一次性塑料杯的塑料热成型模具设计与实现

摘 要： 热成型加工是把热塑性塑料片加工成各种制品的加工方法之一。本文以一次性塑料杯的热成型加工过程为例，着重介绍了差压成型之真空成型模具的结构。

关键词： 塑料热成型加工 真空成型模具 模具结构

塑料热成型加工是把热塑性塑料片加工成各种制品的加工方法之一，就是将板（片）材加热到软化状态，在外力作用下，使其紧贴模具型面，冷却定型后即得制品。此法也可用于橡胶加工。与注射成型比较，具有生产效率高，设备投资少等优点，特别适用于制造壁薄、表面积大的制品。常用的塑料材料有聚苯乙烯、有机玻璃、聚氯乙烯等。

塑料热成型方法都是以真空、气压或机械压力三种方法为基础加以组合或改进而成的，一般可分为模压成型、差压成型。模压成型是利用外加机械压力或自重，将片材制成各种制品的成型方法；差压成型是在气体差压的作用下，使加热至软的塑料片材紧贴模面，冷却后制成各种制品的成型方法。差压成型又可分为真空成型和气压成型，这里着重介绍差压成型之真空成型模具的结构。

【案例】：某企业需要大批量生产一次性塑料杯，要求设计一套该塑件的成型模具，使制得的塑件具有足够的强度，外表美观，表面无瑕疵，性能稳定，质量可靠。通过本项目，完成热塑性材料热成型工艺性能的分析。其中一款产品如图所示：

技术要求：

1.材料：聚丙烯（PP）；2.杯壁厚0.3―0.6MM；3.未注圆角半径0.5―1MM；4.塑件外观透明、光滑。

图1 一次性塑料杯

案例分析：该产品是一款薄壁塑料制品，使用的材料聚丙烯（PP）具有良好的透明性，熔融流动性好，且产品结构简单，壁厚无严格要求，因此适宜用中空吹塑或真空成型等热成型方法生产。

一、真空成型工艺特点

真空成型也常称为吸塑成型，广泛用于塑料包装、灯饰、装饰等行业。主要原理是将平展的热塑性塑料板材或片材夹持在模具上，采用辐射加热器加热变软后，采用真空泵把板（片）材和模具间的空气抽走，从而使板材吸附于模具表面，冷却后成型，最后借助压缩空气使塑件从模具中脱出。真空成型的优点是：模具结构简单，只需制作凸模或凹模中一个即可，制造成本低，制品形状清晰；所用的设备不复杂，能生产大、薄、深的塑件；生产效率高，并可观察塑件的成形过程。不足之处是：制成的塑件壁厚不均匀，特别是模具上的凸凹部位；如果模具的凹凸形状变化较大且相距较近，以及凸模拐角处为锐角时，在制品上易出现皱褶；由于真空成型压力较小，因而不能成形厚壁塑件；真空成型后，塑件在周边要进行修整。

二、真空成型的分类

真空成型的方法主要有凹模真空成型、凸模真空成型、凹凸模先后抽真空成型、吹泡真空成型、柱塞推下真空成型等方法。

1.凹模真空成型

凹模真空成型的塑件外表面尺寸精度较高，一般用于成型深度不大的塑件。如果塑件深度很大，特别是小型塑件，其底部转角处就会明显变薄。多型腔的凹模真空成型比同个数的凸模真空成型节省原料，因为凹模模腔间距离可以较小，使用相同面积的塑料板，可以加工出更多的塑件。

2.凸模真空成型

某些要求底部厚度较厚的吸塑件，可采用凸模真空成型。被夹紧的塑料板被加热器加热软化；接着软化的板料下移，加热后的板料首先接触凸模的部位，即被冷却而失去减薄能力。夹持的材料继续下移，一直到与凸模完全接触；再开始抽真空，边缘及四周都由减薄而成型。

凸模真空成型多用于有凸起形状的薄壁塑件，成形塑件的内表面尺寸精度较高。

3.凹凸模先后抽真空成型

首先把塑料板夹紧固定在凹模上加热；板料软化后将加热器移开，然后经凸模吹入压缩空气，而凹模抽真空使塑料板鼓起；最后凸模向下插入鼓起的塑料板中并且从中抽真空，同时凹模通入压缩空气，使塑料板贴附在凸模的外表面而成型。

这种成型方法，由于将软化的塑料板吹鼓，使板材延伸后再成型，因此壁厚比较均匀，可用于成型深型腔塑件。

4.吹泡真空成型

有些要求壁厚大致均匀的吸塑件，也可用吹泡真空成型。使用置于密闭箱中的凸模成型。首先将塑料板（片）紧固在模框上，并用加热器对其加热；待塑料加热软化后移开加热器，向密闭箱内吹入压缩空气，将塑料板（片）吹胀后升起凸模，与板（片）材间形成密闭状态；停止吹气，由凸模上的气孔抽真空，塑料板贴附在凸模上成型。

这种成型方法用空气吹胀片材，使其各部同时减薄，因而成型的塑件厚度大体一致。

三、塑料热成型模具设计

1.模具材料

热成型与其它成型方法相比，成型压力较小，制件形状简单，对模具刚度要求不高，因此模具可由各种材料制成，如木材、环氧树脂、钢和铝合金等。凹模成型通常有模塞将片材推进模具，模塞可由木材、毛毡、环氧树脂等制成，在形状上类似于制件，但更小，有间隙而没有制件的特征细节。

2.模具类型的选择

当采用单模成型时，制品表面质量较高的部位是接触模具的那一面，而且在结构上也比较清晰。因此选择凸模成型还是凹模成型取决与制品的精度要求。

采用一模出多件制品时，最好选用凹模成型，因为模腔之间间隔既可以紧凑些，同时又能避免板材在模塑过程中与模面接触起皱的缺点。此外，凹模成型脱模也容易些，但是凹模成型存在制品底部断面较薄的缺点。一般的规律是：如果制品的深度不超过制品最窄处宽度的一半，最好选用凹模成型；而高度与最窄处宽度相等的制品，采用凸模成型比较适宜。

当制件的形状较复杂时，最好采用真空或气压成型。机械助压可消除制件厚度的不一致，增加制件的精确性。

3.模具结构设计要点

（1）型腔表面粗糙度

型腔表面粗糙度直接影响制品的光泽度，成型面高度抛光的模具将得到表面光亮的制品，乌光的模具则制得无光泽的制品。多模腔阴模如果表面粗糙度值太大，塑料板黏附在型腔表面不易脱模，因此真空成型模具的表面粗糙度值应较小。

（2）引伸比

塑件的深度H与宽度（或直径）D之比称为引伸比，引伸比反映了塑件成型的难易程度，引伸比越大，成型越难。引伸比和塑料的品种、成型方法有关。一般采用的引伸比为0.5―1，最大不超过1.5。

（3）模具圆角

为避免应力集中，提高冲击强度，模具型腔面的棱角和边角都应采用圆角，圆角半径应等于或大于板（片）材的厚度，但不能小于1.5mm。

（4）斜度

为便于脱模，模的斜度一般为0.5°―3°，而凸模为2°―7°。

（5）抽气孔的设计

无论是包覆于凸模或是进入凹模，在片材与模具之间所有角落和凹陷处的空气都必须通过真空、气压或二者结合迅速排除。最常见的是通过小孔真空排气。抽气孔的大小、数量要适应成型塑件的需要，一般对于流动性好、厚度薄、成型温度低的塑料，抽气孔要小些；板材较厚，抽气孔可大些。总之，抽气孔的设计必须满足在很短的时间内将型腔空气抽出，制品表面又不留下任何痕迹的要求。一般常用的抽气孔直径是0.5―1mm，最大不超过板材厚度的50%。

四、结语

热成型方法基本上都是以真空、气压或机械压力三种方法为基础加以组合或改进而成的。模具结构比较简单，主要是凸模和凹模。热成型的过程一般将塑料片材加热到一定温度，然后快速将软化了的材料送进特定模具里成型。塑件一般用压缩空气脱模。

参考文献：

［1］翁其金.塑料模塑工艺与塑料模设计［M］.北京：机械工业出版社，1999.

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