热成型加工的研究

60雷达与对抗 2008年 第2期

热成型加工的研究

李 进, 吴立丰, 杨洪福

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(1. 南京鹏力科技有限公司, 江苏南京211153; 2. 青岛海尔设备管理有限公司, 山东青岛266000)

摘 要:概述热成型技术的概念、工艺及特点。重点分析了塑料材料性能如吸湿性、收缩率、取向等对热成型加工性能的影响, 并具体分析了塑料材料的加热、冷却过程对热成型加工的影响, 提出了增加制品清晰度的方法。

关键词:热成型; 材料性能; 加热时间; 冷却时间; 清晰度

中图分类号:TU528 063 文献标识码:A 文章编号:1009-0401(2008) 02-0060-04

A study on the t hermofor m i ng processi ng

LI J in , W U L i feng , Y ANG H ong fu

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(1. Nanjing PRI DE technology Co. , L td. , N anji n g 211153, Ch i n a ;

2. Q i n gdao H aier E qui p m entM anag e m ent Co. , L t d . , Q ingdao 266000, China )

A bstract :The concep, t techno logy and features of the ther m o for m ing techno l o gy are i n troduced and an alyzed w ith the e m phasis on the i n fl u ences o f the plastic characters such as hyg r oscopy and shrinkage etc . as w ell as the heating and coo ling ti m e to t h e perfor m ance of t h er m ofo r m i n g processing . Besides , the w ay of i m prov ing the product defi n ition is proposed . K eyw ords :ther m ofor m i n g ; p l a stic character ; heati n g ti m e ; coo li n g ti m e ; definiti o n

1 引 言

热成型是将热塑性塑料片材或板材, 经加热至软

化温度, 在一定的外力作用下, 于特定的模具轮廓上经冷却定型后, 经修剪而获得敞开立体类型制品的一种加工方法。热成型技术是借鉴金属片材的成型方法而发展的。虽然其发展时间不长, 但是由于加工速度快, 自动化程度高, 模具价廉并容易更换、适应性强, 可以生产大至飞机和轿车部件, 小至如饮料杯这样的产品。边角料很容易回收利用, 是效率和成本最高的加工方法之一。它可以加工薄至0. 10mm 厚的片材, 这些片材可以是透明的或不透明的, 结晶性的或无定型的。片材上可以先印上花纹图案, 也可以在成型后再印上有鲜艳色彩的花纹。

热成型工艺过程是将一定形状和尺寸的塑料板

(片) 材夹在模具的框架上, 让其在适当的温度下加热软化, 再施加一定的压力, 使其紧贴在模具的型腔上, 取得与型腔相仿的形状, 经冷却定型、脱模和修整以后, 得到制品。图1

为热成型工艺流程图。

图1 热成型工艺流程图2. 2 热成型的特点

(1) 制件规格适应性强

用热成型方法可以制造特大、特小、特厚及特薄的各种制件。

(2) 制品应用范围广

热成型制品几乎运用到了生活的每个行业, 从药片包装到冰箱内胆, 甚至到飞机机舱罩, 都是可以用热

2 热成型技术工艺及特点

2. 1 工艺过程

*收稿日期:2008 01 05

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李 进 等 热成型加工的研究

成型的方法得到。

(3) 设备投资低

由于热成型设备简单, 加工方便, 因此热成型设备总体具有投资少、造价低的特点。

(4) 模具制造方便

模具结构简单、加工容易, 对材料的要求不高, 且制造和修改方便。

(5) 生产效率高

采用多模生产, 每分钟采量可以达到数百件。热成型技术应用于发达国家已有几十年的历史。我国的发展比较晚, 但也得到快速的发展, 其制品的用途特别广阔, 主要运用于了包装行业如食品包装容器等和工业产品的部件如冰箱内胆等。当然, 随着技术的不断发展, 热成型技术能够延伸到更多领域。

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就会黏结在一起, 阻止了材料在模具表面继续拉伸, 就会导致成型不彻底。

另一方面摩擦力可以使材料在模具均匀成型。但是如果没有摩擦力存在, 比如说在模具表面涂层或者用PTFE 做成模具, 被加工的材料就很容易在接触表面滑动, 当材料太容易滑动通过模具时, 要想将塑料用这样的模具将其压到模具的底部是不可能的, 因为这样底部总是会太薄。

在进行热成型加工时, 要充分考虑模具的因素和材料本身的因素。对于不同的材料要有不同的生产方法, 即使是同一种材料, 选择不同牌号和性能时, 也要相应更改生产方法。

3. 3 收缩率

在热成型中, 收缩是指在没有任何机械应力作用的受热条件下热塑性片材或模塑制件所发生的尺寸变化。收缩率在热成型加工中起了非常重要的作用, 一方面材料的收缩率不同, 就会在热成型过程中表现出不同的行为, 产生不同的加工参数, 而另一方面收缩率的大小直接决定了成型后修边, 冲切模具的设计尺寸, 可以直接影响到制品的精确度。因为不同的塑料材料其固有的收缩率不相同, 而且同种材料在不同的形状下其收缩率也不相同, 因此在进行热成型之前, 必须对材料的收缩率进行确认, 进行材料的收缩率测试。

收缩率%=[(测试前尺寸-测试后尺寸) /测试前尺寸] 100%

材料的收缩率与加工的条件也有很大的关系。因此, 要得到精确的收缩率值只有通过在相似几何尺寸的热成型模具上进行测试得到。3. 4 取向

如果材料发生高度取向, 比如在挤出方向, 这将会产生不该有的皱褶。对于纵向和横向距离相等的多型腔模具, 在挤出方向上的皱褶比横向的明显得多。就热成型而言, 牵引会产生另外一种大分子的取向。用高抗冲击聚苯乙烯热成型的杯子, 它在径向上就很容易撕裂成条。这些条本身在经向上强度非常高, 这是因为在热成型时产生高度取向, 使与牵引垂直的方向强度大大降低, 故在与牵引平行的方向易发生撕裂。

3 塑料性能对热成型加工的影响

在热成型加工过程中, 塑料的性能起到了决定性的作用, 直接影响了制品的性能, 如塑料材料的机械性能、化学性能及使用性能影响了制品的特性。因此, 在生产制品时, 要充分考虑材料的特性, 并根据制品的要求选用合适的塑料原料和配方。

3. 1 吸湿性

当塑料树脂具有吸湿性, 或者含有吸湿性的添加剂被加入到塑料中, 这样一些塑料的片材就具有吸湿性。如果材料表面或者材料本身含有水分, 当它在热成型加工过程中被加热时, 就会在制品的表面产生气泡。材料中含的水分越少, 其形成的气泡就会越小, 其平整性和光泽度就会越好。而材料中含的水分越多, 其形成的气泡就会越大, 有时甚至可能融穿制品的表面, 形成凹坑或者缺口。

因此, 在使用塑料材料时必须在干燥的条件下使用。特别是在使用吸湿性很高的材料(如PET 等) 时, 一定要使用特殊的干燥工艺, 保证原料在干燥的条件下进行加工, 才能得到优异的制品。3. 2 摩擦行为

在热成型过程中, 当在材料和热成型的模具之间存在着滑动时, 就需要考虑塑料的摩擦行为。这种情况可能会在阴模成型中模具的预拉伸过程中出现, 或者在阳模成型中模具在向里推进的过程中与材料发生接触时出现。

摩擦力的存在有正反两个方面的作用:

一方面可以帮助材料表面与模具接触面充分贴, 4 生产工艺对热成型加工的影响

4. 1 加热时间

将片材加热到成型所需的时间称为加热时间, 是

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塑料是热的不良导体。加热的时间主要受材料和

型温度可以缩短冷却时间和节约能源, 但制品的形状、尺寸稳定性会变差, 且轮廓清晰度会变坏。在较高的成型温度下, 制品的可逆性变小, 形状、尺寸稳定, 但温度过高会引起树脂降解、材料变色等。在实际热成型生产过程中, 片材从加热到成型有一定的时间间隔, 热量会散失一部分, 尤其较簿的、比热容小的片材热量会损失更多。所以, 片材实际加热温度是比较高的, 实际的最佳成型温度一般是通过生产和实验最终确定的。4. 4 冷却时间

一旦在热成型机上完成加热过程, 比如将加热源从热成型机上移走, 或者是成型材料从机器上的加热部分传送到成型部位, 材料开始冷却。但是, 到热成型开始时, 成型材料仍然具有必要的成型温度。

事实上, 在加热结束到开始成型这段时间必须尽可能短。这段时间越长, 成型材料就需要越热。然而, 有些塑料不能被加热到成型温度以上, 因为它们在高温下会被破坏, 加工性能得不到保证。

从单工位机器上移走热源应尽量快, 带有独立加热、成型工位的加热片材也要迅速移走, 开始进入热成型工序。

由于与成型模具接触, 真空或压力成型一开始, 冷却就很迅速。随着与模具的接触, 冷却加剧。在成型周期中, 薄制品只花十分之一秒时间, 厚制品要花几秒时间。因此, 为了能够使制品良好, 片材应保持足够的温度。

厚度的影响。加热所需的时间随片材的厚度增加而增加。此外加热时间还和材料的热导率有关。材料的比热容越大, 热导率越小, 加热时间就越长。当然, 加热时间还与加热器的种类、表面温度、加热器与片材的距离、环境温度等因素有关。

在整个加热过程中, 如果在材料的两个表面以材料所承受的最大温度进行加热, 所需要的加热时间就会最短。在实际加工中, 人们先用能获得的最大热能进行加热, 然后逐渐减少热量输入。作为加热强度和加热时间的函数, 用这种方法处理的任何一种成型材料的厚度方向都会产生温度梯度。如果在加热后或者成型过程中成型材料的温度低于最低成型温度, 要么将不可能进行热成型, 要么热成型制品的质量将会非常差。如果不破坏材料的话, 其内部的温度是无法测量的。因此, 就需要大量的实际经验, 以便正确设置最佳的加热参数, 而科技的发展使热量单位消耗和加热参数设置都实现了电脑控制。

如用于冰箱内胆成型时, 为使片材加热均匀, 电热板散热面积应大于塑料片材夹持框包围的面积。加热片材所需时间可按下式计算:

T =5e p (t s -t 0) /(18 t)

式中, e p 为塑料的比定压热容(kJ /kG! K ), 为塑料密度(kg /m), t s 为塑料软化温度(∀), t 0为片材初始温度(∀), t 为片材与模具型面间平均温度差(∀), 为片材厚度(m), 为塑料传热系数(W/(m! K ) ), T 为加热所需时间(h) 。4. 2 膨胀量和凹陷量

在被加热后塑料片材就会膨胀。塑料的热膨胀量基本上是线性的, 可以通过线性热膨胀系数l 计算得到:

l =l 1! (T2-T 1)

式中, l 为产生的热膨胀量, mm; l 1为材料在温度T 1下的长度或尺寸, mm; ! 为线性膨胀系数; T 1为初始温度, 通常为温度; T 2为加热结束时的温度。4. 3 成型温度

在材料、工艺类型和设备确定后, 成型温度是影响制品质量的主要因素, 直接影响制品的最小厚度、厚度分布和尺寸误差。热成型片材加热时保证整个成型表面受热均匀, 温度设置合理。

根据实践可知, 最佳成型温度是使塑料伸长率最大时的温度。若成型压力所引起的应力大于塑料在该温度下的拉伸强度时, 片材会产生过度形变, 甚至引起

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图2

图2为薄片在热成型时的温度曲线, 表面温度与芯部温度相等。图3为厚片在热成型时的温度曲线, 表面温度(实线) 与芯部温度(点划线) 不等。图中, T r 为室温; T e 为软化温度(玻璃化转变温度T g ); T u 为成型温度; T Hmax 为片材的最高加热温度; T max 为对片材加热的最大温度; 1为加热操作结束时间; 成型开始时间(预拉伸、吹胀等); 2为成型时间; 3为片材与模具充分接触时间; 4#5为冷却时间; 5为脱模时间。

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度, 延长加热周期。

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成型作用力越大, 得到高清晰度就越容易。

热成型模具温度越高, 细节清晰度就越好。就压力成型而言, 模具温度低可以通过提高成型压力来弥补, 但过冷的模具不可能获得较好的制品细节。排气好的模具可以得到更高的细节清晰度。当空气被包裹在模具的平面或结构中, 模塑制品上的结构深度会变浅, 表面呈光滑状。

因此, 要提高制品的清晰度, 就要综合考虑各种因

图3

素, 通过大量的实际操作经验来设定各种参数, 得到最佳的制品。

5 制品细节的清晰度

制品的清晰度被理解为成型模具的轮廓被模具复制的精度, 其标准是看与模具接触的表面的半径非常小的拐角和表面结构。

为了能够得到足够清晰的制品, 应综合考虑以下的因素:

(1) 塑料的种类; (2) 片材的厚度;

(3) 片材的加热温度和成型温度; (4) 成型压力;

(5) 成型模具的排气孔。

H I PS 、PP 、PE 、ABS 和PPE 都是能够成型为清晰度很好的制品的塑料。而PC 、APET 和一些等级的PVC 只能在特定条件下获得足够的清晰度。除了考虑选用合适的材料外, 模具的设计和细节精度也是得到清晰度的一个重要的因素。

成型温度越高, 细节的精度也就越好。对于厚度在4mm 以上的材料, 若要得到较高的细节清晰度, 就要对材料有足够的加热。必要的话, 可以减少加热强

6 结 论

塑料热成型过程是复杂的。本文只是在以上几个方面对热成型的影响因素进行了分析。从整个实验和生产的情况来看, 掌握这些因素的变化规律就可以使产品成型合理, 尺寸精度高, 表面质量好。因此, 热成型加工工艺的分析有助于指导热成型产品的生产, 进一步提高生产效率。

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