1、注塑成型 InjectionMoulding沈育才 概述 注射成型 注射兼模塑的成型方法 又称注塑成型 塑料 除氟塑料以外的大多数热塑性塑料和某些热固性塑料 注射成型制品约占塑料制品总重的20 30 橡胶 在模压法和移压法生产基础上发展的 主要注射成型制品有密封圈 带金属骨架模制品 减震垫 空气弹簧和鞋类等 也有试用于注射轮胎制品 注射成型适用原料 概述 1 周期性 间歇式生产过程 成型周期短 几秒 几分钟 2 能一次成型形状复杂 尺寸精度高 带有各种金属或非金属嵌件的模制品 产品质量稳定 3 生产效率高 易于实现机械化 自动化操作 注射成型是一种比较经济而先进的成型技术 具有广阔的发展前景
2、注射成型特点 概述 注射成型过程 工艺较为简单 重点应掌握注塑制品性能的影响因素和机理 并加以控制 概述 注射成型的必要条件 物料必须以熔融状态进入模具 熔体必须有足够的压力或流速保证及时充满模具 注射机的职能和组成 相应注塑机必须具备三个职能 塑化 注射和成型 故注塑机组成部分 注射装置 完成塑化或注射 合模装置和模具 完成成型基本职能 2 注射成型工艺过程 3 注射成型工艺条件 1 注射机的结构与作用 1 注射机的结构与作用 注射机的规格 注塑机的规格以塑机一次性所能注射出最大注射量或称公称注射量 克数 为标准 可以从一克以下至几十公斤 注射机的的组成 注射系统 合模系统 液压传动和电器控
3、制系统 注射机的最大注射量或称公称注射量 指注射机在对空注射 无模具 条件下 注射螺杆或柱塞作一次最大注射行程时 注射系统所能达到的最大注射量 注射机的结构与作用 注射装置 合模装置 液压传动系统 电气控制系统 注射机的结构与作用 注射机的分类 按照外形特征分 同一水平中心线上 卧式 同一垂直中心线上 立式 互成角度 90度 角式 注射机的结构与作用 按照塑化方式分 柱塞式注射机 缺点 1塑化不均 2最大注射量受限 3注射压力损失大 4注射速度不均 注射机的结构与作用 按照塑化方式分 移动螺杆式注射机 借助螺杆的旋转运动 使材料內部也摩擦发热 塑化均匀 连续注射量不限 注射压力和速度均匀 大部
4、分采用 注射机的结构与作用 注射机的注射系统 注射系统组成 加料装置 料筒 螺杆 柱塞和分流梭 喷嘴等 注射系统作用 塑化能在规定的时间内将规定数量的物料均匀地熔融塑化至 流动状态 注射以一定的压力和速度将熔料注射到模具型腔中去 保压注射完毕后 有一段时间螺杆保持不动 以向模腔内补充一部分因冷却而收缩的熔料 使制品密实和防止模腔内的物料反流 注射机的结构与作用 加料装置 料斗有计量装置和干燥装置 注射机的结构与作用 料筒 塑料受热和受压的容器 料筒容积 柱塞式注塑机 最大柱塞量的6 8倍移动式螺杆注塑机 最大柱塞量的2 3倍 内壁光滑呈现流线型 减少流动阻力 注射机的结构与作用 柱塞和分流梭
5、仅限于柱塞式注塑机 柱塞在料筒中作往复运动 将油缸压力施加到熔融的塑料注射入模 注射机每次的最大注塑量为柱塞的冲程和柱塞的截面积乘积 分流梭位于接近喷嘴的料筒中心位置 作用 料流变薄 传热塑化效果提高 分流使得流速增加 注射机的结构与作用 螺杆 与挤出机螺杆相比 1 螺杆作用 供料 塑化以及传递注射压力 2 加料段长 约为螺杆长度一半 因螺杆轴向位移 3 螺槽深 提高生产率 4 注射机螺杆的运动方式 既作转动又作平移 5 注射螺杆头部形式不同 熔体粘度大 锥形机头 熔体粘度小 止逆环 防止熔料积存和沿螺槽回流 注射机的结构与作用 注射机的结构与作用 喷嘴 联结料筒和模具的过渡部件 作用 将熔料
6、的压能转变为速度能 使熔料获得高速远射程 具有补缩作用 在压力保持阶段 有少量的熔料经喷嘴向模腔补缩 使物料受到较大的剪切作用 因而获得进一步的塑化 注射机的结构与作用 注射机的合模系统 组成 导柱 又称拉杆 固定模板 移动模板 调模装置 顶出装置和传动装置等 作用和要求 锁紧模具 提供足够的合模力和系统刚度 使注射时不致开缝溢料 固定模具 具有足够安装模具的模板面积和模具开合 取出制品的行程空间 启闭模具 当模具作开合移动时 要求具有符合工作要求的移模速度 分类 液压式合模系统 液压机械式合模系统 机械式合模系统 注射机的结构与作用 液压式锁模装置 机械式锁模装置 注射机的结构与作用 合模力
7、 吨力 千牛顿 合模力注射机合模机构对模具所施加的最大夹紧力 合模力是注射机的又一重要参数 它在一定程度上反映了注射机加工制品能力的大小 所以 有些国家采用最大合模力作为注射机的规格参数 根据注射机锁模力范围不同 可以将注射机分为超小型 小型 中型 大型和超大型 巨型 等类型 注射机的结构与作用 注射机的结构与作用 注射机的模具系统 一般注射模具可由以下几个部分组成 1 成型零部件2 合模导向机构3 浇注系统4 侧向分型与抽芯机构5 推出机构6 加热和冷却系统7 排气系统8 支承零部件 注射机的结构与作用 注塑成型工艺过程 注塑过程 1 合模锁紧 低压快速 低压低速 高压锁紧 2 注塑装置前移
8、 3 预塑计量过程 注塑成型工艺过程 塑化过程要求 使物料获得完全的熔融 充分的混合 达到规定的成型温度 并且温度分布均匀 无过热分解现象发生 熔体温度均一性程度常常是造成注塑制品质量优劣的重要原因 因而它亦是注射装置塑化质量的衡量条件 注塑成型工艺过程 塑化过程影响因素 设备因素 柱塞式注塑机 注射过程和塑化过程同时完成 柱塞前进过程中 前移的物料既有熔体也有固体 能量大部分来源于料筒外热 少部分来源于柱塞前移过程中的剪切热和摩擦热 螺杆式注塑机 螺杆转速 料筒外热 预塑背压 注射机料筒内物料升温曲线1 螺杆式注射机 剪切作用强烈时 2 螺杆式注射机 剪切作用较平缓 3 柱塞式注射机 靠近料
9、筒的物料 4 柱塞式注射机 中心部分物料 注塑成型工艺过程 注塑成型工艺过程 料筒温度 料筒加热是为了使物料塑化并流动 但又不能产生热分解 因此 料筒温度应控制在流动温度 Tm 热分解温度 Td 在此温度范围内 根据不同情况可选较低或较高值 Tm Td范围小的塑料 PVC等 为减小分解 料筒温度应取低些 Tm Td范围大的塑料 PEPS等 料筒温度可取高些 以强化塑化 同种塑料 MFR较小者 分子量大 分子量分布窄 熔体粘度大 为获得适宜流动性 料筒温度可取高限 反之则取低限 注塑成型工艺过程 分子链结构较刚性的塑料 PC PMMA PA66等 其粘流活化能大 即剪切粘度对温度较为敏感 故升高
10、温度有利于降低其熔体粘度 料筒温度宜取高限 薄壁 复杂结构 长流程 带金属嵌件的制品 因充模困难 料筒温度宜高些 螺杆式注塑机的料筒温度较柱塞式高10 20 螺杆行程 计量行程 注塑成型工艺过程 当预塑程序到达时 螺杆开始旋转 物料被输送到螺杆头部 螺杆在物料的反压力作用下后退 直到设定的终止位置为止 螺杆后退的距离称为螺杆行程或计量行程 物料在螺杆头部所占有的容积就是螺杆后退所形成的计量容积 也就是注射容积 因此 制品所需的注射量是用计量行程来调整的 注塑成型工艺过程 注射量的大小与计量行程的精度有关 如果计量行程调节太小会造成注射量不足 如果计量行程调整的太大 使料筒前部每次注射后的余料太
11、多 使熔体温度不均或过热分解 计量行程的重复精度的高低会影响注射量的波动 料温沿计量行程的分布是不均匀的 增加计量行程会加剧料温的不均匀性 注塑成型工艺过程 注射过程 注射过程 塑化良好的聚合物熔体 在柱塞或螺杆的压力作用下 由料筒经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模腔这一重要而又复杂的阶段 包括注射充模流动阶段 保压补缩流动阶段和切换倒流流动阶段 注塑成型工艺过程 注射充模过程是螺杆在注射油缸推力作用下 螺杆头部产生注射压力 将储料室中的熔体经过喷嘴 模具流道 浇口注入型腔 此过程是熔体向模腔高速流动的过程 注射时 在螺杆头部熔体所建立起来的压强称注射压力 螺杆推进熔体的速度称注射速度 其流
12、率称注射速率 其行程称注射行程 在数值上与计量行程相一致 在注射阶段 必须使熔体有足够的压力和速度 才能完成好充模过程 保证制品质量 1 注射充模流动阶段 注塑成型工艺过程 A熔体在模腔内的充模流动类型 熔体的充模过程 从聚合物进入模腔开始到模腔被充满时为止 熔体充模的流动应为层流流动 充模时熔体在模腔内的流动类型主要由熔体通过浇口进入模腔时的流速决定 分为快速充模和慢速充模 注塑成型工艺过程 慢速充模熔体以层流形式自浇口向模腔底部逐渐扩展 能顺利排出空气 制品质量较均匀 但过慢的速度会延长充模时间 易使熔体在流道中冷却降温 引起熔体粘度提高 流动性下降 充模不全 并出现分层和结合不好的熔接痕
13、 影响制品的强度 注塑成型工艺过程 快速充模熔体流首先射向对壁 使熔体流成为湍流 严重的湍流引起喷射而带人空气 由于模底先被熔体充满 模内空气无法排出而被压缩 这种高压高温气体会引起熔体的局部烧伤及分解 使制品质量不均匀 内应力也较大 表面常有裂纹 注塑成型工艺过程 B熔体流动的运动机理 充模时熔体前缘变化的各阶段 1 开始阶段 2 过渡阶段 3 主阶段 熔体从浇口处向模腔底部以层流方式推进时 形成扩展流动的前峰波的形状可分成三个典型阶段 熔体流前缘呈圆弧形的初始阶段 前缘从圆弧渐变为直线的过渡阶段 前缘呈直线移动的主流充满模腔的阶段 注塑成型工艺过程 2 保压补缩流动阶段 当高温熔体充满模腔
14、以后 就进入保压补缩阶段 一直持续到浇口冻封为止 以便获取致密制品 即为保压补缩阶段 保压阶段的特点是 熔体在高压下慢速流动 螺杆有微小的补缩位移 物料随冷却和密度增大使制品逐渐成型 在保压阶段 熔体流速成很小 不起主导作用 而压力却是影响过程的主要因素 在此压力作用下 模腔中的熔体得到因冷却而补缩 制品得到压缩与增密 在此过程中 保压压力起主导作用 注塑成型工艺过程 保压压力 在保压阶段 保压压力必须足够大时才能克服浇口阻力进行补缩 而浇口阻力由于熔体粘度增加而加大 提高保压压力会使凝固推迟 有助于减少制品收缩率 保压压力对制品的密度也有很大的影响 提高保压压力 可以提高制品的密度 持续的压
15、缩作用能促进制品内各部分熔体更好的熔合 而对提高制品的力学强度也有利 但是保压压力过高会增加制品的内应力 使制品难以脱模 注塑成型工艺过程 保压时间 在保压的初期阶段 制品重量随保压时间的而上升 但达到一定时间后 则重量则不再增加 如果保压时间不足 即保压压力过早切换 模内熔体在浇口冻封之前发生倒流 导致制品由于补缩不足而出现孔穴 凹陷及内部质量下降等 制品收缩率加大 密度变小 但是过长的保压时间不仅会延长成型周期 增加能耗 当浇口凝封时 模腔中的剩余压力就比较大 以致使脱模困难 而且会引起浇口处的应力集中 制品断裂 保压时间与料温 模温 流道及浇口大小有密切关系 通常以制品收缩率波动范围最小
16、为保压时间的最佳值 注塑成型工艺过程 3 切换倒流流动阶段 发生在从螺杆开始后退到浇口完全凝封之前 柱塞或螺杆开始回移运动 喷嘴压力迅速下降到零 这时若模腔内的聚合物还具有一定的流动性 浇口内的熔体尚未凝固 就会因为模腔内压力高于流道压力而出现倒流现象 使模腔内压力很快下降 倒流要一直持续到浇口内的熔体凝固为止 浇口凝封时模内压力称为封口压力 这一压力和与此相对应的聚合物温度对制品性能有极大的影响 封口压力越高 封口料温越低 有利于降低制品的收缩率 使尺寸精度提高 收缩率小 但内应力大 脱模困难 封口压力可通过保压时间和模具温度来控制 4 冷却定型阶段 注塑成型工艺过程 即从浇口凝封到打开模具
17、之前 模具被打开 但模腔内还保持有一定压力 这压力称为残余压力 模腔压力和外界压力之差 A进一步冷却 使得制品有一定强度和硬度 防止顶出变形和冷却不均 B残余压力为正值 脱模困难 浇口应力集中多 残余压力为负值 制品表面有气泡或陷痕 注塑成型工艺过程 5 注塑周期 完成一次注射模塑过程所需的时间 闭模 开模 顶出 取制品 柱塞式 压缩物料 充模 保压 柱塞后退 保持闭模 螺杆式 注射 保压 螺杆后退塑化 保持闭模 注塑成型工艺过程 6 制品后处理 原因 制品壁厚不均 造成冷却不均 产生内应力 注射压力大等致使制品取向和结晶不均 处理方法 1 热处理 2 调湿处理 3 整修 3 注塑成型工艺条件
18、 温度 料筒温度 材料温度 模具温度 干燥温度 油温度 环境温度等 料温 料筒末端温度 Tm Td之间 注塑成型工艺条件 喷嘴温度 喷嘴有加速熔体和提高温度的作用 对喷嘴温度一般进行单独控制 一般喷嘴温度应稍低于料筒最高温度 防止流延现象 注塑成型工艺条件 模温 模具温度对制品的内在性能和表观质量影响很大 模具温度的高低主要取决于塑料的结晶性 制品尺寸与结构 性能要求以及工艺条件 料筒和喷嘴温度 注射速度及压力 成型周期等 原则上 模具温度应定在塑料的玻璃化温度或热变形温度以下 以使塑料冷却定型 注塑成型工艺条件 结晶性塑料 除充模速率外 模具温度还影响制品的结晶度和结晶构型 模温高 冷却速率
19、小 塑料在其最大结晶区域停留时间长 制品的结晶度高 因晶体在生长时间长 球晶结构较稳定 球晶尺寸大 但过高的结晶度和球晶尺寸易使制品发脆 同时 高模温也会延长成型周期 因此 高模温适合于生产结晶速率很低的塑料 如PET等 注塑成型工艺条件 低的模具温度 冷却速度快 制品结晶度低 结晶构型不稳定 物理机械性能差 对聚烯烃等玻璃化温度低于室温的塑料 还可能在存放过程中出现后期结晶 而引起制品的后收缩和性能变化 实际生产中使用最多的是中等模温 因为此时塑料的冷却速率适中 塑料的结晶度适中 具有较好的物理机械性能 注塑成型工艺条件 无定形塑料模温主要影响熔体的粘度 也就是影响充模速率 熔体粘度低 模具
20、结构简单 充模容易 可采用低模温 反之 采用高模温 注塑成型工艺条件 压力 注塑压力 保持压力 背压 脱模压力 开模压力 锁模压力等 注塑成型工艺条件 注射压力是指螺杆或柱塞顶部对塑料熔体单位面积上所施加的压力 注射压力在注射成型过程中的作用是1 克服塑料从料筒流向型腔的流动阻力 2 给予熔料一定的充模速度 3 并对熔料进行压实 A柱塞式注射机的注射压力明显应高于螺杆式注射机 B熔体粘度越大 制品形状复杂及壁薄的塑料制品需要用较高的注射压力 注塑成型工艺条件 C料温低 高的注射压力 反之 则采用低注射压力 D高注射压力时 易产生内应力 故应进行制品后处理 注塑成型工艺条件 注塑成型工艺条件 保
21、压压力的高低决定了模腔内聚合物被压缩的程度 保压压力大 制品密实度增加 收缩率减少 但内应力大 残余应力大 成型周期有可能增加 注塑成型工艺条件 速度 注射速度 回车速度 开闭模速度 脱模速度等 注射速度与注射压力是相辅相成的 注射速度大 剪切大 物料温度高 充模压力大 生产周期短 但注射速度过大 会引起湍流 引发内应力 故一般采用中速注射 熔体粘度大 薄壁 长流程 形状复杂以及浇口尺寸小应选用高压和高注射速度 注塑成型工艺条件 注塑成型工艺条件 时间 注塑时间 保持时间 冷却时间 干燥时间 计量延迟时间等 注塑周期 注塑时间 包括充模时间和保压时间 冷却时间 包括加料时间和后退塑化时间 其他
22、时间 结晶 注塑成型工艺条件 充模过程中结晶的形成 充模过程开始 高聚物熔体进入了壁温低的冷模腔中结晶先在模壁旁开始 然后在注塑物的内层进行 注塑成型工艺条件 内应力 在注射成型过程中 制品内应力的产生可能来自以下几个方面 1 由于温度梯度产生的体积温差应力 2 由于分子解取向受到阻滞而产生的取向应力 3 结晶聚合物产生的内应力 4 由金属锻件和脱模顶出时产生的内应力 可见 由于不同的原因 形成了各种可能的内应力 其中温度应力和取向应力是最重要的两种 注射成型的应用 常见缺陷及解决 外观问题 内在问题 表面发乌龟裂 不同于裂纹 白化表面浮纤气丝 银纹颜色不均缩痕和缺料制品分层飞边和毛刺皱招及麻
23、面振动纹外观的不稳定 时好时坏 尺寸偏差残余应力内部气泡脆化产品强度不足等 成型缺陷概要 注射成型的应用 常见缺陷及解决 例 熔接缝 表观在充模方式里 熔接缝是指各流体前端相遇时的一条线 特别是模具有高抛光表面的地方 制品上的熔接缝很象一条刮痕或一条槽 尤其是在颜色深或透明的制品上更明显 熔接缝的位置总是在料流方向上 熔接缝形成的地方为熔料的细流分叉并又连接在一起的地方 最典型的是型芯周围的熔流或使用多浇口的制品 注射成型的应用 常见缺陷及解决 熔料周围的型芯越大或浇口间的流道越长 形成的熔接缝就越明显 细小的熔接缝不会影响制品的强度 然而 流程很长或温度和压力不足的地方 充模不满会造成明显的凹槽 流体前锋相遇时的角度越小 熔接缝越明显 大多数情况下 工艺调试不可能完全避免熔接缝或料流线 所能做到的是降低其亮度 或将它们移到不显眼或完全看不见的地方 注射成型的应用 常见缺陷及解决 与加工参数有关的原因与改良措施 1 注射速度太低增加注射速度2 熔料温度太低提高料筒温度3 模具表面温度太低增加模具温度4 保压太低增加保压 尽早进行保压切换与设计有关的原因与改良措施 1 浇口位置不合理重新定位浇口并将其移到不可见的地方2 料流道处无排气孔排气孔尺寸应符合材料的特性
