塑性成形与模具技术

2.1.2.1 锻造成形技术

1.锻造定义

锻造是利用锻造设备，通过工具或模具使金属毛坯产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和内部组织的工件的一种压力加工方法。锻造和冲压合称锻压。在现代技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可锻造成形，并使内部质量得到一定程度的改善。精度可以达到无需机加工的水平。例如：各种锻造标准件、精锻叶片、齿轮以及轴类件等。

锻造生产是机械制造工业中提供毛坯的主要途径之一。它不但能获得一定的金属零件的形状，而且能改善金属的内部组织，提高金属的力学性能和物理性能。

2.锻造发展简况

锻造工艺由来已久，具有数千年历史，可追溯到人类开始使用工具进行农业生产时期，同时，各时期战争对兵器的要求也促进了锻造技术的发展。

我国是古老文明国家之一，早在2000年以前，锻造就达相当高的水平。例如：陕西秦始皇兵马俑坑出土文物中，就有三把宝剑为证，其中一把至今锋利如昔，令中外人士叹为观止。

锻造技术虽源远流长，但由于长期受生产条件限制，发展缓慢。至明朝，我国在手工业锻造方面才达到了很高的水平，特别是锻制的金银制品，举世瞩目。欧洲经历了三次产业革命，发明了蒸汽动力机械，推动了生产力的加速发展。依靠蒸汽推动气锤，使锻造技术获得飞跃。新中国成立前，我国锻造业规模小，沿海一带少数城市以手工锻为主，劳动条件恶劣（锻造作坊）。新中国成立后，全国各地新建、扩建一批锻造厂和车间，安装各种类型和各种锻造能力的设备；高等院校也开设了锻压等专业，成立了锻压研究机构，从事工艺和设备的研究。

锻压成形技术是国民经济可持续发展的主体技术之一。据统计，全世界75%的钢材需经塑性成形，在汽车生产中，70%以上的零部件是利用金属塑性加工而成的。

3.锻造分类和特点

锻造成形根据温度或作用力来源的不同可进行以下分类：

与其他加工方法比，锻造成形有以下特点：

1）锻造能改善金属组织，提高金属的力学性能和物理性能。

2）节约金属材料和切削加工工时。

3）除自由锻以外，其余锻造加工生产率较高。

4）锻造有很大的灵活性。

4.锻压行业与国外的差距

差距有很多方面，也有很多表现，主要有下列几个方面：

1）计算机应用落后：国内大部分企业的计算机仅用于制图，而国外大部分企业已将计算机应用到生产的各个环节。计算机的应用使国外锻压行业的技术能力得到了较大的提升。计算机在锻压企业的普及对我国锻压企业来说至关重要。

2）管理落后：所谓管理，主要是指人力资源各方面的配置方法等，国内锻压企业对人的管理还停留于将人看作具有单一职能的“机器”进行配置，而没有发挥多才多艺的特点，没有利用人的素质，而只在使用人的技能。锻压企业管理需培养和使用一人多能的复合型人才。锻压企业必须要引入工业工程的管理理念。

3）人才落后：谈到人才，国内锻压企业多讲人才缺乏，实际上是人才落后。国内具有的多数是知识型人才，没有充分认识到素质型人才的重要，这一点与国内目前的教育体制有关，也与国内的用人环境有关。一直到现在锻压专业人员所学的知识几乎没有太大的变化。

4）市场不完善：完善市场的标志之一是信誉。而我国锻压行业尚处于自由市场阶段，可以说杂乱无章。主要表现在采购过程、标准采用等都无章可循。主机厂的产品开发无供应商参与，主机厂提出的需要有时与供应商的发展相差悬殊，而有些是锻压件生产企业根本无法做到的。

5.锻造生产的重要性及发展的方向

无论从现实还是从未来的发展看，锻造工艺及锻造生产在整个国民经济的架构中均占有重要的地位，具体表现在以下几个方面：

1）国防工业中飞机上的锻件占85%，坦克上的锻件占70%；大炮、枪支的大部分零件都是锻造而成的。

2）机床制造工业中各种机床上的主要零件，如主轴、传动轴、齿轮和切削刀具等都是锻件制成的。

3）电力工业中发电设备的主要零件，如水轮机主轴、涡轮机叶轮、转子、护环等均由锻件制成。

4）交通运输工业中，机车上的锻压件占60%、汽车上的锻压件占80%，轮船上的发动机曲轴和推力轴等主要零件也由锻制而成。

5）农用拖拉机、收割机等现代农业机械上的许多主要零件也都是锻制成的，如拖拉机上就有560多种锻件。

6）日常生活用品如锤子、斧子、钢丝钳、刀等均是锻制而成的。

另一方面，虽然中国的锻造生产起源较早，但是发展一直较为缓慢，直至20世纪50年代后才有了迅速发展，具体表现在以下几方面：

1）在工艺方面，由手工锻造发展到了胎模锻及模锻，还采用了高效率、少无切削的特种锻造，如精密模锻、辊锻和挤压等，基本上掌握了合金钢和大型锻件的各种锻造技术。

2）在设备方面，一是陈旧的煤炉加热得到了改造，高效薄壁旋转加热炉、敞焰无氧化加热炉、煤气、燃油加热炉、电加热炉已广泛采用，感应电加热（中频、工频）在自动化锻压生产线上得到应用；二是锻造生产逐步实现了机械化和自动化，出现了自动控制的操作机及装（出）料机等，极大改善了操作人员的劳动环境，降低了操作人员的劳动强度。

但是，与先进国家相比，我国的锻造生产还比较落后，模锻件仅占全部锻件的30%（国外占80%），国外电加热已普遍采用，已有成千条锻造自动生产线，大型自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机。

6.锻造用原材料的下料方法及设备

常用的下料方法有：

1）锯削：圆盘锯、弓形锯、高速带锯。

2）剪切：在剪床上或在压力机的剪切模里下料，生产效率高，切口没有材料损耗，但端部质量较差。

3）折断下料：先在材料上锯削或气割一个口子，通过压力机在预切口处折断。生产率高、设备简单，没有材料损耗，端面质量高。

4）砂轮切割：由电动机带动薄片砂轮高速旋转，手动或机动使砂轮沿径向上下运动而将钢坯切断。生产率高，断面平整，但砂轮损耗大，工人劳动条件较差。

5）火焰切割（气割）：氧气、乙炔等气流将钢局部加热至熔化温度，使其逐步熔断。用于大型钢坯和锻件的大断面切割（可达1500mm以上），金属有损耗。

6）阳极切割：利用电腐蚀作用和电化学腐蚀作用切开金属材料，生产率高，废料少，可以切割任何硬度的金属材料且断面光洁。

7.锻前加热的目的、方法及钢在加热中的常见缺陷

（1）锻前加热 金属材料在锻造加工前需进行加热，目的是提高金属塑性，降低变形抗力、使之易于流动成形并获得良好的锻后组织。

1）火焰加热 利用燃料（煤、焦炭、重油、柴油和煤气）在火焰加热炉内燃烧，产生含有大量热能的高温气体（火焰），通过对流、辐射把热能传给毛坯表面，再由表面向中心热传导而使金属毛坯加热。

火焰加热的优点是燃料来源方便，炉子修造简单，加热费用较低，对毛坯的适应范围广；缺点是劳动条件差，加热速度慢，效率低，加热质量难于控制。

2）电加热。通过把电能转变为热能加热金属毛坯。有感应电加热、接触电加热、电阻炉加热和盐浴炉加热。

①感应电加热。在感应器中通入交变电流，产生交变磁场，在交变磁场的作用下，金属毛坯内部产生交变涡流。利用涡流通过工件时所产生的电阻热将金属毛坯加热。在锻压生产中，以中频感应电加热应用最多。

感应电加热的优点是加热速度快，加热质量好，温度控制准确，金属烧损少。同时便于和锻压设备组成生产线，实现加热过程的机械化和自动化，劳动条件好，对环境无污染；其缺点是设备投资费用高，加热毛坯尺寸范围很窄，电能消耗较大。

②接触电加热。以低电压大电流直接通入金属毛坯，由于金属存在一定电阻，电流通过就会产生电阻热，从而使之加热。

接触电加热的优点是加热速度快，金属烧损少，加热温度范围不受限制，热效率高，耗电少，成本低，设备简单，操作方便；其缺点是毛坯的表面粗糙度和形状尺寸要求严格，特别是毛坯的端部必须规整，不得存在畸变。加热温度的测量和控制也比较困难。适用于长毛坯的整体或局部加热。

③电阻炉加热。利用电流通入炉内的电热体所产生的热量，以辐射和对流的方式来加热金属毛坯。常用的金属电热体有：铁铬铝合金（Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4）和镍铬合金（Cr20Ni80、Cr15Ni60），作成线状或带状，使用温度一般在1100℃以下；非金属电热体有：碳化硅、二硅化钼，制成棒状，使用温度可达1350℃以上。

电阻炉加热的优点是对毛坯加热的适应范围较大，便于实现加热机械化、自动化，也可用保护气体进行少无氧化加热；其缺点是加热温度受到电热体的限制，热效率比其他电加热法低。

（2）钢在锻前加热中出现的常见缺陷

1）氧化烧损。钢料加热到高温时，其表层中的Fe元素与氧化性气体（O₂、CO₂、H₂O、SO₂）发生化学反应，使钢坯表层形成氧化皮的现象称为氧化烧损。

氧化烧损的主要危害，一是造成毛坯烧损，增加原材料浪费；二是氧化皮在成形时被压入锻件表面，影响锻件的表面质量；此外，氧化皮又硬又脆，加剧模具磨损；还有可能引起炉底腐蚀损坏。

2）脱碳。钢料在加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气体（O₂、CO₂、H₂O等）及某些还原性气体（H₂）发生化学反应，造成毛坯表层的碳含量减少，称为脱碳。

脱碳将使锻件表面变软，强度和耐磨性降低，对需要淬火的钢，淬火后得不到所要求的硬度。

3）过热。毛坯加热温度超过始锻温度或毛坯在高温下停留时间过长，都会引起奥氏体晶粒迅速长大，即为过热。

过热将导致锻件的组织晶粒粗大，引起力学性能（尤其是冲击韧度）的降低。但生产实践表明：某些钢的过热对锻造过程的影响不是很大，甚至过热较严重的钢材（只要没有过烧），在足够大的变形程度下一般可以消除。

4）过烧。当毛坯加热温度接近熔点，并在此温度下停留时间过长时，不仅晶粒粗大，晶间低熔点物质开始熔化，而且氧化性气体渗入晶界，破坏了晶间的联系，这种现象称为过烧。

过烧将使材料的强度和塑性大大降低，过烧的坯料一击就碎，一般是不能用热处理或热加工的方法来补救的。

5）裂纹。在毛坯的加热过程中，由于：①表层与心部温度的差异造成的温度应力；②钢锭的内部残余应力（钢锭在凝固和冷却过程中，由于外层和中心冷却速度的不同，各部分间的相互牵制产生残余应力。外层冷却快，中心冷却慢，残余应力在外层为压应力，在中心部分为拉应力，其符号与温度应力相同）；③具有相变的毛坯表层与心部相变不同时形成的组织应力，这都可能产生心部裂纹。

8.锻造成形的方法

将金属坯料加热到高温状态后，放在上下砧铁或模具间，并在外力作用下产生塑性变形的方法称为锻造。按照成形方式的不同，锻造又可分为自由锻造（简称自由锻）、胎模锻和模型锻造（简称模锻）三大类，如图2.51所示。自由锻造按其设备和操作方式的不同，又可分为手工自由锻和机器自由锻。在现代工业生产中，手工自由锻已逐步为机器自由锻取代。锻造主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件毛坯，如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、炮筒和枪管以及起重吊钩等。

图2.51 锻造方法

a）自由锻 b）胎模锻 c）模锻 d）锻件实例

1—上砧铁 2—坯料 3—下砧铁

（1）自由锻 自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个砧铁之间变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。对于特大型锻件，如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆等，自由锻是唯一可行的加工方法。所以，自由锻在重型工业中得到广泛应用。但自由锻的锻件精度低，生产率低，劳动强度大，生产条件差。

自由锻的主要特点是生产所用工具简单，具有较大的通用性，因而它的应用范围较为广泛。可锻造的锻件质量由不及1kg到300t。

1）基本工序。自由锻是使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序。自由锻的基本工序见表2.3，常用盘类及轴类锻件的锻造工序见表2.4；齿轮坯的自由锻工艺见表2.5。

2）自由锻设备。机器自由锻所用设备通常有空气锤、蒸汽-空气锤及水压机等。其中，空气锤是生产小型锻件的通用设备，其外形及工作原理如图2.52所示；而蒸汽-空气锤是生产大、中型锻件的常用设备，如图2.53所示。

（2）胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。胎模锻一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成形。胎模的种类较多，主要有扣模、筒模及合模三种。

表2.3 自由锻的基本工序

表2.4 常用盘类及轴类零件的锻造工序

表2.5 齿轮坯的自由锻工艺

图2.52 空气锤外形及其工作原理

1—电动机 2—减速机构 3—锤身 4—手柄 5—下旋阀 6—上旋阀 7—旋阀 8—锤杆 9—上砧铁 10—下砧铁 11—砧垫 12—砧座 13—脚踏杆 14—工作活塞 15—工作缸 16—压缩缸 17—压缩活塞 18—连杆

图2.53 蒸汽-空气锤外形及其工作原理

1—上气道 2—进气道 3—节气阀 4—滑阀 5—排气管 6—下气道 7—下砧 8—砧垫 9—砧座 10—坯料 11—上砧 12—锤头 13—锤杆 14—活塞 15—工作缸

1）扣模。如图2.54所示。扣模用来对坯料进行全部或局部成形，可生产长杆非回转体锻件。也可以为合模锻造进行制坯。用扣模锻造时，坯料不转动。

2）筒模。如图2.55所示。筒模主要用于锻造齿轮、法兰盘等盘类锻件。组合筒模（图2.55c）由于有两个半模（增加一个分模面）的结构，可锻出形状更复杂的胎模锻件，扩大了胎模锻的应用范围。

图2.54 扣模

a）开口扣模（单扣模） b）开口扣模（双扣模） c）闭口扣模

1—锻件 2—上模 3—下模

图2.55 筒模

a）镶块筒模 b）带垫模筒模 c）组合筒模

1—筒模 2—右半模 3—冲头 4—左半模 5—锻件

3）合模。如图2.56所示。合模由上模和下模组成，并有导向结构，可生产形状复杂、精度较高的非回转体锻件。

图2.56 合模

4）胎模锻的特点及适用范围。由于胎模结构较简单，可提高锻件的精度，无需昂贵的模锻设备，扩大了自由锻生产的范围；但胎模易损坏，较其他模锻方法生产的锻件精度低，劳动强度大。因此，胎模锻只适用于没有模锻设备的中小型工厂生产中、小批量锻件。

（3）模锻 模锻是使金属坯料在冲击力或压力作用下，在锻模模膛内变形，从而获得锻件的工艺方法。

对于模锻，由于金属是在模膛内变形，其流动受到模壁的限制，因而模锻生产的锻件尺寸精确，加工余量较小，结构可以较复杂，而且生产率高。因此，模锻生产广泛应用于机械制造业和国防工业。

按使用的设备不同，模锻可以分为锤上模锻、曲柄压力机上模锻和摩擦压力机上模锻等。

1）锤上模锻。锤上模锻所用设备为模锻锤，由它产生的冲击力使金属变形。图2.57所示为一般工厂中常用的蒸汽-空气模锻锤。该设备上运动副之间的间隙小，运动精度高，可保证锻模的合模准确性。模锻锤的吨位（落下部分的质量）一般为1～16t，可锻制150kg以下的锻件。

锤上模锻生产所用的锻模如图2.58所示。上模2和下模4分别用楔铁10、7固定在锤头1和模垫5上，模垫用楔铁6固定在砧座上。上模随锤头做上下往复运动。件9为模膛，件8为分模面，件3为飞边槽。

图2.57 蒸汽-空气模锻锤

1—踏板 2—砧座 3—机架 4—操纵杆

图2.58 锤上模锻用锻模

1—锤头 2—上模 3—飞边槽 4—下模 5—模垫 6、7、10—楔铁 8—分模面 9—模膛

模膛根据其功用的不同，分为模锻模膛和制坯模膛两种。

①模锻模膛。由于金属在此种模膛中发生整体变形，故作用在锻模上的抗力较大。模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两种。

②制坯模膛。对于形状复杂的模锻件，为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布且很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模膛内制坯。

根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。单膛锻模是在一副锻模上只有终锻模膛一个模膛。如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料，直接放入单膛锻模中一次终锻成形。多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。如弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛锻模，如图2.59所示。

锤上模锻设备投资较少，锻件质量较好，适应性强，可以实现多种变形工步，锻制不同形状的锻件；缺点是震动大、噪声大，完成一个变形工步往往需要多次锤击，难以实现机械化和自动化，与其他模锻方法相比生产率较低。

2）曲柄压力机上模锻。曲柄压力机是一种机械式压力机，其传动系统如图2.60所示。

图2.59 弯曲连杆锻造过程

1—拔长模膛 2—液压模膛 3—终锻模膛 4—预锻模膛 5—弯曲模膛

图2.60 曲柄压力机传动图

1—电动机 2—小带轮 3—大带轮 4—传动轴 5—小齿轮 6—大齿轮 7—离合器 8—曲柄 9—连杆 10—滑块 11—楔形工作台 12—下顶杆 13—楔铁 14—顶料连杆 15—凸轮 16—制动器

当离合器7在接合状态时，电动机1的转动通过带轮2、3、传动轴4和齿轮5、6传给曲柄8，再经曲柄连杆机构使滑块10作上、下往复直线运动。曲柄压力机的吨位一般是2000～120000kN。

曲柄压力机上模锻的特点：

①曲柄压力机作用于金属上的变形力是静压力，且变形抗力由机架本身承受，不传给地基。因此曲柄压力机工作时无震动，噪声小。

②滑块行程固定，每个变形工步在滑块的一次行程中即可完成。

③曲柄压力机具有良好的导向装置和自动顶件机构，因此锻件的余量、公差和模锻斜度都比锤上模锻要小。

④曲柄压力机上模锻所用锻模都设计成镶块式模具，如图2.61所示。模膛由镶块4、9构成。镶块用螺栓8和压板5固定在模板2、7上。导柱3用来保证上、下模之间的最大合模精度。顶杆1和6的端面形成模膛的一部分。这种组合模制造简单，更换容易，节省了模具材料。

⑤坯料表面上的氧化皮不易被清除，影响锻件质量。曲柄压力机上也不宜进行拔长和滚压工步。如果是横截面变化较大的长轴类锻件，可采用周期轧制坯料或用辊锻机制坯来代替这两个工步。

图2.61 曲柄压力机用的锻模

1—上顶杆 2—上模板 3—导柱 4、9—镶块 5—压板 6—下顶杆 7—下模板 8—螺栓

图2.62 摩擦压力机传动简图

1—螺杆 2—螺母 3—飞轮 4—摩擦盘 5—传动带 6—电动机 7—滑块 8、10—导轨 9—机座

曲柄压力机上模锻的锻件精度高，生产率高，劳动条件好，节省金属。故适合于大批量生产条件下锻制中、小型锻件。但由于曲柄压力机造价高，其应用受到限制，因此我国仅有大型工厂使用。

3）摩擦压力机上模锻。如图2.62所示，锻模分别安装在滑块7和机座9上。滑块与螺杆1相连，沿导轨10上下滑动。螺杆穿过固定在机架上的螺母2，其上端装有飞轮3。两个摩擦盘4同装在一根轴上，由电动机6经传动带5使摩擦盘轴旋转。改变操纵杆位置可使摩擦盘轴沿轴向串动，这样就会把某一个摩擦盘靠紧飞轮边缘，借摩擦力带动飞轮转动。飞轮分别与两个摩擦盘接触，产生不同方向的转动，螺杆也就随飞轮作不同方向的转动。在螺母的约束下，螺杆的转动变为滑块的上下滑动，实现模锻生产。

在摩擦压力机上进行模锻，主要靠飞轮、螺杆及滑块向下运动时所积蓄的能量来实现。吨位为3500kN的摩擦压力机使用较多，最大吨位可达10000kN。

摩擦压力机在工作过程中，滑块运动速度为0.5～1.0m/s，具有一定的冲击作用，且滑块行程可控，这与锻锤相似。坯料变形中抗力由机架承受，形成封闭力系，这又是压力机的特点。所以摩擦压力机具有锻锤和压力机的双重工作特性。

摩擦压力机的优点是结构简单、造价低、投资少、使用及维修方便、基建要求不高、工艺用途广泛等。主要适用于中小型锻件的小批或中批量生产，如铆钉、螺钉、螺母、配汽阀、齿轮、三通阀等。因此我国中小型锻造车间大多拥有这类设备。

常用锻造方法的综合比较见表2.6。

表2.6 常用锻造方法的综合比较

9.锻造工艺规程的制订

制订工艺规程和编写工艺卡片是进行锻造生产必不可少的技术准备工作，是组织生产过程、规定操作规范、控制和检查产品质量的依据。制订锻造工艺规程时，其主要内容如下：绘制锻件图；坯料质量和尺寸的确定；锻造工序（工步）的确定；锻造工艺规程中的其他内容等。

10.锻模设计程序和一般要求

（1）锻模设计程序 锻模设计是为了实现一定的变形工艺而进行的。因此，在生产中应首先根据零件的尺寸、形状、技术要求、生产批量大小和车间的具体情况，确定变形工艺和模锻设备，然后再设计锻模。锻模设计的程序如下：

1）分析成品的形状（研究成品的锻造工艺性）。

2）根据零件图设计锻件图。

3）确定制造方法（一模几件）和设备种类，计算所需吨位。

4）确定模锻工步和设计模膛，其顺序是先设计终锻模膛，然后设计预锻模膛和制坯模膛。

5）设计锻模模体（或模具组合体）。

6）设计切边模和冲孔模。

7）设计校正模（根据需要）。

8）确定模具材料。

（2）锻件图内容 其中，锻件图是生产中的基本技术文件，根据它设计模具，确定原毛坯的尺寸和验收锻件等，机械加工车间也是根据锻件图来设计工卡具的。锻件图制定的工作内容包括：

1）确定分模面的位置和形状。

2）确定余量、公差和余块。

3）确定模锻斜度。

4）确定锻件的圆角半径。

5）确定冲孔连皮的形状和尺寸。

6）确定辐板和筋的形状和尺寸。

（3）设计锻模的要求

1）保证获得满足尺寸精度要求的锻件。

2）锻模应有足够的强度和高的使用寿命。

3）锻模工作时应当稳定可靠。

4）锻模工作时应满足生产率的要求。

5）便于操作。

6）模具制造简单。

7）锻模安装、调整、维修简易。

8）在保证模具强度的前提下尽量节省锻模材料。

9）锻模的外轮廓尺寸等应符合设备的技术规格。

11.锻件的加热、冷却及热处理

（1）锻造加热的温度范围 加热锻件坯料的目的是改善其锻造性能，即提高材料的塑性，降低变形抗力，使坯料易于流动成形和节省动力。材料锻造时允许的最高温度称为该材料的始锻温度；材料允许进行锻造的最低温度称为该材料的终锻温度；从始锻温度到终锻温度称为锻造温度范围。当加热温度超过始锻温度时，则会造成坯料氧化、脱碳、过热和过烧等缺陷。为了防止或减少这些缺陷，加热时必须严格控制加热温度、时间和炉气成分。对于一些重要工件还可以采用在保护性气氛下快速加热的工艺措施。常用材料的锻造温度范围见表2.7。

表2.7 常用材料的锻造温度范围

（2）锻件的冷却 锻件在锻造后的冷却对锻件质量有重要影响。为防止在冷却过程中锻件表面产生硬化、变形或开裂，应注意使锻件各部分均匀冷却。常用的冷却方法有：

1）空冷。将锻件放置在干燥的地面上，在空气中冷却。此方法成本最低，但只适用于碳含量较低的低合金小型锻件。

2）坑冷。将锻件放在充填有石棉灰、干砂或炉灰等材料的坑中或堆在一起冷却（故又称堆冷）。此方法冷却速度大大低于空冷，适用于中碳钢或碳含量和合金元素较多的中小型锻件。

3）炉冷。锻件锻后立即放入加热炉中随炉缓慢冷却。此方法的冷却速度最慢，适用于某些单件大型合金钢或高碳钢锻件。

通常锻件中的碳元素及合金元素含量越高，锻件体积越大，形状越复杂，冷却速度应越缓慢。

（3）锻件的热处理 通常锻件在切削加工前都要进行热处理，以改善其切削加工性能。一般的结构钢锻件采用退火或正火处理。工具钢、模具钢锻件则应采用正火加球化退火处理。

2.1.2.2 冲压成形技术

1.冲压加工成形概论

（1）冲压概述 冲压是利用压力机及其外部设备，通过模具对板材施加压力，从而获得一定形状和尺寸零件的加工方法。冲压加工是一种金属冷变形加工方法。所以，被称之为冷冲压或板料冲压，简称冲压。它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，冲压加工具有生产率高、精度高、质量稳定、材料利用率高、操作简便等优点，特别适宜于大批量、自动化生产领域。

冲压工艺应用范围十分广泛，在国民经济的各个部门中，几乎都有冲压加工产品。如汽车，飞机，拖拉机，电器，电动机，仪表，铁道，邮电，化工以及轻工日用产品中均占有相当大的比重。

冲压主要用于金属薄板料零件的加工。在产品零件的整个生产系统中，冲压只是一个子系统，所涉及的也仅是产品制造过程的一部分。随着市场对产品成本和周期等要求的提高，从系统的整体优化中确定相关的各要素已成为技术和管理发展的重要方向。

（2）板料冲压的工艺特点

1）板料冲压时，原材料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力，金属板料经过冷变形强化作用后，强度和刚度提高。常用的冲压板料主要是低碳钢、奥氏体不锈钢以及铜、铝等有色金属。

2）冲压件尺寸精度高，互换性好，冲压后一般不再进行机械加工，或者只进行一些钳工修整，即可作为零件使用。

3）冲压生产操作简单，便于实现机械化和自动化，生产率高。

4）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高。因此，只有在大批量生产的条件下，采用冲压加工才是经济合理的。

（3）冲压加工的要素及其影响因素 冲压加工的三要素包括压力机、模具、材料。影响冲压加工的因素如图2.63所示。

图2.63 影响冲压加工的因素

2.冲压工艺

冲压工艺按其变形性质可以分为材料的分离工序和成形工序，每一类又包括许多不同的工序。

（1）分离工序 冲压成形时，变形材料内部的应力超过强度极限R_m，使材料发生断裂产生分离，而成形零件（即：将冲压件或毛坯沿一定的轮廓相互分离）。例如：落料、冲孔、修整、剪切等。

1）剪切。用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序称剪切。

图2.64 冲裁

2）落料和冲孔。将板料沿封闭轮廓分离的工序称为落料或冲孔，统称为冲裁，如图2.64所示。这两个工序的模具结构与坯料变形过程基本相同。但落料是被分离的材料中间部分为成品，周边部分是废料；冲孔是被分离的部分为废料，而周边部分是带孔的成品。

（2）成形工序 冲压成形时，变形材料内部应力超过屈服极限R_eL，但未达到强度极限R_m，使材料产生塑性变形，从而成形零件（即：在材料不产生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形，形成所需形状及尺寸的工件）。例如：弯曲、拉深、翻边和成形等。

1）弯曲。使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序称弯曲，如图2.65a所示。弯曲结束外载荷去除后，被弯曲材料的形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而抵消一部分弯曲变形的效果，这种现象称为回弹，如图2.65b所示。对于回弹现象，可在设计弯曲模具时，使模具角度比成品角度小一个回弹角。

2）拉深。使坯料变形成开口空心零件的工序称拉深，如图2.66所示。

图2.65 弯曲

a）弯曲过程 b）弯曲回弹

1—冲头 2—凹模

图2.66 拉深过程简图

1—冲头 2—压板 3—凹模

冲压加工的基本工序见表2.8。

表2.8 冲压加工的基本工序

（续）

3.常用的冲压成形设备

冲压设备属锻压机械。常见冷冲压设备有机械压力机（以“J××”表示其型号）和液压机（以“Y××”表示其型号）。根据不同的原则，冲压设备可以分为以下几类：

1）机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式。

2）按滑块个数可分为单动和双动。

3）按床身结构形式可分为开式（C型床身）和闭式（Π型床身）。

4）按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。

5）液压机按工作介质可分为油压机和水压机。

常用冷冲压设备的工作原理和特点见表2.9，三种机械压力机的结构示意图如图2.67～图2.69所示。

表2.9 常用冷冲压设备的工作原理和特点

图2.67 摩擦压力机传动系统

1—电动机 2—传动带 3、5—摩擦盘 4—轴 6—飞轮 7、10—连杆 8—螺母 9—螺杆 11—挡块 12—滑块 13—手柄

图2.68 偏心压力机传动系统

1—滑块 2—连杆 3—制动装置 4—偏心轴 5—离合器 6—带轮 7—电动机 8—操纵机构

图2.69 曲轴压力机传动系统

1—电动机 2—带轮 3、4—齿轮 5—离合器 6—连杆 7—滑块

4.冲压模具

冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压加工的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

冲压模具简称冲模，由上模（凸模）和下模（凹模）两部分组成。按照冲模所完成的工序性质，可分为冲裁模、弯曲模和拉深模等。其结构示意及工作原理，如图2.70所示。

图2.70 冲压模具

a）冲裁模 b）弯曲模 c）拉深模

1—凸模 2—压板 3—坯料 4—凹模 5—顶出器 6—凸模（冲头） 7—工件

（1）冲压模具的分类及特点 冲压模具的形式很多，一般可按以下几个主要特征分类：

1）根据工艺性质分类。

①冲裁模。沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。

②弯曲模。使板料毛坯或其他坯料沿着直线（弯曲线）产生弯曲变形，从而获得一定角度和形状的工件的模具。

③拉深模。把板料毛坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。

④成形模。是将毛坯或半成品工件按凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。

2）根据工序组合程度分类。

①单工序模。在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。

②复合模。只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。

③级进模。也称连续模，即在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。

三类工序组合程度不同的冲压模具的特点比较见表2.10。

表2.10 三类工序组合程度不同的冲压模具的特点比较

（2）冲模的设计与制造 冲模设计是在详细了解冲压件的技术要求并进行冲压工艺分析、确定冲压工艺方案及掌握现场生产条件的基础上，对冲压件所需要的模具提供制造图样的全部工作过程。它以冲压工艺设计为依据，以良好的技术经济性实现冲压工艺过程为目的。

好的模具设计除了能实现冲压工艺，生产合格冲件外，还要具有结构简单、操作方便、安全，易于制造、装配和维修的特点。要求模具设计者不仅要有扎实的冲压工艺和模具设计的知识，还要有丰富的模具制造及使用实践经验。

冲模制造是模具设计过程的延续，它以冲模设计图样为依据，通过原材料的加工和装配，转变为具有使用功能的成形工具的过程。它主要包含以下三方面的工作：①工作零件（凸、凹模等）的加工。②配购通用、标准件及进行补充加工。③模具的装配与试模。

随着模具标准化和生产专业化程度的提高，现代模具制造已比较简化。模具标准件精度和质量已能满足使用要求，并可从市场购买；而工作零件的坯料，也可从市场购买，因此模具制造的关键和重点是工作零件的加工和模具装配。

常见冲模的设计要点见表2.11；图2.71和图2.72所示分别为冲模的设计及制造流程。

表2.11 常见冲模设计要点

（续）

图2.71 冲模设计流程

图2.72 冲模制造过程

5.冲压工艺设计

冲压工艺设计，就是根据冲压件的要求，合理安排原材料准备、各种加工工序等，使得冲压过程在经济和技术上合理可行。工艺过程设计包括以下几个方面的内容。

（1）工艺方案设计 工艺方案设计就是根据冲压件的形状尺寸、材料、生产批量等特点，初步确定冲压加工内容，并制定出几种可行的加工工艺方案，通过对产品质量、生产效率、设备条件、模具制造和使用寿命、操作的方便性和安全性、经济性等方面的综合比较，确定出适合具体生产条件的最佳工艺方案。

（2）工艺性分析 根据产品零件的形状尺寸、材料、精度等要求，对冲压工艺方案设计中所确定的各项工序内容逐一进行分析计算，确定它们对冲压工艺的适应性。

（3）工艺计算 为了进行模具设计和冲压加工，工艺计算首先应根据产品零件的几何形状和尺寸来计算所需毛坯的形状和尺寸，然后按照节约材料、简化模具结构的原则拟定合理的排样方案，并确定板料或条料的规格及下料方式，合理优选凸模和凹模之间的间隙等。

6.毛坯排样设计

毛坯排样方案对材料的利用率、冲压加工的工艺性以及模具的结构和使用寿命等有着显著的影响。据统计，在冲压件的成本中，材料费用所占比例在60%以上。因此，合理排样对提高材料利用率、降低产品成本有着重要意义。

（1）毛坯排样 毛坯在板料上可截取的方位很多，这就决定了毛坯排样方案的多样性。典型的毛坯排样方案比较见表2.12。

表2.12 典型毛坯排样方案比较

根据排样时是否产生废料，毛坯排样可以分为有废料排样和无废料排样。冲裁时的废料可分为工艺废料和设计废料。工艺废料指工件之间和工件与条料之间的搭边材料定位孔及不可避免的料头与料尾所产生的废料。设计废料指由于产品形状的需要，如孔的存在而产生的废料。无废料排样由于无搭边或少搭边，材料利用率高，但要注意：

1）存在侧向力，影响模具精度和使用寿命。

2）前后产品的飞边方向不一致。

3）相邻产品的邻接线是共用的，若定位不准，容易产生多切少切问题。

毛坯排样的原则，一是材料利用率要尽量高；二是尽量满足产品零件冲裁及后序工序的要求。例如：①纤维方向和飞边方向的要求；②便于完成后续加工工序；③生产率要高，便于操作；④安全性要好。

（2）搭边 搭边是指排样时毛坯外形与条料侧边及相邻毛坯外形之间设置的工艺余料。搭边的作用是保证毛坯从条料上分离，补偿由于定位误差使条料在送进过程中产生的偏移所需的工艺余料。搭边分为侧搭边和中心搭边两种。搭边的基本要求是要有足够的强度，而搭边的强度主要由搭边宽度决定。搭边宽度是排样时的重要工艺参数，搭边宽度值过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，增大冲裁件的飞边。搭边宽度的选取需考虑的因素包括材料利用率、凸模强度、条料的刚性及产品的品质等。

（3）步距 步距指冲压过程中条料每次向前送进的距离，其值为排样时沿送进方向两相邻毛坯之间的最小距离值。步距可定义为：

S=L+a

式中，S为冲裁步距；L为沿条料送进方向，毛坯外形轮廓的最大宽度值；a为沿送进方向的搭边值。

（4）条料宽度 条料宽度是指根据排样结果确定的毛坯所需宽度方向的最小尺寸。理论上条料宽度可按下式计算：

B=D+2b

式中，B为条料宽度的理论值；D为垂直于送进方向毛坯的最大轮廓尺寸，它随毛坯排样方位变化；b为侧搭边值。

由于模具加工误差、条料的裁剪误差及送料时的误差，实际的条料宽度应有一定的裕度，具体尺寸可根据不同的送料侧定位方式计算。

对于无侧压装置的模具，条料送进时可能在导尺之间摆动，从而使某一侧的搭边减少。因此，计算条料宽度时应补偿侧搭边的减小量。条料的宽度可按下式计算：

B=D+2（b+Δ）+Z

式中，B为条料宽度尺寸；Δ为条料宽度的单向（负向）公差，见表2.13；Z为条料与导料板之间的间隙，见表2.13。

表2.13 条料裁剪公差及与导料板的间隙 （单位：mm）

对于有侧压装置的模具，条料在侧压装置的顶压下始终沿某一侧的导料板送进。条料宽度可按下式计算：

B=D+2b+Δ

（5）材料利用率 材料利用率定义为：

式中，Ч为材料利用率；A为产品毛坯外形所包容的面积；B为条料宽度；S为冲裁步距。

材料利用率越大，废料所占面积越小。因此一般将材料利用率作为衡量毛坯排样方案优劣的指标。

7.冲压成形现状及发展方向

目前，我国冲压技术与先进工业发达国家相比还相当落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业发达国家尚有相当大的差距，导致我国模具在使用寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与先进工业发达国家的模具相比差距相当大。

随着工业产品质量的不断提高，冲压产品生产正呈现多品种、小批量，复杂、大型、精密，更新换代速度快的变化特点，冲压模具正向高效、精密、长使用寿命、大型化方向发展。为适应市场变化，随着计算机技术和制造技术的迅速发展，冲压模具设计与制造技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机械加工技术，向以计算机辅助设计（CAD）、数控切削加工、数控电加工为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术转变。

（1）模具先进制造工艺及设备 模具制造技术现代化是模具工业发展的基础。随着科学技术的发展，计算机技术、信息技术、自动化技术等先进技术正不断向传统制造技术渗透、交叉、融合，对其实施改造，形成先进制造技术。模具先进制造技术的发展主要体现在如下方面：

1）高速铣削加工。普通铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数，而高速铣削加工则采用高的进给速度和小的切削参数，高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特点：

①高效：高速铣削的主轴转速一般为15000～40000r/min，最高可达100000r/min。在切削钢时，其切削速度约为400m/min，比传统的铣削加工高5～10倍；在加工模具型腔时，与传统的加工方法（传统铣削、电火花成形加工等）相比，其效率提高4～5倍。

②高精度：高速铣削加工精度一般为10μm，有的精度还要高。

③高的表面质量：由于高速铣削时工件温升小（约为3℃），故表面没有变质层及微裂纹，热变形也小。最好的表面粗糙度值Ra＜1μm，减少了后续磨削及抛光工作量。

④可加工高硬材料：可铣削50～54HRC的钢材，铣削的最高硬度可达60HRC。

鉴于高速铣削加工具备上述优点，所以高速加工在模具制造中得到了广泛应用，并逐步替代部分磨削加工和电加工。

2）电火花铣削加工。电火花铣削加工（又称为电火花创成加工）是电火花加工技术的重大发展，这是一种替代传统用成形电极加工模具型腔的新技术。像数控铣削加工一样，电火花铣削加工采用高速旋转的杆状电极对工件进行二维或三维轮廓加工，无需制造复杂、昂贵的成形电极。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E电火花创成加工机床，配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成系统、在线自动测量系统和动态仿真系统，体现了当今电火花创成加工机床的最高水平。

3）慢走丝线切割技术。目前，数控慢走丝线切割技术发展水平已相当高，功能相当完善，自动化程度已达到可自动运行的程度。最大切割速度已达300mm²/min，加工精度可达到±1.5μm，加工表面粗糙度Ra=0.1～0.2μm。直径0.03～0.1mm细丝线切割技术的开发，可实现凹、凸模的一次切割完成，并可进行0.04mm的窄槽及半径0.02mm内圆角的切割加工。锥度切割技术已能进行30°以上锥度的精密加工。

4）磨削及抛光加工技术。磨削及抛光加工由于精度高、表面质量好、表面粗糙度值低等特点，在精密模具加工中广泛应用。目前，精密模具制造广泛使用数控成形磨床、数控光学曲线磨床、数控连续轨迹坐标磨床及自动抛光机等先进设备和技术。

5）数控测量。产品结构的复杂必然导致模具零件形状的复杂。传统的几何检测手段已无法适应模具的生产。现代模具制造已广泛使用三坐标数控测量机进行模具零件几何量的测量，模具加工过程的检测手段也取得了很大进展。三坐标数控测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外，其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施以及简便的操作步骤，使得现场自动化检测成为可能。

模具先进制造技术的应用改变了传统制模技术模具质量依赖于人为因素，不易控制的状况，使得模具质量依赖于物化因素，整体水平容易控制，模具再现能力强。

（2）模具新材料及热、表处理 随着产品质量的提高，对模具质量和使用寿命的要求越来越高。而提高模具质量和使用寿命最有效的办法就是开发和应用模具新材料及热处理、表面处理新工艺，不断提高使用性能，改善加工性能。

1）模具新材料。冲压模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2（相当于我国Cr12MoV）性能基础上，分为两大分支：一种是降低碳含量和合金元素量，提高钢中碳化物分布均匀度，突出提高模具的韧性，如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公司的DC53（Cr8Mo2SiV）等。另一种是以提高耐磨性为主要目的，为适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速工具钢，如德国的320CrVMo13.5等。

2）热处理、表面处理新工艺。为了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蚀性，必须采用热处理、表面处理新技术，尤其是表面处理新技术。除人们熟悉的镀硬铬、氮化等表面硬化处理方法外，近年来模具表面性能强化技术发展很快，实际应用效果很好。其中，化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及盐浴渗金属（TD）等方法是几种发展较快，应用最广的表面涂覆硬化处理的新技术。它们对提高模具使用寿命和减少模具昂贵材料的消耗，有着十分重要的意义。

（3）模具CAD/CAM技术 计算机技术、机械设计与制造技术的迅速发展和有机结合，形成了计算机辅助设计与计算机辅助制造（CAD/CAM）这一新型技术。

CAD/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它是以计算机软件的形式为用户提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。模具CAD/CAM能显著缩短模具设计及制造周期、降低生产成本、提高产品质量已成为人们的共识。

随着功能强大的专业软件和高效集成制造设备的出现，以三维造型为基础、基于并行工程（CE）的模具CAD/CAM技术正成为发展方向，它能实现面向制造和装配的设计，实现成形过程的模拟和数控加工过程的仿真，使设计、制造一体化。

（4）快速经济制模技术 为了适应工业生产中多品种、小批量生产的需要，加快模具的制造速度，降低模具生产成本，开发和应用快速经济制模技术越来越受到人们的重视。目前，快速经济制模技术主要有低熔点合金制模技术、锌基合金制模技术、环氧树脂制模技术、喷涂成形制模技术、叠层钢板制模技术等。应用快速经济制模技术制造模具，能简化模具制造工艺，缩短制造周期（比普通钢模制造周期缩短70%～90%），降低模具生产成本（比普通钢模制造成本降低60%～80%），在工业生产中取得了显著的经济效益。对提高新产品的开发速度，促进生产的发展有着非常重要的作用。

2.1.2.3 塑料成形技术

1.塑料及塑料工业的发展

塑料是以高分子合成树脂为主要成分，在一定的温度和压力下，可塑制成一定的形状，并且在一定条件下保持不变的材料。各种合成树脂都是将低分子化合物的单体通过合成的方法生产出高分子化合物。

塑料是20世纪才发展起来的一大类新材料，具有质量轻、比强度高、电气性能优越、化学稳定性好、摩擦因数小、耐磨性能优良、吸振和消声隔音效果好等特点，同时易成形、易切削、易焊接，能很好地与其他材料相粘接，加之原料来源丰富，因此在汽车、家电、办公用品、工业电器、建筑材料、电子通信等领域得到了广泛的应用，成为四大工业材料（钢材、木材、水泥和塑料）中发展最快的一种材料。塑料制件（塑件）几乎已经进入一切工业部门以及人们日常生活领域。目前，我国的塑料工业已逐步成为国民经济的支柱产业之一。常用塑料制品如图2.73所示。

图2.73 常用塑料制品

塑料工业是随着石油工业的发展而发展起来的新兴工业，包含塑料生产和塑件生产两大部分。塑料生产是指树脂或塑料原材料的生产，通常由树脂厂来完成；塑件生产即塑料成形加工，是根据塑料性能，利用各种成形加工手段，使其成为具有一定形状和使用价值的物件或定型材料。

塑件生产主要包括成形、机械加工、修饰和装配四个生产过程。成形是将各种形态（如粉状、粒状、溶液、分散体等）的塑料原料，制成所需形状的塑件或型坯的过程，是塑件生产中最重要且必不可少的过程；其他三个过程可视塑件要求而取舍。塑料制品生产系统的组成如图2.74所示。

2.塑料概述

（1）塑料的成分组成 塑料是以合成树脂为主要成分，并加入添加剂，可在一定温度和压力下塑化成形的高分子合成材料。

一般采用合成树脂作为塑料的主要成分，它联系或胶粘着塑料中的其他一切组成部分，并决定了塑料的类型和性能（如热塑性或热固性、物理、化学及力学性能等）。塑料之所以具有可塑性或流动性，就是树脂所赋予的。

塑料中的添加剂包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、固化剂等。其中填充剂又称填料，是塑料中的另一重要的但并非必要的成分。填充剂在塑料中主要起增强作用，有时还可以使塑料具有树脂所没有的新性能。在许多情况下填充剂所起的作用并不比树脂小。塑料中加入填充剂后，不仅能使塑料的成本降低，而且还能使塑料的性能得到显著改善，对塑料的推广和应用起了促进作用。例如：酚醛树脂中加入木粉后，既克服了它的脆性，又降低了成本；乙烯、聚氯乙烯等树脂中加入钙质填料后，便成为十分价廉但具有足够刚性和耐热性的钙塑料；聚酰胺、聚甲醛等树脂中加入二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等填充剂后，使塑料的耐磨性、抗水性、耐热性、硬度及机械强度等得到全面改进；用玻璃纤维作为塑料的填充剂，能使塑料的机械强度大幅度提高；有的填充剂还可以使塑料具有树脂所没有的性能，如导电性、导磁性、导热性等。

图2.74 塑料制品生产系统的组成

填充剂按其化学性能可分为无机填料和有机填料；按其形状可分为粉状、纤维状和层（片）状的。粉状填料有木粉、纸浆、硅藻土、大理石粉、滑石粉、云母粉、石棉粉、高岭土、石墨、金属粉等；纤维状填料有棉花、亚麻、石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属须等；层状填料有纸张、棉布、石棉布、玻璃布、木片等。

增塑剂是为改善塑料的性能和提高柔软性而加入塑料中的一种低挥发性物质。常用的有：邻苯二甲酸酯类、癸二酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡等。树脂中加入增塑剂后，加大了其分子间的距离，因而削弱了大分子间的作用力，这样使树脂分子容易滑移，从而使塑料能在较低的温度下具有良好的可塑性和柔软性。例如：聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯，可变为像橡胶一样的软塑料。加入增塑剂固然可以使塑料的工艺性能和使用性能得到改善，但是也降低了树脂的某些性能，如硬度、抗拉强度等。

稳定剂是指可以提高树脂在热、光、氧和霉菌等外界因素作用时的稳定性，延缓塑料变质的物质。许多树脂在成形加工和使用过程中由于受上述因素的作用，性能会变坏。加入少量（一般是千分之几）稳定剂可以减缓这种情况的发生。对稳定剂的要求是除对聚合物的稳定效果好外，还应能耐水、耐油、耐化学品，并与树脂相溶，在成形过程中不分解、挥发小、无色。常用的稳定剂有：硬脂酸盐、铅的化合物及环氧化合物等，如二盐基性亚磷酸铅、三盐基性硫酸铅、硬脂酸钡等。稳定剂可分为热稳定剂、光稳定剂等。

润滑剂的加入是为了改进塑料熔体的流动性，减少或避免对料筒或模具的摩擦和粘附，以及降低塑件表面粗糙度值等。常用的润滑剂主要包括硬脂酸及其盐类。

在塑料中有时可以用有机颜料、无机颜料和染料使塑料制件具有各种色彩，以适合使用上的美观要求，这称为着色剂。有些着色剂兼有其他作用，如本色聚甲醛塑料用炭黑着色后能在一定程度上有助于防止光老化；聚氯乙烯用二盐基性亚磷酸铅等颜料着色后，可避免紫外线的射入，对树脂起着屏蔽作用，因此，它们还可以提高塑料的稳定性。(www.xing528.com)

固化剂又称硬化剂，它的作用在于通过交联使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制件。例如，在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺，在环氧树脂中加入乙二胺、顺丁烯二酸酐等。

塑料添加剂除上述几种外，还有发泡剂、阻燃剂、防静电剂、导电剂和导磁剂等。

实际上，并非每一种塑料都要加入全部添加剂，而是根据塑料品种和使用要求加入所需的某些添加剂。

（2）塑料的特点

1）质量轻。

2）比强度和比刚度高。

3）化学稳定性好。

4）耐磨和减摩性能好。

5）消声和吸振性能好。

（3）塑料的分类 一般按塑料中合成树脂的分子结构及热性能的不同，可分为热固性塑料和热塑性塑料。

1）热固性塑料。其分子结构是体形的。在初受热时变软，可以制成一定的形状，但加热到一定时间或加入固化剂后，就硬化定型，再加热则即不熔融也不溶解，形成体形（网状）结构，在加热和冷却过程中，既有物理变化又有化学变化。热固性塑料制品一旦损坏不能回收再利用。

热固性塑料的工艺特性包括收缩性，流动性，固化特性等。其中收缩性是指塑料从模具中取出冷却到室温后发生的尺寸收缩；流动性是指塑料在一定温度与压力下具有填充型腔的能力。而在热固性塑料的成形过程中，树脂发生交联反应，分子结构由线形变为体形，塑料由既可熔又可溶变成既不熔又不溶的状态，这称为固化特性。

2）热塑性塑料。其分子结构是线形或支链形的；在特定温度和压力下能反复加热和冷却固化，在加热和冷却过程中，只有物理变化而无化学变化。热塑性塑料制品一旦损坏可以回收再利用。热塑性塑料的工艺特性包括收缩性，流动性，结晶性等。

3.常用塑料介绍

（1）热塑性塑料

1）聚乙烯（PE）。聚乙烯塑料是塑料工业中产量最大的品种。按聚合时采用的压力不同可分为高压、中压和低压三种。低压聚乙烯的分子链上支链较少，比较硬，耐磨、耐蚀、耐热及绝缘性较好。高压聚乙烯分子带有许多支链，有较好的柔韧性、耐冲击性及透明性。

聚乙烯无毒、无味、呈乳白色，密度为0.91～0.96g/cm³，有一定的机械强度，但和其他塑料相比机械强度低，表面硬度差。聚乙烯的绝缘性能优异，常温下不溶于任何一种已知的溶剂，并耐稀硫酸、稀硝酸和任何浓度的其他酸以及各种浓度的碱、盐溶液。聚乙烯有高度的耐水性，长期与水接触时，性能可保持不变。虽然透水气性能差，但透氧气和二氧化碳以及许多有机物质蒸气的性能好。在热、光、氧气的作用下会产生老化和变脆，能耐寒。

低压聚乙烯可用于制造塑料管、塑料板、塑料绳以及承载不高的零件，如齿轮、轴承等。高压聚乙烯常用于制作塑料薄膜、软管、塑料瓶以及电气工业的绝缘零件和包覆电缆等。

聚乙烯成形时，在流动方向与垂直方向上的收缩差异较大，注射方向上的收缩率大于垂直方向上的收缩率，易产生变形，并使塑件浇口周围部位的脆性增加；聚乙烯收缩率的绝对值较大，成形收缩率也较大，易产生缩孔，冷却速度慢，质软易脱模，塑件有浅的侧凹时可强行脱模。

2）聚丙烯（PP）。聚丙烯无色、无味、无毒，外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明、更轻。密度仅为0.90～0.91g/cm³。不吸水，光泽好，易着色；屈服强度、抗拉、抗压强度和硬度及弹性比聚乙烯好；定向拉伸后聚丙烯可制作成铰链，有特别高的抗弯疲劳强度；耐热性好；高频绝缘性能好。但在氧、热、光的作用下极易解聚、老化，所以必须加入防老化剂。

聚丙烯可用作各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件，也可作水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道，化工容器和其他设备的衬里、表面涂层，箱壳、绝缘零件，并用于医药工业中。

聚丙烯成形收缩范围大，易发生缩孔、凹痕及变形；聚丙烯热容量大，注射成形模具必须设计成能充分进行冷却的冷却回路。聚丙烯成形的适宜温度为80℃左右，不可低于50℃，否则会造成成形塑件表面光泽差或产生熔接痕等缺陷，而温度过高则会产生翘曲。

3）聚氯乙烯（PVC）。聚氯乙烯是世界上产量最大的塑料品种之一。聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末。根据不同的用途可以加入不同的添加剂，使聚氯乙烯塑件呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，就可制成多种硬质、软质和透明制品。纯聚氯乙烯的密度为1.4g/cm³，加入了增塑剂和填料的聚氯乙烯塑件的密度一般为1.15～2.00g/cm³。硬聚氯乙烯不含或含有少量的增塑剂，有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击性能，可单独作结构材料。软聚氯乙烯含有较多的增塑剂，它的柔软性、断裂伸长率、耐寒性增加，但脆性、硬度和抗拉强度降低。聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，化学稳定性也好。但热稳定性较差，长时间加热会分解放出氯化氢气体，使聚氯乙烯变色；应用温度范围较窄，一般为-15～55℃。

由于聚氯乙烯化学稳定性高，因此可用于防腐管道、管件、输油管、离心泵、鼓风机等，另外也可用于建筑物的瓦楞板、门窗结构、墙壁装饰物等建筑用材，电子、电气工业的插座、插头、开关、电缆，日常生活用品的凉鞋、雨衣、玩具、人造革等。

聚氯乙烯在成形温度下容易分解出氯化氢，所以必须加入稳定剂和润滑剂，并严格控制温度及熔料的滞留时间；不能用一般的注射成形机加工聚氯乙烯（原因是聚氯乙烯的耐热性和导热性不好，而一般的注射机料筒温度需加热到180℃左右），应采用带预塑化装置的螺杆式注射机；模具浇注系统应粗短，进料口截面宜大，模具应有冷却装置。

4）聚苯乙烯（PS）。聚苯乙烯是仅次于聚氯乙烯和聚乙烯的第三大塑料品种，它无色透明、无毒无味，落地时发出清脆的金属声，密度为1.054g/cm³。聚苯乙烯具有优良的电性能（尤其是高频绝缘性能）和一定的化学稳定性，能耐碱、酸（硝酸和氧化剂除外）、水、乙醇、汽油等。能溶于苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、酮类和脂类等。聚苯乙烯的着色性能优良，能染成各种鲜艳的色彩。但耐热性低，热变形温度一般为70～98℃，质地硬而脆，有较高的热膨胀系数，因此限制了它在工程上的应用。但通过发展改性聚苯乙烯和以苯乙烯为基体的共聚物，在一定程度上克服了原有缺点，又保留了其优点，从而扩大了它的用途。

聚苯乙烯在工业上可作仪表外壳、灯罩、化学仪器零件、透明模型等；在电气方面用作良好的绝缘材料、接线盒、电池盒等；在日用品方面广泛用于包装材料、各种容器、玩具等。

聚苯乙烯的流动性和成形性优良，成品率高，但易出现裂纹，成形塑件的脱模斜度不宜过小，但顶出要均匀；不宜有嵌件，壁厚要均匀；宜采用高料温、高模温、低注射压力成形并延长注射时间，降低内应力，以防止缩孔及变形；因流动性好，模具设计中大多采用点浇口形式。

5）丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）。ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成的。这三种组分的各自特性，使ABS具有良好的综合力学性能。丙烯腈使ABS耐腐蚀、有表面硬度；丁二烯使ABS坚韧；苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。

ABS无毒无味，呈微黄色，成形的塑件有较好的光泽。密度为1.02～1.05g/cm³。有极好的抗冲击强度，在低温下也不迅速下降；有良好的机械强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能；水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影响，在酮、醛、酯、氯代烃中会形成乳浊液，不溶于大部分醇类及烃类熔剂，但长期接触会软化。ABS塑料表面受植物油等侵蚀会引起应力开裂。ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成形加工；经过调色可配任何颜色。缺点是耐热性不高，耐气候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。

根据ABS中三种组分比例不同，其性能也略有差异，可适应各种应用。ABS在机械工业上用来制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、电动机外壳、仪表壳、仪表盘、水箱外壳、蓄电池槽等，汽车工业上作汽车挡泥板、扶手、热空气调节导管、加热器等，还可用夹板作车身；纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具，甚至家具都可使用。

ABS在升温时黏度增高，所以成形压力较高，脱模斜度宜稍大。ABS易吸水，成形加工前应干燥处理；易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减小浇注系统对料流的阻力；在正常的成形条件下，壁厚、熔料温度及收缩率影响极小。

6）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。聚甲基丙烯酸甲酯即俗称的有机玻璃，是一种透光性塑料，透光率达92%，优于普通硅玻璃。密度为1.18g/cm³，比普通硅玻璃轻一半，机械强度却是普通硅玻璃的10倍以上；轻而坚韧，容易着色，有较好的电气绝缘性能；化学性能稳定，能耐一般的化学腐蚀，但会溶于芳烃、氯代烃等有机溶剂；在一般条件下尺寸较稳定，其最大缺点是表面硬度低，容易被硬物擦伤拉毛。

PMMA用于制造要求具有一定透明度和强度的防震、防爆和观察等方面的零件，也可用作绝缘材料、广告铭牌等。

PMMA在成形中易产生气泡、混浊、银丝和发黄等缺陷，影响塑件质量，因此，原料在成形前须干燥。为保证外观质量，一般采用尽可能低的注射速度。模具浇注系统对料流的阻力应尽可能小，并有足够的脱模斜度。

7）聚甲醛（POM）。聚甲醛是继尼龙之后发展起来的一种性能优良的热塑性工程塑料，其性能不亚于尼龙，而价格却比尼龙低廉。聚甲醛表面硬而滑，呈淡黄色或白色，薄壁部分半透明。有较高的机械强度及抗拉、抗压性能和突出的耐疲劳强度，特别适合于作长时间反复承受外力的齿轮材料。聚甲醛尺寸稳定，吸水率小，具有优良的减摩、耐磨性能；能耐扭变，有突出的回弹能力，可用于制造弹簧；耐汽油及润滑油的性能也很好；有较好的电气绝缘性能。其缺点是成形收缩率大，在成形温度下的热稳定性差。

聚甲醛特别适合于作轴承、凸轮、滚轮、辊子、齿轮等耐磨、传动零件，还可用于制造汽车仪表盘、汽化器、各种仪器外壳、罩盖、箱体、化工容器、泵叶轮、叶片、塑料弹簧等。

聚甲醛成形收缩率大，熔点明显，熔体黏度低，黏度随温度变化不大，在熔点上下聚甲醛的熔融或凝固十分迅速，所以，注射速度要快，注射压力不宜过高；摩擦因数低，弹性大，浅侧凹槽可采用强制脱出，塑件表面可带有皱纹花样；热稳定性差，加工范围窄，所以要严格控制成形温度，以免引起分解；冷却凝固时放出热量多，模具上应设计均匀冷却的冷却回路。

8）聚碳酸酯（PC）。聚碳酸酯是一种性能优良的热塑性工程塑料，密度为1.20g/cm³，本色微黄，而加入少量淡蓝色后可得无色的透明塑件，透光率接近90%。聚碳酸酯韧而刚，抗冲击性在热塑性塑料中名列前茅。成形零件可达到很好的尺寸精度，并在很宽的温度变化范围内保持其尺寸的稳定性。成形收缩率恒定为0.5%～0.8%；抗蠕变、耐磨、耐热、耐寒；脆化温度在-100℃以下，长期工作温度达100℃；吸水率低，能在较宽的温度范围内保持较好的电性能；有良好的耐气候性；不耐碱、胺、酮、脂、芳香烃。最大缺点是塑件易开裂，耐疲劳强度差。如用玻璃纤维来增强聚碳酸酯，可克服上述缺点并能提高耐热性和耐蚀性，降低成本。

聚碳酸酯在机械上主要用作各种齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、凸轮、芯轴、轴承、滑轮、铰链、螺母、垫圈、泵叶轮、灯罩、节流阀、润滑油输油管、各种外壳、盖板、容器和冷却装置零件等。在电气方面，可用作电动机零件、电话交换机零件、信号用继电器、风扇部件、仪表壳等，还可制作照明灯、高温透镜、视孔镜、防护玻璃等光学零件。

聚碳酸酯虽然吸水性小，但高温时对水分比较敏感，所以加工前必须干燥处理；聚碳酸酯熔融温度高，熔融黏度大，流动性差，所以成形时要求有较高的温度和压力，且其熔融黏度对温度比较敏感，所以一般用提高温度的办法来增加熔融塑料的流动性。

9）聚砜（PSF）。聚砜是20世纪60年代出现的工程塑料，它是在大分子结构中含有砜基（-SO^2-）的高聚物。呈透明而微带琥珀色，也有的是象牙色的不透明体。具有突出的耐热、耐氧化性能，可在-100～150℃的范围内长期使用，热变形温度为174℃，有很高的力学性能，其抗蠕变性能比聚碳酸酯还好；有很好的刚性；介电性能优良；有较好的化学稳定性，但对酮类、氯代烃不稳定，不宜在沸水中长期使用。其尺寸稳定性好，还能进行一般机械加工和电镀。耐气候性较差。

聚砜可用于制造精密公差，热稳定性、刚性及电绝缘性良好的电气和电子零件，如断路元件、恒温容器、开关、绝缘电刷、电视机元件、整流器插座、线圈骨架、仪器仪表零件等；制造需要具备良好热性能、耐化学性、持久性以及刚度的零件，如转向柱轴环、电动机罩、电池箱、汽车零件、齿轮、凸轮等。

聚砜成形中塑件易发生银丝、云母斑、气泡甚至开裂，因此，加工前原料应充分干燥；聚砜熔融料流动性差，对温度变化敏感，冷却速度快，所以模具浇口的阻力要小，模具需加热；成形性能与聚碳酸酯（PC）相似，但热稳定性稍差，可能发生熔融破裂；聚砜为非结晶型塑料，因而收缩率较小。

其他的热塑性塑料还有：

聚酰胺（PA）：通称尼龙，由二元胺和二元酸通过缩聚反应制取，或是以一种丙酰胺的分子通过自聚而成。有优良的力学性能。

聚苯醚（PPO）：全称为聚二甲基苯醚，为工程塑料，硬度较PA、POM、PC高，蠕变小，其他特性相似。

氯化聚醚（CPT）：工程塑料，刚性较差，抗冲击强度不如PC。

氟塑料：是含氟塑料的总称，主要包括四氟乙烯（PTFE）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚全氟乙丙烯（PEP）等。

（2）热固性塑料

1）酚醛塑料（PF）。酚醛塑料是热固性塑料的一个品种，以酚类化合物和醛类化合物缩聚而成酚醛树脂，再以该树脂为基础制得。酚醛本身很脆，呈琥珀玻璃态。它必须加入各种纤维或粉末状填料后才能获得具有一定性能要求的酚醛塑料。酚醛塑料大致可分为四类：①层压塑料；②压塑料；③纤维状压塑料；④碎屑状压塑料。

酚醛塑料与一般热塑性塑料相比，刚性好，变形小，耐热、耐磨，能在150～200℃的范围内长期使用。在水润滑条件下，有极低的摩擦因数。电绝缘性能优良。缺点是质脆，冲击强度差。

酚醛层压塑料用浸渍过酚醛树脂溶液的片状填料制成，可制成各种型材和板材。根据所用填料不同，有纸质、布质、木质、石棉和玻璃布等各种层压塑料。布质及玻璃布酚醛层压塑料具有优良的力学性能、耐油性能和一定的介电性能，用于制造齿轮、轴瓦、导向轮、轴承及电工结构材料和电气绝缘材料；木质层压塑料适用于作水润滑冷却下的轴承及齿轮等；石棉布层压塑料主要用于高温下工作的零件。酚醛纤维状层压塑料可以加热，模压成各种复杂的机械零件和电器零件，具有优良的电气绝缘性能、耐热、耐水、耐磨，可制成各种线圈架、接线板、电动工具外壳、风扇叶子、耐酸泵叶轮、齿轮、凸轮等。

酚醛塑料成形性能好，特别适用于压缩成形；模温对流动性影响较大，一般当温度超过160℃时，酚醛塑料流动性迅速下降；硬化时放出大量热，厚壁大型塑件内部温度易过高，发生硬化不匀及过热现象。

2）氨基塑料。氨基塑料是由氨基化合物与醛类（主要是甲醛）经缩聚而得的塑料，主要包括脲-甲醛（UF）、三聚氰胺-甲醛（MF）等。

脲-甲醛塑料是由脲-甲醛树脂和漂白纸浆等制成的压缩粉。可染成各种鲜艳的色彩，外观光亮，部分透明，表面硬度较高，耐电弧性能好，同时具有良好的耐矿物油、耐霉菌性能。但耐水性较差，在水中长期浸泡后电气绝缘性能下降。它大量用于压制日用品及电气照明用设备的零件、电话机、收音机、钟表外壳、开关插座及电气绝缘零件。

三聚氰胺-甲醛塑料由三聚氰胺-甲醛树脂与石棉滑石粉等制成，也称密胺塑料。它可制成各种色彩、耐光、耐电弧、无毒的塑件，能耐沸水，而且耐茶、咖啡等污染性强的物质。能像陶瓷一样方便地去掉茶渍一类污染物，且有质量轻、不易碎的特点。密胺塑料主要用作餐具、航空茶杯及电器开关、灭弧罩及防爆电器的配件。

氨基塑料常采用压缩、传递成形。收缩率较大；含水分及挥发物较多，用前需干燥；成形时有弱酸性分解及水分析出，模具应镀铬防腐，并注意排气；流动性好，硬化速度快，因此，预热及成形温度要适当，装料、合模及加工速度要快；带嵌件的塑料易产生应力集中，尺寸稳定性差。

3）环氧树脂（EP）。环氧树脂是含有环氧基的高分子化合物。未固化之前，是线型的热塑性树脂，在加入固化剂（如胺类、酸酐等）之后，交联成不溶的体型结构的高聚物，才有作为塑料的实用价值。环氧树脂种类繁多，应用广泛，有许多优良的性能。其最突出的特点是粘接能力很强，是“万能胶”的主要成分。此外，还耐化学药品、耐热，电气绝缘性能良好，收缩率小，比酚醛树脂有更好的力学性能。缺点是耐气候性差、耐冲击性低，质地脆。

环氧树脂可用作金属和非金属的粘接剂，用于封装各种电子元件。用环氧树脂树脂配以石英粉等可浇注各种模具，还可以作为各种产品的防腐涂料。

环氧树脂的流动性好，硬化速度快；用于浇注时，浇注前应加脱模剂；硬化时不析出任何副产物，成形时不需排气。

4.塑料的主要成形方法

塑料的成形方法很多，除注射成形、挤出成形、吹塑成形、压缩成形、压注成形以及固相成形等常规方法之外，还包括发泡成形（化学发泡、物理发泡）、压延成形、滚塑（旋转成形）、浇注成形、低压成形等特殊成形手段。

（1）注射（塑）成形 注射（塑）成形是将粒状或粉状热塑性或热固性塑料从注射成形机的料斗送入机筒内加热熔融，均匀塑化后，在柱塞或螺杆加压下，物料被压缩并向前移动，通过机筒前端的喷嘴，以很快的速度注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间的冷却定型后，开启模具即得制品。这种成形方法是一种间歇式的操作过程。注射成形周期从几秒钟到几分钟不等。周期的长短取决于制品的壁厚、大小、形状、注射成形机的类型以及所采用的塑料品种和工艺条件等。

注射成形几乎适用于所有的热塑性塑料，近年来，注射成形也成功地用于成形某些热固性塑料。注射成形可生产各种形状、尺寸、精度满足各种要求的制品。热固性与热塑性塑料注射成形的差别见表2.14。

表2.14 热固性与热塑性塑料注射成形的差别

注射成形的成形周期短，成形制品质量可由几克到几十千克，能一次成形外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此，该方法适应性强，生产效率高。此外，注射成形能够成形的塑料品种多，且易于实现自动化。因此，注射成形广泛用于各种塑料制品的生产。其成形制品占目前全部塑料制品的20%～30%。注射成形是一种比较先进的成形工艺，目前正继续向着高速化和自动化方向发展。

注射成形用的注射机均由注射系统、锁模系统和塑模三大部分组成。按照注射系统的不同，注射成形机可以分为柱塞式注射机和螺杆式注射机两大类。柱塞式注射机和螺杆式注射机分别如图2.75和图2.76所示。

图2.75 柱塞式注射机

1—料斗 2—计量装置 3—分流梭 4—加热器 5—喷嘴 6—机筒 7—柱塞 8—移动液压缸 9—注塑液压缸

按照系统中各个组成部分排列方式的不同，注射成形机又可分为卧式、立式、角式等几种构成形式，如图2.77所示。几种注射成形设备如图2.78所示。

（2）挤出（塑）成形 挤出成形也称挤压模塑或挤塑。它是将物料加热熔融成黏流态，借助螺杆的挤压作用，推动黏流态的物料使其通过口模，成为截面形状与口模相仿的连续体的一种成形方法。

图2.76 螺杆式注射机

图2.77 注射机系统构成及排列方式

1—机身 2—合模系统 3—注射系统

图2.78 注射机设备

图2.78 注射机设备（续）

挤出成形机由挤出装置、传动机构和加热、冷却系统等主要部分组成。挤出机有螺杆式（单螺杆和多螺杆）和柱塞式两种类型。前者的挤出工艺是连续式，后者是间歇式。单螺杆挤出机的基本结构主要包括传动装置、加料装置、机筒、螺杆、机头和口模等部分。挤出机的辅助设备有物料的前处理设备（如物料输送与干燥）、挤出物处理设备（定型、冷却、牵引、切料或辊卷）和生产条件控制设备三大类。挤出成形的设备简图及成形过程如图2.79所示。

图2.79 挤出成形设备简图及成形过程

1—管材 2—切割装置 3—牵引 4—水槽冷却 5—冷却定型 6—机头 7—螺杆 8—机筒 9—传动系统 10—料斗 11—加热器 12—多孔板、过滤网

挤出成形可以连续化作业，因此效率高，质量稳定；挤出成形设备简单，投资少，见效快；生产环境卫生，劳动强度较低；挤出成形应用范围广，包括绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等，均可采用挤出成形进行大批量生产。从产品类型而言，挤出成形目前应用于塑料薄膜，网材，带包覆层的产品，截面一定且长度连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。

（3）吹塑成形（中空成形） 吹塑成形是指借气体压力使闭合在模具中的热型坯吹胀成为中空制品，或管型坯无模吹胀成管膜的一种方法。该方法主要用于各种包装容器和管式膜的制造。凡是熔体指数为0.04～1.12的都是比较优良的中空吹塑材料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、热塑性聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、醋酸纤维素和聚缩醛树脂等，其中以聚乙烯应用得最多。

按照吹塑所用型坯的来源的不同，吹塑成形又可分为注射吹塑成形和挤出吹塑成形，前者的型坯系来自于注射成形；而后者则来自于挤出成形。但两者的吹塑过程基本上是相同的。

吹塑设备除注射机和挤出机外，主要是吹塑用的模具。吹塑模具通常由两瓣合成，其中设有冷却剂通道，分型面上小孔可插入充压气吹管。常用吹塑模具及器材如图2.80所示。

图2.80 常用吹塑模具及器材

拉伸吹塑成形是双轴定向拉伸的一种吹塑成形，其方法是先将型坯进行纵向拉伸，然后用压缩空气进行吹胀达到横向拉伸。拉伸吹塑成形可使制品的透明性、冲击强度、表面硬度和刚度有很大的提高，适用于聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETP）的吹塑成形。拉伸吹塑成形过程示意图如图2.81所示。拉伸吹塑成形还可以细分为：注射型坯定向拉伸吹塑，挤出型坯定向拉伸吹塑，多层定向拉伸吹塑，压缩成形定向拉伸吹塑等。

图2.81 拉伸吹塑成形过程示意图

a）吹针结构 b）顶吹结构 c）底吹结构

1—吹针 2—夹口嵌件 3—吹塑杆 4—带齿的旋转套 5—分割线的溢边

吹塑薄膜法是成形热塑性薄膜的一种方法。系用挤出法先将塑料挤成管，而后借助向管内吹入的空气使其连续膨胀到一定尺寸的管式膜，冷却后折叠卷绕成双层平膜。该方法适宜于聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等薄膜的制造。塑料薄膜可用许多方法制造，如吹塑、挤出、流延、压延、浇注等，但以吹塑法应用最广泛。

（4）压缩成形 压缩模塑又称模压，是模塑料在闭合模腔内借助加压（一般尚需加热）成形的方法。通常，压缩模塑适用于热固性塑料，如酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯塑料等。

压缩模塑由预压、预热和模压三个过程组成：

1）预压：为改善制品质量和提高模塑效率等，将粉料或纤维状模塑料预先压成一定形状的操作。

2）预热：为改善模塑料的加工性能和缩短成形周期等，把模塑料在成形前先行加热的操作。

3）模压：在模具内加入所需量的塑料，闭模、排气，在模塑温度和压力下保持一段时间，然后脱模、清模的操作。

压缩模塑用的主要设备是压机和塑模。压机用得最多的是自给式液压机，吨位从几十吨至几百吨不等，有下压式压机和上压式压机。用于压缩模塑的模具称为压制模具，分为三类；溢料式模具、半溢料式模具、不溢料式模具。图2.82所示为溢料式塑模示意图。

图2.82 溢料式塑模示意图

1—上模板 2—组合式阳模 3—导合钉 4—阴模 5—气口 6—下模板 7—推顶杆 8—制品 9—溢料缝

压缩模塑的主要优点包括：设备投资少，工艺简单，易操作；压力损失小，多用以成形大型平面制品及多型腔制品；材料取向小；无流道及浇口，材料浪费少；适用的材料广泛（可成形带碎屑状、片状及纤维状填料制品）等。

而其缺点包括：固化时间长，生产效率低；精度不高；合模面处易产生飞边；对形状复杂或带嵌件的制品不易成形；自动化程度低等。

模压成形主要用于热固性塑料制品的生产。对于热塑性塑料也可以采用，但由于生产效率低，很少采用。

（5）压注成形（传递模塑） 传递模塑是热固性塑料的一种成形方式，模塑时先将模塑料在加热室加热软化，然后压入已被加热的模腔内固化成形。传递模塑按设备不同有多种形式，包括活板式、罐式以及柱塞式等。

传递模塑对塑料的要求是：在未达到固化温度前，塑料应具有较大的流动性，达到固化温度后，又须具有较快的固化速率。能符合这种要求的有酚醛、三聚氰胺-甲醛和环氧树脂等。

传递模塑具有以下优点：①制品飞边少，可减少后加工量；②能模塑带有精细或易碎嵌件和穿孔的制品，并且能保持嵌件和孔眼位置的正确；③制品性能均匀，尺寸准确，质量高；④模具的磨损较小。缺点是：①模具的制造成本较压缩模高；②塑料损耗大；③纤维增强塑料因纤维定向而产生各向异性；④围绕在嵌件四周的塑料，有时会因熔接不牢而使制品的强度降低。

（6）固相成形 固相成形是热塑性塑料型材或坯料在压力下用模具使其成形为制品的方法。成形过程在塑料的熔融（成软化）温度以下（一般至少低于熔点10～20℃），均属固相成形。其中对非结晶类的塑料在玻璃化温度以上，熔点以下的高弹区域加工的，常称为热成形；而在玻璃化温度以下加工的则称作冷成形或室温成形，也常称作塑料的冷加工方法或常温塑性加工。

该法有如下优点：生产周期短，提高制品的韧性和强度，设备简单，可生产大型及超大型制品，降低成本。缺点是：难以生产形状复杂、精密的制品，生产工艺难以控制，制品易变形、开裂。

固相成形方法包括：片材辊轧、深度拉伸或片材冲压、液压成形、挤出、冷冲压、辊筒成形等。

5.塑料制件的结构工艺性

制品的工艺性是指制品本身的材料，尺寸及精度以及形状结构等，对成形和模具加工工艺的可能性和方便性。良好的塑料制品的工艺性是获得合格塑料制品的前提，也是塑料成形工艺得以顺利进行和塑料模具达到合理经济要求的基本条件。因此设计塑料制品不仅要满足使用要求，而且要符合成形工艺特点，并且尽可能使模具结构简化。

塑料制品工艺性设计的主要内容包括尺寸和精度、表面粗糙度、塑料制品几何形状及结构（壁厚，脱模斜度，加强筋，支承面，圆角，孔，花纹，标记与文字）、螺纹、齿轮、嵌件等。在塑料制品工艺性设计中必须充分考虑的因素包括：

1）成形方法：不同的成形方法其塑料制品的工艺性要求有所不同。

2）塑料的性能：塑料制品的尺寸，公差，结构形状应与塑料的物理性能，力学性能和工艺性能等相适应。

3）模具结构及加工工艺性：塑料制品形状应有利于简化模具结构，尤其是简化抽心和脱模机构，还要考虑模具零件尤其是成形零件的加工工艺性。

（1）塑料制品的尺寸，精度和表面粗糙度

1）塑料制品的尺寸。这里的尺寸是指塑料制品的总体尺寸。塑料制品的总体尺寸大小取决于塑料的流动性，对于流动性差的塑料或薄壁塑料制品进行注射和传递成形时，塑料制品尺寸不宜过大，以免熔体不能充满型腔或形成熔接痕，从而影响塑料制品的外观和强度。

2）塑料制品的尺寸精度。影响塑料制品的尺寸精度的因素包括模具制造误差及磨损、塑料收缩率的波动、成形工艺条件、塑料制品的形状、飞边厚度波动、脱模斜度和成形后塑料制品尺寸变化等。

3）塑料制品的表面质量及表面粗糙度。塑料制品的表面质量包括有无斑点，条纹，凹痕，起泡，变色等缺陷，还有表面光泽性和表面粗糙度。而塑料制品的表面粗糙度由模具成形零件的表面粗糙度决定。

（2）塑料制品的几何形状 塑料制品的几何形状包括：壁厚，脱模斜度，加强筋，支承面，圆角，孔，花纹，标记与文字等。

1）塑料制品的形状。塑料制品的形状必须便于成形，以简化模具结构，降低成本，提高生产率和保证塑料制品的质量。

①塑料制品应尽量避免侧壁凹槽或与塑料制品脱模方向垂直的孔，这样可以避免采用瓣合分型和侧抽芯等复杂的模具结构及使分型面上留下飞边。塑料制品形状见表2.15。

表2.15 塑料制品形状

②对于较浅的内外侧凹槽或凸台并带有圆角的塑料制品，可利用塑料在脱模温度下具有足够弹性的特性，以强行方式脱模，而不必采用组合型芯的方法。如图2.83所示。

图2.83 部分塑性制品可强行脱模

a）（A-B）/B≤0.05 b）（A-B）/C≤0.05

③塑料制品的形状要有利于提高塑料制品的强度和刚度。为此薄壳状塑料制品可设计成球面或拱形曲面。如图2.84所示。容器的边缘可设计成如图2.85所示的形式进行加强。

④紧固用的凸耳或台阶应有足够的强度和刚度，以承受紧固时的作用力，为此，应避免台阶突然变化和尺寸过小，而应逐步过渡。如图2.85所示。

⑤塑料制品的形状应考虑分型面的位置，使脱模后不易变形。

图2.84 薄膜塑件底或盖的加强设计

图2.85 容器边缘的加强设计

2）塑料制品的壁厚。塑料制品的壁厚取决于塑料制品的使用条件，即强度，刚度，结构，电性能，尺寸稳定性和装配等各项要求，同时壁厚的大小对塑料成形影响很大，所以合理地选择塑料制品的壁厚是很重要的。

①壁厚不宜过小。原因有三：一是要保证制品具有足够的强度和刚度；二是装配时能承受紧固力；三是成形时能够充满型腔和脱模时承受脱模机构的冲击和振动。

②壁厚不宜过大。原因有四：一是浪费原料，增加塑料制品的成本；二是增加成形时间，延长成形周期，降低生产率；三是容易产生气泡，缩孔，凹痕，翘曲等缺陷；四是对于热固性塑料有可能造成固化不足。

③塑料制品壁厚大小主要取决于塑料品种，制品大小以及成形工艺条件。热固性塑料制件的设计壁厚可参考表2.16确定。

表2.16 热固性塑料壁厚的选择 （单位：mm）

④塑料制品中的壁厚一般应尽可能一致，否则会因固化或冷却速度不同而引起收缩不均匀，从而在塑料制品内部产生内应力，导致塑料制品产生翘曲，缩孔，甚至开裂等缺陷。改善塑料壁厚的典型实例见表2.17。

⑤壁厚与流程（指熔料从浇口起流向型腔各处的距离）有关，各种塑料在常规工艺参数下，流程长短与塑料制品壁厚成正比例关系，塑料制品的壁厚越大，则允许的流程越长。

表2.17 改善塑件壁厚的典型实例

3）塑料制品的加强筋。设计加强筋的作用是在不增加塑料制品厚度的条件下增加塑料制品的强度和刚度。加强筋可以避免塑料制品的变形和改善塑料熔体的流动状况。

加强筋的厚度，原则上不大于壁厚，以免底部产生缩孔；加强筋的高度也不宜过高，以免筋部受力破损；因此加强筋的尺寸不宜过大，以矮一些、多一些为好，加强筋之间中心距应大于两倍壁厚。加强筋的尺寸设计如图2.86所示。

图2.86 加强筋的尺寸

加强筋的设置方向应尽可能与熔体流动方向一致，以利于熔体充满型腔，避免熔体流动受到搅乱，使塑料制品的韧性降低。如塑料制品需要设置多个加强筋时，其分布排列应相互错开，应尽量减少局部集中，以免产生气泡和缩孔或因收缩不均匀引起破裂；对于空心塑料制品，加强筋的端面不应与塑料制品的支承面平齐，应有一定的间隙。加强筋设计的典型实例见表2.18。

表2.18 塑件加强筋设计的典型实例

4）塑件上的支承面和凸台。当塑料制品需要由一个表面作为支承面时，以整个底平面作为支承面是不合理的，因为塑料制品稍许翘曲或变形均会造成底面不平。一般采用底脚或凸起的边缘来作为支承面。

塑料制品上的凸台是用来加强孔或装配附件的凸出部分的。一般情况下，凸台应当位于边角部位，几何尺寸不应太大，高度不超过其直径的两倍，还应当具有足够的脱模斜度。在设计固定用凸台时，要有足够的强度用来承受紧固时的作用外力，但在转折处不应有突变，连接面应该局部接触。塑料制品的支承面和固定凸台的结构见表2.19。

表2.19 支承面和固定凸台的结构

（续）

5）脱模斜度。由于粘附作用，塑件紧贴在凹模型腔内，另外，塑件冷却后产生收缩，会紧紧包覆在凸模或成形型芯上。为了便于塑料制品脱模，以防脱模时擦伤制品表面，与脱模方向平行的制品表面一般应具有合理的脱模斜度。如图2.87所示。

脱模斜度的大小取决于塑料的收缩率、塑料制品的形状、壁厚以及制品的部位等因素。脱模斜度的取向原则是：内孔以小端为基准，符合图样要求，斜度由扩大方向取得；外形以大端为基准，符合图样要求，斜度由缩小方向取得。

图2.87 塑料制品的脱模斜度

一般情况下，脱模斜度为30′～1°30′，当塑料制品有特殊要求或精度要求较高时，应选用较小的脱模斜度，（可小至5′）。

尺寸较高，较大的制品应取较小的脱模斜度；收缩率大、形状复杂、不易脱模的塑料制品应取较大的脱模斜度；制品上的凸起或加强筋单边应有4°～5°的脱模斜度，侧壁带皮革花纹的应有4°～6°的脱模斜度。

常用塑件的脱模斜度见表2.20。

表2.20 塑件的脱模斜度

6）圆角。塑料制品除使用上一定要求采用尖角之外，其余所有转角处均应尽可能采用圆弧过渡。这样可避免因塑料制品尖角处应力集中而引起的变形和裂纹，提高强度，改善溶体的流动性，有利于充满型腔，改善塑料制品的外观和便于脱模。

圆角半径应不小于0.5～1mm，这样能大大提高塑料制品的强度。一般外圆弧半径应是壁厚的1.5倍，内圆角半径是壁厚的0.5倍。对于使用上必须要求以尖角过渡或分型面处，及凸模与凹模不便作圆角的，则以尖角过渡。

7）塑料制品上孔的设计。塑料制品上的孔有通孔、盲孔、形状复杂的孔、螺纹孔等。各种孔的位置应尽可能开设在不减弱塑料制品的机械强度的部位，也应力求不增加模具制造工艺的复杂性，因此孔的形状应该尽可能地简单。

孔间距、孔边距应有足够的距离，热固性塑件孔间距、孔边距与孔径关系见表2.21，孔径与孔的深度也有要求，见表2.22。

表2.21 热固性塑件孔间距、孔边距与孔径关系 （单位：mm）

注：1.热塑性塑料按照热固性塑料的75%取值。

2.增强塑料应取上限。

3.两孔径不同，应以小孔径查表。

表2.22 塑件的最小孔径与最大孔深（ 单位：mm）

塑料制品上紧固用的孔和其他受力的孔，应设计凸边予以加强，如图2.88所示。

图2.88 塑料制品受力孔的设计

塑料制品上的通孔可以采用一端固定的型芯成形，也可以采用两端分别固定的对接型芯成形；盲孔则采用一端固定的型芯成形。对于与熔体流动方向垂直的孔，且当孔径在1.5mm以下时，为了防止型芯弯曲，孔深不宜超过孔径的两倍。

形状复杂的孔或斜孔可采用拼合的型芯成形，以避免侧向抽芯，如图2.89所示。

图2.89 形状复杂孔的设计

相互垂直的孔或斜交的孔，在压缩模中不宜采用，而在注射模和传递模中可以采用，但两个孔的型芯不能相互嵌合，如图2.90a所示，而应采用如图2.90b所示的结构形式。成形结束后，先从两边抽出小孔型芯，再抽出大孔型芯。

图2.90 相互垂直或斜交孔的设计

a）不合理 b）合理

8）塑料制品的花纹，标记，符号及文字。塑件上的花纹（如凸纹、凹纹以及皮革纹等），有的是使用上的需要，有的是为了装饰。设计上的花纹要易于成形和脱模，同时便于模具的制造，因此花纹纹向应与脱模方向保持一致。图2.91所示为几种花纹的设计，其中图2.91a、b所示的花纹设计模具结构复杂，脱模麻烦；图2.91c所示的花纹在分型面处的飞边不易清除；而图2.91d、e所示的花纹则易于脱模，模具结构简单，制造方便，且分型面处的飞边为圆角，容易去除。

图2.91 塑料制品花纹的设计

a）、b）、c）不合理设计 d）、e）合理设计

塑件上标记、符号和文字有三种不同的结构形式：第一种为凸字，如图2.92a所示，这种形式制模方便，但使用过程中模具容易损坏；第二种为凹字，如图2.92b所示，凹字可以填上油漆，字迹鲜明，但模具加工复杂；第三种为凹坑凸字，在凸字的周围带有凹入的装饰框，如图2.92c所示，制造这种形式的模具可以在镶块上刻凸字，然后镶入模体中，这种形式的模具制造方便，且使用时不易损坏。

图2.92 塑料制品上的文字的结构形式

a）凸字 b）凹字 c）凹坑凸字

（3）带嵌件塑料制品的设计

1）塑料制品中嵌件的作用及形式。嵌件是指在塑料制品中嵌入金属零件，形成不可拆卸的连接。塑件中设计嵌件的目的，一是可以增强局部的强度、硬度、耐磨性、导电性、导磁性；二是增加塑料制品的尺寸和形状的稳定性，提高精度；此外，还可以满足其他多种要求。塑件中嵌件的形式包括圆筒形嵌件、螺纹套、轴套以及薄壁套管等。

2）塑料制品中嵌件设计的要点。塑料制品中嵌件设计需要考虑的主要问题包括：①嵌件固定的可靠性；②塑料制品的强度；③成形过程中嵌件定位处稳定性。为了使嵌件牢固地固定在塑料制品中，防止嵌件受力时在塑料制品内转动，嵌件表面必须设计有适当的凸状或凹状部分，此外，嵌件的材料与塑料制品材料的膨胀系数应尽可能接近（收缩率一致）。

由于设置嵌件会在嵌件周围产生内应力，而内应力的大小与塑料特性、嵌件材料和塑料膨胀系数以及嵌件结构有关，内应力大的会导致制品开裂。为此，嵌件周围塑料必须有足够厚度，金属嵌件周围塑料层厚度见表2.23。

表2.23 金属嵌件周围塑料层厚度 （单位：mm）

3）塑料制品中嵌件的定位和固定。放入模具内的金属嵌件在成形过程中会受到高压溶体流的冲击，可能发生位移或变形，同时塑料还可能挤入嵌件上预留的孔或螺纹线中，影响嵌件的使用，因此嵌件必须可靠定位，并且牢固地固定在模具内。

①圆柱形嵌件一般是插入模具相应孔中加以固定，如图2.93所示。如图2.93a所示直接用螺纹嵌件上的光杆定位，结构较简单，而图2.93b、c所示则是用嵌件上的凸肩定位，结构虽然复杂，但凸肩与模具上的定位孔压紧后，可防止熔体流入螺纹。

图2.93 圆柱形嵌件的定位与固定

②对于管套类嵌件，既可以在其外侧设计一定尺寸的台阶，经台阶插入模具内的孔中定位，也可以在模具内设置定位杆，如图2.94所示。其中图2.94a所示是采用定位杆定位，图2.94b、c所示是采用嵌件外侧台阶定位，图2.94d所示是采用嵌件内侧台阶定位，图2.94e所示是采用螺纹杆对内螺纹孔嵌件定位。

图2.94 管套形嵌件的定位与固定

③对于细长的嵌件，在模具中伸出的自由长度不应超过定位部分直径的两倍，否则在成形时熔体压力会使嵌件位移或变形。可以采用支柱结构对嵌件进行支撑，如图2.95所示。

图2.95 细长嵌件在模内的固定

1—支柱 2—塑料流动方向

④当嵌件为通孔且嵌件高度与塑料制品高度一致时，因嵌件高度有公差，合模时易将嵌件压变形，故塑料制品高度应高于嵌件0.05mm以上，如图2.96所示，

图2.96 嵌件高度的设置

⑤为了使嵌件与塑料制品牢固地连接在一起，嵌件的表面应有止动部分，以防止嵌件转动。

6.注射模与注射机的关系

（1）注射机的分类 注射机是塑料注射成形所用的专用设备。按其外形可分为立式注射机、卧式注射机、直角式注射机；按塑料在机筒的塑化方式可分为螺杆式注射机和柱塞式注射机。各种注射机尽管结构不同，但基本上都由合模、锁模系统与注射系统组成。工作时，模具安装在移动的动模安装板及固定的定模安装板上，由合模系统合模并将模具锁紧，注射系统将塑料原料送到机筒中加热直至塑化，并将熔融的塑料注入模具。注射机设有电加热和水冷却系统，以调节模具温度。塑件在模具中冷却定形后开模，由推出机构将塑件推出。

1）卧式注射机。图2.97所示为最常用的卧式螺杆注射机。其注射系统与合模锁模系统的轴线呈直线水平排列。因这种注射机具有重心低、稳定，加料、操作及维修方便，塑件可自行脱落，易实现自动化等优点而被广泛使用。但卧式注射机也存在模具安装麻烦，嵌件安放不稳，机器占地较大的缺点。

图2.97 卧式螺杆注射机

1—锁模液压缸 2—中心顶杆 3—动模安装板 4—注射模 5—定模安装板 6—控制台 7—机筒及加热器 8—料斗 9—定量供料装置 10—注射液压缸

2）立式注射机。立式注射机的注射系统与合模锁模系统的轴线呈直线竖直排列，其结构如图2.98所示。这种注射机的特点是占地少，模具拆装方便，易于安放嵌件，但重心高，加料困难，推出的塑件要手工取出，不易实现自动化。注射系统一般为柱塞结构，注射量＜60g。

3）角式注射机。角式注射机的注射系统与合模锁模系统的轴线相互垂直排列，其结构如图2.99所示。优、缺点介于立式注射机和卧式注射机之间。特别适用于成形中心不允许有浇口痕迹的平面塑件。

图2.98 立式注射机结构示意

1—合模装置 2—注射装置 3—机身

图2.99 角式注射机结构示意

1—合模装置 2—注射装置 3—机身

4）螺杆式注射机。螺杆在机筒内旋转时，将料斗内的塑料卷入，将塑料推向机筒前端的同时，在机筒的加热和螺杆的剪切作用下，塑料充分混合和塑化，积存在机筒顶部和喷嘴之间。当积存的熔体达到预定的注射量时，螺杆停止转动，在液压缸的推动下，将溶体注入模具。卧式注射机多为螺杆式。

5）柱塞式注射机。注射柱塞直径为20～100mm的金属圆杆，当其后退时塑料自料斗定量地落入机筒内，柱塞前进，塑料通过机筒的加热与分流梭的剪切，将塑料均匀塑化，完成注射。立式注射机多为柱塞式，注射量＜30～60g，适用于流动性差，热敏性强；不易成形的塑料。

（2）注射机的规格型号 我国注射机的规格系列有XS系列和SZ系列。型号表示主要由三组汉语拼音和数字组成，其格式为：产品代号+规格参数+设计代号。

这里只简单介绍XS系列。XS系列以理论注射量表示注射机的规格。常用的卧式注射机型号有XS—ZY—30、XS—ZY—60、XS—ZY—125A等，其中“XS”表示塑料成形设备，“Z”表示注射机，“Y”表示预塑式，数字表示注射机的最大注射量（单位：cm³或g，国产注射机一般以cm³为单位），“A”指设计序号为第一次改型。

部分国产注射机型号和主要技术规格见表2.24。

（3）注射机基本参数的校核 注射模需要安装在注射机上才能进行工作，因此在设计注射模时，要进行注射机基本参数的校核，包括注射机的成形工艺参数、模具安装在注射机上的相关结构尺寸、模具的动作三方面的校核。

表2.24 部分国产注射机型号和主要技术规格

（续）

1）对注射机工艺参数的校核。

①最大注射量的校核。最大注射量是指注射机一次注射塑料的最大量。有两种表示方法，一是用容量（cm³）表示，一是用质量（g）表示。国际上规定注射机的最大注射质量按常温下密度为1.05g/cm³的普通聚苯乙烯的对空注射量计，国产注射机的最大注射量以容量表示的居多。在注射时，由于流动阻力增大，使塑料熔体沿螺杆的反流量增大，因此实际最大注射量是注射机额定最大注射量的80%～85%，因此有：

（0.8～0.85）V_max≥nV_s+V_j

式中，V_max为注射机额定注射量（cm³）；n为单个模的型腔数；V_s为单个塑件的体积（cm³）；V_j为浇注系统凝料的体积（cm³）。

②注射压力的校核。注射压力应等于型腔内熔体的压力加上熔体在流经机筒、喷嘴、浇注系统和型腔过程中，因流动阻力造成的压力损耗值。型腔压力大小对塑件的致密度有直接影响，常用塑料可选用的型腔压力见表2.25，塑件形状和精度不同时可选用的型腔压力见表2.26。要求注射机的额定注射压力满足塑件的成形需要。

表2.25 常用塑料可选用的型腔压力 （单位：MPa）

表2.26 塑件形状和精度不同时可选用的型腔压力 （单位：MPa）

③锁模力的校核。当高压塑料熔体充满型腔时，产生的作用力会迫使模具沿分型面胀开，从而产生严重的溢料现象。因此，注射机的锁模力必须大于该胀型力，即：

F_P=P（nA+A₁）

式中，F_P为注射机额定锁模力（N）；P为型腔压力（参考表2.25和表2.26选取）（MPa）；A为单个塑件在模具分型面上的投影面积（mm²）；A₁为浇注系统在模具分型面上的投影面积（mm²）。

2）注射模安装在注射机上的相关结构尺寸的校核。各种规格的注射机为模具安装所提供的结构与尺寸各有差异。设计注射模时应校核的项目有：最大和最小模厚、喷嘴尺寸、定位圈尺寸、模板的平面尺寸和模具安装用螺纹孔直径及位置尺寸等。

①模具厚度及拉杆间距校核。在模具设计时应使模具的总厚度位于注射机可安装模具的最大模厚和最小模厚之间。同时应校核模具的外形尺寸，使得模具能从注射机拉杆之间装入。

②喷嘴与模具主流道始端的关系校核。注射机喷嘴头部的球面应与模具主流道始端的球面贴合，以免高压塑料熔体从狭缝处溢出。模具主流道始端的球面半径R₂一般应比喷嘴头部球面半径R₁大1～2mm，否则会造成主流道内的凝料脱出困难。如图2.100所示，因R₂＜R₁，所以属于不正确的配合。

③定位圈尺寸校核。为了使模具的主流道的中心线与注射机喷嘴的中心线相重合，模具定模板上设定位圈。为确保模具能顺利安装在注射机上，定位圈外径d应与注射机定模安装板上的定位孔呈较松动的间隙配合。

④模具安装固定尺寸校核。注射机的动模安装板、定模安装板上分布有许多螺纹孔供固定模具用。固定模具的方法有两种：①用螺栓直接固定模具，这时模具动、定模座板上各安装孔的位置及孔径应与注射机动、定模安装板上的螺纹孔完全吻合，如图2.101a所示；②用压板间接固定，如图2.101b所示。第二种固定方法有较大的灵活性。

图2.100 主流道与注射机喷嘴的不正确配合

1—喷嘴 2—主流道衬套 3—定模板

图2.101 模具的固定

a）用螺栓固定 b）用压板固定

3）模具动作需求的校核。校核注射机能否满足模具的所有动作要求。当注射机确定后，便可以根据其动作能力设计模具的动作。如注射机带有旋转装置时，模具的螺纹机构设计就可以比较简单。所有注射模都需做的模具动作需求的校核是开模行程的校核。

图2.102 单分型面注射模具开模行程的校核

注射机的开模行程是有限制的，塑件从模具中取出时所需的开模距离必须小于注射机的最大开模距离，否则塑件将无法从模具中取出。

①注射机最大开模行程与模具厚度无关。当注射机采用液压机械联合作用的锁模机构，最大开模行程由连杆机构的最大行程决定，并不受模具厚度的影响，即注射机最大开模行程与模具厚度无关时，单分型面模具（图2.102）开模行程可用下式校核：

S≥H₁+H₂+（5～10）mm

式中，S为注射机的最大开模行程（mm）；H₁为塑件脱模距离（型芯的高度）（mm）；H₂为包括流道凝料在内的塑件的高度（mm）。

双分型面模具如图2.103所示，开模行程可用下式校核：

S≥H₁+H₂+a+（5～10）mm

式中，a为中间板与定模板之间的分开距离（流道凝料的长度）（mm）。

②注射机最大开模行程与模具厚度有关。当注射机采用液压机械联合作用的锁模机构，最大开模行程由连杆机构的最大行程决定，并受模具厚度的影响，即注射机最大开模行程与模具厚度有关时，单分型面模具开模行程可用下式校核：

S≥H_m+H₁+H₂+（5～10）mm

式中，H_m为模具的厚度。

双分型面模具开模行程可用下式校核：

S≥H_m+H₁+H₂+a+（5～10）mm

③模具带有机械式侧向分型与抽芯机构。带有机械式侧向分型与抽芯机构的注射模，是靠一定的开模距离来完成其侧向分型或侧抽芯动作的。此时，开模行程的确定必须综合考虑侧向分型（抽芯）与取出塑件的要求。如图2.104所示，斜导柱侧抽芯机构完成侧向抽芯距离l所需要的开模距离为H_c，当H_c＞H₁+H₂时，开模行程应按下式校核：

S≥H_c+（5～10）mm

图2.103 双分型面注射模具开模行程的校核

图2.104 带有侧抽芯机构模具开模行程的校核

当H_c＜H₁+H₂时，开模行程应按下式校核：

S≥H₁+H₂+（5～10）mm

如果注射机最大开模行程与模具厚度有关时，注射机的最大开模行程应在上两式右边加上H_m。

注射模主要零件配合关系参考表见表2.27；典型注射模主要零件名称、常用材料及一般热处理要求见表2.28。

表2.27 注射模主要零件配合关系参考表

（续）

表2.28 典型注射模主要零件名称、常用材料及一般热处理要求

7.注射模具设计步骤

注射模具的设计一般按照以下几个步骤进行：

（1）编制模具设计说明书（草案）

1）塑件分析。

①明确塑件设计要求。仔细阅读塑料制品零件图，从塑料品种，塑件形状，尺寸精度，表面粗糙度等方面考虑注塑成形工艺的可行性和经济性。

②明确塑件生产批量。小批量生产时，为降低成本，模具尽可能简单；在大批量生产时，应在保证塑件质量的前提下，尽量采用一模多腔的模具，以缩短生产周期，提高生产效率。

③计算塑件的体积和质量。计算塑件的体积和质量是为了确定模具型腔数，选用注塑机。

2）注射机的选用。根据塑件的体积或质量大致确定模具的结构，初步确定注射机型号，了解所使用的注射机与设计模具有关的技术参数。例如：注射机定位圈的直径，喷嘴前端孔径及球面半径，注射机最大注射量，锁模力，注射压力，固定模板和移动模板面积大小及安装螺孔位置，注射机射拉杆的间距，闭合厚度，开模行程，顶出行程等。

3）模具设计的有关计算。

①凹凸模零件工作尺寸的计算。

②型腔壁厚、底板厚度的确定。

③模具加热、冷却系统的确定。

4）模具结构设计。

①塑件成形位置及分型面选择。

②模具型腔数的确定，型腔的排列和流道布局以及浇口位置设置。

③模具成形零件的结构设计。

④侧分型与抽芯机构的设计。

⑤顶出机构的设计。

⑥拉料杆的形式选择。

⑦排气方式设计。

⑧标准注射模架的选用。

⑨按GB/T12556—2006选定模架，在以上模具零部件设计基础上初步绘出模具的结构草图。

5）注射机参数校核。

①最大注射量校核。

②注射压力的校核。

③锁模力的校核。

④模具与注射机安装部分相关尺寸的校核，包括闭合高度，开模行程，模座安装尺寸等几个方面的相关尺寸的校核。

（2）模具装配图和零件图的绘制

1）模具装配图的绘制。模具装配图的绘制必须符合机械制图国家标准，其画法与一般机械图画法原则上没有区别，只是为了更清楚地表达模具中成形制品的形状，浇口位置的设置，在模具总图的俯视图上可将定模拿掉，而只画动模部分的俯视图。制图比例通常按1∶1绘制，塑件图一般画在图样的右上方。

模具装配图应包括必要尺寸，如模具的闭合尺寸，外形尺寸，特征尺寸（与注塑机配合的定位环尺寸），装配尺寸，极限尺寸（活动零件移动起止点）及技术条件，编写零件明细表等。

2）模具零件图的绘制。从装配图绘制零件图，零件图中各相关公差配合按要求选取，绘制完毕后，再按零件图校核装配图中相关尺寸。

8.塑料成形技术发展趋势

在塑件的生产中，高质量的模具设计、先进的模具制造设备、合理的加工工艺、优质的模具材料和现代化的成形设备等，是成形优质塑件的重要条件。一副优良的注射模可成形上百万次，一副好的压缩模能成形25万次以上，这与上述各种因素有很大关系。下面从塑料模的设计、制造，模具的材料以及成形技术等方面，简单介绍一下塑料成形技术的发展趋势。

（1）CAD/CAE/CAM技术的快速发展和推广应用 随着模具工业的发展，模具型腔形状和模具结构越来越复杂，模具制造精度要求越来越高，而生产周期要求越来越短。为了适应这种发展趋势，应用计算机辅助设计（CAD）、辅助工程（CAE）和辅助制造（CAM）技术，可以模拟塑料成形过程，优化成形工艺参数，提高模具质量，缩短模具设计与制造周期，降低生产成本。

CAD/CAE/CAM技术给模具工业带来了巨大的变革，成为模具技术最重要的发展方向。模具CAD/CAE/CAM技术及其应用已日趋成熟。模具CAD/CAE/CAM系统是计算机辅助某一类型模具的设计、计算、分析、绘图，以及数控加工、自动编程等的有机集成。采用模具CAD/CAM一体化技术，可以构建模具型腔或型芯的三维实体，可以生成刀具轨迹和数控加工代码，进行计算机仿真。通过计算机与数控加工机床DNC的通信接口，型腔或型芯实体的加工程序可以传递给数控加工机床，可在试切成功后，进行正式的模具加工。利用CAE技术可以在模具加工制造前，在计算机上对整个成形过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及塑件中的应力分布、分子和纤维取向分布、塑件的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改塑件和模具设计。CAE技术主要应用于塑件设计、模具设计和成形参数确定等方面。尤其在大型、复杂塑料模具设计过程中，CAE技术的应用显得更为重要。CAD/CAE/CAM技术具有更新速度快、综合性强和效率高的特点，目前该技术还在不断地发展，它不但可以实现计算机辅助设计中的各个分过程或若干过程的集成，而且可以把生产的全过程集成在一起。

（2）快速原型制造技术的发展 快速原型制造技术（Rapid Prototyping & Manufactur-ing，RP & M）又称快速成形制造技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体技术的总称，是20世纪80年代后期发展起来的新兴先进制造技术，是为了适应现代工业从大规模批量生产转变为小批量个性化生产，产品的生命周期越来越短，同时对产品质量和外观设计水平的要求也越来越高而产生的。利用快速成形技术不需任何工装，可快速制造出任意复杂的甚至连数控设备都极难制造或根本不可能制造出来的产品样件，因此大大减少了产品开发的风险和加工费用，缩短了研制周期。

（3）各种模具新材料的研制和使用 模具材料的选用在模具的设计与制造中是一个比较重要的问题，它直接影响到模具的制造工艺、模具的使用寿命、塑件的成形质量和模具的加工成本等。国内外模具工作者在分析模具的工作条件、失效形式和如何提高模具使用寿命的基础上进行了大量的研究工作，并且已开发出了许多具有良好使用性能和加工性能，热处理变形小的新型模具钢种，如预硬钢、新型淬火回火钢、马氏体时效钢、析出硬化钢和耐腐蚀钢等。经过应用，均取得了较为满意的技术和经济效果。另外，为了提高模具的使用寿命，在模具成形零件的表面强化处理方面也做了许多研究与工程实践，取得了很好的效果。目前，上述的研究与开发工作还在不断地深入进行，已取得的成果正在大力推广。

（4）塑件的微型化、超大型化和精密化 为了满足塑件在各种工业产品中的使用要求，塑料成形技术正朝着微型化、大型化甚至超大型化和精密化方面发展。这些对成形设备、塑件成形工艺和模具设计与制造都提出了更高的要求。

（5）模具标准化 为了满足大规模制造塑料成形模具和缩短模具制造周期的需要，塑料模具的标准化工作就显得十分重要。模具标准化是指在模具设计和制造中应遵循的技术规范、基准和准则。从某种意义上讲模具标准化程度，体现了一个国家模具工业的发展水平。

我国模具标准化工作起始于20世纪70年代，几十年来，全国模具标准化技术委员会组织制定和审订了许多有关塑料模具及其他模具的技术标准。

随着模具工业的发展，如何让模具标准的制定和修订更加符合市场经济的运行规律，以满足市场对模具标准化的需求；如何提高标准与市场的关联性，增强标准的适应性和有效性；如何进一步扩大标准的应用覆盖率等，是目前模具标准化工作需要重点研究和解决的问题。