注射模综述与新技术张桦.doc

注射模综述与新技术一，前言 模具行业是制造业的重要组成部分，具有广阔的市场前景。目前全世界的模具年产值在650亿美元左右，我国的模具年产值为40亿美元左右，据估计到2005年我国模具产值将达到460亿人民币。目前我国一般模具的30%，中高档模具的一半以上还依赖进口（其中注塑模占有很大的比例）。由此可见，模具（特别是注塑模具）制造业的落后在某种程度上已经成为阻滞我国制造业发展的瓶颈所在。开发和引进先进制造技术是改变我国注塑模具制造业相对落后和市场需求快速增长的重要途径。先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其应用于产品的设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。先进制造业正在急剧地改变着传统制造业的产品结构和生产模式，注塑模具制造业也不例外。随着塑料产品应用的日益广泛和塑料成型工艺的飞速发展，人们对塑料制品的要求也越来越高。近几年来，塑料成型战线上的科技工作者，对如何扩大注射成型的应用范围，缩短成型周期，减少成型缺陷，提高塑料塑件成型质量，降低生产成本等方面进行了深入的探讨，研究与实践，取得了可喜的成绩，模具的新技术和注射成型的新工艺层出不穷。这里介绍目前应用越来越广泛的热固性塑料注射成型，气体辅助注射成型，低发泡注射成型，共注射成型和精密注射成型的内容。二，注射模综述注塑模具由动模和定模两部分组成，动模安装在注塑成型机的移动模板上，定模安装在注塑机的固定模板上。在注塑成型时动模和定模闭合构成浇注系统和型腔。开模时动模与定模分离以便取出塑料制品。图1-1所示为典型的单分型面注塑模具结构，根据模具中各个部件所起的作用，一般可将注塑模具分为以下几个基本组成部分。1定位圈；2主流道衬套；3定模座板；4定模板；5动模板；6动模板；7动模底座；8推出固定板；9推板；10拉料杆；11推杆；12导柱；13型芯（凸模）；14凹模；15冷却水通道成型部件：成型部件由型芯和凹模组成。型芯形成制品的内表面形状，凹模形成制品的外表面形状。合模后型芯和凹模便构成了模具的型腔，该模具型腔由件13和件14组成。按工艺和制造要求，有时型芯或凹模由若干拼块组成，有时做成整体，仅在易损坏、难加工的部件采用镶件。浇注系统：浇注系统又称为流道系统，它是将塑料熔体由注塑机喷嘴引向型腔的一组进料通道，通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。浇注系统的设计十分重要，它直接关系到塑件的成型质量和生产效率。导向部件：为了确保动模与定模合模时能准确对接，在模具中必须设置导向部件。在注塑模中通常采用四组导柱与导套来组成导向部件，有时还需在动模和定模上分别设置互相吻合的内、外锥面来辅助定位（第6.3节中会详细讲解）。为了避免在制品推出过程中推板发生歪斜现象，一般在模具的推出机构中还设有使推板保持水平运动的导向部件，如导柱和导套。推出机构：在开模过程中，需要有推出机构将塑件及其在流道内的凝料推出或拉出。如图1-1所示，推出机构由推杆11和推出固定板8、推板9及主流道的拉料杆10组成。推出固定板和推板夹持住推杆。在推板中一般还固定有复位杆，复位杆在动模和定模合模时使推出机构复位。调温系统：为了满足注塑工艺对模具温度的要求，需要有调温系统对模具的温度进行调节。对于热塑性塑料用注塑模，主要是设计冷却系统使模具冷却。模具冷却的常用办法是在模具内开设冷却通道，利用循环流动的冷却水带走模具的热量；模具的加热除可用冷却水通道引入热水或蒸汽外，还可在模具内部和周围安装电加热元件。排气槽：排气槽用以将成型过程中的气体充分排除。常用的方法是在分型面处开设排气沟槽。由于分型面之间存在有微小的间隔，对于较小的塑件，因排气量不大，可直接利用分型面排气，不必开设排气沟槽，一些模具的推杆或型芯与模具的配合间隙均可起排气作用，有时可不必另外开设排气沟槽。侧抽芯机构：有些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，抽出侧向型芯后方能顺利脱模，此时需要在模具中设置侧抽芯机构。三，热固性塑料注射成型，气体辅助注射成型，低发泡注射成型，共注射成型和精密注射成型1.1热固性塑料注射成型 热固性塑料主要采用压缩和压注的方法成型，这两种方法工艺操作复杂、成型周期长、生产效率低、劳动强度大、模具易损坏、成型的质量不稳定。注射方法成型热固性塑料的特点：简化操作工艺、缩短成型周期、提高生产效率(520倍)、降低劳动强度、提高产品质量、模具使用寿命较长(1030万次)等优点。注射成型用热固性塑料：最常用的是以木粉或纤维素为填料的酚醛塑料，此外，还有氨基塑料、不饱和聚酯和环氧树脂等。 热固性、热塑性塑料注射成型差异；热塑性注射成型塑件的固化基本上是一个高温液相到低温固相转变的物理过程。热固性注射塑件的固化却必须依赖于高温高压下的化学交联反应。料筒温度:前段为90左右、后段为5060。 物料通过注射机喷嘴时，由于剧烈摩擦，料温可达100左右。模具温度通常保持在160190，物料在此温度下迅速交联固化。1.1.1热固性塑料注射成型工艺要点 热固性塑料注射成型成型特点： (1)注射压力和注射速度一般注射压力高达100170 MPa，注射速度常采用345 ms。 (2)保压压力和保压时间 保压压力和保压时间直接影响到模腔压力以及塑件的补缩和密度的大小。常用的保压压力可比注射压力稍低一些，保压时间也比热塑性塑料注射时略微减少些，通常取520 s。 (3)螺杆的背压与转速螺杆的背压不能太大，否则物料在螺杆中会受到长距离压缩作用，导致熔体过早硬化和注射发生困难，所以背压一般都比注射热塑性塑料时取得小，为3.45.2 MPa，并且在螺杆起动时可以接近于0。一般螺杆的转速在3070 rmin。(4)成型周期 注射时间为210 s，保压时间需520 s，硬化定型时间在15100 s内选择，成型周期共需45120 s。（注意：一般按812 sram硬化速度进行计算） (5)排气必须要有良好的排气结构，否则会在塑件表面留下气泡和流痕。对厚壁塑件，在注射成型操作时，有时还应采取卸压开模放气的措施。1.1.2热固性塑料注射模简介热固性塑料注射模基本结构及特点；与热塑性塑料注射模结构基本相同：成型部分、浇注系统、导向机构、推出机构、侧抽机构、加热及排气系统 。模具要考虑加热，塑料在成型前要有足够的烘烤，模具设计时要考虑充分排气，尽量减少拼缝（少用推板），考虑防腐性和耐蚀性。与热塑性塑料注射模结构类似，浇注系统、凹模、型芯、导向机构、推出机构、侧抽芯机构等。 (1)浇注系统设计主流道与冷料穴 主流道直径较小：锥度为12 ，塑料直接进入高温模具，流动性提升 ，减小不可重复利用的主流道凝料和固化时间，主流道末端设置较大的冷料穴：存贮喷嘴端部已固化的塑料。分流道 平衡式布局，使各型腔同时充满、同时固化 ， 常采用梯形截面或圆形截面浇口 大小适中 ，大浇口：可延长寿命，不利于摩擦生热和浇口去除 ， 小浇口：利于摩擦生热、塑件美观，但浇口易磨损，模具寿命低。 (2) 推出机构 避免采用推件板推出机构，同时尽量少用镶拼零件。(减少飞边产生) (3)型腔位置排布 采用平衡式排布，上面部分吸收热量与下面部分可相差两倍。为了改善这种情况，多型腔布置时应尽量缩短上下型腔之间的距离。（型腔高度要小） 1.2 气体辅助注射成型 一般的注射成型方法要求塑件的壁厚尽量均匀，否则在壁厚处易产生缩孔、凹陷和变形、开裂等缺陷。 例如：壁厚不均匀问题。对于厚壁塑件，为了防止凹陷产生，需要加强保压补料时间，但是若厚壁的部位离浇口较远，即使过量保压，常常也难以奏效。加强保压力，浇口附近由于保压压力过大，残余应力增大，容易造成塑件翘曲变形或开裂。国外采用了气体辅助注射成型的新工艺，较好地解决了壁厚不均匀的塑件以及中空壳体的注射成型问题。1.2.1 气体辅助注射成型原理气体辅助注射成型的原理较简单，在注射充模过程中，向熔体内注入相对注射压力较低压力的气体，通常为几个到几十个兆帕，利用气体的压力实现保压补缩。气体辅助注射成型的原理（具体）：成型时首先向型腔内注射经准确计量的熔体，然后经特殊的喷嘴在熔体中注入气体(一般为氮气)，气体扩散推动熔体充满型腔。充模结束后，熔体内气体的压力保持不变或者有所升高进行保压补料，冷却后排除塑件内的气体便可脱模。设计要点：在气体辅助注射成型中，熔体的精确定量十分重要！若注入熔体过多，则会造成壁厚不均匀；若注入熔体过少，气体会冲破熔体使成型无法进行。1.2.2 气体辅助注射成型的分类及工艺过程气体辅助注射成型只要在现有的注射机上增加一套供气装置即可实现。气体辅助注射成型可分为标准成型法、熔体回流法和活动型芯法四种。1标准成型法(1)气体从注射机喷嘴注入的标准成型法 (2)气体从模具型腔内注入的标准成型法 气体从模具型腔内注入的标准成型法。其工艺过程与上面介绍的气体从注射机喷嘴注入法完全类似，只是气体的引入点不同。标准成型法的特点以定量塑料熔体充填入模腔内，而并不是充满模腔，所需塑料熔体的量要通过实验确定。2熔体回流成型法该方法气体辅助注射成型的特点：是首先塑料熔体充满模腔，与标准成型法所不同是气体注入时，多余的熔体流回注射机的料筒。3活动型芯退出法原理：熔体充满型腔并保压； 进气；活动型芯从型腔中退出；升高气体的压力，实现保压补缩；排气使塑件脱模。1.2.3 气体辅助注射成型的特点1优点(1) 成型壁厚不均匀塑料制件及复杂三维中空塑件。(2)气体从浇口至流动末端形成连续的气流通道，无压力损失，能够实现低压注射成型。能获得低残余应力的塑件，塑件翘曲变形小，尺寸稳定。(3)由于气流的辅助充模作用，提高了塑件的成型性能，有助于成型薄壁塑件，减轻了塑件的重量。(4)由于注射成型压力较低，可在锁模力较小的注射机上成型尺寸较大的塑件。2缺点(1)需要增设供气装置和充气喷嘴，提高了设备的成本。(2)采用气体辅助注射成型技术时，对注射机的精度和控制系统有一定的要求。(3)在塑件注入气体与未注入气体的表面会产生不同的光泽。1.3 低发泡注射成型低发泡塑料:发泡率在5倍以下、密度在0.21.0 g cm3的塑料，也称合成木材。低发泡注射成型: 在某些塑料中加入一定量的发泡剂，通过注射成型获得内部低发泡、表面不发泡的塑料制件的工艺方法。低发泡注射成型塑件的特点:（1）内部无应力、外部表面平整、不易发生凹陷和翘曲，表 皮较硬，具有一定刚度和强度；（2）内部柔韧，具有一定弹性,外观似木材；（3）密度小、重量轻，比普通注射成型塑件减轻1550。（4）适合于低发泡注射成型的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS等。1.3.1 低发泡注射成型方法 低发泡注射成型方法主要有低压法和高压法两种。 1低压法低压法又称不完全注入法，模具型腔压力很低，通常为27 MPa。低压法的特点（过程）：是将体积小于模腔容积的塑料熔体(模腔容积的7585)注射入模腔后，在发泡剂的作用下使熔体膨胀后充满型腔成型为塑件。低压法的设备：在普通注射机上安装一个阀式自锁喷嘴或液控自锁喷嘴，便能进行低压成型注射，也有专门生产的大型低压发泡注射机。 2高压法高压法又称完全注入法，其模具压力比低压法要高，为715 MPa。高压法的特点（过程）：是用较高的注射压力将含有发泡剂的熔料注满容积小于塑件体积的闭合模腔，通过辅助开模动作，使模腔容积扩大到塑件所要求的形状和尺寸。1.3.2 低发泡注射成型的工艺条件1温度温度: 料温和模具温度。1、提高温度（料温和模具温度）：（1）可以增大发泡成型时的气体扩散系数，有利于在塑件内部 形成较多和较均匀的气泡。（2）温度过高，充模过程中又会产生喷射现象，影响塑件的发泡成型质量。2、模具的温度对塑件内气泡的分布及其大小有影响，对塑件的 表面质量也有影响。（1）熔体等温充填型腔时，塑件内的气泡数量较多，分布较均匀。（2）非等温条件下充填型腔时，低温下产生的气泡数量要比高温时产生的气泡少得多（在低发泡注射成型时，需选择合适的模具温度，并尽量采用等温充模。）聚烯烃低发泡注射的塑件表面质量与模温关系不大；聚苯乙烯和ABS等低发泡注射成型的塑件表面质量受模温影响较大。一般情况下（1）聚烯烃低发泡注射成型模温可在3040内选择，（2）聚苯乙烯和ABS低发泡注射成型模温可在3065 内选择。2 压力注射压力对气泡的形成、大小、分布等均有影响。（1）注射压力不大时，塑料熔体在浇注系统中流动时就有可能发泡，充模后成型塑件内气泡直径大且不均匀；（2）较大的注射压力作用下，熔体在浇注系统内不大可能发泡，所以充模后成型的塑件内气泡直径较小而分布也较均匀；（3）如果注射压力过大，有可能大幅度影响发泡气体的扩 散，并最终影响发泡率。（5）注射速度注射速度与注射压力相辅相成，在低发泡注射成型中，一般都要求使用较大注射速度以防止塑料熔体在浇注系统中提前发泡。（6）保压压力较大和保压时间在低压发泡注射成型中，熔体充满型腔后也需要一定的保压作用，熔体在保压作用下将会不断地发生瘪泡现象。保压压力较大和保压时间较长时，模具型腔会得到较多的补料，熔体内的瘪泡现象就会加剧，瘪裂后的气泡直径将会减小，恰当选择保压压力和保压时间对于控制塑件的发泡质量也很重要。3注射时间和冷却定型时间（1）低发泡注射成型中的注射时间概念与普通注射相同，一般1020 s，小塑件最短甚至可取3 s以下。（2）低发泡注射成型的冷却定型时间较长，这是因为塑件外层组织结构紧密，内部为疏松泡孔，热传导性很差，如果冷却定型时间不足而过早脱模，虽然表面已固化，但发泡剂仍有可能继续在内部发生作用，这将会导致塑料制件变形，尺寸超差。正确选择和控制冷却定型的时间，是保证低发泡注射成型塑件质量的重要因素之一。1.3.3 低发泡注射成型模具设计简介 低发泡注射成型模结构与普通注射模相同，由于在高压低发泡注射成型时要进行辅助开模，因此在结构设计时要采用可靠的辅助开模机构。设置灵活可靠的辅助开模机构(2)低发泡注射成型模一般采用单模腔结构 在低发泡注射成型中，如果采用多模腔结构，流道较长，影响各个模腔之间的发泡率不均，一般采用单模腔结构。 (3)浇注系统与排气槽设计低发泡注射成型时因发泡剂分解会产生大量气体，所以必须开设排气槽，使型腔中气体能顺利排出。分型面上料流末端及料流汇合之处的排气槽深度取0102 mm，在型腔深处排气塞上的排气槽深度可取0.150.25mm. (4)推出机构设计 低发泡注射成型塑件表面虽坚韧，但内部则是泡孔状的弹性体，所以推杆的推出面积过小容易把塑件损坏，推杆推出时，其直径应比普通注射成型的推杆大2030。对于大型塑件，也可采用压缩空气推出。(5)模具材料低发泡注射成型是在注射压力不大的情况下进行的，因此模具不需要很高的力学强度，其成型零部件可以用铝合金、锌合金等材料制造。1.4 共注射成型 共注射成型: 使用两个或两个以上注射系统的注射机，将不同品种或者不同色泽的塑料同时或先后注射入模具型腔内的成型方法。成型方法: 可以生产多种色彩或多种塑料复合塑件。共注射成型用的注射机：多色注射机。应用：国外已有八色注射机在生产中应用，国内使用的多为双色注射机。使用两个品种的塑料或者一个品种两种颜色的塑料进行共注射成型。有两种典型的工艺方法：一种是双色注射成型，另一种是双层注射成型。1.4.1 双色注射成型 1、两个注射系统(料筒、螺杆)和两副相同模具共用一个合模系统。模具固定在一个回转板7上，其中一个注射系统5向模内注入一定量的A种塑料(未充满)后，回转板迅速转动，将该模具送到另外一个注射系统2的工作位置上，这个系统马上向模内注入B种塑料，可以生产分色明显的混合塑料制件。2、两个注射系统共用一个喷嘴，如图所示，喷嘴通路中装有启闭阀2，当其中一个注射系统通过喷嘴l注射人一定量的塑料熔体后，与该注射系统相连通的启闭阀关闭，1.4.2 双层注射成型 注射系统是由两个互相垂直安装的螺杆A和螺杆B组成，两螺杆的端部是一个交叉分配的喷嘴。注射时，先一个螺杆将第一种塑料注射入模具型腔，当注入模具型腔的塑料与模腔表壁接触的部分开始固化，而内部仍处于熔融状态时，另一个螺杆将第二种塑料注入模腔，后注入的塑料不断地把前一种塑料朝着模具成型表壁推压，而其本身占据模具型腔的中间部分，冷却定型后，就可以得到先注入的塑料形成外层、后注入的塑料形成内层的包覆塑料制件。双层注射成型特点（1）双层注射成型可使用新旧不同的同一种塑料成型具有新塑料性能的塑件。（2）通常塑件内部为旧料，外表为新料，且保证有一定的厚度，这样，塑件的冲击强度和弯曲强度几乎与全部用新料成型的塑件相同。（3）此外，也可采用不同颜色或不同性能品种的塑料相组合，获得组合具有某些优点的塑料制件。双层注射发展：双层注射方法最初是为了能够封闭电磁波的导电塑料制件而开发的，这种塑料制件外层采用普通塑料，起封闭电磁波作用；内层采用导电塑料，起导电作用。但是，双层注射成型方法问世后，马上受到汽车工业重视，这是因为它可以用来成型汽车中各种带有软面的装饰品以及缓冲器等外部零件。近年来，在对双层和双色注射成型塑件的品种和数量需求不断增加的基础上，又出现了三色甚至多色花纹等新的共注射成型工艺。共注射成型生产工艺要点；（1）采用共注射成型方法生产塑料制件时，关键是注射量、注射速度和模具温度。改变注射量和模具温度可使塑件各种原料的混