第3章 注塑成型工艺与设备
 注塑成型原理及工艺
 普通注塑模的基本结构
 注塑机的主要参数
 注塑机和注塑模的关系
3.1 注射模塑工艺
塑料注塑成型技术是从19世纪末20世纪初发展起来的，是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一。该法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料，约占塑料总量的1/3. 
3.1.1 注射模塑成型原理
1. 注塑成型概述
注塑成型又称为注射成型(injection molding)，它是利用注塑螺杆或注塑柱塞的推力，将已塑化好的熔融物料注入闭合的模具型腔内，经过一段时间的冷却定型，最终得到塑件的工艺过程。注塑成型工程是以下列6大顺序执行的: 加料→塑化→注塑→保压→冷却定型→脱模。重复执行这种作业流程，就可连续生产制品。
注塑成型具有应用面广、成型周期短、生产效率高、模具工作条件可以得到改善、塑件精度高、生产条件较好、生产操作容易实现机械化和自动化等诸方面的优点。但注塑成型的设备及模具制造费用较高，不适合单件及小批量塑料制品的生产。
2. 注塑成型的原理
根据注塑机种类的不同，注塑成型的原理也有所差别，下面分别介绍典型的柱塞式注塑机和螺杆式注塑机的成型原理。
1) 柱塞式注塑机的成型原理
柱塞式注塑机的结构简图如图3-1所示。柱塞式注塑机的成型原理是: 首先，将粉状或粒状塑料从注塑机的料斗中送进装有加热装置的料筒中并加热；其次，经柱塞在高压、高现代注塑模具设计制造技术第3章 注塑成型工艺与设备速中推进，塑料塑化后经喷嘴注入模具型腔中；随后，充满型腔的熔体经过保压、冷却而固化成塑件，开模取出。如此即完成了一个成型周期。
图3-1 柱塞式注塑机结构简图
1-机体; 2-电动机及液压泵; 3-注塑液压缸; 4-加料调节装置; 5-注塑柱塞; 6-加料柱塞；
7-料斗; 8-料筒; 9-分流梭; 10-定模固定板; 11-模具; 12-拉杆; 13-动模固定板; 
14-合模机构; 15-合模液压缸; 16-喷嘴; 17-加热圈; 18-油箱
与螺杆式注塑机的成型过程相比，柱塞式注塑机控制温度和压力比较困难，且注塑速度和塑料质量不均匀，一般较多用于60g以下的小型塑件的注塑成型。
2) 螺杆式注塑机的成型原理
螺杆式注塑机的结构简图如图3-2所示。螺杆式注塑机的成型原理是: 将粉状或粒状塑料加入到注塑机的料斗内，在螺杆转动的带动下，塑料被送入加热的料筒，塑料受到料筒的加热和螺杆对塑料的剪切摩擦生热的作用，逐渐升温至黏流态，并不断被螺杆压实而推向料筒前端，产生压力使螺杆在转动的同时，缓慢地向后移动，料筒前端的熔体逐渐增多。当达到规定注塑量时，螺杆停止转动和后退，然后注塑活塞带动螺杆按一定的压力和速度，将积存于料筒端部的塑料熔体经喷嘴注入模具型腔，充满模腔的熔体在保压的情况下，冷却定型，获得模腔赋予的形状。开模取出塑件，即完成一个成型周期。
图3-2 螺杆式注塑机结构简图
1-机体; 2-电动机及液压泵; 3-注塑液压缸; 4-齿轮箱; 5-齿轮传动电动机; 6-料斗; 7-螺杆;
8-加热器; 9-料筒: 10-喷嘴; 11-定模固定板; 12-模具; 13-拉杆; 14-动模固定板;
15-合模机构; 16-合模液压缸; 17-螺杆传动齿轮; 18-螺杆花键; 19-油箱
螺杆式注塑成型，整个塑料熔体在料筒内壁与螺槽之间的空隙形成一个向前卷进的薄扁带。与柱塞式相比，其塑化能力强、塑化效果好、压力损失小、注塑速度高，且充模均衡。
3.1.2 注塑成型工艺过程
完整的注塑成型工艺过程按其先后顺序包括成型前准备、注射成型过程、塑件制品的后处理等。图3-3所示为注塑成型工艺过程循环。
图3-3 注塑成型工艺过程循环图
1. 成型前的准备
为确保注塑过程能顺利进行并保证质量，在成型前应进行必要的准备工作。
1) 原料的预处理
根据各种塑料的特性和供料状况，一般在成型前应对原料进行外观(如色泽、颗粒大小、均匀度)及工艺性能(如熔体流动速率、流动性、热稳定性、收缩性等)的检验。如果原料是粉料，有时还必须进行造粒。对有色彩要求的塑料，应在原料中加入着色剂。对于易吸湿的塑料，如聚碳酸酯(PC)、尼龙、ABS塑料等在成型前必须进行干燥处理，以避免塑件表面出现斑纹、银纹和气泡等缺陷。
对于各种塑料的干燥方法，应根据不同塑料的性能和具体条件选择。小批量生产用的塑料，多采用热风循环烘箱或红外线加热烘箱进行干燥；对高温下受热时间长、容易氧化变色的塑料，如聚酰胺，宜采用真空烘箱干燥；大批量生产用的塑料，可用负压沸腾干燥或气流干燥。部分常用塑料容许的水汽量及热风干燥温度如表3-1所示。表3-1 部分常用塑料容许的水汽量及热风干燥温度
塑料品种注塑容许水汽质量分数/%干燥温度/℃塑料品种注塑容许水汽质量分数/%干燥温度/℃PE<0.171～75PP<0.171～82PS0.05～0.171～79ABS<0.3<70PVC<0.0860～93PC<0.2110～120PET<0.180～95PA0.4～0.975～85PMMA0.1～0.270～80  2) 料筒的清洗
在初用某种塑料或某一注塑机之前，或料筒内残余塑料与将要使用的塑料不一致及调换颜色或发现塑料中有分解现象时，都需要对料筒进行清洗或更换。
柱塞式注塑机料筒内的存料较多且料筒中间有分流梭，因此清洗较困难，必须拆卸清洗或者采用专用料筒。螺杆式注塑机通常是直接换料清洗，也可以使用料筒清洗剂进行清洗。
3) 嵌件的预热
为了满足装配和使用强度的要求，塑件内常需要嵌入金属嵌件。由于金属和塑料的膨胀系数相差很大，两者收缩率不一致，导致塑件冷却时嵌件周围出现裂纹而使塑件强度降低。预热降低嵌件与塑料熔体的温度差，从而在成型过程中使嵌件周围的塑料缓慢冷却，均匀收缩，并具有一定的热料补缩作用，可防止内应力的产生。
嵌件的预热须根据塑料的性质和嵌件的大小而定。对容易被塑料通体在模内加热的小嵌件，可不必加热。预热的温度以不损伤金属嵌件表面的镀层为限，一般为110～130℃，对于表面无镀层的铝合金或铜嵌件，预热温度可适当提高到150℃. 
4) 脱模剂的选用
脱模剂是使塑件容易从模具中脱出而敷在模具型腔表面上的一种助剂。一般注塑件的脱模主要依赖于合理的工艺条件与正确的模具设计。在实际生产中为了便于脱模，常使用脱模剂。常用的脱模剂有三种: 硬脂酸锌、液态石蜡和硅油。硬脂酸锌除尼龙塑料外，其余塑料均可使用；液态石蜡作为尼龙类塑料的脱模剂效果较好，除具有润滑作用外，还有防止制件内部产生空隙的作用；硅油的使用效果好，但价格贵，使用麻烦，因此受到限制。
2. 注塑成型过程
塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的流道系统进入模具型腔，最终冷却定型的过程称为注塑过程。完整的注塑成型过程包括加料、塑化、注塑、保压、冷却定型和脱模等几个步骤。
1) 加料
由注塑机的料斗落入一定量的塑料，以保证塑料塑化均匀、料流稳定，最终获得良好的塑件。加料量通常由注塑机计量装置来控制。
2) 塑化
塑化是指粉状或粒状的物料在料筒内加热熔融呈黏流态，并具有良好的可塑性的全过程。塑料在进入模腔之前，既要达到规定的成型温度，又要使熔体各点温度尽量均匀一致，并能在规定的时间内提供上述质量要求的足够熔融塑料，以保证生产连续顺利地进行。这些要求与塑料的特性、工艺条件的控制以及注塑机塑化装置的结构等密切相关。
3) 注塑、保压及冷却定型
注塑、保压及冷却定型3个过程通称为注塑过程中的流动过程。这一过程是指用柱塞或螺杆推动已经熔融的塑料注入模具开始，而后充满型腔，保持型腔压力，冷却定型后制品从模腔中脱出为止的过程。这一过程经历的时间虽短，但是熔体在此期间发生的变化却很大，而且这种变化对塑件质量有重要影响。根据塑料熔体进入模腔的流动情况，这个过程又可以分为注塑充模、保压补缩、倒流和浇口冻结后的冷却4个阶段，整个过程压力的变化如图3-4所示。
图3-4 注射周期中压力-时间曲线
 (1)  注塑充模阶段: OA段是塑料熔体在注射压力p1作用下，从料筒计量室流入型腔始端的时间。注射压力和喷嘴末端压力急剧上升，型腔始端压力为零，注射压力主要用来克服熔体在模腔以外的流动阻力。AB时间段熔体充满型腔，此时注射压力p1迅速达到最大值，喷嘴末端压力达到p2。充模时间(tB-tA)是注射过程最重要的参数，熔体在型腔内流动的剪切速率和聚合物分子取向程度都取决于这段时间。型腔始端与末端压力差(pB-pB1)用于克服型腔内的流动阻力。
(2) 保压补缩阶段: BC时间段是熔体的压实阶段，此时注射压力p1主要对熔体进行压实，熔体进入型腔非常缓慢。CD时间段是保压阶段，在此阶段熔体会继续流入型腔内以弥补冷却收缩产生的空隙，熔体流动速度更慢，且随着模具冷却密度增大而逐渐成型。
(3) 倒流阶段: 随后螺杆(柱塞)回程，喷嘴压力迅速下降至零。此时，熔体可能在模内压力下向流道系统倒流，使型腔压力从pD降至pE. E时刻熔体在浇口处凝固，封断流动，pE称为封断压力。pE相应的熔体温度对制品影响很大。EF段称为冷却定型阶段。脱模时制品的剩余压力为pF, pF过大会造成制品开裂、损伤和卡模。
(4) 浇口冻结后的冷却阶段: 浇口冻结后的冷却阶段是从浇口处塑料完全冻结起到塑件从模腔中顶出时为止。模腔内的塑料继续冷却并凝固定型。当脱模时，塑件应具有足够的刚度，不致产生翘曲或变形。由于模内塑料的温度、压力和体积在这一阶段中均有变化，到制品脱模时，模内压力不一定等于外界压力，模内压力与外界压力存在差值，即残余应力。当残余应力为正值时，脱模比较困难，塑件易被刮伤甚至破裂；当残余压力为负值时，塑件表面出现凹陷或产生真空泡；当残余压力接近零时，塑件不仅脱模方便，而且质量好。
 4) 脱模
制品冷却定型并且有一定的强度后，注塑机开始开模，并由顶出机构将制品顶出模具，实现制品的脱模。
3. 塑件的后处理
由于成型过程中塑料熔体在温度和压力作用下的变形流动行为非常复杂，再加上流动前塑化不均，以及充模后冷却速度不同，制件经常出现结晶、取向和收缩不均匀；或由于金属嵌件的影响和塑件的二次加工不当等原因，塑件内部不可避免地存在内应力。这些应力脱模后除引起时效变形外，还会使制件力学性能、光学性能及表面质量变坏，严重时还会开裂。为解决这些问题，要对塑件进行后处理，改善制品的性能和提高制品尺寸的稳定性。
1) 退火处理
对于不同的材料，退火的本质不尽相同，但主要有两个: 其一是使受迫冻结的分子链得到松弛，对分子链进行解取向，消除这一部分的内应力；其二是提高塑件的结晶度，或加速二次结晶和后结晶过程，稳定结晶结构，提高结晶塑料制品的弹性模量和硬度，降低断裂伸长率。
退火处理的方法是将塑件放在一定温度的烘箱中或液体介质(如热水、矿物油、甘油、液体石蜡等)中一段时间，然后缓慢冷却。退火温度一般控制在塑件的使用温度以上10～20℃或塑件热变形温度以下10～20℃。保温时间与塑料品种和制件厚度有关，若无数据资料，也可按每毫米厚度约需0.5h进行估算。退火冷却时，速度不能太快，否则可能重新产生内应力。
2) 调湿处理
调湿处理是一种调整塑件含水量的后处理工序，主要用于吸湿性很强且容易氧化的聚酰胺等塑料制品。将脱模后的该类塑件放在热水中处理，不仅隔绝空气防止氧化，而且可以加速达到吸湿平衡，稳定其尺寸。调湿处理所用的加热介质一般为沸水或乙酸钾溶液(沸点为121℃)，加热温度为100～120℃，保温时间与制件厚度有关，通常取2～9h. 
当然，并非所有塑件都要进行热处理，像聚甲醛和氯化聚醚塑件，虽然存在内应力，但由于高分子本身柔性较大且玻璃化温度低，其内应力可以自行缓慢消除。
3.1.3 注塑成型工艺条件的选择和控制
注塑成型工艺条件包括闭模、加料、塑化、注射、保压、固化(冷却定型)、开模出料等工序。而成型温度、注射压力(包括注射速度)、成型周期(包括注射、保压、固化时间)被称为注射成型工艺的三大工艺条件。当然要顺利完成整个注射过程需一步一步地加以控制。
1. 加料及剩余量 
 (1)  加料: 一般要求定时、定量、均匀供料。
 (2)  剩余量: 保证每次注射后料筒底部有一定剩余的物料，以保证传压和收缩后的补料。剩料一般控制在10～20mm，不能太多或太少。太多，注射压力损失大，剩料受热时间太长，易发生分解或固化等；太少，起不到很好的传压作用，模腔内物料受压不足。
2. 成型温度
注塑成型中需要控制的温度主要有料筒温度、喷嘴温度、模具温度等。前两种温度主要影响塑料的塑化和塑料充满型腔；后一种主要影响塑料充满型腔和冷却固化。成型温度是三大工艺条件之一，关系到物料的塑化、流动性、充模等工艺条件。
1) 料筒的温度
料筒温度主要受以下因素的影响：
(1) 塑料的品种和性能(黏流温度或熔点)。这是确立成型温度的决定因素。对于热塑性树脂，料筒温度略高于喷嘴温度和模具温度： 对于热固性树脂，模具温度略高于喷嘴温度和料筒温度。
(2) 聚合物的相对分子质量及相对分子质量分布。
(3) 注射机的类型。螺杆式注射成型机所需的料筒温度比柱塞式低。
(4) 塑料制品及模具结构特点。对薄壁制品要求物料有较高的流动性才能充满模腔，因此需较高的成型温度；相反厚壁制品成型温度可低一些。
2) 喷嘴温度
喷嘴温度通常比料筒温度低，防止熔体在直通式喷嘴上发生“流涎”现象。
3) 模具温度
模具温度应低于塑料的玻璃化温度或热变形温度，保证塑料熔体凝固定型和脱模。
3. 螺杆转速及背压
必须根据所选用的树脂热敏程度及熔体黏度进行调整。
1)  转速
转速慢: 塑化好，物料易降解、早期固化；转速快: 有利于塑化，但物料停留时间短可能塑化不够，还可使纤维变短。
2) 背压
采用螺杆式注射机时，螺杆转动推进物料塑化时传给螺杆的反向压力，称为背压，又称为塑化压力。
背压的作用: 能使物料在运动过程中不断排出空气和挥发物，并使物料逐渐密实。背压过小起不到以上作用；背压大，功率消耗大，并在物料温度较低时能使纤维粉化，影响制品性能。
4. 注射速度及注射压力 
1) 注射压力
注射压力为柱塞或螺杆顶部对塑料所施加的压力，其作用是克服熔体从料筒流向型腔的流动阻力，使熔体具有一定的充满型腔的速率，并对熔体进行压实。
注射压力的大小受塑料品种(物料流动性)、注射机类型、模具结构、塑料制品的壁厚和流程及其他工艺条件，尤其是流道系统的结构和尺寸的影响。
2) 保压的作用
保压使制品冷却收缩时得以补料，尺寸准确，表面光洁，有利于消除气泡。保压时间一般为0.3～2min，特厚制品可达5～10min. 
3) 注射速度
注射速度慢不利于充模，生产效率低；注射速度过快易混入气泡。注射速度与注射压力、温度、模口尺寸等因素有关，需通过实验确定。
5. 成型周期(时间)
成型周期即完成一次注射成型制品所需的时间，或称模塑周期。包括:
(1) 注射加压时间(保压时间、注射时间). 
(2) 冷却时间(模内冷却或固化时间). 
(3) 其他时间(开模、取出制品、涂脱模剂、安放嵌件、闭模等时间). 
成型周期是提高生产率的关键，在保证产品质量的前提下，应尽量缩短成型周期。
3.2 注塑模及其工作原理
注塑成型生产中使用的模具叫做注塑成型模具，简称注塑模。由于注塑模的制件精度高、工作可靠、生产效率高而成为塑料成型领域里最常用的一种模具。
1. 注塑模的特点
凡是注塑模具，均可分为动模和定模两大部件。当注塑充模时，动模与定模闭合，构成型腔和流道系统；开模时，动模与定模分离并取出制件，通过脱模机构顶出塑件。定模安装在注塑机的定模板上，动模则安装在注塑机的动模板上。注塑模的结构有以下特点：
(1) 塑料的加热、塑化是在注塑机料筒中进行的，而不是在模具中进行。熔体通过流道系统充满型腔，因此，流道系统是注塑模的重要组成部分。
(2) 在注塑生产过程中，需要根据塑料的特性，在模具中设置加热或冷却系统。
(3) 注塑模的结构一般较其他塑料模具复杂，制造周期较长，成本较高。
(4) 注塑模生产适应性强，既可以生产小型塑件，也可以生产大型塑件，既可以生产简单塑件，也可以生产复杂塑件，生产效率高，容易实现自动化。
2. 普通注塑模的基本结构
注塑模的结构是由塑件结构、模具内型腔数目及注塑机的形式决定的。图3-5所示为典型的注塑模，根据注塑模上各部件的作用，将其结构分为以下几个部分。
图3-5 注塑模的典型结构
1-动模座板; 2-定模座板; 3-冷却水道; 4-定模顶板; 5-定位环; 6-主流道套; 7-动模型芯; 
8-主导柱; 9-主导套; 10-动模底板; 11-支撑板; 12-后限位; 13-顶板; 14-顶针固定板; 
15-拉料杆; 16-顶板导柱; 17-顶板导套; 18-顶针; 19-复位杆; 20-支脚; 
21-顶杆; 22-定模型腔
(1) 成型零部件: 构成密闭的模腔,是直接成型塑件的部分，它通常由主型芯模(成型塑件内部形状)、主型腔模(成型塑件外部形状)、型芯销或成型杆、成型镶块等构成。成型零部件由模具的动模和定模有关部分集成为一体联合构成。在如图3-5所示的模具中，模腔由动模型芯7和定模型腔22以及顶针18构成。
 (2)  流道系统: 将塑料熔体由注塑机喷嘴引向模腔的通道，它由主流道、分流道、浇口、冷料井等组成。
 (3)  导向定位装置: 为了保证模具动模与定模合模时准确定位而设置的。通常导向机构有主导套9、主导柱8或在动、定模上分别设置互相吻合的内、外锥面，大型注塑模具的脱模装置为避免在推出过程中发生运动歪斜，也设有导向零件，如顶板导套17和顶板导柱16，使顶板保持平稳移动。
 (4)  侧向分型抽芯机构: 带有侧凹或侧孔的塑件，在被推出以前，必须先进行侧向分型抽芯，拔出侧向凹凸的型腔或抽出侧型芯，塑件才能顺利脱出。
 (5)  脱模机构: 在开模过程中，将塑件和流道系统凝料从模具中脱出的装置。图3-5所示的模具采用顶针脱模机构，由顶杆21和顶针固定板14、顶板13、拉料杆15及复位杆19组成。
 (6)  排气系统: 为了在注塑过程中将型腔内原有的空气排出，常在分型面处开设排气槽。小型塑件排气量不大，可直接利用分型面排气，大多数中小型模具的顶针或型芯与模具的配合间隙均可起排气作用，不必另外开设排气槽。
 (7)  模温调节系统: 注塑成型时力求模温稳定、均匀，模具设有冷却或加热系统。冷却系统一般在模具内开设冷却水道，加热系统则在模具内部或四周安装电加热元件。
 (8)  模架系统: 模架是模具的骨架，它由一系列的模板组成，用模架将模具各部分组合在一起，而对于注射模等通用型模具，其模架一般情况下多选用标准模架。
 (9)  其他零部件： 注射模具结构中其他一些用来固定、安装、搬运、支撑零件或起安全和限位等作用的零部件。
3.3 塑料注塑成型机
注塑机全称为塑料注塑成型机，它是将塑料原料从粒状或粉状原料通过注射系统加热及螺杆剪切，生成熔融塑料，然后注入锁模部分夹紧的模具内，通过保压和冷却后，生成所需形状的塑料制品。一般注塑机由注射系统、锁模系统、液压系统、电控系统和机架部分组成。如图3-6所示为典型的卧式注塑机。
图3-6 卧式注塑机
3.3.1 注塑机的分类
注塑机的分类有很多种方式，可以依据塑料原料的种类、注射装置结构的数量、锁模结构等进行分类。
1. 根据塑料原料的种类分类
根据塑料原料的种类分类，注塑机可分为热塑性塑料注射成型机和热固性塑料注射成型机。两种机器在注射系统的料筒螺杆部分结构有较大差异，同时在使用过程中，注塑工艺也有较大差别。
2. 根据注射装置结构的数量分类
根据注射装置结构的数量分类，注塑机可分为单组分注射成型机和多组分注射成型机。      图3-7 四色注射成型机

单组分注射成型机就是我们通常所说的普通标准注塑机，只有一组塑化射胶系统，而多组分注射成型机有多组塑化射胶系统，生产几种塑料“共注”或几种颜色的塑料制品。如图3-7所示是广州博创生产的四色注射成型机。
3. 根据锁模结构分类
根据锁模结构分类，注塑机可分为机铰式注射成型机和液压式注射成型机。
机铰机是通过机铰将锁模油缸的力放大，形成所需的锁模力。而液压机则直接通过油压形成所需的锁模力。机铰机有较高的生产效率，通常锁模部分速度较快；而液压机则有操作方便、锁模系统可进行自动补偿、模具受力均匀等优点。如图3-8所示为博创公司开发的威龙系列两板式液压注塑成型机。