1、104 塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY 第39卷Sl 2011年4月 橡胶注射成型技术 刘 洪 (航天科技集团公司四院四十二所，湖北襄阳441003) 摘要：橡胶注射成型工艺技术经过多年的发展，现已经在汽车、电子等行业用橡胶制品的加工和生产中得到广泛 应用，提高了生产效率和橡胶产品质量，降低了劳动强度和生产成本。本文详细介绍了国内外注射工艺技术和注射设 备的研究和发展现状，对于国内推广注射成型工艺技术提出了有用建议。 关键词：注射成型；注射机；橡胶制品 中图分类号：TQ330532 文献标识码：A 文章编号：10055770(2011)S1010405 Rubber
2、Injection Molding Technique LIU Hong (The 42 institute of the fourth academy of CASC，Xiangyang 44 1 003，china) Abstract：After years of development，rubber injection molding techniques have being widely used in processing product for automobiles and electron industries etc which increased the producti
3、on efficiency，prod uct quality of rubber as well as decreased the work intensity and product costThis paper has introduced the present condition of research and development of injection technique and equipment at home and abroad in de tailand put forward useful advises about how：0 spread the techniq
4、ue of injection molding in china Keywords：Injection Molding；Injection Machine；Rubber Product 在橡胶制品中，主要成型技术有：模压法成型技 术、传递法成型技术、缠贴法成型技术和注射法成型 技术。在这些方法中，注射成型具有显著的优点： 简化工艺，减少操作人员数量；降低能耗约10； 提高生产效率47倍；提高制品的均匀性、稳 定性、尺寸精确性和合格率；减少飞边，节省胶 料；操作方便，劳动强度低，机械化和自动化程度 高。因此，近年来，注射成型技术越来越受到重要关 注，并在橡胶制品生产中得到了迅猛发展。 目前全球注
5、射机的拥有量为数万台，现已成为汽 车、电子等橡胶制品的主流设备；而在注射机生产规 模方面，世界年生产注射机产量也在突飞猛进，全球 销售额超过了50亿美元。随着橡胶制品应用领域的 不断拓展和生产规模的不断扩大，橡胶注射成型技术 的应用前景将十分广阔，市场占有额也将显著增加。 1橡胶注射成型设备及工艺 11 橡胶注射成型设备与相应成型方法 塑料工业早在上世纪30年代就已开始应用注射 成型法来生产塑料制品，但由于橡胶本身具有的高黏 度、易焦烧的特性，使得它从模压成型到注射成型经 历了一段漫长的时间。到目前为止，橡胶注射成型已 经历了3个阶段，即柱塞式注射、螺杆往复式注射和 螺杆、柱塞式注射。并相应出
6、现了柱塞式注射成型 机、螺杆式注射成型机和螺杆一柱塞式注射成型 机j。从生产过程上看，柱塞式注射、螺杆往复式 注射和螺杆、柱塞式注射三种成型技术均需要经过胶 料塑化和注射两个步骤才能完成。随着注射成型技术 的不断发展，科研人员又对两步法注射工艺进行了改 进，提出了胶料塑化和注射同步进行的一步法工艺， 并研制 了一步法注射成型机。 111柱塞式注射成型机 柱塞式注射成型机是最早使用的橡胶注射成型 设备。 注射成型方法是：将胶料从喂料口喂人料筒后， 由料筒外部的加热器对胶料进行加热、塑化，使胶料 达到易于注射而又不会焦烧的温度为止，最后由柱塞 将已塑化胶料高压注入模具中。 112螺杆式注射成型机
7、螺杆式注射成型机是在挤出机的基础上加以改 进，将螺杆的纯转动改成既能转动以进行胶料的塑 作者简介：刘洪，男，高级工程师，主要从事橡胶制品研究工作。why999hw163conl 第39卷s1 刘洪：橡胶注射成型技术 化，又可以进行轴向移动以将胶料注人到模腔中的橡 胶成型设备。 注射成型方法是：胶料从喂料口进入挤出机后， 在螺杆的旋转作用下受到强烈的剪切，胶温很快升 高，当胶料沿螺杆移动到螺杆前端时，已得到充分而 均匀的塑化，螺杆一边旋转一边向后移动，当螺杆前 端积聚的胶料达到所需要的注射量时，轴向动力机构 以强大的推力推动螺杆向前移动，从而将胶料注入 模腔。 113螺杆一柱塞式注射成型机 螺杆
8、一柱塞式注射成型机结合了柱塞式注射成型 机和螺杆式注射成型机的优点，是目前应用较多的橡 胶注射设备。这种机器的注射部分主要由螺杆塑化系 统和柱塞注射系统组成。 注射成型方法是：首先将冷胶料喂人螺杆塑化系 统，胶料经螺杆塑化后，挤入到柱塞注射系统中，最 后由柱塞将胶料注射到模腔中。为了使胶料按照一定 的顺序流动，在螺杆挤出机的端部安装一个止逆阀， 胶料塑化后通过止逆阀进入注射系统中并将柱塞顶 起，这时胶料不会从喷嘴出去。因为喷嘴通道狭窄、 阻力大，当柱塞将胶料以高压从喷嘴注人模腔时，因 为止逆阀的作用，胶料不会倒流进人挤出机中。 柱塞式注射成型机、螺杆式注射成型机和螺杆一 柱塞式注射成型机优缺点
9、的对比见表1。 表1 种注射机对比 注射机类型 优点 不足 柱塞式注 结构简单，成本低。 射成型机 螺杆式注 胶料升温快，塑化均匀， 射成型机 提高了制品质量；省去了 热炼工序，减少了设备投 资和设备占地面积；提高 了生产效率，降低了劳动 强度。 螺杆一柱结合了柱塞式注射机和螺 塞式注射杆式注射机的优点，可以 成型机 生产大型、高质量的橡胶 制品。 需要配置热炼机和炼胶T 人，增加了设备成本和工 人劳动强度，生产效率低； 胶料升温慢，塑化不均匀， 从而影响到制品的质量。 生产大型制品时，螺杆后 移量过大，胶料的塑化受 到限制；螺杆棱峰与机筒 内壁之间间隙较大，注射 时易导致逆流和漏流现象， 致
10、使部分胶料反复停留， 易产生焦烧，使得注射压 力受到限制。往复式螺杆 注射机只能用于低粘度胶 料，小体积制品的生产中。 114 一步法注射成型机 青岛科技大学高分子材料机械研究所 针对 传统注射成型方法存在的问题，经过20多年的理论 研究、实践研究以及工业中试和工业研制，研究出了 橡胶一步法注射成型技术与设备，并成功地应用于油 田螺杆钻具(泵)橡胶定子的生产制造以及轮胎胶 囊的生产制造。 注射成型方法是：将胶料通过特殊的螺杆机 筒增压系统的作用，使胶料得到充分的塑化，在 一步法注射系统的作用下，使物料在高速、高压、高 温状态下注入模腔，从而获得致密的橡胶制品。一步 法注射成型技术，其T作过程是
11、胶料塑化后直接通过 信息定量，并同时注入模腔，当模腔的胶料达到预定 的密度后，注射机停止注射。 一步法注射成型方法的塑化、定量、注射是同步 完成的，也就是一步完成的，故这种技术称一步法注 射成型技术，其加工设备称一步法注射成型机。该技 术突破了传统注射成型技术容量的限制，使一步法注 射成型技术能够应用到大型橡胶制品，如：注射轮 胎、注射翻新轮胎、注射胶辊、注射实心轮胎、注射 护舷以及轮胎胶囊等等；同时，突破了传统成型技术 的机械体积定量，取消了定量装置和独立的注射装 置，大大地简化了结构和设备，为制造使用大容量注 射机奠定了基础；一步法注射成型技术取消了传统的 液压传动方式，采用了全电动方式，
12、提高了设备的可 靠性，节省了能源和降低了设备的运行成本等。 12 目前在用的大型注射成型机 121 VMI RIMM注射成型机 橡胶注射模压机领域在经济效益和产量质量方面 处于领先地位的是荷兰VMI公司，这家公司已经获 得了Maschinenhandel Mayenhofer机械公司的独家许 可证，生产并以VMI RIMM(Rubber Injection Molding Machinm7)品牌在世界销售该机械。目前，公司对 装置技术细节、合模装置、微处理器控制、带有扩展 功能的RIMM控制等方面进行了较大改进，坚持面向 顾客的设计理念，使得该产品性能已有极大改进。可 提供注射量在5006 0
13、00 em ，锁模力为4006 000 kN之间的系列立式和卧式机型，能满足各种用户的 要求 。 122 KRV一60型橡胶注射成型机 KRV一60型橡胶注射成型机是由日本生产的，主 要结构包括：进料、塑炼和加热的螺杆挤出装置； 保温、注射量给定和高精度的柱塞注射装置；采 用V型机头，保持注射机构的平衡；合模装置中 有推进、推出电热板和上热板；从模具中取出制品 的顶出装置；抽真空装置；传动系统的液压回路 和控制系统的电气回路。控制系统由程序控制器、流 量和压力控制器、数控器(DNCT-12)、日历式计时 器组成。另外，对上、下热板，螺杆和注射装置设有 塑料T业 温度控制器；对硫化时间设有数显计
14、数器；对平板还 设有对人体起保护作用的光电安全保护装置等。 KRV-60型橡胶注射成型机的主要技术参数：合 模力600 kN；开模力60 kN；锁模压力最大21 MPa； 注射装置能提供的最大注射压力为200 MPa；背压可 以在在021 MPa的范围内选择。螺杆温度、柱塞 温度、上热板温度、下热板温度和硫化时间可以根据 具体的橡胶制品来确定。 123其他注射机 目前，世界生产和销售的大型注射机还有：法国 REP公司的V47型注射机，意大利RUTIL公司的 RS1000150型橡胶注射成型机，以及德国DESMA 公司、LWB公司生产的橡胶注射成型。这些注射机 在结构上变化不是很大，只是控制系统
15、有显著改进， 如南单板机发展到计算机控制，并增加了许多智能软 件。这些设备都采用“先进先 ”的注射方式，在 温度控制上采用精确的温度比例积分(PID)调节， 在控制系统方面采用微信息处理系统，智能控制通过 T业用计算机和专门软件来完成，达到高级过程 控制 。 随着现代电子技术和计算机技术的发展，橡胶注 射成型机的控制系统也得到了不断的发展和完善。近 年来先后出现了许多控制系统，如：执行联机的统计 工程系统SPC；计算机集成管理生产控制CIM；分级 数据收集和处理控制MIR；以及信息控制管理系统 MCS2等，控制系统的发展不仅减轻了劳动强度，提 高了自动化程度，还能够节约能源提高生产效率，提 高
16、制品质量-， 。 13注射成型工艺技术 在橡胶注射成型机的发展过程中，人们同时在提 高制品尺寸精度、节省原材料、降低能耗、减少制品 缺陷等方面进行了大量研究，从而使橡胶注射成型工 艺也得到了很大的发展。 131抽真空注射成型lT艺 与模压成型法相比，注射成型法成型的橡胶制品 尺寸精度高、飞边少，但是随着现代高科技的快速发 展，对橡胶制品的精高提出了更高的要求，由于在橡 胶注入模腔时，模具为封闭状态，排出模腔中的气体 常用的方法就是通过分型面微小间隙或排气槽进行排 气，这样成型的制品会形成飞边，从而影响到制品的 尺寸精度；而消除飞边，进一步提高制品精度的唯一 方法就是要提高模具的精度，但这样合模
17、后模腔内的 气体就不易排出，从而产生缺胶、焦烧、气泡等缺 陷，针对这一问题，抽真空注射成型法产生了。这种 成型方法是在合模后，启动真空系统将模腔内气体抽 ，大约35 S后，真空度达到设定值，真空泵自 动关闭，然后再进行注射。 抽真空注射成型方法除了用于成型高精度制品 外，还可用于形状复杂制品的成型。因为对于形状复 杂的制品用排气槽、分型面来排气，有时很难将模腔 内气体排净，从而导致一系列成型缺陷。另外抽真空 方法成型的产品硫化后不需要专门修整飞边，因此节 约了劳动力，生产效率也得到进一步提高。 132冷流道注射成型工艺 通常的橡胶注射成型方法是将注人模具中的所有 胶料，包括主流道、分流道及模腔
18、内的胶料，同时硫 化脱模后再将制品上连带的流道废料除去，这样一来 势必造成一定的浪费，尤其是小型制品，废料比例占 得较大。冷流道注射成型是将停留在主流道、分流道 中的胶料控制在硫化温度以下，脱模时只脱出制品， 流道中的胶料仍保留在流道中，下次注射时流道中的 这些胶料注入模腔内成为制品。这种注射成型方法减 少了原材料的浪费，节省了能源，而且制品脱模时因 为不带流道废料，还可以减少开模距离，缩短成型 周期 引。 133气体辅助注射成型工艺 注射成型热塑性橡胶时，由于胶料冷却时体积收 缩会导致肋、凸台等部位出现凹坑、缩痕，如用补压 方法，离浇口较远处压力很难达到，浇口附近过量充 模还会使制品产生残余
19、应力。因此， 现了气体辅助 注射成型方法。这种方法可将气体的压力均匀地施加 于胶料上，从而补偿了胶料冷却时所产生的体积收 缩，避免了凹坑、缩痕等缺陷。 这种方法成型的制品为中空形状，因此在总体积 形状不变的情况下，可减少制品重量和节省原材料； 当用料量不变时，中空结构可提高制品的刚度和强 度；另外，一般的注射成型方法，胶料注射时为了 100充满模腔，充模压力非常大；而气体辅助注射 成型方法，胶料注射时不完全充满模腔，因此胶料充 模压力很小。因气体为非粘性的，可有效地传递压 力，因此气体注射压力也很小，注射压力小，所需锁 模力也相应减小，从而可降低能耗和设备的制作 成本。 在表2中，归纳了近年来
20、文献报道的注射机及注 射成型技术的最新进展_9 J。 14橡胶注射成型制品的性能研究 多年来模压成型一直是橡胶制品生产的主要成型 方式，但是随着社会发展和技术进步，对橡胶制品的 第39卷sl 刘洪：橡胶注射成型技术 107 质量、生产效率、能耗和原材料消耗等方面都有了更 高的要求。与模压成型胶料相比，注射成型胶料的密 度较大，硬度、强伸性能和拉断伸长率提高，拉断永 久变形减小，有利于橡胶制品性能的提高。 表2 注射机及注射成型技术的最新进展 序号 内容 最新进展 嘉 当胶料通过该细管时对其进行加热； 2)超高频(UHF)加热，以陶瓷管作加热部 件，用超高频对其进行快速加热； 3)电感应加热，设
21、置电感应加热线圈进行 加热。 2 无主流道模具流道部分直接与注料口相接触，连续作业 注射方式 时无胶料滞留于主流道中。 3 注料口切使注料口张开成型，当胶料完成充填后关闭注 断成型 料口，阻力变小，可生产永久变形小的制品。 4 真空抽吸真空抽吸是从注料口前端、螺杆、模具中抽吸 成型 气体，使胶料中卷入的空气和水分能比较容易 地被抽去。为抽掉硫化时所生成的气体，在模 具内设计真空抽吸结构，效果较好。 5 先进先出切断螺杆前端的注料u，提高注射压力，在前 方式(EF端部分完全不滞留胶料，使之全部注射掉。 式、E式) 6 采用冷流使二级流道置于低温水冷条件下，防止滞留胶 道模具 料焦烧，使之成为能连
22、续操作，易于自动化生 产的模具结构，但模具造价昂贵。 7 注射压缩在注入规定数量的同时，再进行加压，胶料流 方式 动性良好，宜于生产多个同时脱膜的溥壁制品。 8 不同胶料采用多台注射成型机，以共用底座和模具进行 同时成型 不同胶料的同时注射成型，现有模 滑动式和 旋转式两种方法。 9 电动式注与油乐式相比，电动式具有电力消耗少(约l 射成型机 3)，成型周期短等优点，目前约13的全注射 成型机变更为电动式，车间实现了洁净化，便 于对设备进行必要的维护。 1O 精密成型无飞边，符合成型尺寸，精度高的模具和成型 用模具 技术进步，由于锁模机构和各种成型方法的进 步，橡胶制品的精度日益提高，缺点是存
23、在着 尺寸精确度有误差(005 mm左右)。 11 自动化 从模具中自动取出成品的装置及模具的自动拆 装置 卸装置，并带动了辅助设备的进步。 吕柏源 研究了模压法和注射法制备的橡胶制 品的性能，发现：注射成型胶料的硬度比模压成型提 高约1；注射成型胎面和油田防喷器胶芯胶料拉伸 强度比模压成型胶料分别提高13和46；油田 防喷器胶芯注射成型胶料100和300定伸应力分 别比模压成型胶料提高了13和20；全钢载重子 午线轮胎胎面注射成型胶料拉断伸长率比模压成型胶 料提高了20，撕裂强度比模压成型胶料提高了 27；油田防喷器胶芯注射成型胶料拉断永久变形比 模压成型胶料减小12。分析认为注射成型过程中
24、 胶料的高流动性和高注射压力使分子网络交联程度提 高，从而提高了胶料的拉伸强度和定伸应力，同时使 分子网络之间的距离减小，从而使胶料硬度增大。所 以注射成型T艺对制品的弹性、耐磨性、耐撕裂和耐 屈挠等性能提高有益 “J。 根据文献报道，采用注射成型技术，在457 MPa压力硫化条件下，胎面的耐磨可提高20 25；根据国内的研究表明，硫化压力从05 MPa升 高到70 MPa，其阿克隆磨耗从05 cm km降低到 0282 em km，其耐磨耗性能提高了43；高孝恒 进行的模压与注射成型试片数据也表明：在全钢胎面 中伸长率提高了20，扯断强度提高了98；在油 田防喷器中撕裂强度提高了36、100
25、定伸强度 提高了109、300定伸强度提高了217、伸长 率提高了34、撕裂能提高了21、永久变形降 低了108，可见试片机械物理性能普遍得到了 提高 。 2与橡胶注射成型加工技术相关的技术 21模具技术 注射成型中的模具技术是极为重要的，模具结构 对注射成型产品性能的优劣有着极大的影响，注射成 型机用模具设计的要点除了自动化，节省劳力，提高 质量、排除故障等方面以外，对无飞边模具和抗污染 模具方面也给予了关注。在模具的设计中，需要重点 发展的技术有：自动化生产用模具设计、无飞边模具 设计和成型加工技术、提高质量和排除故障的模具设 计、可防止污染的模具、应用模拟法的模具设计。 22排除生产现场
26、故障的措施和成型加工技术 注射成型生产现场的主要质量问题是有气泡，疏 松，凹缩，外观不良，在模具合模处产生了开模缩 裂，在模腔内有接头痕迹以及注胶量不足等。上述缺 点是早就存在的老问题，对于橡胶的成型硫化来说， 这也是经常影响产品质量的顽症。故实际生产中应在 橡胶材料，设备模具和成型加工技术等方面采取相应 措施。从根本上说，胶料的流动性，硫化性能和模具 结构对产品质量有很大的影响。实际上可从成品的物 理性能，胶料配合方面的制约和降低成本等几个重要 因素的综合平衡来确定相应的产品加工条件。 23测试设备的电子计算机化和自动化 就注射成型来说，从温度和压力直至其它各种装 置皆已实现了电子计算机化和
27、自动化，除喂料和模具 停放外，其他基本上已实现了无人操作的自动化生 产。预计今后胶料粘度的变化，焦烧的状况或可塑度 等可用在线粘度计、超声波测定装置和可视化装置等 作在线检测，从而实现注射全过程的监控。 3结论与建议 注射成型技术在橡胶制品的应用，有效地提高了 108 塑料工业 201 1年 生产的自动化水平，降低了劳动强度和原材料耗损， 生产效率高，制品质量好，越来越受到了大型橡胶制 品生产企业的青睐，并代表着橡胶制品成型工艺技术 发展的先进方向。与国外相比，国内在注射成型技术 的应用和注射机的生产规模上都有较大差距，与我国 橡胶制品生产大国的地位不符。虽然注射成型具有很 多优点，但其生产工
28、艺设备投资费用大，模具价格 高，成型压力大的缺点使得很多企业望而却步。所 以，在国内推广注射成型技术应遵照我们的国情，循 序渐进。 1)利用新技术改造传统设备，在充分发挥现有 工艺设备效能的基础上加大新技术的应用。当前，橡 胶制品行业普遍使用平板硫化机生产橡胶制品，如果 采用注射成型技术一下子取代现有的设备，这是很难 实现的。为了解决这一矛盾，可以考虑在现有设备上 进行局部改造，将注射装置加装在现有的设备上，这 既可提高产品质量又可提高生产效率，也有利于注射 成型技术的推广应用。 2)将新技术与传统技术进行融合，优化设计。 将平板硫化机的设计和注射机设计结合起来，使之成 为介于平板硫化工艺和注
29、射硫化工艺技术之问的新品 种，这样设计难度不大，又可充分发挥生成线中平板 硫化机的成熟设计和制造能力。 3)加快新品种的研发力度，从基础研究、原理 试验开始，自主设计小型注射成型设备，并在中试放 大的基础上，与实际生产相结合，推动我国注射成型 机的研发和注射工艺的应用。 参 考文 献 1张惠敏橡胶注射成型技术J特种橡胶制品，2005， 26(5)：3336 2吕柏源，杨福吕，薛胜火一步法注射成型技术与设备 研究的进展与应用开发C中国橡胶业协会信息及 技术交流论文集，2006，166176 3吕柏源全电动螺秆旋转(一步法)橡胶凌射成型技术 的研究与开发J中国橡胶，2005(21)：4851 4张
30、义贵一步法注射螺杆钻具橡胶定子胶料的研制 J橡塑技术与装备，2006，32(6)，3234 5吴秀兰国外橡胶机械最新进展J橡胶工业，2000， 47(1)：4657 6周晓琳橡胶注射成型机的应用及新进展J特种橡 胶制品，2001，22(5)：4651 7吴利英提高制品生产效率的一种途径注射成型+ 后处理JT艺设备，2007，23(2)：3940 8GRICHLEY J PKNINGHT G J，WRIGHT W WHeatre sistant polymersJPlenum Press，New York，1983， 323361 9叶春葆橡胶的注射成型J世界橡胶工业，2005， 32(9)：2229 10吕柏源，孙凯成型方法对胶料物理性能的影响J 橡胶工业，2009，56(8)：497498 11吕柏源，孙凯，胡丽娟，等纵论注射成型技术J 世界橡胶工业，2009，36(8)：3337 12吕柏源推广橡胶注射成型技术的几点建议C“大 橡塑”杯全国橡塑技术与市场研讨会论文集，2007， l67一l72 13江万松BMC材料的增韧及注射成型工艺研究D 武汉：武汉理工大学，2001
