塑料仪表盖注塑模具设计- 副本

塑料仪表盖注塑成型工艺及模具设计

第二章 制品工艺分析

本制品为仪表盖塑料体，带有两空，本不是很复杂，但由于公差使得制作稍有困难。

其塑件的图形如下所示：

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图1. 塑件图

制品工艺分析:

本制品的原材料为ABS。ABS是三元共聚物，因此兼有三种元素的共同性能，使其具有“坚韧、质硬、刚性”的材料。ABS树脂具有较高冲击韧性和力学强度，尺寸稳定，耐化学性及电性能良好，易于成形和机械加工等特点。此外，表面还可镀铬，成为塑料涂金属的一种常用材料。吸湿性强，含水量应小于0.3％，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。流动性中等，溢边料0.04mm左右。料温对物性影响较大、料温过高易分解(分解温度为250℃左右)，对要求精度较高塑件模温宜取50～60℃，要求光泽及耐热型料宜取60～80℃。一般用柱塞式注射机时料温为180～230℃，注射压

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力为100～140Mpa，螺杆式注射机则取160～220℃，注射压力为60～100MPa。其熔化温度为210～280℃，密度为1.03～1.07 。

避免因尖角引起的应力集中，改善流动充模特性，制品内外表面的交接转折处都设计成了圆角，且圆角半径为R2—R3。

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第三章 工艺方案分析及成型工艺参数的确定

3.1工艺方案分析比较及选择

塑料加工的基本方法大致可以分为七大类：压塑成形、传递成形、注塑成形、挤出成形、吹塑成形、热成形、铸塑成形。根据成形加工方法的不同，可以采用多种方法生产制品。下面对两种主要的加工方案做个分析比较。

方案1：采用注射成形

注射成形是将粉状塑料从注射机料斗送入已加热的料筒，经加热熔融后，受柱塞或螺杆的推动，熔融塑料通过料筒前端的喷嘴快速注入闭合塑模中，经冷却（热塑性塑料）定型或加热（热固性塑料）定型后，开启模具取出制品。几乎所有的热塑性塑料和部分热固性塑料都可以用注射成形。

方案2：采用传递成形

传递成形是将一定量的塑料压塑粉或料坯放到料室中加热熔融，然后用柱塞（或称压柱）对加料室内塑料熔体加压将料块快速压入已闭合的热型腔内，当熔体充满型腔后，再经适当保压和固化，即可取出制品。热固性塑料和热塑性塑料都可以采用传递成形方法成形制品。

方案3：采用压塑成形

压塑成形是塑料在一型腔中，通过加压且通常需要加热的成形方法。热固性塑料和热塑性塑料都可以用压塑成形，但主要用于热固性塑料。压塑成形的主要优点是使用的设备和模具比较简单；适用于流动性较差的塑料；可模压较大和较厚的制品；制件收缩率小；各向性能比较均匀。它的主要缺点是生产周期长、效率低；劳动强度大，尤其是移动式模具；制品常有较厚的溢边，不能模压要求尺寸精度准确性较高的制品。

采用方案3，由于热塑性塑料模压时模具需要交替加热与冷却，生产周期长，效率低，不适合于大批量生产制品。采用方案2成形制品时由于热塑性塑料的固化时间长，生产周期长，也不适应生产该制品。与方案2、3两种成形方法相比，注射成形具有成形周期短，能一次成形外形复杂、尺寸精确的制品，生产效率高，易于自动化；注塑机为单机操作，更换原料及模具均很方便，是一种经济高效的成形方法。

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由此可见，方案1是成形制品的最好方案。

3.2成型工艺参数的确定

注塑过程包括加料、加压、塑化、注射、保压冷却和脱模等几个步骤，其中最重要的是塑化、注射和模塑三个阶段。ABS塑料成型工艺参数如表1所示。

表1. ABS成型工艺参数 料筒温度/°C 前段 中段 后段 注射时间 保压时间 成形时间/s 冷却时间 成型周期 喷嘴温度/°C 模具温度/°C 注射压力/MPa 后处理/温度(℃) 后处理/温度(℃) 20～120 50～220 170～180 50～80 60～100 70 70 180～220 165～180 150～170 20～90 0～5 43 页 第 5 页 共

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第四章 设备的初步选择

4.1注塑所需体积计算

图2. 塑件图

由上图，计算注塑所需体积：

V塑件162?（100?80?94?65）?4+[94?30-2?3.14?()]?3?2?94?36?3?35118mm32

V注塑?35118?160%?56188.8mm3?56.1888cm3V注—成型塑件及浇注系统所需注射总体积 由0.8C≥V注

C—注射机最大注射，cm3；

V注—成型塑件及浇注系统所需注射总体积 则，C≥70.236cm3

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4.2锁模力的计算

流道凝料(包括浇口)在分型面上的的投影面积经验公式：A算：

2A2，在此时还是个未知数，根据

0.2nA1?(0.2~0.5)A1(A1为每个塑件在分型面上的投影面积)，用

进行估

A?nA1?A2?1.35A1?1.35?(100?80?2?3.14?82)mm2?10257.408mm2查塑件所需的注射压力100-130Mpa，而型腔的平均压力是注射压力的30%-65%，因塑件为薄壁塑件，且浇口为点浇口，其压力损失比较大，所以取大一些，则

Fm?(nA1?A2)P型?10257.408?40N?410296.32N?410.296KN其中A——塑件及流道凝料在分型面上的投影面积（mm2）;

A1——单个塑件在分型面上的投影面积（mm2）;

A2——流道凝料（包括浇口）在分型面上的投影面积（mm2）; FmP型——模具所需的锁模力（N）;

——塑料熔体对型腔的平均压力（MPa）。

4.3型腔数目的确定

影响型腔数目的重要因素有：注射机的锁模力；注射机的注射量；制品精度以及经济性等。以机床的注射能力为基础，每次注射量不超过注射机最大注射量的80%。根据塑件精度考虑，一般多型腔时制造精度低，塑件精度也低。根据塑件形状及进料口位置考虑，选用单型腔模。根据塑件产量考虑，对试制或小批量塑件宜采取单型腔或少型腔。 综上所述，本模具设计为一模二件。

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4.4设备的选择

经计算，制品与流道中塑料的总体积约为56cm3，由于每次注射量不超过注射机最大注射量的80%，注塑机注射量必须大于70.236cm3。 本模具为一模两件，可由所需的塑料体积确定注塑机的型号。

综合考虑制品的外形尺寸、注射时所需压力等情况，可初步选用型号为SZ100/630的注射机。该型号注射机基本参数如表2所示：

表2. 卧式注塑机(SZ100/630)

结构形式 理论注射容量/ cm3 螺杆直径/mm 注射压力/MPa 拉杆内向距/mm 锁模力/KN 最大开模行程/mm 最大模具厚度/mm 最小模具厚度/mm 喷嘴球半径/mm 移模行程/mm 塑化能力/mm 注射速率/(g/s) 喷嘴孔直径/mm 定位孔直径/mm

卧式 105 35 164.5 370*320 630 270 300 150 15 270 11.8 80 Φ4 125 43 页 第 8 页 共

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第五章 模具结构设计

注射模由动模和定模两部分组成。动模安装在注射机的移动工作台面上，定模安装在注射机的固定工作台面上。动模与定模闭合后已塑化的塑料通过浇注系统注入到模具型腔中冷却、固化与定型。

根据制品结构特点可初步确定，要设计的模具由七大系统组成：1、成形零部件；2、浇注系统；3、导向与定位机构；4、脱模机构；5、温度调节系统；6、排气系统。下面分别就上述部分进行设计。

5.1分型面、排气方式的确定 5.1.1.分型面的选择

选择分型面时，应该尽量考虑选择在制品的最大截面处，并使制品留在动模一侧以便于脱模，还要有利于简化模具结构和便于排气。

同时，还应考虑以下几种因素：分型面最好不要选在制品光亮平滑的外表面或带圆弧的转角处；取分型面时最好把要求同心的部分放在模具分型面的同一侧；有侧孔的制件，当采用自动侧向分型抽芯时，分型面应考虑将抽芯或分型距离长的一边放在动定模开模方向。

通过综合考虑，选择制品的下表面作为分型面，详见装配图。

5.1.2.排气方式的确定

当塑料熔体注入型腔时，如果型腔内原有气体、蒸汽等不能顺利地排出，将在制品上形成气孔、银丝、表面轮廓不清，型腔不能完全充满等弊病，同时还会因气体压缩而产生高温，引起流动前沿物料温度过高，黏度下降，容易从分型面溢出，发生飞边，重则灼伤制件，使之产生焦痕。

该制品的尺寸不大，精度要求一般，可直接利用分型面的微小间隙排气，同时也能利用推杆与孔的间隙排气，而不必再开设专门的排气槽。为了增加分型面的排气效果，可增加分型面的粗糙度，并使加工的刀痕或磨削痕顺着排气方式。

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5.2浇注系统设计

浇注系统是引导塑料从注射机喷嘴到模具型腔的进料通道，具有传质、传压和传热的功能，对制品质量影响很大。模具为一模两件，其浇注系统由主流道、分流道组成。

主流道与喷嘴接触处多作成半球形的凹坑，二者应紧密地配合，避免高压塑料熔体溢出，凹坑球半径应该比喷嘴球头半径大1～2mm。主流道小端直径应比注塑机喷嘴孔径约大0.5～1mm，常取φ4～8mm，视制品大小及补料要求而定。大端的锥角不宜太大，一般取2。～6。。

由于主流道与注塑机的高温喷嘴反复接触和碰撞，所以设计成独立的主流道衬套，选用优质钢材制作并经热处理提高硬度。主流道衬套要求承受交变力，其外圆盘直径不能太大，以避免肩部弯矩过大，配合段的直径不宜过大，以免注入模具内的塑料产生过大的反压力，使主流道衬套后退，甚至将连接螺钉拉短。台阶转角应大些，以免淬火开裂或应力集中。为补偿在注塑机喷嘴冲击力作用下主流道衬套变形，可以将它的长度设计得比模板厚度短0.02mm。

如下图所示：

图3. 浇口套

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主流道小径：d=d1+1=5 凹坑半径：R=r+2=17

主流道大径：D=d+2L×tagα/2=5+2*50*tan4°/2=8.5 d1--注射机喷嘴孔直径 r--注射机喷嘴球头半径 α--流道锥度，α=4°

主流道与注塑机喷嘴在同一轴线上，物料在主流道中不改变方向。由于采用的是卧式注塑机，因此主流道应垂直于分型面。为了便于流道凝料的拔出，主流道设计成具有4°锥角，内壁有Ra0.8?m的粗糙度。因为主流道较长，为避免在模板间的拼缝处溢料，以致主流道凝料无法脱出，必须采用浇口套。浇口套与定位圈分开加工，用螺钉将定位圈和定模座板联接，以防止浇口套受到塑料熔体的反压力而脱出。

5.3成形零件结构设计

注射模具的成形零件是指构成型腔的模具零件，型腔、型芯。型腔用以形成制品的外表面，型芯用以形成成品的内表面。为便于机加工和热处理，型腔、型芯都采用整体式型腔和整体式型芯。型腔、型芯分别采用螺钉进行联接固定。

5.4导向和定位机构设计

塑料模闭合时为保证型腔形状和尺寸的正确性，应按一定的方向和位置合模，所以必须设有导向定位机构，即在模具型腔周围设有四对配合的导柱和导套。导向机构主要有导向、定位作用。采用带有台阶的直导柱，直径取25mm。导柱安装段与模板间采用H7/m6配合，导套与导柱间采用动配合H7/f6。导柱应具有硬而耐磨的表面，选用T10A钢渗碳处理HRC53～58。导柱与模板间用轴肩和垫板联接。由于本制件对称，故导柱位置的布置方式采用四根直径相同的导柱对称布置。导套内孔与导柱之间为动配合H7/f6，外表面与模板孔采用H7/m6配合。导套材料采用T10A热处理HRC53～58。

为了便于模具在注射机安装以及模具浇口套与注射机的喷嘴孔的精确定位，

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应在定模上安装定位圈，用于与注射机定位孔匹配。采用H7/m6的配合，定位圈除完成浇口套与喷嘴孔的精确定位外，还可以防止浇口套从模内滑出。根据所选用的SZ100/630型注塑机，本副模具采用的定位圈的直径为?125mm。

5.5脱模机构设计

为了保证制品正确无误地从模具的型芯上脱出，模具必须设置脱模机构。脱模机构的设计应遵循以下原则：

1、尽可能使制品留在动模一侧，以便借助于开模力驱动脱模装置，完成脱模动作。

2.产品不能因为顶出而变形或损伤。

3、结构合理可靠，运动灵活，制造方便，更换容易，推杆具有足够的强度和刚度。

4.机构尽量简单可靠，易加工。 5.脱模行程要合理。

综合考虑以上原则，该副模具采用简单脱模机构即可顺利取出制品。该脱模机构由以下零件组成：推杆、推杆固定板及推杆垫板。由于制品为方形薄壁塑件，故采用推杆推出结构，以保证其顺利推出，并不损伤其外观。

5.6温度调节系统设计

模具型腔壁的温度高低及其均匀性对成型速率和制品的质量影响很大，为了调节型腔的温度，需在模具内开设冷却系统，设置冷却水通道。在型芯和型腔的四周均匀地布置冷却水道。采用并流冷却，加强浇口处的冷却。尽量降低入水与出水的温度。

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第六章 成型零件的尺寸计算和强度、刚度校核

6.1成形零件的工作尺寸计算

工作尺寸是指成形零件中与塑料熔体接触并决定制品几何形状的尺寸。按平均收缩率计算型芯、型腔查得公式如表3所示：

表3. （单位mm）

尺寸类型 计算公式 X值 ??z0Lm1?[(1?s)Ls1?x?]型腔径向尺寸 0.65 0.70 0.75 0.70 0.70 0.65 0.70 0.65 0.70 0.65 0.70 Lm2?[(1?s)Ls2?x?]??z0 ??zLm?[(1?s)Ls?x?]0 0?[(1?s）l?x?]s1??zlm1 型芯径向尺寸 0?[(1?s）l?x?]s2??zlm2dm?[(1?s0)d0?x?]0??z0?[(1?s）l?x?]s??zlm型腔深度尺寸 型芯高度尺寸 表中

Scp??zHm?[(1?s)h?x?]0 hM?[(1?s)hs?x?]0??zDm

—凹模径向名义尺寸；

Scp—ABS平均成形收缩率，取=（0.004+0.007）/2=0.0055；

d0—制品的名义尺寸；

?—制件公差； x—修正系数；

?m—模具制造公差；

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dm—型芯径向名义尺寸；

D0—制件的名义尺寸；

Hm—型腔深度名义尺寸；

hm—型芯高度名义尺寸；

h0—制件高度名义尺寸；

根据上述公式求成型零件工作尺寸。

模具制造公差为IT11级，制件公差为MT5级（前文已叙述）

6.1.1.型腔的工作尺寸计算:

型腔径向尺寸（1）

??z?0.06?0.06Lm1?[(1?s)Ls1?x?]0?[(1?0.55%)?100?0.65?0.30]0?100.3550

??z?0.006?0.006Lm2?[(1?s)Ls2?x?]0?[(1?0.55%)?80?0.75?0.03]0?80.4180型腔径向尺寸（2）

??z?0.01?0.06Lm1?[(1?s)Ls1?x?]0?[(1?0.55%)?94?0.65?0.05]0?94.4850

??z?0.004?0.004Lm2?[(1?s)Ls2?x?]0?[(1?0.55%)?65?0.70?0.02]0?65.3440型腔径向尺寸（3）

??z?0.004?0.004Lm?[(1?s)Ls?x?]0?[(1?0.55%)?30?0.70?0.02]0?30.1510

型腔深度尺寸

??z?0.006?0.006Hm?[(1?s)h?x?]0?[(1?0.55%)?35?0.65?0.03]0?35.1730

6.1.2.型芯的工作尺寸计算:

型芯径向尺寸（1）

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000?[(1?s）l?x?]?[(1?0.55%)?94?0.65?0.05]?94.842s1??z?0.01?0.01lm1

000?[(1?s）l?x?]?[(1?0.55%)?65?0.70?0.02]?65.498s2??z?0.004?0.004lm2

型芯径向尺寸（2）

00dm?[(1?s0)d0?x?]0?[(1?0.55%)?16?0.65?0.30]?16.283??z?0.06?0.06型芯径向尺寸（3）

000?[(1?s）l?x?]?[(1?0.55%)?30?0.70?0.02]?30.179s??z?0.004?0.004lm

型芯高度尺寸

00hM?[(1?s)hs?x?]0?[(1?0.55%)?32?0.70?0.03]?32.155??z?0.006?0.006

6.2刚度和强度的校核

在该成形零件中型腔和动模垫板是构成型腔的主要受力构件，强度不够会使模具发生塑性变形甚至破裂，而刚度不足则会使模具过大的弹性变形，造成熔体溢料的弊病，因此需要对它们的刚度和强度进行校核。该模具采用整体式型腔，零件壁薄尺寸较小，其强度和刚度足够。

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第七章 注塑机有关参数的校核

进行模具设计时，为保证注射模能在指定的注射机上能够正常进行工作，应对注塑机的相关参数进行校核。

7.1开模行程的校核

注射机取出制件所需的开模距离必须小于注塑机的最大开模距离。模具属于单分型面模具，因此开模行程可按下式校核，即

S≥

H1H2+

+5～10（mm）

式中

H1H2—塑件脱模距离（mm）

—塑件脱模高度（mm），包括浇注系统在内

S—注塑机最大开模行程（mm）

5～10—为保证取出塑件而增设的余量。

查相关数据可知，S≥

H1H2+

+5～10，注塑机的最大开模行程能够满足要求。

7.2安装参数的校核

为了使注射模具能顺利地安装在注射机上并生产出合格的制品，在设计模具时必须校核注射机上与模具安装有关的尺寸。

7.2.1．定位圈尺寸

为了使模具主流道的中心线与注射机的喷嘴的中心线重合，模具定模板上凸出的定位圈应与注射机固定板上的定位孔呈较松动的间隙配合。

7.2.2．最大与最小模厚

模具的总厚度应位于注射机可安装模具的最大模厚与最小模厚之间，即

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式中

Hmin?Hm?Hmax

HminHm—最小模厚（mm）

—模具实际厚度（mm）

Hmax—最大模厚（mm）

由前述可知道，模厚

Hmin?Hm?HmaxHm=250mm，又查相关数据可知，

Hmax=300mm，

Hmin=200mm，

，能满足使用要求。

7.2.3．喷嘴尺寸

主流道始端的球面半径应比注射机喷嘴头部的球面半径大1-2mm，即

R2?R1?2（mm）

式中

R1—喷嘴头部的球面半径（mm）

R2—主流道始端的球面半径

由前述可知，

R2=17mm，查有关数据可知，

R1=15mm，

R2?R1?2=17mm，所

选用的注塑机能满足使用要求。

通过上面对注射压力、开模行程、安装参数的校核，可知，所选用的SZ100/630型注塑机完全能满足成形制品的要求。

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第八章 模具选材和加工制造

模具选材，主要是对模具中的成型零、部件即型腔和型芯的选材，它们的材质优劣，是决定一副模具的质量、寿命、加工和成本的决定性因素，也就直接决定了塑料制品的尺寸精度和表面粗糙度。用作注射成形零件的钢材，应具备如下性能：机械加工性能良好；抛光性能良好；耐磨性和抗疲劳性能好；具有耐腐蚀性。

综合考虑上述性能要求和模具的经济性，型腔、型芯采用Cr12。为降低成本，模具中受力不大、形状简单的固定板、模板采用45钢。模具中的导柱、导套、浇口套要求硬度高，耐磨性好，因此选用碳素工具钢T10A。定位环、顶杆采用T10A，支架采用45钢。模具精度是影响塑料成型件精度的重要因素之一。模具精度与模具的加工方法密切相关。一般配合面要求达到Ra1.6?m，各类板的上下表面由于平面易于加工，并为了保持平行度，一般采用Ra0.8?m，模具型芯的形状比较复杂，尺寸精度要求教高，表面粗糙度最少要求达到Ra0.8?m。

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第九章 试 模

试模是根据塑料制品设计制造的模具在相应的注塑机上实际注塑检验的过

程。它是模具制造过程中必不可少的一道重要工序。通过试模要达到三个目的： 1)验证模具所提供的制品能否达到设计质量要求，检验模具的生产实用性； 2)找出模具自身仍存在的问题并予以修正，使模具得以进一步完善；

3)寻求模具投入正常生产的最佳工艺参数。试模为模具最终验收提供了最重要的依据。

试模过程主要包括三个方面。 1.模具安装：

模具安装主要遵循两个原则：第一要注意操作者的安全；第二要确保模具和设备在调试中不受损坏。模具安装包括预检、装模、紧固、校正顶杆顶出距离，调节闭模松紧度和接通冷却水管等。模具安装流程如下：

1)预检 在模具装上注射机以前，根据图纸对其进行全面仔细检查。 2)装模 模具吊装时注意安全。

3)紧固 当模具定位圈压入注射机上固定模板的定位圈孔后，用极慢的速度闭模，然后上紧压板。每边压板为块。

4)调整顶杆顶出距离 模具压稳后，慢慢开模，直到动模停止后退，然后调整顶杆位置。

5)闭模松紧度的调整 为了防止塑件溢边，又保证型腔适当排气，装模时闭模松紧

度调节很重要。 6)接通冷却水管。 2.试模：

1)试模前，对设备的油路、水路以及电路等进行检查，并规定保养设备，作好开机准备。

2)根据试模用原材料尽量与制品一致的原则，试模材料用ABS塑料。

3)在开始试模时选择低压、低温、中速成型。然后按压力、速率、温度这样的先后顺序变动。

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3.试模结论

通过试模不仅要找出模具中存在的不合理问题，并予以修正使模具得意完善、而且要探索出最合理的工艺参数，为日后正常生产提供条件。因此，要对试模过程中的每一步内容进行详细记录，以便在试模结束后，得出总体结论，为下一步模具验收提供依据。

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参考文献

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谢 辞

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有王老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

在这里首先要感谢我的老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，到详细设计，画装配草图等整个过程中，他都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是老师们仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩老师们的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。如果没有你们的大力帮助，想完成这个毕业设计真的是很困难的。

最后感谢南华大学四年来对我的大力栽培。能在本次毕业设计中得到大家如此多的帮助，是设计工作能顺利完成的重要原因。在此再次对大家的热心支持表示衷心的感谢。

马仕绪

2009年5月23日

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附件:（英译汉）

中文译文：

土耳其J引擎环保科技 25（2001）315-319 研究理事会

用作注塑成型的氧化锆基陶瓷的均匀原料的制备

户瑟寅 斯.索伊坎，耶尔马兹 卡瑞卡斯 撒卡里亚大学冶金和材料工程系，易森特皮,

54187 ， 阿达帕啥-土耳其

1999年9月4日收

到

摘 要: 在这项研究中，一种新的制备注塑成型的氧化锆陶瓷的均匀原料的方法被发现并作出了详细的解释。混合均匀性可以通过测量在成型和为几个从不同批次中拿出的管样品部分脱脂而减轻体重后的绿色密度来大概估计得到。粮食结构的一烧结标本是研究用扫描电镜为包装的陶瓷颗粒。 关键词：原料；混合；注射成型；氧化锆 导 言:

陶瓷注射成型（ CIM）作为一个制造过程中形成的复杂和近净形部件在过去 的20年前就已经出现。在这个过程中，高浓度的陶瓷粉末与粘结剂混合形成一个温和的粘度原料。塑造原料在那种非常相似于以前所用的聚合物注射成型的设备中成型。成型后，粘结剂从组成物中摘除。然后该粘结块加热到烧结温度，以使产品达到最终的高密度。此成型过程是适用于范围广泛的建立和新兴材料，可以用来获得竞争的最后优势（商务部长埃文斯， 1996年）。

该陶瓷注射成型的加工步骤已有案可稽（木瓷肃地，1995年）不过，有关原料制备详情的资料很少。在选择了一个合适的粉末和粘结剂系统之后，对于陶瓷注射成型,首先处理的步骤将他们混合来准备一个适当的原料成型和随后的处理（德国， 1991年） 。粉末含量高的均匀原料要求在去除粘结剂和烧结之后收缩

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很少。原料应具有与一个非常薄层粘结剂分离的粒子。要做到这一点，粉末团聚要分散在粘结剂里（道琼工业指数， 1988年）。两种混合粘结剂与陶瓷粉末的方法已开发（卫浮， 1970年和德国， 1990年）。其一，陶瓷粉末在一个特定的热点,再加上有机粘结剂混合调均达到一致的高温。在第二种混合法中，有机粘结剂是溶解在一个合适的溶剂中和由此产生的解决方案是将其与陶瓷粉末在球磨机，或叶片式混合器中混合。然后溶剂通过在溶剂的沸点以上温度加热混合物一足够的时间后从混合物中分开。在本研究的目的是为了使用第一种方法准备好有细密纹理的晶氧化锆陶瓷的均匀原料。

实验

材料:

在本研究中，氧化锆-氧化镁（8％）系统获选。用于本研究的粉体是高端氧化锆，和自然水菱镁矿（Mg-HC）作为氧化镁的来源。用Jeol JSM 6400扫描电子显微镜（SEM）观察到了粉末的粒子形状。一犁刀式LS130颗粒大小分析仪被用来测量粉末粒子的粒径分布。构成粘结剂系统的混合石蜡作为主要粘结剂和油酸作为表面活性剂。这粘结剂系统获选由于其熔化温度低，粘度低，易于减少约束力的进程。石蜡：油酸的比例按重量计算维持在一个接近95:5的值。每个组成部分的作用和性能的摘要列于表1 。 原料制备:

对经过多种准备原料的方法进行了调查，如图1所示的混合程序获得通过。首先，氧化锆和Mg-HC粉末在室温下机械混合30分钟，然后粉末混合物干燥，以消除湿度然后移入一电炉在200?C保温30分钟。同时，石蜡在80?C融化在一个西格玛搅拌器（桑托斯公司，西班牙）中而油酸是补充。该混合粉末逐渐添加到聚合物熔体混合60分钟，形成均匀混合物。在形成真空后，粉末加聚合物的混合物凝固而最终形成颗粒小件,如图2所示。

表1.粉体和有机材料的角色和性质

材料 氧化锆 作用 陶瓷粉末 来源 瑟皮瑞, 法国 熔点(?C) 第 24 页 共 43 页

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Mg-HC 石蜡 油酸表面 稳定剂 粘结剂 活性剂 默克公司，德国 默克公司，德国 默克公司，德国 56-59 10 成型:

典型的原料含有40％的陶瓷粉末和60％的粘结相。这些原料用五十○吨急进型注塑机（弗罗林, 一个货币公司，英格兰316）来注射成型 ，使他们在一端封闭的氧化锆管里结束成型。管外径六毫米，内径4毫米，长度50毫米。

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图2.粉末颗粒原料加聚合物的混合物

密度和重量损失测量:

一般，指数可用于量化混合程度,基于标准偏差或从混合物中现场抽取的样本在时间间隔上的差异。为此，样本的密度和重量损失须进行测量。一个基于阿基米德原则的汞位移法是用于密度测量和对结果与计算值进行比较。密度一致性是用来衡量均质性原料。原料的均匀性还可以从样品部分脱脂重量损耗测量后做出宏观的评估。此测试，样本嵌入一个铜框的ZrO2粉体,一起被放进一炉在130?C保温5小时。在这个过程中，部分脱脂与芯吸机制毛细管行动同时发生。在测试的最后，样本被重新权衡去确定目前每一次粘结剂的数额。从原料混合物中计算偏离原来的粘结剂数额，以确定同质性的程度。 结果与讨论:

扫描电镜研究，结果发现，氧化锆颗粒呈球形和Mg-HC颗粒呈鳞片型，如图3所示。粉末尺寸的大小分布如图4所示。氧化锆的平均粒径为1.3米，并不包含任何团聚。Mg-HC载弱团聚（ 10-17米）和其平均粒径约为1.5米。根据研究结果，这些粉末是适合注塑成型的过程的。

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a）

b）

图3.粉末的扫描电镜扫描， a）氧化锆和 b）Mg-HC

绿色密度结果:

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用此方法准备原料很容易在120?C左右使用冷模具注射成功。在成型温度下原料的粘度是足够的。设置时间20秒，足可让该管无失真和坚持从模具中退出。从不同批次所得的绿色密度列在表2。所有批次中的值非常相似由于混合原料。理论和测量样品的密度的最大差异小于3％。这表明，粘结剂和陶瓷颗粒基本上是均匀混合。

微分重量分布（％）

粒子直径（微米）

a）

微分重量分布（ ％ ）

粒子直径（毫米）

b）

图4.粉末的颗粒大小分布， a）氧化锆和 b）Mg-HC

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表2.原料的密度测量结果为所提出的混合40 v/o的陶瓷粉末

批次号 样品号 绿色密度 理论密度 密度差 （g/cm3） （g/cm3） （％）

减重结果:

部分脱脂结果列在表3 。所有分批的值表明，一个统一的粘结剂分布的规模大小被检查出， 即，二克的管。该脱脂速率为减轻的体重除以为三批在有限的范围内初始粘结剂的内容的样本改变量。最大的差异，在所有分批的脱脂率小于1％和进行分批来自不同样本的价值互相接近。这是混合均匀结果。 微观结构评价:

粘结剂已被完全拆掉和在1750?C烧结，保温5小时的一个扫描电镜的标本显示在图5 。此镜揭示了在晶粒结构和晶粒尺寸方面陶瓷粒子的统一包装条款。

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表3.部分脱脂的结果使为氧化锆管的样本所作的原料含有40 v/o的陶瓷粉末

批次号 样品号 脱脂速率(％) 平均脱脂速率(％) 差异(％)

图5.扫描电镜的标本，由于同质包装的陶瓷颗粒，显示统一的晶粒尺寸。

结论:

本研究的对象是产品小管的形状。这项研究的结果表明，该建议的制备原料

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的方法可用于大规模的工业应用。在原料制备过程中利用真空从最后的混合物消除空气。这使得成型步骤很容易。使用这种方法，原料无须任何隔离的粘结剂，可准备和注入。 鸣谢:

作者非常感谢研究理事会-穆尼尔 比入瑟列基金会提供财政支持。

References

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Evans, J.R.G, \\Injection Moulding\Materials Science and Technology: A Comprehensive Treatment, Vol. 17A, Processing of Ceramics, VCH, Weinheim, 267-311, 1996.

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英文原文：

Turk J Engin Environ Sci 25 (2001) , 315-319. c TUBITAK

Preparation of Homogeneous Feedstocks for Injection Moulding

of Zirconia-Based Ceramics

Huseyin S. SOYKAN, Yilmaz KARAKAS Department of Metallurgical and Materials Engineering, Sakarya University, Esentepe, 54187, Adapazar -TURKEY

Received

04.09.1999 Abstract:

In this study, a new method for preparing homogeneous feedstocks for injection moulding of ZrO2 ceramics was developed and explained in detail. Mixture homogeneity on a large scale was assessed by measuring green density after moulding and weight loss after partial debinding for several tube samples from different batches. The grain structure of a sintered specimen was examined using SEM for the packing of ceramic particles. Key Words:

Feedstock, Mixing, Injection Moulding, Zirconia Introduction:

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Ceramic injection moulding (CIM) has emerged in the last 20 years as a manufacturing process for forming complex and near-net shape components. In this process, a high concentration of ceramic powder is mixed with a binder to form a moderate-viscosity feedstock. This feedstock is moulded in equipment that is very similar to that used for polymer injection moulding. After moulding, the binder is extracted from the component. The debinded piece is then heated to the sintering temperature to attain a high final product density. The process is applicable to a wide range of established and emerging materials, and can be used to obtain competitive final properties(Evans, 1996).

The CIM processing steps have been well documented (Mutsuddy, 1995). However, there is little information about the details of feedstock preparation. After selecting a suitable powder and a binder system, the first processing step in CIM is to mix them to prepare an appropriate feedstock for moulding and subsequent processing (German, 1991). A homogeneous feedstock having a high powder content is required to achieve a low shrinkage during binder removal and sintering. The feedstock should have the particles separated with a very thin layer of binder. To achieve this, powder agglomerates have to be dispersed in the binder (Dow, 1988).

Two methods of mixing the binder with the ceramic powder have been developed (Waugh, 1970 and German, 1990). In one, the ceramic

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powder plus the organic binder are kneaded in a hot mixer to a homogeneous consistency at an elevated temperature. In the second mixing method, the organic binder is dissolved in a suitable solvent and the resulting solution is mixed with the ceramic powder in a ball mill or a blade-type mixer. The solvent then is removed by heating the mix for a su_cient time above the boiling point of the solvent. The aim of the present study was to prepare homogeneous feedstocks for _ne-grained ZrO2 ceramics using the first method. Experimental Materials:

In the present study, the ZrO2-MgO (8 mole %) system was selected. The powders used for the present study were high grade ZrO2, and natural hydromagnesite (Mg-HC) as the MgO source. The particle shapes of the powders were determined using a Jeol JSM 6400 scanning electron microscope (SEM). A Coulter LS 130 Particle Size Analyser was used to measure the particle size distributions of the powders. The binder system consisted of a mixture of paraffin wax as primary binder and oleic acid as surfactant. This binder system was selected due to its low melting temperature, low viscosity, and easy de-binding process. The paraffin wax: oleic acid ratio was maintained at a value close to 95:5 by weight. The role and properties of each component are summarized in Table 1. Feedstock preparation:

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After a number of ways of preparing the feed-stocks were investigated, the mixing procedure shown in Figure 1 was adopted. Firstly, ZrO2 and Mg-HC powders were mechanically blended at room temperature for 30 min and then the powder blend was dried to remove humidity in an electrical furnace at 200_C for 30 min. At the same time, paraffin wax was melted in a sigma blender (Santos Inc., Spain) at 80_C and oleic acid was added. The powder mixture was gradually added to the polymer melt and mixed for 60 min to form a homogeneous mix. After deairing with a vacuum, the powder plus polymer mixture was solidified and finally granulated into small pieces, as shown in Figure 2.

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Moulding

Typical feedstocks contained 40 vol. % ceramic powder and 60 vol. % binder phase. These feedstocks were injection moulded using a 50 ton plungertype plastic injection moulding machine (Florin Inc.,316

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England) to form them in the shape of ZrO2 tubes with one closed end. Tubes were 6 mm in outer diameter, 4 mm in inner diameter and 50 mm in length.

Figure 2. Feedstock pellets of the powder plus polymer mixture Density and weight loss measurements

In general, indices that can be used to quantify the extent of mixing are based on the standard deviation or the variance of the compositions of spot samples taken in intervals from the mixture. For this purpose, densities and weight losses of the samples were measured. An Hg-displacement method based on Archimedes' Principle was used for density measurements and the results were compared with the calculated values. The consistency in the density was used to measure the homogeneity of the feedstock. The feedstock homogeneity on a

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macroscopic scale was also assessed from the sample weight loss measurements after partial debinding. For this test, the samples were embedded into ZrO2 powder in a copper box and were put into a furnace at 130_C for 5 hours. In this process, partial debinding occurred with a wicking mechanism by capillary action. At the end of this test, the samples were re-weighed to determine the amount of binder that had been present in each. The deviation from the original amount of the binder in the feedstock mixture was calculated to determine the level of homogeneity.

Results and Discussion

With SEM studies, it was found that ZrO2 particles were spherical in shape and Mg-HC particles were flake-type, as shown in Figure 3. The results of the article size distributions are shown in Figure 4. ZrO2 had a mean particle size of 1.3 m and did not contain any agglomerates. Mg-HC contained weak agglomerates (10-17 m) and its mean particle size was

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around 1.5 m. According to the results, these powders are suitable for injection moulding process.

Figure 3. Scanning electron micrographs of the powders, a) ZrO2 and

b)Mg-HC

Green density results

The feedstock prepared with this method was injected easily at around 120_C using a cold mold. The viscosity of the feedstock was sufficient at moulding temperature. A setting time of 20 seconds was sufficient for the ejecting of the tubes from the mould without distortion and sticking. The green densities obtained from different batches are shown in Table 2.The values were very similar in all batches as a result of the well-mixed feedstock. The maximum difference between theoretical

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and measured sample densities was less than 3%. This shows that the binder and the ceramic particles were essentially uniformly mixed.

Weight loss results

The results of partial debinding are given in Table 3. The values for all the batches showed a uniform binder distribution on the scale of size examined,

i.e., tubes of 2 grams. The debinding rate as weight loss divided by the

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initial binder content of sample changed in a limited range for three batches. The maximum difference in the debinding rates for all the batches was less than 1% and the values obtained from different samples for batches were close to each other. This is a result of mixture homogeneity.

Microstructure evaluation

A scanning electron micrograph of a specimen from which the binder had been removed completely and which was sintered at 1750_C for 5 hours is shown in Figure 5. This micrograph reveals uniform packing of the ceramic particles in terms of grainstructure and grain size.

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Figure 5. Scanning electron micrograph of a specimen,showing

uniformgrain

size due to homogeneous packing of the ceramic particles Conclusions

This study was carried out on products in the shape of small tubes. The results of this study indicate that the proposed feedstock preparation can be used for large-scale industrial applications. The use of vacuum in the feedstock during preparation eliminated air from the final mixture. This makes the moulding step very easy. Using this method, feedstocks without any segregation of the binder can be prepared and injected. Acknowledgement

The authors gratefully acknowledge the TUBITAK-Munir Birsel Foundation for financial support. References

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