注塑成型工艺

1、第四章 注塑成型工艺 4.1 注射成型原理、特点及应用 4.1.1 注射成型原理 4.1.2 注射成型的特点及应用 4.2 注射机与注射成型系统 4.2.1 注射机的分类 4.2.2 注射机规格及主要技术参数 4.2.3 注射机的注射系统 4.2.4 注射机的合模系统 第四章 注塑成型工艺 4.3 注射成型工艺 4.3.1 注射成型的生产工艺流程 4.3.2 注射成型工艺参数4.1 注塑成型原理、特点及应用4.1.1 注塑成型原理 以柱塞式注射机为例，注射成型原理如图4-1所示。首先将粒状或粉状塑料从注射机的料斗送入配有加热装置的机筒中进行加热熔融塑化，使之成为粘流态熔体，然后在注射机柱塞的高

2、压推动下，以很高的流速通过机筒前端的喷嘴注入温度较低的闭合型腔中，经过一段时间的保压冷却定型后，开模分型即可从型腔（成型塑件的闭合空间）中脱出具有一定形状和尺寸的塑件制件（塑件），这样便完成了一个成型周期。4.1.2 注塑成型的特点及应用 注塑成型具有对塑料品种适应性强，可一次成型形状复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制件，生产效率高，易于实现自动化等优点，是热塑性塑料成型的一种重要方法。 注塑成型工艺发展很快，除了热塑性塑料注射成型以外，一些热固性塑料也可以成功地用于注塑成型，且具有效率高、产品质量稳定的特点；低反泡塑料（密度为0.2-0.9g/cm3）的注塑成型可以生产缓冲、隔声、

3、隔热等性能优良的塑料制件；双色或多色注射成型可以生产多种颜色、美观适用的塑料商品。此外，应用热流道注射成型工艺在获得大型塑件、降低或消除浇注系统凝料等方面具有明显优点。注射成型还是获得中空塑料制品型坯的重要工艺方法。 4.2 注射机遇注射成型系统 注射机是注射成型生产的关键设备，注射成型系统是指注射机内直接用于成型动作的注射系统、合模系统以及安装在注射机上的模具。4.2.1 注射机的分类 1. 按规格大小分类按注射机装置分类 （1）注塞式 其工作原理见4.1 节 ，这种设备（图4-1）结构简单，塑料融化所需的热量主要依靠机筒3外部的加热器5以热传导方式提供，由于塑料导热性差且机筒壁较厚，同时它

4、在机筒中的运动状态似层状流动，从而形成了塑料的外层（靠近机筒内壁）与内层之间存在着较大的温差，导致塑化均匀性差。虽然机筒内设置了分流锥4，增加了塑化效果，但塑化均匀性仍教差，且物料滞留严重、压力损失大，所需注射压力约为 螺杆式的2-3倍，只适合于小型零件的成型。 （2） 螺杆式 螺杆式注射机以加热筒和螺杆等实现成型物料的塑化及注射，如图4-2所示。其合模、注射、保压、冷却及脱模过程与柱塞式注射机相同，不同的是，螺杆具有塑化及注射两种功能。螺杆旋转产生强烈的搅拌混合与剪切作用，塑化均匀，物料滞留少，压力损失小，成型塑件的残余应力较小，设备结构简单，是目前应用较广的机种。（3） 螺杆预塑式 螺杆预

5、塑式注射机以一套机筒和螺杆进行塑化，另一套机筒和柱塞进行注射，如图4-3所示。这类注射机塑化均匀，计量准确，压力损失小，适合精密成型但物料滞留大，结构复杂。按外形结构特征分类 （1）卧式注射机 卧式注射机是注射机产品中最基本、最普通的形式，其结构特征是成型物料的注射系统与合模机构的轴线重合并与地面平行(图4-2)。其优点是机身较低、稳定。加料、操作及维修比较方便，且制品推出脱模后可自动坠落，易于实现机械化或自动化，但存在模具拆装不方便、安装嵌件麻烦以及占地面积大等缺点。（2）立式注射机 此注射机的结构特征是注射系统与合模机构的轴线重合并与地面垂直，如图4-4a所示。该结构具有占地面积小、模具拆

6、装较方便、安装嵌件容易、料斗中的物料能均匀地进入机筒等优点。但制品推出脱模后需要人工取出，不易实现机械化或自动化操作。另外，还有机身高、不稳定、加料不方便、对厂房高度有一定要求等缺点。目前，这类注塑机主要用于生产60cm3 以下的多嵌件制品，其结构也多为柱塞式，塑化效果不佳。（3） 直角式注射机 此注射机的结构特征是合模机构与注射系统的轴线相互垂直。使用和安装特点介于前面两类注射机之间，特别适用于生产形状不对称的塑件和使用侧浇口的模具。目前国内使用较多的直角注射机为沿水平方向合模，沿垂直方向注射，如图4-4b所示，合模机构采用丝杠传动，使用普遍。图4-4c为水平方向注射，沿垂直方向合模的直角式

7、注射机，用得较少。 此外还有偏心式注塑机、双机筒注射机、双色或多色注射机、双模系统注射机等。4.2.2 注射机规格及主要技术参数 目前，注射机的规格通常用注射容量（即注射能力）与锁模力的大小来表征。 注射机机筒内的柱塞或螺杆在一次注射行程中说能注射出的塑料的理论体积，称为注射容量，是表征注射机能力的主参数。按照国际标准规定，注塑机规格中标称的注射量，需要用定压条件（注射压力为100MPa）下的数值表示。注射机在其工作过程中，锁紧闭合型腔防止熔体向外溢出的力称为锁模力。锁模力的大小与注射机允许的成型面积有关。 国产SZ系列塑料注射机的型号编制标注方法如图4-5所示。4.2.3 注射机的注射系统

8、注射系统是注射机工作是直接与成型物料和熔体接触的零部件，其主要作用是使固体成型物料均匀地塑化成熔体，并以足够的压力和速度将熔体注入模具型腔。注射系统包括加料装置、机筒、柱塞及分流锥（柱塞式注射机）、螺杆（螺杆式注射机）和喷嘴。 （1）加料装置 也成为料斗，通常为倒圆锥形或方锥形金属容器，安装在注射机的较高部位并与机筒相连。 （2）机筒 即成型物料的塑化室，主要用来加热熔融物料。 （3）柱塞及分流锥 柱塞及分流锥是安装在柱塞式注射机筒内的注射和塑化零部件。柱塞在机筒内做往复直线运动，推挤和压缩塑料熔体通过喷嘴注入模具。分流锥是安装在机筒前端中心部位的一个分流部件，如图4-6所示。 其工作原理为：

9、熔料在经过分流锥时，被分劈成薄层，并产生收敛流动，以此缩短了机筒对物料的传热距离，提高了传热效果；同时物料在分流锥与机筒的间隙中产生加速运动，剪切作用增强，从而 生成一定量的摩擦热。两方面共同作用提高了物料的塑化与均衡效果。 设置分流锥后，可以缩短物料塑化时 间，改善塑料熔体的流动性能和塑件的成 型质量，同时使生产效率有所提高。 （4）螺杆 是螺杆式注射机的重要部件，通过螺杆在机筒内的旋转和轴向移动，实现对成型物料的塑化和注射动作。 （5）喷嘴 安装在机筒前部，其内部的喷孔是连接机筒和模具的通道，起引导塑料熔体从机筒进入模具的作用。4.2.4 注塑机的合模系统 合模系统的作用一是实现模具的开合

10、动作，二是注射时锁紧模具，三是开模时推出模内塑件。 注塑成型对合模系统最基本的要求是：合模时为模具提供可靠的锁模力，以免模具在塑料熔体的压力作用下沿分型面胀开，使制品产生分边，影响精度。 目前，注射机上使用的合模系统结构可大体分为液压式和液压机械式两大类。 （1）液压式 一般采用大直径活塞和液压缸进行模具的开合动作。优点是运动机构简单，能够适应不同模具的闭合高度，随时都可达到最大压力并保压；缺点是锁模力大时液压缸体积庞大，能 量消耗大，系统的刚性较差。 （2）液压机械式 以液压力驱动曲肘连杆机构进行开合模动作，具有自锁功能（图4-2）。 锁模刚性大，产品不易出飞边；模具的开合时间比较短，并有缓

11、冲作用，可以获得较佳的合模运动方式；但结构复杂，机械部分容易磨损，需要经常保养。4.3 注射成型工艺4.3.1 注射成型的生产工艺流程 注射成型的生产工艺流程如图4-7所示，按其先后顺序包括：成型前的准备、 注射过程、塑件后处理等，下面分别讨论。 1.成型前的准备 为使注射过程顺利进行和保证塑料制件质量，一般在注射之前要进行一些必要的准备工作。如对原料的外观（如色泽、颗粒大小及均匀度）与工艺性能（流动性、热稳定性、收缩性）进行检验和测定，判 断原料的各项性能与要求的参数是否相符；对原料的各项性能与要求的参数是否相符；对原料进行染色；进行含水量检测，对于某些易吸湿的塑料（如聚酰胺、ABS等）进行

12、充分干燥，以防产品表面出现银丝、斑纹、气泡和降解等缺陷；成型不同种类塑料前或发现塑料中有分解现象时，应对机筒进行清洗；在成型带有嵌件的塑件时，应对嵌件进行预热，以防嵌件周围的塑料因应力而开裂；对脱模困难的塑件，应选好脱模剂。由于注射原料的种类、形态、塑件的结构、有无嵌件以及使用要求的不同，各种塑件成型前的准备工作也不完全一样。2.注射过程注射过程 注射过程一般包括加料、塑化、注射充型和脱模几个步骤。（1）加料 由于注射成型是一个间歇的生产过程，因而需定量加料以保证操作稳定、塑料塑化均匀，最终获得良好的塑件。加料过多、受热时间过长等容易引起物料的热降解，并增加注射机的功率损耗；加料过少，机筒内缺

13、少传压介质 ，型腔中塑料熔体压力降低，难于补缩（即补压），容易引起塑件出现收缩、凹陷、空洞等缺陷。（2）塑化 对机筒中的塑料进行加热，使其由固态（颗粒状或粉状）转变成粘流态并具有良好可塑性的过程称为塑化。决定塑化质量的主要因素是物料的受热情况和所受到的剪切作用。通过机筒对物料加热，使聚合物分子松弛，由固体向液体转变，一定的温度是塑料得以形变、熔融和塑化的必要条件；螺杆的剪切作用能在塑料中产生更多的摩擦热， 加速了塑料的塑化，同时还强化了塑料的混合效果，使其扩展到聚合物分子的水平（而不仅是静态的熔融），它使塑料熔体的温度分布、物料组成和分子形态都发生了改变，并趋于更加均匀。因而螺杆式注射机的塑化

14、效果比柱塞式注射机好得多。 总之，对塑料塑化的要求是：塑料熔体在进入型腔之前要充分塑化，既要达到规定的成型温度，又要熔体温度均匀一致，还要使热分解物的含量达到最小值，并能提供足够的熔融塑料以保证 生产的连续进行。这些要求与塑料的特性、工艺条件的控制及注射机塑化装置的结构等密切相关。 （3）注射充型 注射充型指用柱塞或螺杆推动塑化后的塑料熔体快速充满模具型腔，并使熔体在压力下冷却凝固定型的过程。注射过程可分为充模、保压、倒流和浇口冻结后的冷却等几个阶段。如图4-8所示为一个注射成型周期内注射成型系统不同部位的压力随时间变化的曲线图。 曲线1是机筒计量室中注射压力随时间变化的曲线；曲线2是喷嘴末端

15、的压力变化曲线；曲线3是型腔始端（浇口处）的压力曲线；曲线4是型腔末端的压力变化曲线。 1）充模。 注射机柱塞或螺杆向前推进，使机筒前端塑化好的熔体经过喷嘴及模具浇注系统快速进入并填满闭合型腔，这一阶段称为充模。其中tA-tB时间段熔体充满型腔，注射压力迅速达到最大值p1，喷嘴压力也达到一定的动态压力p2。充型时间tA-tB是注射成型过程中最重要的参数，因为熔体在型腔内流动时 的剪切速率及聚合物分子的取向程度都取决于此。型腔始端压力与末端压力之差（ pB pB1）取决于型腔内熔体的流动阻力。 型腔充满后，压力迅速增加并达到最大值。型腔始端的最大压力为pC,末端的最大压力为pC1。喷嘴压力迅速增

16、加并接近注射压力p1。t B-tC是熔体的压实阶段，约占制品重量15%的熔体被压到型腔内。 2)保压。t C-t D是保压阶段。柱塞或螺杆继续保持施压状态，迫使浇口附近的熔体不断流入型腔，以补充因熔体冷却收缩而引起的型腔压力下降与产生的空间，从而能够形成形状完整而致密的塑件。此阶段熔体的流动速度更慢，柱塞或螺杆只有微小的补缩位移。3)倒流。 柱塞或螺杆回程时（及撤除保压力以后）喷嘴压力迅速下降至零，此时型腔内熔体会朝着浇口和流道进行反方向流动，这种现象称为倒流 。很明显，整个倒流过程将从注射压力撤除开始，至浇口处熔体冻结（简称浇口冻结）时 为止（时间tD -tE）。其型腔压力从pD降为pE。倒

17、流会使塑件产生收缩、变形及质地疏松等缺陷。引起倒流的原因是注射压力撤除后，型腔压力大于流道压力，且熔体仍具有一定的流动性。如果保压时间足够长，撤除注射压力时浇口已经冻结，则倒流现象就不会发生。浇口尺寸越小，冻结越快。但浇口冻结过快，会影响补缩，从而降低制品性能。当喷嘴带有止回阀时，也不会出现倒流。 4）冷却定型。冷却定型从浇口冻结开始，到制品脱模为止（时间tE -tF）。浇口冻结后，就不需要继续保压，因此可退回柱塞或螺杆，卸除机筒内塑料的压力，并加入新料重新塑化；同时型腔中的熔体在密闭状态下由于模具的冷却作用固化为塑件。脱模时制品内的压力pF称为残余压力。若残余压力过大，会造成制品变形、损坏和

18、卡模等弊病，过小会使制品表面凹陷，内部有真空泡。实际上冷却过程从塑料注入型腔起就开始了，它包括从充模、保压直到脱模前的这一段时间。 (4)脱模 当塑件冷却到一定温度即可开模，在推土机构的作用下将塑件脱出膜外。 3.塑件后处理 塑料制品脱模后，常需要进行适当的后处理来改善制品的性能和提高其尺寸稳定性。其主要方法有退火和调湿处理。 （1） 退火处理 由于塑件在机筒内塑化不均匀或在型腔内冷却收缩不均匀，其塑件会产生内应力。该应力可以通过退火处理消除，方法是将注射塑件在定 温的液体介质（如水、矿物油、甘油、乙二醇和液状石蜡等）或热空气循环烘箱中静置一段时间，然后缓慢冷却：这在生产厚壁或带有金属嵌件的塑

19、料时尤为重要。退火温度的下限为塑件使用温度以上10-20 C，上限为塑料的热变形温度以下10-20 C。退火处理的时间取决于塑料品种、加热介质温度、塑件的形状和成型条件。退火处理后冷却速度不能太快，以避免重新产生内应力。 退火处理的实质是松弛聚合物中冻结的分子链，消除内应力以及提高结晶度，稳定结晶结构。若制品的使用要求不高，则不必进行退火处理。 （2）调湿处理 聚酰胺等塑料制品在高温下与空气接触会氧化变色，或吸收水分膨胀而降低精度。调湿处理的目的是使制件的颜色、性能以及尺寸得到稳定。方法是将刚脱模的塑件放在热水中，以隔绝空气，防止对塑件的氧化，加快吸湿平衡。调湿处理的温度一般为100-120

20、C，时间随塑料的种类、塑件的形状、厚度及结晶度大小而异。 4.3.2注射成型工艺参数 合理的注射成型工艺应力求得到塑化良好的塑料熔体，并顺利地将其注射到型腔中去，在控制条件下冷却定型，使塑件达到所要求的质量。注射成型的主要工艺参数是塑化流动和冷却时的温度、压力以及各阶段的作用时间。 1.温度 注射成型时的温度条件包括料温、模温和脱模温度，料温影响塑化和注射充模，模温影响充模与冷却定型，而脱模温度则影响脱模质量。 （1）料温 料温包括塑化物料的温度和从喷嘴注射出的熔体温度，前者称为塑化温度，后者称为注射温度。一般来讲，合适的料温有利于塑化并会降低熔体粘度、流动阻力或注射压力损失，使熔体在模内的流

21、动和充模状况得以改善（流速增大、充模时间缩短），塑件的性能也可得到提高。料温太低时不利于塑化，熔体粘度也比较大，故流动与成型比较困难，成型后的制品容易出现熔接痕迹、表面无光泽和缺料等缺陷。 料温过高则容易引起热降解，导致制品的物理和力学性能变差。料温对成型条件及制品物理力学性能的影响如图4-9所示。 料温主要取决于机筒和喷嘴的温度。机筒温度的选择应保证塑料塑化良好，能顺利实现注射，又不引起塑料分解。机筒温度应根据塑料的热性能确定，部分塑料适用的机筒和喷嘴温度见表4-2。为了保证熔体塑化良好又不分解，机筒的温度分布应遵循前高后低的原则，即从料斗一侧（后段）至喷嘴（前段）温度逐步升高。对非结晶型塑

22、料而言，机筒前端最高温度应高于流动温度，而结晶型塑料应高于熔点，但都必须低于塑料的分解温度。此外，还应控制塑料熔体在机筒中的停留时间，停留时间过长也会引起熔体的逐步分 解。 采用不同类型的注射机，塑料在机筒内的塑化过程不同，因此机筒温度的选择也不同。柱塞式注射机的机筒温度应选高些，以使塑料内外层加热塑化均匀。螺杆式注射机由于螺杆旋转搅动，使物料在高剪切作用下自身摩擦生热，因此机筒温度可选择低一些。 选择机筒温度还应结合塑件及模具结构特点。薄壁塑件的型腔较狭窄，熔体流动阻力大，冷却快，因此机筒温度应选择高一些，以便提高塑料的流动性，达到顺利充模的目的。而对于厚壁塑件，机筒温度可低一些。 喷嘴温度

23、通常略低于机筒最高温度，过高会出现流延现象，但喷嘴温度过低则造成熔体冷凝堵塞喷嘴，或在型腔中流入冷凝料。 机筒和喷嘴温度的选择还与其他工艺条件有关。例如选用较低的注射压力时，为保证塑料流动，应适当提高机筒温度；反之，机筒温度偏低就需要较高的注射压力。 （2）模具温度 模具温度指和制品接触的型腔表壁温度。它对熔体的流动性与塑件的内在和外观质量影响很大。模具温度越低，冷却速度越快，熔体温度降低得越迅速，造成熔体粘度增大、压力损失增加，严重时会引起充模不足。随着模具温度的增加，熔体流动性增加，所需充模压力减小，制品表面质量提高，但由于冷却时间增长，生产效率会下降，同时制品的成型收缩率增大，精度降低。

24、合理的、分布均匀的模具温度，可以有效地改善熔体的充模流动性能、塑件的外观质量及物理力学性能，还会 会使塑件收缩均匀，翘曲变形小。 模具温度的高低取决于塑料结晶性、塑件的尺寸和结构、性能要求以及其他工艺条件（熔体温度、注射速度及注射压力、成型周期等）。 对于非结晶型材料，模具温度对其成型性能和塑件性能的影响如图4-10所示，可知温度对塑件力学的影响较小。在保证顺利充模的前提下，采用较低的模具温度可缩短冷却时间提高生产效率。 对于结晶型材料，模具温度较高时会减小冷却速率，利于结晶，故能提高制品的密度或结晶度。同时制品中聚合物大分子过程较快，分子取向作用和内应力都会降低。模具温度可控制在玻璃化温度T

25、g与最大结晶温度T vmax 之间如图4-11所示。 （3）脱模温度 只有当熔体在模具内冷凝获得要求的形状和足够的强度是才能脱模为保证脱模是不变形，一般应使塑件的脱模温度低于塑件的热变形温度。 2.压力 （1）塑化压力 塑化压力是指采用螺杆式注射机时，塑料塑化过程中所能承受的压力。 塑化压力的大小应根据塑料品种而定，对于热敏性塑料，塑化压力应低些，以防止塑料塑料过热分解；对热稳 定性高的塑料，塑化压力高时不会有分解的危险；对熔体粘度大的塑料，背压过高容易使螺杆传动系统超载；对于粘度很低的塑料，塑化压力要低些，否则因熔体倒流使塑化效率将大为降低。 2）注射压力 注射压力是指注射时柱塞或螺杆对塑料

26、熔体所施加的压力，一般在40-130MPa之间。其作用是克服塑料熔体从机筒流向型腔的流动阻力，使熔体具有一定的充模速率和对熔体进行压实等。选择注射压力时，首先应考虑注射机所允许的注射压力，并在其额定范围内调整制品所需要的注射压力。注射压力过低时会 导致型腔压力不足，不能实现充模和保压补缩；注射压力过大，不仅会造成制品变形，甚至系统过载。部分塑料的注射压力见表4-5. 注射压力的大小取决于塑料品种、注射机类型、模具结构、塑件形状尺寸和表面质量及其他工艺条件，尤其是浇注系统的结构和尺寸。为了保证塑件的质量，对注射速率有一定要求，而注射速率与注射压力有直接关系。在同样条件下，注射压力越高，注射速率也

27、越高。对于熔体粘度高的塑料，其注射压力应比粘度低的塑料高；熔体与模具间的摩擦因数越高，注射压力应越高；对壁薄、面积大、形状复杂及成型时熔体流程长的塑件，注射压力也应提高，而塑件结构简单，浇口尺寸较大时，注射压 力可以偏低；对于柱塞式注射机，因机筒内压力损失较大，其注射压力应比螺杆式注射机的高；机筒温度和模具温度较高时，注射压力可以较低。注射压力对塑料成型性能的影响如图4-12所示。由于影响注射压力大小的因素较多，一般要经过试模才能确定。 型腔充满后，注射压力将主要用于对模内熔体的压实，或称保压。在生产中，保压压力可等于注射压力或适当降低。保压压力高，可得到密度较高、尺寸收缩小、力学性能较好的塑件，但塑件脱模困难，脱模后的残余应力较大，因此，保压压力应适当。 实际上，直接影响塑件质量