1、第二章 注射成型设备,第一节 概 述,注射成型(Injection Molding)是高分子材料成型加工 中一种重要的方法。1872年，被称为填塞机的第一台柱塞式注射成型机问 世；1956年，往复螺杆式注射成型机诞生，这是注射成 型技术的一大进步，从此拓宽了采用注射技术成型多种 聚合物制品的应用范围。,特点 1. 成型周期短、生产效率高； 2. 能一次成型外形复杂、尺寸精确的制品； 3. 成型适应性强，制品种类繁多； 4. 容易实现生产自动化。 因此应用十分广泛，几乎所有的热塑性塑料及多种热 固性塑料都可用此法成型，也可以成型橡胶制品。,注射成型机发展阶段： 从十九世纪第一台注射成型机问世至今
2、，注射机的发 展经历了五个阶段 （1）1932年，第一台全自动柱塞式卧式注射成型机 问世，用来加工赛璐珞、聚氨酯和尼龙等材料； （2）1948年，形成阶段。借助金属压铸机原理形成， 主要用来加工纤维素硝酸酯、醋酸纤维一类材料；,（3）19481956年，注射机上开始使用注射装置， 1956年第一台往复螺杆式注射成型机出现。是注射成型 技术的重大突破，扩大了聚合物的加工范围，可加工绝 大多数的通用热塑性材料；,（4）19561974年，螺杆式注射机定型，出现了多种 专用注射机，用来加工工程塑料和橡胶； （5）1974年至今，注射成型机结构基本完善，并不 断研究出新型注射成型装置。 发展趋势是高速
3、、高效、自动化并注重低能耗和环境 保护。,一、注射机的工作原理注射成型机(简称注射机或注塑机)是塑料成型加工 的主要设备之一。其工作原理是将固态塑料原料经塑化 装置塑化为熔融状态，在压力作用下注射入密闭的模腔 内，经保压冷却定型后，开模顶出而获得塑料制品的一 种成型方法。,塑料的注射成型是将粒状料加入到注射机的料筒， 经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞或移动螺 杆快速而又连续的压力下，从料筒前端的喷嘴中以很高 的压力和很快的速度注入到闭合的模具内。充满模腔的 熔体在受压的情况下，经冷却热塑性塑料)或加热(热固 性塑料)固化后，开模得到与模具型腔相应的制品。,注射成型是间歇生产过程，除了很
4、大的管、棒、板等 型材不能用此法生产外，其他各种形状、尺寸的塑料制 品都可以用这种方法生产。它不但常用于树脂的直接注 射，也可用于复合材料、增强塑料及泡沫塑料的成型。,二、注射成型工艺过程 塑料预塑：随着螺杆的转动，落入料筒加料口的塑料被不断向前输送。 2合模、注射：预塑完成后，合模装置动作，模具闭合，注射座前移。 3保压、冷却：当熔料充满后，螺杆对熔料保持压力一段时间，以防模腔内的熔料倒流。 4开模顶出制品：制品冷却定型后，打开模具，顶出机构顶出制品。,(a) 加料塑化 (b) 注射充模 (c) 保压冷却 (d ) 脱模1加热装置 2料斗 3电机 4模具 5喷嘴 6加热冷却装置 7行程开关
5、8油压缸 9制品,三、注射机的基本结构组成注射机主要由注射装置、合模装置、液压传动系统和电气控制系统等组成。其组成部分必须具备下列基本功能；1)实现塑料原料的塑化、计量并将熔料以一定压力射出；2)实现成型模具的启闭、锁紧和制品的脱模；3)实现成型过程中所需能量的转换与传递；4)实现工作循环及工艺条件的设定与控制。,1注射装置：由塑化部件（料筒、螺杆、喷嘴等）、料斗、计量装置、注射和移动油缸等组成。主要作用：使聚合物均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将定量的熔料注入模腔中。 2合模装置：由模板、合模机构、制品顶出机构等组成。主要作用：实现模具的启闭，并保证模具可靠的锁紧、成型。,3液压、
6、电器控制系统：液压系统：由动力油泵、执行机构（油缸、油马达）、 各种控制阀组成。 电器控制系统：由各种电器、仪表、计算机控制部件组 成。主要作用：为注射成型提供动力，实现动作控制，保 证注射成型正常进行。,四、注射机的分类目前使用较多的分类方法有以下几种：1 按设备外形特征分类 （1）卧式注射机：注射机的注射装置和合模装置的运动轴线呈一直水平直线徘列。具有机身低，操作、维修方便，自动化程度高等特点。对大、中、小型都适用，是目前注射机最基本的形式。,（2）立式注射机：注射机的注射装置轴线与合模装 置运动轴线呈一直线垂直排列。 占地面积小，模具拆装方便。但制品顶出后不易自动 脱落，不易实现全自动化
7、操作，且机身高，加料、维修 不方便。目前这种形式主要用于小型注射机。,（3）角式注射机：注射机的注射装置与合模装置轴 线互成垂直排列(L型)。 其优缺点介于立式和卧式之间，使用也较普通，大、 中、小型注射机均有。,（4）多模注射机：多模注射机是一种多工位操作的特殊注射机。合模装置有多个，按多种形式排列。,多模转盘式注射机,2按机器加工能力分类注射机加工能力可用机器的注射量和合模力两个参 数表示。注射量：注射螺杆(或柱塞)作一次最大注射行程时，注 射装置所能达到的最大注射量。合模力：是由合模机构所能产生的最大模具闭紧力。,表1 机器加工能力分类范围,3按机器用途分类分为热塑性塑料通用型(亦称普通
8、型)注射机、热固性塑料注射机、发泡注射机、高速注射机、精密塑料注射机、多色注射机、反应注射机等类型。,4. 根据物料在注射机料筒中的塑化方式不同，还可以 将注射机分为柱塞式注射机和螺杆式注射机两大类。这将在下面注射机的注射系统部分作详细介绍。,第二节 注射机的基本参数与型号,一、注射机的规格型号 我国塑料注射成型机的型号编制方法由基本型号和辅助型号两部分组成。基本型号和辅助型号之间用短线隔开。,国产注射机型号表示方法,1 合模力表示法 合模力表示法是以注射机合模装置的合模力(N)表示设备规格。 2注射容积与合模力共同表示法 我国标准规定以理论注射容积和合模力共同表示设备规格 。,二、注射机的基
9、本参数1注射量：指注射机的螺杆或柱塞作一次最大行程对空注射时所能达到的注射量。表示方法一般有两种 。 2注射压力：指螺杆或柱塞作用于熔料上单位面积的力。,注射压力是注射熔料充模的首要条件，对成型制品的 质量产生直接影响。 注射压力过高，会在制品局部产生内应力，影响制品 表观质量；注射压力过低，会出现注射充模不满，制品 缺料等现象。注射压力确定要根据机器和原料情况而定。,（1）低压： （7080Mpa）。适用于加工流动性好， 形状简单的厚壁制品，如低密度聚乙烯、聚酰胺等； （2）常压： （100120MPa）。加工粘度较低，形 状一般，对精度要求一般的制品，如聚碳酸酯等； （3）中压： （140
10、170MPa）。加工中等粘度，形 状较为复杂，有一定精度要求制品，如聚乙烯等。 （4）高压： （180220MPa）。加工物料黏度较高， 精度要求严格制品。,3注射速率：指单位时间内注射出熔料的容积 。注射速度：指螺杆或柱塞的移动速度。注射时间：指完成一次注射所需要的时间。,为了将熔料及时充满模腔，得到密度均匀和高精度的 制品必须在短时间内把熔料快速充满模腔。 注射速率低，熔料充模慢，制品易产生密度不均、内 应力大等缺陷。 使用高速注射，可减少模腔内的熔料温差，容易充满 复杂模腔，缩短成型周期，可避免注射成型缺陷，获得 精密制品。,4塑化能力：指单位时间内注射装置所能塑化的塑料量。常用单位为k
11、gh。 它受螺杆直径、螺杆长径比、螺杆转速等因素的影 响。螺杆的塑化能力应该在规定的时间内，保证提供足 够量的塑化均匀的熔料。,5锁模力：指注射机的合模装置对模具所能施加的最大夹紧力。 锁模力是注射机生产能力的又一个重要参数。 机器在注射时，熔料经料筒、喷嘴、模具的浇注系统 后进入模腔，若使模具不被模腔压力所产生的胀模力顶 开，就必须施加足够的夹紧力，即合模力或称锁模力。,注射机的锁模力，可由下式求得：,不同制品和物料条件下的模腔平均压力,6开合模速度：模板移动速度是反映设备工作效率的参数，直接影响成型周期的长短 。根据开合模的运动特性，要求模板的运行速度是变化的，即合模时从快到慢，开模时则由
12、慢到快到慢。,从注射机发展过程来看，开合模速度有提高的趋势。目前，国产注射机的动模板移动速度，高速大都为 2535m/min，有的甚至可达6090m/min，慢速移模速度 一般在0.243m/min的范围内。,7合模部分的基本尺寸： （1）模板间最大开距：指定模板与动模板之间能达到的最大距离 。,式中 L模板间最大开距h制品最大高度,（2）动模板行程：关系到设备所能生产制品的最大高度h。一般应使S2h 。（3）模具的最小与最大厚度 ：分别指动模板移动到使模具闭合,并达到规定锁模力时，动模板与定模板间的最小与最大距离 。,8空循环时间： 指注射机在没有塑化、注射、保压、冷却、取出制品 等动作的情
13、况下，完成一个循环所需要的时间。是表征 注射机综合性能的参数之一。反映了注射机机械、液压和电器控制系统性能的优 劣，在一定程度上表示了机器的工作效率。,第三节 注射机的注射装置,注射机最主要的组成部分，它的作用包括： （1）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，并达到流动状态； （2）注射以一定的压力和速度将熔料注射到模具型腔中去； （3）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科，使制品密实和防止模腔内的物料倒流：,1 柱塞式注射装置 柱塞式注射装置由加料装置、料筒、柱塞、分流棱和喷 嘴等部件组成 。,一、注射装置的形式,通过计量装置，使一定
14、量的粒状原料落入料筒的加料室，加料室内的原料在柱塞推力作用下，依次进入料筒前端的塑化室，,依靠料筒外壁加热室的加热使原料逐步实现由颗粒状态到粘流态的物态变化，在喷嘴与料筒端部已呈粘流态的物料，则被注射到模腔内。,柱塞式注射装置具有以下特点 ： （1）塑化不均匀物料仅靠料筒外部加热器供给热量 来进行塑化，并且物料在料简中的运动处于“层流”态， 导致料筒内物料的温差较大 ；,（2）注射压力损失大注射压力不仅消耗在熔体通过 喷嘴进入模腔所遇到的阻力上，而且还必须消耗在压实 物料、固态物料在料筒中前移以及通过分流梭所遇到的 阻力上。因此，到达模腔的汁射压力只有总注射压力的 2550；,（3）注射速度不
15、均匀因为必须先把料筒中未塑化的 物料压实，然后注射柱塞的移动速度才能与熔体的注射 速度达到一致。,2 柱塞预塑式注射装置柱塞预塑式注射装置是采用两个柱塞式注射装置并联联接在一起，一个用来完成塑料的加热塑化，另一个用来注射保压 。,3 螺杆预塑式注射装置螺杆预塑式注射装置结构原理与柱塞预塑式注射装置相似，不同之处是用于完成塑料塑化的装置为螺杆式结构。,螺杆预塑式注射装置,4 螺杆式注射装置目前应用最为广泛的一种形式。它由加料装置、料筒、 螺杆和喷嘴等部件组成。同一根螺杆既起塑化物料的作用又具有注射物料的功 能。当螺杆转动并后退时，其主要作用是将物料进一步 塑化均匀并输送到螺杆端部；当螺杆前移时，
16、就像柱塞 一样，快速将熔料经过喷嘴注射入模腔中。,往复螺杆式注射装置,螺杆式注射装置与柱塞式注射装置比较有以下优点：（1）结构紧凑，塑化物料效率高；（2）注射压力损失少； （3）塑化均匀性好； （4）对各种物料注射的适应性大。,二、注射装置的主要零部件,1料筒及其加热装置 柱塞式注射装置的料筒，根据其各部位的作用不同，分为加料室与加热室(即塑化室)两部分。 加料室：落入的塑料在此被柱塞压实前移进入加热室塑化。 加热室：加热室完成对塑料加热塑化工作。,柱塞式注射机料筒,2.分流梭 对于柱塞式注射装置，为提高塑化能力，在料筒的加热室中，般都设置分流梭。 分流梭是装在料筒前端形状似鱼雷体的一种金属部
17、 件，其作用是使料筒内物料分流，以加大传热面积，减 少物料层的厚度。,分流梭,3柱塞柱塞与料筒配合在注射缸作用下将熔料以一定的速度注射入模腔。,4螺杆及螺杆头螺杆:它的主要作用是对物料进行输送、压实、塑化和注射。 注射机螺杆在运动上(既作转动又作平移)和功能上(既起塑化作用又有注射功能)与挤出机螺杆不同。,注射螺杆与挤出螺杆有以下区别： （1）注射螺杆的长径比和压缩比较小；注射螺杆在转动时只要求它能对物料进行塑化，而不要 求它提供稳定的压力。螺杆的这两个参数的减小并不会 影响它的塑化能力。,（2）注射螺杆的加料段较长，注射螺杆加料段、压缩段和均化段三段长度约为螺杆全长的50、25和25 （3）
18、注射螺杆和挤出螺杆头部的形式不同。注射螺杆头部一般为尖头，目的是防止物料残存在料筒端部而引起物料降解。,渐变型螺杆：螺槽深度由加料段到均化段是逐渐变浅的螺杆结构。 突变型螺杆：指螺槽深度在压缩段由深变浅的过渡段较短，变化较突然的螺杆结构。 通用型螺杆：压缩段长度介于渐变型与突变型螺杆之间。,注射螺杆类型,注射螺杆型式,为防止注射螺杆注射时，高压塑料熔体沿螺槽倒流的 现象(特别是低黏度塑料和形状复杂的制品)，以及加工高 黏度和热敏性塑料时，因螺杆头部排料不净，余料过热 分解等现象。螺杆头制成各种结构形式，以适应不同塑 料的成型。,螺杆头,螺杆头结构形式,螺杆头,5加料计量装置 螺杆式注射装置，可
19、以通过调节螺杆后退的行程开关位置来实现计量。 对于柱塞式注射装置，通过控制每次从料斗落入加料装置的计量室中塑料量来实现计量。,喷嘴是连接料筒和模具的过渡部件，它的主要作用是： (1) 将熔料的压力能转变为速度能，使熔料获得高速远射程； (2) 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； (3) 使物料受到较大的剪切作用，因而获得进一步的塑化。,6喷嘴,喷嘴的类型较多，可分为开式喷嘴、锁闭型喷嘴和特殊用途喷嘴三大类。 （1）开式喷嘴(又称直通式喷嘴)：指料筒内的融料经喷嘴出口的通道始终是处于敞开状态的喷嘴。 常见的有短型开式喷嘴，延长型开式喷嘴，小孔型开式喷嘴 。,开式喷嘴,a
20、)短型 b)延长型 c)小孔型,（2）锁闭型喷嘴：融料通道只有在注射、保压阶段才打开，其余时间都是关闭的。 （3）特殊用途喷嘴：为满足特殊工艺要求而设计的喷嘴。,7螺杆的传动装置,（1）螺杆传动装置的特点和要求1)螺杆预塑是间歇式工作的，故常带负载频繁起动。2)螺杆转速能在一定范围内可调。3)传动装置应力求简单紧凑。,（2）螺杆传动装置形式： 按螺杆的变速特性，可分为无级变速和有级变速两大类。1)无级变速：无级变速主要是采用液压马达或由液压马达和齿轮变速箱组合来驱动。 2)有级变速：有级变速是由电动机和齿轮变速箱组成。,第四节 注射机的合模装置,一、对合模装置的基本要求 1)合模装置要有足够的
21、合模力和系统刚性，保证注射成型时不出现因锁模力不足而溢料的现象。2)模板要有足够的模具安装面积和启闭模具的行程，并有一定的调节量，以适应成型不同制品时模具尺寸的变化。3)模板移动过程和速度应适合注射成型工艺的要求。,二、合模装置的类型与特点合模装置的形式按其实现锁模力的方式不同，可分为机械式、液压式和液压一机械(组合)式三大类 。1液压式合模装置：依靠液体的压力实现模具的启闭和锁紧作用的。(1)单缸直压式合模装置：采用一个液压缸来完成模具的启闭和锁紧。,单缸直压式合模装置,(2)增压式合模装置：通过提高移模油缸内压力油压力来满足合模力要求。 一个用于合模，一个用于提高锁模力。,增压式合模装置,
22、(3)充液式合模装置：应用不同直径的两个液压缸组合在一起，大直径液压缸用于锁模，小直径液压缸用于移模，分别满足增大锁模力和快速移模的要求。,充液式合模装置,2液压机械式合模装置 （1）液压单曲肘合模装置 合模液压缸可绕一支点摆动，其活塞杆和肘杆相铰接。 （2）液压双曲肘式合模装置 采用对称排列的双臂双曲肘锁模机构，合模液压缸水平安装于后固定模板外侧。,液压式和液压-机械式合模装置比较,3机械式合模装置依靠齿轮传动和机械肘杆机构的作用，实现启闭模运动的。,三、顶出装置 1机械顶出装置 利用固定在后固定模板上的顶杆，在开模过程中，顶杆与向后退的动模板有相对运动，达到推出制品的作用。 2液压顶出装置
23、 用专门设置在动模板上的顶出液压缸来顶出制品。,第五节 专用注射机简介,高分子材料品种及制品的应用对成型设备提出了越来 越高的要求。通常常规的注射成型机适应范围有限，不 能满足新材料及各类制品的所有要求。因此，各种专用 注射成型机得到了广泛的开发和应用。,一、热固性塑料注射机热固性塑料具有耐热性好 、刚性大及抗变形能力，在 塑料工业中占有重要地位。 从1910年至1960年整整50午，热固性塑料制品一直是 采用压制法成型。压制成型工艺操作复杂、成型周期长、 生产效率低、模具易损坏、易出废品，因此妨碍了这类塑 料的推广应用。,20世纪60年代，欧、美、日逐渐淘汰压制成型，代之 以先进的注射成型工
24、艺。 由于注射成型具有生产周期短、生产率高、可实现自 动化操作、制品的尺寸稳定性好等特点，使热固性塑料 制品能够实现高速、自动、经济的成型加工的工艺特色， 在先进的工业国家中发展很快。,日本已有85的热固性塑料制品是用注射成型方法获 得的，使热固性塑料制品能大量地用于电器电子、仪器 仪表、化工、纺织、汽车、军工，甚至宇航等部门中， 取得了长足的发展。,热固性塑料制品特点： （1）制品刚度大 在承载下弹性和塑性变形极 小，表现出很大的刚度； （2）耐热性能好 热固性塑料制品对热相当稳定， 用1.8MPa载荷测试它们的热变形温度，一般150260； （3）制品尺寸稳定性好 热固性塑料制品固化后受
25、温度、湿度等环境影响小；,（4）电性能优良 以云母为填料的制品其电性能 更优异； （5）耐腐蚀性好 不受有机溶剂和弱酸、弱碱等 的腐蚀因此在两大塑料种类中，热固性塑料占有重要 的地位。,热固性塑料注射成型过程中不仅有物理状态的变化， 还有化学变化，并且这种变化是不可逆的。 因此，为使注射过程顺利进行，物料通过喷嘴时必须 达到最好的流动性，进入模具型腔后应继续加热，发生 交联反应，逐渐变成体型结构。反应过程中，会逐渐释 放出低分子物质(如氨、水等)，必须及时排出，才能保证 反应顺利进行。,热固性塑料成型条件 ： （1）必须具有良好的流动性； （2）必须具有良好的热稳定性； （3）塑化温度范围要大
26、； （4）高温下能够快速固化；,1螺杆长径比、压缩比较小， 长径比通常为1416； 压缩比0.81.2。,螺杆结构形式可分为压缩型、无压缩型和变深型。 压缩型螺杆主要用于不易发生交联作用的热固性塑料： 无压缩型螺杆的剪切塑化和输送能力均良好，使用于一般情况； 变深型螺杆适用于加工易于交联或玻璃纤维增强的塑料。,热固型螺杆的类型,2.喷嘴 采用直通式喷嘴 3料筒的加热与冷却为了使热固性塑料在料筒内保持某一恒定的可塑温度，防止发生大量的化学反应而提前固化，料筒的加热和冷却必须严格控制。料筒的加热一般采用恒温控制的介质(水或油)。,4合模装置采用增压式液压合模装置。热固性塑料注射入模腔后，需要有开模
27、放气的动作。,二、排气式注射机,排气式注射机其基本结构与普通注射机大致相同，区别 主要在塑化部件上。 排气式注射机塑化部件般采用双阶四段螺杆，即由加 料段、第一均化段、排气段和第二均化段组成。,1.原理 进入加料段的物料在螺杆旋转推进的过程中，通过外 加热和剪切热逐步熔融，熔料在压力作用下，从第一均 化段进入排气段时，由于螺槽深度突然增大，其压力迅 速下降，熔料内所含水分及其它挥发物汽化。分离出来的水分，从排气口排出或被真空系统抽走。除去水分的熔料进入第二均化段。,2.设计要求 为了产生良好的排气效果，排气式塑化部件在设计时 应遵循以下原则： （1）排气段的螺槽不能被熔料所充满，防止冒料； （
28、2）熔料必须充满第二均化段螺槽，使螺杆出料稳定。,排气式注射机的塑化部件,三、发泡注射机发泡注射机主要用来生产具有缓冲、隔音和隔热的发泡 制品。按发泡原理分为物理发泡法和化学发泡法。按注射模腔压力的大小分为低压法、中压法、高压法。 现普遍采用的是低压发泡法。,低压法发泡是按80左右制品体积的熔料注入模腔， 由其自身的发泡压力使熔料发泡并填满模腔，其模腔压 力仅约为普通注射成型模腔压力的1/101/15，故所需的 合模力较低，对注射机和模具的使用要求也降低了。,低发泡注射成型结构特点： （1）注射螺杆长径比一般为1618，压缩比为22.8； （2）螺杆头可用带有销钉的分流混合元件； （3）为防止
29、发泡剂外溢，可使用闭锁型喷嘴。,四、双色(或多色)注射机 双色(或多色)注射有“混色”注射和“清色”注射两种。 双色混色注射装置是由两个料筒和一个公用喷嘴组成。可以生产具有自然过渡色彩的双色塑料制品。,双清色注射机是由两个具有独立喷嘴的注射装置和一 个带回转机构的公用合模装置组成，可以生产没有过渡 色彩，颜色有明显界限的双清色制品。,五、反应注射成型(Reaction Injection Molding，简称RIM),反应注射成型它是把两种或两种以上具有高化学活性 的低相对分子质量的液体原料，在一定温度下，通过高 压(1420MPa)作用，使它们相互碰撞混合，并立即注射 入密封的模腔内，完成聚
30、合、交联(或相分离)固化等反应 并形成为制品的工艺过程。,特点 ： （1） 生产过程简单。 由于直接采用液态低分子原料，不需要经过单体聚 合、固化、造粒、再熔融成型这一复杂过程，因而可节 省能量，减少工序，大大提高生产率；,（2）从注射成型角度看，由于低相对分子质量的液 体原料粘度低流动性好，故易于输送，可以通过高速 碰撞得到均匀的混合。,（3）高活性的反应混合料在充模后发生聚合、固化 反应，其反应速度快，生产周期短；（4）所得制品的性能与混合料的配方密切相关，因 而调整配方的化学组分即可成型不同性能的产品。RIM工艺生产过程简单，耗能少，可节约设备投资， 适宜生产大型及形状复杂的制品。,反应注射成型对设备的要求是：（1）能准确控制原料各组分的流量及混合比率； （2）能快速加热或冷却原料； （3）两组分应同时进入混合头，不允许某一组分超前或滞后；,（4）组分在混合头内能获得充分的混合； （5）入模后固化速度快，能进行快速的模塑循环 。,思考题： 1.什么叫注射成型？注射成型与挤出成型有何区别？ 2 .注射机由哪几部分组成？各部分有什么作用？ 3 .注射机主要性能参数，各参数定义。,4. 对合模装置的基本要求。 5. 注射机的规格表示法。 6. 注射螺杆与挤出螺杆的结构与工作原理有何不同。 7.柱塞式、螺杆式注射装置的结构及特点。 8. 专用注射机的结构特点及所适用的成型范围。,
