塑料模具设计教程_2-2压缩成型原理及工艺特性

    压缩成型又称为压塑成型、压制成型等，是将粉状或松散粒状的固态塑料直接加入到模具中，通过加热、加压的方法使它们逐渐软化熔融，然后根据模腔形状成型、经固化成为塑件，主要用于成型热固性塑料。与注射模相比，压缩模没有浇注系统，使用的设备和模具比较简单，主要应用于日用电器、电信仪表等热固性塑件的成型。

一 压缩成型原理及特点

    压缩成型原理如图2-2所示。成型时，先将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料直接加入到敞开的模具加料室内，如图2-2а所示；然后合模加热，使塑料融化，在合模压力的作用下，熔融塑料充满型腔各处，如图2-2Ь所示；这时，型腔中的塑料产生化学交联反应，使熔融塑料逐步转变为不熔的硬化定型的塑件，最后脱模将塑件从模具中取出，如图2-2c所示。

图2-2  压缩成型原理

    压缩成型主要用于热固性塑料的成型。与注射成型相比，压缩成型的优点是：可以使用普通压力机进行生产；因压缩模没有浇注系统，所以模具结构比较简单；塑件内取向组织少，取向程度低，性能比较均匀；成型收缩率小；可以生产一些带有碎屑状、片状或长纤维状填充剂、流动性很差且难于用注射方法成型的塑件和面积很大、厚度较小的大型扁塑件。压缩成型的缺点是：成型周期长、劳动强度大、生产环境差、生产操作多用手工而不易实现自动化；塑件经常带有溢料飞边，高度方向的尺寸精度不易控制；模具易磨损，使用寿命较短。

    压缩成型也可以成型热塑性塑料。在压缩成型热塑性塑料时，模具必须交替地进行加热和冷却，才能使塑料塑化和固化，故成型周期长，生产效率低，因此，它仅适用于成型光学性能要求高的有机玻璃镜片、不宜高温注射成型的硝酸纤维汽车驾驶盘以及一些流动性很差的热塑性塑料（如聚酰亚胺等）。

二 压缩成型工艺

1. 成型前的准备

    热固性塑料比较容易吸湿，贮存时易受潮，所以，在对塑料进行加工前应对其进行预热和干燥处理。同时，又由于热固性塑料的比容比较大，因此，为了使成型过程顺利进行，有时还要先对塑料进行预压处理。

（1）预热与干燥

    在成型前，应对热固性塑料进行加热。加热的目的有两个：一是对塑料进行预热，以便对压缩模提供具有一定温度的热料，使塑料在模内受热均匀，缩短压缩成型周期；二是对塑料进行干燥，防止塑料中带有过多的水分和低分子挥发物，确保塑件的成型质量。预热与干燥的常用设备是烘箱和红外线加热炉。

（2）预压

    预压是指压缩成型前，在室温或稍高于室温的条件下，将松散的粉状、粒状、碎屑状、片状或长纤维状的成型物料压实成重量一定、形状一致的塑料型坯，使其能比较容易地被放入压缩模加料室。预压坯料的形状一般为圆片形或圆盘形，也可以压成与塑件相似的形状。预压压力通常可以在40～200MPa的范围内选择，经过预压后的坯料密度最好能达到塑件密度的80％左右，以保证坯料有一定的强度。

2. 压缩成型过程

    模具装上压力机后要进行预热，若塑件带有嵌件，加料前应将预热嵌件放入模具型腔内。热固性塑料的成型过程一般可分为加料、闭模、排气、固化和脱模等几个阶段。

（1）加料

    加料就是在模具型腔中加入已预热的定量的物料，这是压缩成型生产的重要环节。加料是否准确，将直接影响到塑件的密度和尺寸精度。常用的加料方法有体积质量法、容量法和记数法三种。体积质量法需用衡器称量物料的体积质量大小，然后加入到模具内，采用该方法可准确地控制加料量，但操作不方便。容量法是使具有一定容积或带有容积标度的容器向模具内加料，这种方法操作简便，但加料量的控制不够准确。记数法适用于预压坯料。对于形状较大或较复杂的模腔，还应根据物料在模具中的流动情况和模腔中各部位用料量的多少，合理地堆放物料，以免造成塑件密度不均或缺料现象。

（2）闭模

    加料完成后进行闭模，即通过压力使模具内成型零部件闭合成与塑件形状一致的模腔。在凸模尚未接触物料之前，应尽量使闭模速度加快，以缩短模塑周期和塑料过早固化和过多降解。而在凸模接触物料之后，闭模速度应放慢，以避免模具中嵌件和成型杆件的位移和损坏，同时也有利于空气的顺利排放，避免物料被空气排出模外而造成缺料。闭模时间一般为几秒至几十秒不等。

（3）排气

    压缩热固性塑料时，成型物料在模腔中会放出相当数量的水蒸气、低分子挥发物以及在交联反应和体积收缩时产生的气体，因此，模具闭后有时还需要卸压以排出模腔中的气体，否则，会延长物料传热过程，延长熔料固化时间，且塑件表面还会出现烧糊、烧焦和气泡等现象，表面光泽也不好。排气的次数和时间应按需要而定，通常为1～3次，每次时间为3～20s。

（4）固化

    压缩成型热固性塑料时，塑料依靠交联反应固化定型的过程称为固化或硬化。热固性塑料的交联反应程度（即硬化程度）不一定达到100％，其硬化程度的高低与塑料品种、模具温度及成型压力等因素有关。当这些因素一定时，硬化程度主要取决于硬化时间。最佳硬化时间应以硬化程度适中时为准。固化速率不高的塑料，有时也不必将整个固化过程放在模内完成，只要塑件能够完整地脱模即可结束固化，因为延长固化时间会降低生产效率。提前结束固化时间的塑件需用后烘的方法来完成它的固化。通常酚醛压缩塑件的后烘温度范围为90～150℃，时间为几小时至几十小时不等，视塑件的厚薄而定。模内固化时间取决于塑料的种类、塑件的厚度、物料的形状及预热和成型的温度等，一般由三十秒至数分钟不等，具体时间的长短需由实验方法确定，过长或过短对塑件的性能都会产生不利的影响。

（5）脱模

    固化过程完成以后，压力机将卸载回程，并将模具开启，推出机构将塑件推出模外，带有侧向型芯或嵌件时，必须先完成抽芯才能脱模。

    热固性塑件与热塑性塑件的脱模条件不同。对于热塑性塑件，必须使其在模具中冷却到自身具有一定的强度和刚度之后才能脱模；但对于热固性塑件，脱模条件应以其在热模中的硬化程度达到适中时为准，在大批量生产中，为了缩短成型周期，提高生产效率，亦可在制件尚未达到硬化程度适中的情况下进行脱模，但此时塑件必须有足够的强度和刚度以保证在脱模过程中不发生变形和损坏。对于硬化程度不足而提前脱模的塑件，必须将它们集中起来进行后烘处理。

3. 压后处理

    塑件脱模以后，应对模具进行清理，有时还要对塑件进行后处理。

（1）模具的清理

    脱模后，要用铜签或铜刷去除留在模内的碎屑、飞边等，然后再用压缩空气将模具型腔吹净。如果这些杂物留在下次成型的塑件中，将会严重影响塑件的质量。

（2）塑件的后处理

    塑件的后处理主要是指退火处理，其主要作用是消除内应力，提高塑件尺寸的稳定性，减少塑件的变形与开裂。进一步交联固化，可以提高塑件的电性能和机械性能。退火规范应根据塑件材料、形状、嵌件等情况确定。对于厚壁和壁厚相差悬殊以及易变形的塑件，退火处理时以采用低温度和较长时间为宜；对于形状复杂、薄壁、面积大的塑件，为防止变形，退火处理时最好在夹具上进行。

常用热固性塑件的退火处理规范可参考表2-3。

表2-3  常用热固性塑件退火处理规范

三 压缩成型的工艺参数

    压缩成型的工艺参数主要是指压缩成型温度、压缩成型压力和压缩时间。

1. 压缩成型温度

    压缩成型温度是指压缩成型时所需的模具温度。显然，成型物料在模具温度的作用下，必须经由玻璃态熔融成粘流态之后才能流动充模，最后还要经过交联反应才能固化定型为塑件，所以压缩过程中的模具温度对塑件的成型过程和成型质量的影响，比注射成型时显得更为重要。

    压缩成型温度的高低影响模内塑料熔体的充模是否顺利，也影响成型时的硬化速度，进而影响塑件质量。随着温度的升高，塑料固体粉末逐渐融化，粘度由大到小，开始交联反应，当其流动性随温度的升高而出现峰值时，迅速增大成型压力，使塑料在温度还不很高而流动性又较大时充满型腔。在一定的温度范围内，模具温度升高，成型周期缩短，生产效率提高。如果模具温度太高，将使树脂和有机物分解，塑件表面颜色就会暗淡。由于塑件外层首先硬化，影响物料的流动，将引起充模不满，特别是压缩成型形状复杂、薄壁、深度大的塑件时最为明显。同时，由于水分和挥发物难以排除，塑件内应力大，模具开启时，塑件易发生肿胀、开裂、翘曲等。如果模具温度过低，硬化周期过长，硬化不足，塑件表面将会无光，其物理性能和力学性能下降。

    常用热固性塑料的压缩成型温度见表2-4。

表2-4  常用热固性塑料的压缩成型温度和成型压力

2. 压缩成型压力

    压缩成型压力是指压缩时压力机通过凸模对塑料熔体在充满型腔和固化时在分型面单位投影面积上施加的压力，简称成型压力，可采用下式进行计算：

                                 （2-1）

式中

p——成型压力，一般为15～30MPa；

pb——压力机工作液压缸表压力，MPa；

D——压力机主缸活塞直径，m；

A——塑件与凸模接触部分在分型面上的投影面积，m2。

施加成型压力的目的是促使物料流动充模，提高塑件的密度和内在质量，克服塑料树脂在成型过程中因化学变化释放的低分子物质及塑料中的水分等产生的胀模力，使模具闭合，保证塑件具有稳定的尺寸、形状，减少飞边，防止变形，但过大的成型压力则会降低模具的使用寿命。

    压缩成型压力的大小与塑料种类、塑件结构以及模具温度等因素有关，一般情况下，塑料的流动性愈小、塑件愈厚及形状愈复杂，固化速度和压缩比愈大，所需的成型压力亦愈大。

    常用热固性塑料的压缩成型压力见表2-4。

3. 压缩时间

    热固性塑料压缩成型时，要在一定温度和一定压力下保持一定时间，才能使其充分地交固化，成为性能优良的塑件，这一时间称为压缩时间。压缩时间与塑料的种类（树脂种类、挥发物含量等）、塑件形状、压缩成型的工艺条件（温度、压力）以及操作步骤（是否排气、预压、预热）等有关。压缩成型温度升高，塑料固化速度加快，所需压缩时间减少，因而压缩周期随模具温度提高也会减少。压缩成型压力对压缩时间的影响不及压缩成型温度那么明显，但随压力增大，压缩时间也会略有减少。由于预热减少了塑料充模和开模时间，所以预热塑料的压缩时间比不预热时要短。通常压缩时间还会随塑件厚度的增加而增加。

    压缩时间的长短对塑件的性能影响很大。压缩时间过短，塑料硬化不足，将使塑件的外观性能变差，力学性能下降，易变形。适当增加压缩时间，可以减少塑件收缩率，提高其耐热性能和其它物理、力学性能。但如果压缩时间过长，不仅降低生产率，而且会使树脂交联过度，从而使塑件收缩率增加，产生内应力，导致力学性能下降，严重时会使塑件破裂。一般的酚醛塑料，压缩时间为1～2min，有机硅塑料达2～7min。表2-5列出了酚醛塑料和氨基塑料的压缩成型工艺参数。

表2-5  部分热固性塑料压缩成型的工艺参数

注：1. 系以苯酚－甲醛线型树脂和粉末为基础的压缩粉；

2. 系以甲酚－甲醛可溶性树脂的粉末为基础的压缩粉；

3. 系以苯酚－苯胺－甲醛树脂和无机矿物为基础的压缩粉。