注射成型工艺及制件的结构工艺性设计

第四章

注射成型工艺及其制件的结构工艺性设计

教学目的、要求：掌握注射成型的主要工艺过程及其设备;

熟悉注射成型工艺的影响因素；掌握塑料制件结构工艺性设计。本章重点：注射成型的工艺及其设备；成型工艺对制品几何形状的要求。本章难点：注射成型时的塑化1/13/20231一次成型——加热使塑料处于粘流态，经过流动、成形和冷却硬化（或交联固化），制成各种形状的产品的方法。二次成型——将一次成型所得片、管、板等塑料成品，加热使其处于类橡胶状态（在Tg~Tf或Tm间），通过外力作用使其形变而成形为各种较简单形状，再经冷却定型而得产品（热塑性塑料）。1/13/20232

一次成型法可制得各种形状和尺寸精密的制品，应用广泛。包括——注射、挤出、压制、压延、铸塑、传递模塑、模压烧结、泡沫塑料的成形，前四种最重要。二次成型主要包括——中空吹塑、热成形、取向薄膜的拉伸、合成纤维的拉伸等。1/13/20233§4-1

注射成型工艺及设备

亦称注射模塑或注塑，是热塑性塑料的一种重要成形方法。且多种热固性（如酚醛塑料）塑料也可用此法成法。特点——周期快、适应性强、生产率高、能一次成形外形复杂，尺寸精确的制品、制品种类繁多，易实现自动化。目前，注射制品占30%左右。1/13/20234一、注射机的基本结构

按外形特征分：立式——（图a）小型注射机，制品顶出不易自动脱落卧式——（图b）应用最广，大、中、小型角式——（图c）介于立、卧式之间，特别适用不对称塑件和侧浇口模具，大、中、小型均有

1/13/20235【注】注射机规格主要用注射量（注射能力）与合模力的大小表示。注射量一般以注射机“一次所能注射的聚苯乙烯最大质量：克”为标准，也可用容积“cm3”。其它塑料注射量参照附录C进行换算。

ISO规定注射量需用定压（100MPa）下的数值。

合模力（锁模力）指锁紧闭合模腔防止塑料向外溢出的力。1/13/20236按结构特点分：

柱塞式——（下图）（注射量≤60g）螺杆式——（图）（注射量>60g，大多）螺杆预塑式——（图4.4）一套料筒和螺杆塑化，另一套料筒和柱塞进行注射1/13/202371/13/20238按注射机加工能量——注射量和锁模力（下表）1/13/20239此外，按用途、按合模机构特征进行分类——

机械式、液压式、液压机械式注射机主要由注射系统、锁模系统、液压系统及模具等组成1/13/202310（一）注射系统

使塑料受热，均匀塑化直至粘流态，在很高的压力和较快速度下通过螺杆或柱塞的推挤注射入模。包括——加料装置、料筒、螺杆（或柱塞及分流梭）、喷嘴等。1/13/2023111．加料装置——倒圆锥或方锥形（1~2h用

料），计量装置或加热干燥装置。

2．料筒——即塑化室，与挤出机料筒近似

容积决定注射机最大注射量：

柱塞式——容积为4~8倍最大注射量

螺杆式——2~3倍最大注射量3．柱塞及分流梭柱塞——坚硬的金属圆棒，D=20~100mm1/13/202312分流梭——（下图）提高塑化效果（用于

柱塞式），螺杆式不需分流梭。

1/13/2023134．螺杆——作用是送料、压实、塑化、传压

注射螺杆与挤出螺杆的区别：注射螺杆长径比、压缩比较小，均化段较短，螺槽深，加料段较长（螺杆一半），头部尖且与喷嘴吻合5．喷嘴——在料筒前部，连接料筒和模具的通道

主要作用是注射时引导塑料从料筒进入模具，并具有一定射程，进一步混合塑化

1/13/202314热塑性塑料的注射喷嘴常用三种形式（下图）：通用式、延伸式、弹簧针阀式

1/13/202315图a）通用式（最普遍）结构简单，制造方便，无加热装置，注射压力损失小，常用于PE、PS、PVC及纤维素等。图b）延伸式（通用式改进型）结构比较简单，制造方便，有加热装置，注射压力降较小，适用于PMMA、POM、PSU、PC等。图c）弹簧针阀式（自锁式）结构较复杂，制造困难，流程较短，注射压力降较大，适用于尼龙、涤纶等粘度较低的塑料。1/13/202316（二）锁模系统

成形时，熔融塑料通常以40~200Mpa高压注射入模，为保证模具严密闭合→足够的锁模力。常见的锁模系统机械式、液压式、液压机械式1/13/202317锁模力F——锁模力（KN）p——注射压力（MPa）A——与施压方向垂直的制品投影面积，m2x——压力损耗系数，x=0.3~0.6K——安全系数，K=1~1.31/13/202318（下图）最常见的锁模系统是具有曲臂的

机械与液压相结合装置

1/13/202319（三）液压传动与电器控制系统保证注射机实现塑化、注射、固化成形等各个工艺过程的预定要求和动作程序。包括——电动机、油泵、管道、各类阀件、液压元件、电器控制箱等。

（四）注射模具1/13/202320二、注射成型的工艺过程

包括——成型前准备、注射过程、制件的后处理等。（一）成型前准备

原料的检验、预热及干燥、嵌件的预热和安放、试模、清洗料筒及试车等

1/13/202321（二）注射过程

包括加料、塑化、注射充模、冷却固化、脱膜（如图）注射成形工艺过程示意图1/13/2023221/13/202323最重要的是塑化。塑料的塑化原理——塑化是指塑料在料筒内经加热达到充分的熔融状态，使之具有良好的可塑性。主要因素：受热情况、剪切作用

1/13/202324螺杆式注射机塑化较柱塞式好得多。对塑料的塑化要求

:

与塑料的特性、工艺条件的控制有关，还与注塑机塑化装置的结构密切相关。1/13/202325以柱塞式注塑机内的塑化为例加以讨论

所需温度来自两方面：料筒壁对物料的传热物料内部的摩擦热塑料初温——To料筒加热后其内壁温度达到Tw，（Tw-T0）应是塑料可达到的最大温升实际上在加料口→喷嘴升到T（T<Tw），塑料的实际温升（T-T0）1/13/202326加热效率

E↑→有利于塑料的塑化1/13/202327E值的影响因素：

1）料筒长度、传热面积↑、塑料受热时间↑、塑料的热扩散速率↑→塑料获得较多热量→T↑→E↑，（柱塞中是难以实现的）另外：存料量（Vp）多、注射周期（tc）长→受热时间t↑→塑料温升↑→E↑（W-每次注射量)1/13/202328但t过长→降解，故Vp不超过最大注射量的3~8倍

热扩散速率α与热传导系数λ、比热C和密度ρ有下列关系

α正比于λλ都较小，故要α↑→取决塑料是否搅动

柱塞式加热效率不如螺杆式，塑化质量也较差。1/13/2023292）E与料层的厚度、塑料与料筒表面的温差有关。

塑料导热性差，随料层厚度↑，料筒与塑料间温差↓→E↓

故减少柱塞式料层厚度很必要→在料筒前端安装分流梭

目的

：产生剪切、收敛流动→热扩散作用↑，且分流梭对塑料的传热作用→加热面↑→改善塑化1/13/2023303）E还受塑料中温度分布影响

平均温度Ta常处于加热温升的最小温度Ti（Ti>T0）和料筒壁温（控制温度）Tw之间。即，熔体实际温度→Ti~Tw；塑料从料筒实际所获得热可由温差（Ta~T0）表示，

Tw一定，温度分布加宽→Ta↓→（Ta-T0）↓→E↓，反之，温度分布变窄→Ta↑→(Ta-T0)↑→E↑1/13/202331（如下图）

实际证明，为使塑化质量↑→E≥0.8，则

在T决定时→确定Tw1/13/202332综上所述，在分流梭能提供热量情况下，E与热扩散速率α、料层厚度δ和受热时间t的关系，可用函数式表示

如果分流梭不能提供热量，仅从料筒吸热→料层厚度增加一倍，因此，上式变为1/13/202333大多数情况下，

E实际上介于上两式之间，则函数式为

n——与加热系统有关的系数1≤n≤2n=1（分流梭不能对塑料加热）n=2（分流梭具有加热能力）1/13/202334（下图）E与热流动系数间关系曲线

在其它条件（α，t，δ）不变时，随n↑→E↑1/13/202335但随注射速度（单位时间的注射量）↑→E↓（见下图）注射机的生产能力→加热料筒的塑化能力和注射成形周期，

1/13/202336塑化能力——以单位时间内料筒熔化塑料的质量（塑化量）qm表示

在一个成形周期内，塑化量必须与注射量相平衡，所以塑化能力可用下式表示

qm——塑化能力（kg/h）w——注射量（g）tc——一个注射周期（s）1/13/202337此外，塑化能力还与加热温度及塑料性质有关（见下图）

1/13/202338[注]：对于螺杆式注射机，由于螺杆剪切作用引起的摩擦热大，能使塑料温度升高，温升值为

D——螺杆直径n——螺杆转速H——螺槽深度C——塑料比热η——熔体粘度剪切作用和温升使加热效率增加，→塑化质量、塑化量↑1/13/202339（三）制件的后处理

后处理主要指退火、调湿处理、整修

退火——在Tg与Tf之间加热，让制品“退火”，降低内应力、解取向→硬度↓、韧性↑调湿处理——对尼龙类吸湿性大的制品，成型后在一定湿度环境中调湿处理，以免制品在使用时尺寸变化较大。整修——小修整或装配，满足制品表观质量。

1/13/202340三、注射成型工艺的影响因素

核心问题——得到塑化良好的塑料熔体，注射到模腔中去，在控制条件下，冷却定型，使制品合乎质量要求。最重要的工艺条件是——温度（料温、喷嘴温度、模温）、压力（注射压力、模腔压力）和相应的各个作用时间（注射、保压、冷却）以及注射周期等。1/13/2023411、温度

1）料温影响塑化和充模料温的高低，主要决定于塑料的性质，必须把塑料加热到Tf或Tm以上，且低于TD。料温低→不易于塑化和注射料温高→有利于塑化、注射，但易发生降解，喷嘴处易发生流涎现象。从料斗一侧至喷嘴，由低到高→塑料逐步塑化。（图4.8）P39料温对塑件性能的影响

1/13/2023422）喷嘴温度

注射时以高速通过喷嘴细孔、有一定摩擦热，为防止“流涎”，喷嘴温度略低于料筒最高温度；但也不能太低，否则堵塞，甚至冷料带入模腔。（表4.2）部分塑料适用的料筒和喷嘴温度1/13/2023433）模温影响冷却定型和充模

模温高——增加流动性，减小充模压力、制品中的应力，但冷却时间长；模温低——流动差，产品中应力大，影响表面质量（表面粗糙）。（表4.3）部分塑料的注射温度与模具温度（表4.4）常用热塑性塑料的热变形温度1/13/202344（下图）模温对成形和制品性能影响1/13/2023452、压力

1）注射压力——螺杆、柱塞在运动中其头部对塑料熔体所施加的压力。是充模、成形的重要因素。压力太小，充不满压力太大，溢料（飞边）具体可查表4.51/13/2023462）塑化压力（背压）——螺杆在塑化物料过程中，前端聚集的熔体对它施加的作用力。

影响熔体实际温度、塑化效率及成型周期等。由塑料品种而定。3）模腔压力（保压力）——为了压实和补料所施加的压力，它影响制品的收缩率和内在质量。

可等于注射压力或适当降低。1/13/2023473、注射成形周期和注射速度

1）注射成形周期（完成一次注射成型过程所需时间）加料→预塑→充模→保压→冷却→开模→脱模→闭模及辅助时间1/13/2023482）注射速度注射速度快，剪切速率增大，温度升高→有利于充模；但速度太快，不利于排气，塑料易发生降解。常用塑料注射成型工艺参数见附录F1/13/202349（下表）某些热塑性塑料的主要成形工艺条件

1/13/202350§4-2塑料制品材料及结构工艺性设计一、制品的选材设计塑料制品，首先应根据使用要求来选择合适的材料，主要依据有：1）力学性能：强度、刚性、韧性等2）物理性能：温度、绝缘性3）化学性能：耐腐蚀性、卫生程度4）精度：尺寸稳定性、收缩率5）成型工艺性：流动性、结晶性1/13/202351举例：1、ABS用于制造电话机壳，电视机、

收录机、洗衣机、计算机等外壳原因：①流动性好、收缩率小②耐热温度100℃，在此之下有较高的冲击韧性，表面硬度，耐磨性③制品尺寸稳定性好，表面有光泽、可抛光、电镀1/13/2023522、聚苯乙烯（PS）用于仪表

外壳、容器及插座等原因：①透明度仅次于PMMA（产量次于聚乙烯、聚氯乙烯）②耐酸、碱、油水能力强，理想高频绝缘材料③使用温度-30~80℃1/13/2023531/13/202354二、成型工艺对制品几何形状的要求1．脱模斜度设计脱模斜度的目的：①型腔中设计脱模斜度是为了使制品从型腔中顺利脱出，用于型芯之上；②型芯侧设计则是为了使制品能容易地从型芯上被顶出。1/13/202355[注]设计脱模斜度的原则：①在满足尺寸精度要求的前提下，尽可能取大（避免顶白，顶破等缺陷）②脱模难（收缩率大，制品高、大），取大，脱模易（高度很小），取小（小于2～3mm可不设计斜度）常用经验值，一般在15′~2°

通常取0.5°1/13/2023561/13/2023572．制品壁厚设计原则：①必须有一定的厚度：为了充模及顶出的需要如杯子：高→厚短→薄②尽可能均匀：收缩不均匀，导致缩孔、凹陷经验数据①热塑性：1~4mm②热固性：1~6mm1/13/2023581/13/202359

1/13/2023601/13/2023613．加强筋作用：①增加制品的刚度和强度（如空调架子）②防止翘曲变形缺点：引起收缩的不均匀，影响外观和内在质量，必须合理布置

1/13/2023621/13/2023631/13/2023644．圆角作用：①避免应力集中，提高强度②便于充模和脱模③便于模具制造，提高模具强度数值取经验值，（见上图）1/13/2023655．孔设计原则：①不能减弱制品强度→孔间距，孔边距②不增加模具制造的难度→避免侧向抽芯1/13/202366【注】热塑性塑件的b值按表中数值的75％确定

塑件上固定用孔和其它受力孔周围可设计成凸边或凸台来加强（见下图）1/13/2023671/13/2023681/13/2023691/13/2023706．支承面采用边框或底脚来支承，避免大面收缩不平

1/13/2023717．花纹、标志制品上应用凸型文字

目的——方便制造刻印章例：右图1/13/202372§4-3

螺纹与齿轮设计可直接成型，一般无需切削加工，应用越来越广。一、塑料螺纹设计应选用较大的螺牙尺寸，较小时不要选用细牙螺纹，否则影响使用强度。下表列出塑料螺纹选用范