吹塑模具设计的成型原理和工艺特点

优胜周平老师

吹塑的原理：
1、 吹塑成型是将处于熔融状态的塑料型坯置于模具型腔中，借助压缩空气将其吹胀，使之紧贴于型腔壁上，经冷却定型得到中空塑料制品的成形方法。
2、 吹塑成型可以获得各种形状与大小的中空薄壁塑料制品，在工业中尤其是在日用工业中应用十分广泛。几乎所有的热塑性塑料都可以用于吹塑成型，尤其是PE。
3、 吹塑成型方法主要有以下几种形式。
1） 挤出吹塑成型：
2） 注塑吹塑成型：这种方法是用注塑机在注塑模具中制成吹塑型坯，然后把热型坯移入吹塑模具中进行吹塑成型
3） 注塑拉伸吹塑成型：这种方法与注塑吹塑相比，只是增加了将有底的型坯加以拉伸这一工序，成型过程（（1）把熔融塑料注入模具，急剧冷却，成型出透明的有底型坯，（2）将注塑的型坯，其螺纹部分随模具螺纹成型块一起随转盘带动移到加热位置，用电阻再将型坯内外加热，（3）将加热后有底型坯，移至拉伸吹塑位置，拉伸长2倍，4）将拉伸吹塑后的制件移到下一位置，螺纹成型块半合部打开，取出制品，这种成型设备实际上是一台多工位注塑机模具，设有四个工位，每个工位相隔90°）


一）工艺特点：
挤出吹塑是成型中空塑件制品的主要方法。工艺特点如下：
1、 加工温度和螺杆转速
2、 原则是在既能挤出光滑而均匀的塑料型坯，又不会使挤压转动系统超负荷的前提下，尽可能采用较低的加工温度和较快的螺杆转速。
二）成型空气压力
1、 一般在0.2～0.69Mpa范围内，主要根据塑料熔融粘度的高低来确定其大小。
2、 粘度低的，如尼龙、聚乙烯，易于流动吹胀，则成型空气压力可小些；
3、 粘度高的，如聚碳酸脂、聚甲醛，流动及吹胀性差，那就需要较高的压力。
4、 成型空气压力大小还与制品的大小、型坯壁厚有关，一般薄壁和大容积制品宜用较高压力，而厚壁和小容积制品则用较低压力。最合适的压力在0.1～0.9Mpa的压力范围内，以每递增0.1Mpa的办法，分别吹塑成型一系列中空制件，用肉眼分辨其外形、轮廓、螺纹、花纹、文字等清晰程度而进行确定
三） 吹胀比
1、 制品尺寸和型坯尺寸之比，亦即型坯吹胀的倍数，称为吹胀比。、
2、 型坯尺寸和质量一定时，制品尺寸愈大，型坯吹胀比愈大。
3、 虽然增大吹胀比可以节约材料，但制品壁厚变薄，成型困难，制品的强度和刚度降低；吹胀比过小，塑料消耗增加，制品有效容积减少；壁厚，冷却时间延长，成本增高。一般吹胀比为2～4倍，用1:2较适宜，此时壁厚较均匀。
四） 模温和冷却时间
1、 材料的熔融温度较高者，允许有较高的模具温度，反之，则应尽可能降低模具温度。模具温度过低，塑料冷却就过早，则形变困难，制品的轮廓和花纹等均会变得不清楚；若模具温度过高，则冷却时间延长，生产周期增加；如果冷却程度不够，则容易引起制品脱模变形，收缩率大和表面无光。
2、 为防止聚合物因产生弹性回复作用引起制品形变，中空吹塑成型制品的冷却时间一般较长，可占成型周期的1/3～2/3。
3、 对厚度为1～2mm的制品，一般只需几秒到十几秒的冷却时间已足够。
五） 代表性中空件成型条件


三、 吹塑模具：
一）结构工艺特点
1.吹胀比（BR）
1）吹胀比表明了塑料制品径向最大尺寸与挤出机头口模尺寸之间的关系。当吹胀比确定后，便可根据塑料制品的最大径向尺寸及制品壁厚确定机头口模尺寸。机头口模与芯模间隙可用下式确定： δ=tBRα


2）型坯截面形状一般要求与制品外形轮廓形状大小一致，如吹塑圆形截面瓶子，型坯截面应为圆形，若吹塑方形截面塑料桶，则型坯为方形截面，或用壁厚不均匀的圆截面型坯，以获得壁厚均匀的方形截面桶
2.延伸比（SR）
在注塑拉伸吹塑中，塑料制品长度与型坯长度之比称为延伸比。如图9-8所示，c与b之比即为延伸比。延伸比确定后，型坯长度就可确定。一般情况下，延伸比大的制品，其纵向和横向强度均较高，为保证制品的刚度和壁厚，生产中一般取SRBR=4～6为宜。
3.螺纹
吹塑成型的螺纹通常采用截面为梯形、半圆形，而不采用普通细牙或粗牙螺纹，因为后者难以成型。为了便于清理制品上的飞边，在不影响使用的前提下，螺纹可制成断续的，即在分型面附近的一段，塑料制品上不带螺纹
4.支承面
当中空制品需要一个面为支承时，一般应将该面设计成内凹形。这样不但支承平稳而且具有较高的耐冲击性能，
5.刚度
为提高容器刚度，一般在圆柱容器上贴商标区开设圆周槽，圆周槽的深度宜小些，在椭圆形容器上也可以开设锯齿形水平装饰纹，这些槽和装饰纹不能靠近容器肩部或底部，以免造成应力集中或降低纵向强度
6.圆角
中空吹塑制品的转角，凹槽与加强肋要尽可能采用较大的圆弧或球面过渡，以利于成型和减小这些部位的变形，获得壁厚较均匀的塑料制品。


7.脱模斜度
由于中空吹塑成型不需要凸模，且收缩大，故在一般情况下，脱模斜度即使为零也可脱模。但当制品表面有皮纹时，脱模斜度应在3°以上
8.纵向强度
包装容器在使用时，要承受纵向载荷作用，故容器必须具有足够的纵向强度。对于肩部倾斜的圆柱形容器，倾斜面的倾角与长度是影响纵向强度的主要参数，高密度聚乙烯的吹塑瓶，肩部L为13mm时，α至少要12°，L为50mm时，α应取30°。如果α小，则由于垂直应力的作用，易在肩部产生瘪陷。肩部斜面与侧面交接处的圆角半径r应较大。
二）吹塑模具的类型及典型结构
1、吹塑模具的类型：成型设备不同，模具的外形也不同。根据吹塑模具的工作情况，吹塑模具可分为两种类型
1）手动铰链式模具 ：
*手动铰链式模具依靠人工打开、闭合模具，它是由玻璃吹塑模具延用过来的，现在已基本上不使用，仅用于小批量生产及试制。
*模腔是由两个半片组成的，在它的一侧装有铰链；在另一侧装有开、闭模手柄及闭锁销子。模具主体可用铸造法制作。
2）平行移动式模具：
*平行移动式模具是由两半个具有相同型腔的模具组合而成的，吹塑机上的开、闭模装置有油压式、凸轮式、齿轮式、肘节式等多种。
*通常都是直接用螺钉把模具安装在吹塑机上，依靠开、闭模装置进行开、闭模运动。模具的安装方法、安装尺寸、模具外形大小等都受到所用吹塑机的限制，因而造成塑件大小、形状也受相应的限制
2、 吹塑模具典型结构：
1）组合式结构
*模具整体由口板1、腹板2和底板5组合而成。口板和底板用钢材制造，腹板用铝合金或其他材料制成
*三部分用螺钉和圆销紧固。两半片的定位由装在腹板上的导柱保证。冷却水通路在腹板上做出。
*为了保证三板之间的密合，每对板的接触面应减小，即在其左、右、后三面适当地去掉一部分，留下必要的接触部分，这样可以相对地增大板间的紧固力，避免使用中松动，产生缝隙，接触面的加工应保证平面性良好和必要的表面粗糙度。
2）嵌镶式结构
*模具整体由一块金属构成，一般采用铝合金铸件或锻锭，而在其口部和底部嵌入钢件，嵌件一般用压入方法，亦可用螺钉紧固
3、吹塑模具设计要点：
1）模口 成型瓶等容器类塑件时，模口成型瓶口部分，校正芯棒挤压成型瓶口内径并切除余料，成型时通过它吹入压缩空气
2）模底 采用注射吹塑成型时不需要切除余料，整体模底与模具本体分开，单独安装在机床的取件装置上，兼起取件的作用。若采用管状坯料进行吹塑成型时，模底为两半个，分别装在两半个模具上，在合模时由剪切刃把余料切除，同时剪切刃还起夹持、密封型坯的作用
3）剪切刃
*剪切刃的宽度太小，角度太大，则剪切刃锐利，就有可能在吹制之前使型坯塌落，也有使熔接线厚度变薄的倾向。
*剪切刃宽度太大，角度太小，则就有可能出现闭模不紧和切不断余料的现象。若使剪切刃平行地切除余料，则熔接线处的强度大小有改善。
*剪切刃平行部分的宽度为0.5～1毫米，角度约15°时较好。为了防止型坯塌落，又便于清除余料，可以设置二道剪切刃。剪切刃是关键部分。具有剪切的口模，模底应采用象钢材、铍铜合金那样强度好而硬度大的材料。剪切刃处的粗糙度要小，热处理后要研磨抛光，大批量生产时要镀以硬质铬，并加以抛光
4）排气孔
模具闭合后型腔是封闭状态，为了保证塑件的质量必须把模具内的原有空气加以排除。如果排气不良，就会在塑件表面上出现斑纹，麻坑、成型不完整等缺陷。应当特别注意的是排气孔的部位应设在成型中空气容易贮留的地方，即最后吹起来的地方，如多面体的角部、圆瓶的肩部等处。
5）模具的冷却
*通常把吹塑模具的温度控制在20°～50°的范围内。模具温度低，则成型周期短，成型效率高。进行中空吹塑成型时，塑件部分的厚度不一样，若冷却速度一样，厚壁部就冷却慢，塑件表面会凹凸不平；又由于塑件各部分不均匀的冷却，在塑件中存有残余应力，故塑件易变形，耐冲击性和耐应力开裂性减小。由于来自型坯的热量与塑件的厚度成正比例，因此有必要根据塑件的壁厚来对模具施行冷却。对于瓶类塑件，根据塑件的壁厚可把模具分为三部分，即首部、圆筒体部、底部。对模具也按此分为三部分进行冷却，以不同的冷却水温度，流速达到使各部分冷却速度相同，保证提高塑件的质量
*模具的冷却方式与一般注射模具相同，也是用冷水冷却。冷却水通道可以用钻孔加工成，也可以用铸造的办法加工出来。为了提高冷却效果，必要时可以在孔道中设置紊流器，用以增大冷却表面的面积。模具材料不同，热传导率不同，也有必要注意防止在塑件相同壁厚处出现冷却不均匀的情况。
6）模具接触面
模具接触面若粗糙，则塑件上分裂线大而显眼。若对模具接触面进行精细加工，使模具合并线能正确地符合一致，则塑件上的分型线很细微，几乎看不见。为了使塑件上分型线不显眼，必要时还可以使模具的接触面减小。模具接触面处磨损快、易划伤，在使用、保管中要特别加以注意
7）模具型腔
*在塑件外表面上常常设计有图案、文字、容积刻度等，有的塑件还要求表面为镜面、绒面、皮革面等，而往往由于模具型腔表面的加工情况直接地影响塑件表面状态，因此设计模具时应预先考虑到模具成型表面的加工问题。
*若对模具成型表面进行研磨、电镀，则塑件表面粗糙度小。但随着使用时间的推移，模具成型面与型坯间的气体不能完全排出，就造成塑件表面出现图状的花纹。因此对于成型聚乙烯制品的模具型腔表面，多采用喷砂处理过的粗糙表面，这不但有利于塑件脱模，而且也不妨碍塑件的美观
*对于模具型腔的加工来说，还有用电铸方法铸成模腔壳体后嵌入模体的；也有利用钢材热处理后的碳化物组织形状，通过酸腐蚀而做成类似皮革纹状的，也有用涂覆感光材料后，经过感光、显影、腐蚀等过程制作成有花纹的型腔表面的。
8）锁模力
*设计吹塑模具时，所选用成型设备的锁模装置的锁模力要满足使两个半模能紧密闭合的要求。通常锁紧装置的锁模力P应比吹塑成型时在模腔内所形成的打开模具的力大20～30%。可以根据以下公式计算所要求的锁模力。

吹塑模具在我们日常生活中很常见的，比如各种饮料的瓶子，厨房中调料的瓶子，等等