (3 )尖角处可以出现截留气体 的现象。它是由模具表面和塑 料之间挤压而瞬时汇集成的, 它能使拐角处的塑料变得非 常薄,并引起冲击性能下降。 (4 )时刻要避免断面和外形的突然变化。 4.3.1 加强 筋并不 总是增 强 型坯覆盖的表面积愈多, 壁厚就愈薄。 水平筋易产生波纹或折叠, 使制品较易弯曲。 如果设计者希望制品弯曲, 使用这 种设计很有效。 然而, 如果需 要刚性, 就应避免使用这种设计。 分析这种结构, 如果弯曲 产生了, 应注意到弯曲处就会出现 铰链点。为了阻止铰链效应,可设法改变设计,图 4.9 显示 了水平筋和竖式筋的设计情况。 作为一般原则, 使用圆形容器可以改善圆周的刚性, 但要注意断面不能产生如前面所述的折皱现象。 方形容器也会使刚 性减小,它能减少顶部负载强度,也减少耐膨胀性。图 4.10 显示了拱形凹陷的情况。 4.3.2 横截 面 确定的合模线必须使制品有一个可以接受的吹胀比, 而且还 使型腔的几何形状不出现 “过 方” 的现象 (断面深度比宽度 长) ,如图 4.11 所示。缺陷经 常出现在手柄上,有时在雕刻的字体上出现(图 4.12)。 4.3.3 瓶颈 、螺纹 和开口 吹塑成型过程一般是利用瓶口和气针配合, 将压缩空气吹入型 坯中, 这样可以在瓶子或容器上产生一个自然的开口。 但 这种吹入压缩空气的方法也有 例外(以后讨论) 。在瓶颈处,厚度控制要比制品上其他部位 更严格,因为气针和瓶颈的型 腔 尺寸必须要精确配合。 实际上可以把这部分区域看作是压制成型。 当然容器灌装入物体后进行储存或运输时, 必须使用一些 堵塞物或瓶盖来封住开口。 因为多数吹塑成型容器都作为包装容器使用, 所以设计的螺纹瓶口应是标准螺纹口以便使之能选 用封盖封住。推荐使用的尺寸标准已经由塑料工业协会里的塑料瓶分会建立,实例如图 4.13 所示。图中呈现了L和M两 种 形状的瓶颈螺纹。 L形类似于 常 用的玻璃瓶, 而M形则是典 型的塑料容器。 完整的形状系 列可以在塑料瓶协会中查到。 见 美 国塑料工业学会颁布的表 4.1 。 为封盖或喷淋附件设计其他的瓶颈开口的典型结构设计类型如图 4.13 和图 4.14 所示。 4.4 容器 的容积 传统的牛奶容器被充灌得很满, 顾客希望他们今天使用的塑料容器也以相同的方式充灌。 为了最大限度地降低成本, 牛 奶工需要的容器不能比规定容器的容积大, 因为比额定多的牛奶充灌到容器中将会大大降低利润。 为了达到降低成本的目的, 塑料牛奶容器的总容积必须仔细调整一致, 把容器的容积调 整到精确的控制状态。 这部分 的目 的是讨论: 第一, 怎样测 量牛 奶容器的容积以及模具制造者怎样校正模具; 第二, 找出容积测量误差的来源; 第三, 找出能容易改变容器容积的成型条件。 4.4.1 容 器容 积的 测量 1 加仑 (3785.4cm 3 ) 容积不等于 3785.4g 的水或 3901g 的牛 奶, 这个容量并不因温度的升高或降低而改变。 而水、 牛奶 和 果 汁这 样的 产品 体 积的 胀大或 缩 小是 随温 度而 改 变的 ,例如 水 在 4 °C 时 密度 最 大, 在低 于 或高 于此 温度 时水 都 膨胀。 3785.4 cm 3 水在 4 °C 时的水要 比 3785.4 cm 3 的水在 20°C 时 的水重。 换句话说, 在 20°C 下测量 3785.4 cm 3 的水比冷却到 时的水 4 °C3785.4 cm 3 的水少大约 0.0073925L 。 然而, 在保持精确的条件下, 质量也可以用来确定容器的容积,3785.4 cm 3 的蒸馏水在 4 °C 重 3781.082g 。 在机器生产线运行期间, 要取 出容器样品做容积检测时, 应 进行充分的努力, 以使生产条 件重复稳定。 被测量的容器 一 般是 “新鲜的” , 即测量刚生产 出来平均为 1.5h 时的容器。 容 器的充灌时期是很重要的, 因为模塑后的高密度聚乙烯在一段 时间内会继续收缩。 假定容器 在室温下储存, 控制其收缩速 率, 当容器充灌冷的牛奶并且 储存在较低温 度的地方时, 因 为 保 持了容器要求的原形可使容器的收缩速率达到零的理想状态。 实际上, 不管它是何种尺寸, 在那时对充灌的影响都是稳定的。 下面的程序常常用来测充灌时期对生产线上的样品容器的平均影响。 1) 从每种型腔中拿出 5 个样品, 称重、分组; 2) 将每种型腔的第一个样品迅速地灌入 4 °C 的蒸馏水,充满 容器的边缘,记录空容器质量和装入水后的容器质量; 3) 检测每个型腔的第二个试样,然后,第三个,第四个,直到测量完所有的容器; 4) 为了减少水从一个容器传到另一个容器时水而产生微热的误差,在整组样品测量中途需要用另一个水瓶来置换; 5) 计算出每 一种型腔的水的平均净重然后与标准进行比较。 4.4.2 标 准 为了比较指定的容器嵌件的依赖性,可以使用两个充满物体之一的充灌质量标准,比标准依据下面来确定(图 4.15)。 3781g 3785.4 cm 3 4 °C 蒸馏水充灌到离容器顶部 12.7mm 位置的质量。 15g 加到容器顶部剩余空 间的质量。 9g 保险系数附加的质量 。 3805g 充满的质量标准Ⅰ 3805g 的标准可以在下面 3 种 条件下使用: 第一, 当测量容 器 “稳定” 时 (最短时间为 48h ) , 不带容积控制嵌件或带齐 平容积控制嵌件;第 二,当测量容器“新鲜”时(最长时间为 1/2h ) ,并带有标准的凹入容积嵌件;第三,当测量的容器为 “新鲜”或将要使用“新鲜”容器时,不带容积控制嵌件。 第二个标准是 3805g 加上 60g , 适用于两个凹入的容积控制嵌件。 设计容积控制嵌件是为了显示出在 “新鲜” 和 “稳定 ” 的容器之间收缩的差别(见 Dow 化学公司图表) 。 51.8g 2 个代替水的嵌件重量 。 8.2g 保险系数附加的质量 。 60.0g 两个嵌件的质量标准 。 3805.0g 充满的质量标准Ⅰ。 3865.0g 充满的质量标准Ⅱ 当测量的容器为 “新 鲜 ” 的 容器 时 , 用 平 齐 容 积控 制 嵌 件 或不 用 容 积 控 制 嵌 件测 量 , 并 且指 定 使 用 “ 稳 定 ”时 , 使 用 3865g 标准。这个标准是最常 使用的一种,因为大多数模具配有容积控制嵌件,通常测量容器为“新鲜”的用平齐嵌件。 1892.7 cm 3 牛奶容器的标准如下。 1891g 1892.7 cm 3 4 °C 蒸馏水的质量去充灌到离容器顶部 12.7mm 位置。 15g 加到顶部空间的质量 。 9g 保险系数附加的质量 。 1915g 充满的质量标准Ⅰ 24g 用 2 个容积控制嵌件 代替水的重量。 4g 保险系数附加的质量 。 1943g 充满的质量标准Ⅱ 和 3785.4 cm 3 的标准一样,这些 1892.7 cm 3 标准同样可以以相同的方式在相同的条件下使用。 4.4.3 生 产线 上模 具容积 的调 整 在测量的容器和标准之间,立方体积的差可改变容器底部分型的高度,材料从模具中移出将使容器轻微缩短。 例如, 假定测量的容器体积是相当于 4 °C 时 3965g 的水, 容 器有平齐的容积控制嵌件并且在半小时后进行测量。 标准 样瓶是 3865g ,因而必须减去 100g ,这相当于 100.07cm 3 。容器底部分型的面积是 221.68 cm 3 ,用下面公式计算。 容积(g )×换算系数= 减去底 部分型的高度 底部分型的尺寸=4.52mm (从 高度上减去) 4.4.4 容 积校 正中 的误差 5 种误差中,2 种是人为的,3 种是无意的,都会累积附加到缓冲垫上及累积附加到机器生产线模具的容积校正上。 (1)9g 水的允许偏差被加到容器 的基本标准上。 (2) 对 1 加仑容积控制嵌件来说,把 8.2Gi 水的允许偏差加到 基本标准上。 (3) 容积控制嵌件的尺寸近似地相当于在放置几分钟的容器和放置几天的容器之间发生的收缩 量。 当测量的容器是 “新 鲜”和“平齐”时,一些嵌件上的收缩因数已经产 生,这个疏忽也会使容器增加少量体积。 (4) 所有 的测 量都 要 用水 ,因 为牛 奶 较重 ,但 更 重要 的是 在充灌 阀 上牛 奶的 质 量将 引起 容器胀 大 一些 ,这 个 疏忽 也会 使 容器增加少量体积。 (5) 如果不立即测量,流体的质量使塑料材料爱到拉伸也会使容器轻微“鼓胀” ,这个疏忽也 让容器增加少量体积。 这 5 个误差近似地把增加了 19.5mm 到 0.03L 的额外容积加到了用平齐控制测量的 1 加仑 “ 新鲜” 容器中, 在其他条件 下或为其他情况设计的测量容器将有极小的误差。 图 I 显示了从 0.0
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