塑料制品的注塑成型.ppt

第九章 塑料制品的注射成型 塑料制品的注射成型 注射成型就是将粒状或粉状塑料加入到注射 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。 塑料制品的注射成型特点 o间歇操作过程 o成型周期短 o生产效率高 o一次成型外形复杂、尺寸精确的制品 o成型适应性强，制品种类繁多 o容易实现 生产自动化， o应用:几乎所有的热塑性塑料，多种热固性 塑料，橡胶制品。 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 规格： o注塑机规格：注射容量或注射容量/锁模力 表示法。反映了注射机的加工能力。 o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 。 o锁模力：合模机构所能产生的最大模具闭紧 力，反映了注射机成型制品面积的大小。 9.1 注塑机的基本结构 分类 o按塑料在料筒中的塑化方式分为两类：柱塞式和 螺杆式 柱塞式：注射量一般60g以下，不适于热敏性，流 动性差的塑料。 o按外形特征分为：立式，卧式，直角式等。 o按用途：热塑性塑料通用型，热固性塑料型，发 泡型，排气型，高速型，多色，精密 o按合模机构：机械式，液压式，液压机械式 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 高速、精密和大 型注射装置及低 发泡注射方面有 发展和应用 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 主要技术参数： 包括注射、合模、综合性能等三个方面， 如公称注射量、螺杆直径及有效长度、注 射行程、注射压力、注射速度、塑化能力 、合模力、开模力、开模合模速度、开模 行程、模板尺寸、推出行程、推出力、空 循环时间、机器的功率、体积和质量等。 9.1 注塑机的基本结构 注射机主要由注射系统、锁模 系统、液压传动及电器控制系统 、注射模具组成。 9.1 注塑机的基本结构 注射系统：使塑料均匀地塑化并达到流动状态在很高的压力 和较快的速度下，通过螺杆或柱塞将熔体推挤注射入模。 锁摸系统：实现模具的开闭动作，在成型时提供足够的夹 紧力使模具锁紧，防止溢边，开模时推出模内制件。 液压及电器控制系统：保证注射机在塑化、注射、固化成型各 个工艺过程中按预定要求和动作程序准确有效地工作。目前常 用的注射机一般是由油泵作压力来源， 通过电器控制系统，可 将高(低)压油经压力分配装置送往锁模系统，使模具开启和闭 合退回，或送往注射系统使螺杆(或柱塞)前进或后退。 模具：利用本身特定形状，使塑料(或聚合物)成型为具有定 形状和尺寸的制品。 9.1 注塑机的基本结构 注射系统：料斗、料筒、螺杆 (柱塞式注射机为柱 塞和分流梭) 喷嘴等。 料斗：设有计量装置，使加入料筒的塑料与从料筒注 入模具的料量相等。 料筒：柱塞式料筒较大，使塑料有足够的传热时间和 传热面积。 分流梭：使料分为薄层，塑料流体分流和收敛，缩短 传热导程，产生剪切摩擦热，加强混合塑化，提高柱 塞式注射机的生产效率及制品质量。 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 注射螺杆与挤出螺杆在结构上有如下区别： 1) 长径比较小，在10-15。压缩比较小，在2-2.5之间 。 2) 均化段长度较短，但螺槽深度较深，可提高产量。 加料段较长，约为螺杆长度的一半，提高塑化量。 3)注射螺杆的头部呈尖头型，与喷嘴能很好的吻合。 注射螺杆起预塑化和注射作用，是间歇操作过程， 它对物料的塑化能力、操作时的压力稳定以及操作连续 性等要求没有挤出螺杆那么严格。 9.1 注塑机的基本结构 挤出螺杆 9.1 注塑机的基本结构 注射螺杆 9.1 注塑机的基本结构 喷嘴： 1) 连接料筒和模具的通道。 2) 具有一定的射程。 3)内径从入口至出口逐渐收敛。 4）剪切塑化 ）结构与物料流动性有关。结构简单，阻力小 ，不出现流涎现象。可分为通用式，延伸式，弹 簧针阀式。 9.1 注塑机的基本结构 通用式：结构简单，制造方便，无加 热装置，压力损失小，应用：PE， PP，PS，PVC等通用塑料 延伸式：结构简单，制造方便，有加 热装置，压力损失小，应用： PMMA，POM，PC，PSF等高黏 度塑料 弹簧针阀式：自锁式喷嘴，结构复 杂，制造困难，流程短，压力损失 较大，应用：PA，PET等低黏度 塑料 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 锁模系统：启闭模具系统的夹持力大小及其稳定性对 注射制品的质量及其尺寸准确性都有很大的关系。 最常见的锁模系统： 9.1 注塑机的基本结构 液压传动与电器控制系统： o为保证注射机实现塑化、注射、固化成型 各个工艺过程的预定要求和动作程序设置 的动力和控制系统。 o包括：电动机、油泵、管道、各类阀件和 其他液压元件及电器控制箱等。 o一般注射机以油泵为压力来源。现发展全 电动注射机。 9.1 注塑机的基本结构 注射模具：浇注系统、成型部件和结构零件等三大 部分组 成。 浇注系统：塑料熔体从喷嘴进入型腔前的流道部分 ，包括主流道、分流道、冷料井和浇口等。 成型部件：构成制品形状的部件，包括动模、定模 、型腔、型芯和排气孔等。 结构零件：构成模具的各种零件，包括导向柱、脱 模装置、抽芯机构等。 9.1 注塑机的基本结构 9.1 注塑机的基本结构 注射模具：浇注系统、成型部件和结构零件等三大 部分组 成。 9.2 注射机的工作过程 o合模与锁紧：注射机的成型周期一般以合 模为起点。低压快速合模，高压锁模。 o注射装置前移：使喷嘴和模具浇道口贴合 。 o注射：注射螺杆或柱塞前移，以高速高压 将料筒前部的熔体注入型腔，并从模具分 型面排气。 9.2 注射机的工作过程 o保压：补充熔体冷却收缩产生的缺料，直 到浇口冻结。保证制品的致密性、尺寸精 度和强度。 o制品冷却与预塑化：浇口冻结后，卸去保 压压力，制品的继续冷却定型与螺杆的预 塑化同时进行。 9.2 注射机的工作过程 o注射装置的后退和开模顶出制品：注射装 置的后退是防止喷嘴与冷模接触使喷嘴内 的物料温度过低影响注射。冷却定型后开 启模具顶出制品。 9.3 注射过程原理 热塑性塑料的注射过程包括 加料、塑化、注射充模、冷却 固化和脱模等工序，其中关键 是塑化、流动和冷却。 9.3 注射过程原理 一、塑化过程： 塑化：使物料在料筒内受热达到充分熔 融状态，且具有良好可塑性。 要求：塑化质量良好，塑化效率高 塑化质量：熔体温度均匀性，组分均匀性，密度均 匀性，黏度均匀性 塑化效率（塑化能力）：单位时间内，料筒熔化塑 料的质量 9.3 注射过程原理 料筒温度 加热时间 螺杆转速 背 压 工艺条件 塑化质量和塑 化效率取决于 塑料受热情况（ 料筒外加热） 受到剪切作用（ 剪切摩擦热，混 合分散） 背压：螺杆后退时所受到的阻力。背压，螺杆后退慢， 加热塑化时间长，摩擦热，熔体温度，塑化质量，塑 化效率 9.3 注射过程原理 1.热均匀性：用加热效率E表示，E值高，有利 于塑料的塑化。 T塑料实际达到的温度 T0塑料初始温度 Tw料筒内壁温度 9.3 注射过程原理 E值影响因素： o增加料筒长度和传热面积，或延长塑料的受 热时间和增大塑料的热扩散速率，可提高T 值，从而提高E值。 -热传导系数 热扩散速率 C比热 密度 9.3 注射过程原理 E值影响因素： o料层厚度，E值提高。例如，柱塞式注射 机料筒前端的分流梭。 o塑料温度分布也影响E值。E值不应小于0.8 9.3 注射过程原理 2.塑化能力：柱塞式注射机取决于加热料筒的 塑化能力和注射成型周期。 影响因素：停留时间，加热温度，塑料性质， 传热面积，加热物料的体积。 qm-塑化能力，kg/h W-注射量，g t-一个注射周期，s 9.3 注射过程原理 9.3 注射过程原理 螺杆式注射机，由于剪切引起摩擦热，其温升 值为： 影响因素：螺杆直径D、转速n、螺槽深度H、塑 料比热C、熔体粘度 剪切摩擦热使螺杆式注射机的加热效率提 高，塑化质量和塑化效率提高。 9.3 注射过程原理 3.料温分布： 9.3 注射过程原理 二、注射充模过程： 塑化良好的塑料熔体，在柱塞或螺 杆的推动下，由料筒前端经喷嘴和模具 浇注系统进入并充满模腔的过程。 9.3 注射过程原理 1.注射成型周期 （1）充模阶段 （2）保压阶段 （3）倒流阶段 （4）冻结后的冷却阶段 注射成型周期：完成一次注射 成型过程所需的时间。（该周 期缩短，生产率提高）。 9.3 注射过程原理 注射充模过程中的温度变化和压力损失直接影 响到注入模腔熔体的温度和压力。 温度变化 压力损失 喷嘴中 浇道中 料筒内 喷嘴中 浇道中 9.3 注射过程原理 2.熔体在喷嘴中的流动 假塑性幂律流体等温通过 截面圆管的流动压力损失 压力损失：粘度、喷嘴长度L、体积流量 qv, 喷嘴直径，压力损失（尤其喷嘴直 径影响最大） 9.3 注射过程原理 温度变化：剪切速率， ，黏度。压力 损失通过内摩擦作用转化为热量，熔体流经喷嘴 处的温升T主要由压力损失决定。 喷嘴温度变化相关的工艺条件：注射压力，注射 速度。 熔体密度 Cp熔体定压比热容 J热功当量 9.3 注射过程原理 3.塑料在模具浇注系统中的流动 温度和压力的变化与流过喷嘴类似，还与冷浇 道系统和热浇道系统有关。 热浇道：影响温度和压力变化的因素与喷嘴相似，温度在 粘流温度或熔点之上。 冷浇道：形成冷凝料壳层，塑料热扩散系数，熔体温度 ，流速，壳层厚度，浇道截面积，壳层形成后具 有保温作用。 9.3 注射过程原理 在尽量短的时间内有足够量的熔体充满模腔是 充模过程的基本要求，即充模时应有较高的体积流 率。体积流率与浇口面积有关。 浇口面积 体积流率 剪切速率黏度体积流率 因此，浇口面积的增加有一个限值，多数情 况下，减小浇口截面有利于体积流率的增加。 9.3 注射过程原理 高温熔体在低温模具中流动，熔体 在该阶段的成型速率影响到聚合物的聚 集态结构（取向和结晶），进而影响制 品的质量 4.熔体在模腔的流动 9.3 注射过程原理 （1）熔体在典型模腔中的流动方式 与浇口的位置和模腔的形状和结构有关 9.3 注射过程原理 （2）熔体在模腔的流动类型 9.3 注射过程原理 影响喷射流 的因素 浇口厚度制品厚度，易出现喷射流 塑料性质：结晶性低黏度塑料易出现喷射流（ 如PA，PET） 浇口形状和位置 工艺条件 注射压力 注射速度 熔体温度 模具温度 防止喷射流的产生 9.3 注射过程原理 （3）熔体流的运动机理 1-初始阶段 2-过渡阶段 3-主阶段 充模时熔体前缘变化的各阶段 9.3 注射过程原理 （3）熔体流的运动机理 9.3 注射过程原理 （4）熔体充模流动长度 充模过程中必须考虑的首要方面 充模流动长度 塑料的流动性和冷凝速度 模腔厚度和宽度 模温（对长度影响不大，主要影响凝固速 度） 注射压力 料筒温度 注射速度 工艺条件 9.3 注射过程原理 三、增密和保压过程： 1.增密过程（压实过程） C点为压实阶段与 保压阶段的切换点 ，该点的准确控制 对注射制品的质量 相当重要。 9.3 注射过程原理 2.保压过程： 补偿因冷却收缩引起 的缺料，该过程对制品 的质量影响较大。 工艺条件：保压压力， 保压时间，模温 9.3 注射过程原理 四、倒流和冷却定型过程： 1.熔体的倒流 保压压力撤除后，若浇口未凝封，模腔 内熔体倒流，浇口冻结点为凝封点E。保压 时间越短，凝封点压力越低。（凝封压力高 ，凝封温度低，有利于降低模塑收缩率及提 高制品尺寸精度） 9.3 注射过程原理 2.浇口冻结后的冷却 浇口凝封温度高， 凝封压力低，则制品的 密度小。凝封压力高， 则制品的密度高，残余 应力大，形成制品的内 应力。 凝封压力和温度可 通过保压时间调节。 9.3 注射过程原理 制品脱模最佳条件 温度Tg为缓冷。 9.5 注射成型工艺条件 o非结晶塑料：分子链刚性，粘度高，模温较高， 如PC，PPO，反之，模温较低，注意低模温引起的 充模不全。 o结晶型塑料：模温高低对结晶、取向结构及制品 性能的影响？ o厚壁制品：模温不宜过低。 o模温高，成型周期延长，生产效率下降。 9.5 注射成型工艺条件 9.5 注射成型工艺条件 （1）螺杆转速、背压 o螺杆转速提高，塑化质量提高或降低，塑 化效率提高 o背压增加，排出空气，增加剪切和停留时 间，塑化质量提高，塑化效率下降。 o注意背压对喷嘴流涎的影响 o螺杆长径比小，可增加背压 2.压力 9.5 注射成型工艺条件 9.5 注射成型工艺条件 2.注射压力、注射速度 选择注射压力大小的因素： 塑料品种、制件的复杂程度、制件的壁厚 、喷嘴的结构形式、模具浇口的尺寸以及注射 机类型等，常取40200Mpa。 9.5 注射成型工艺条件 o, 摩擦因数高， 注射压力 o添加玻纤，填料，注 射压力 o制品形状复杂，壁薄 ，形状和尺寸精度要 求高，注射压力 o熔体温度低，模温低 ，应提高注射压力 9.5 注射成型工艺条件 o流动比：指熔体自喷嘴出口处开始能够在模 具中流至最远的距离与制件厚度的比值。 不同的塑料具有不同的流动比范围，并 受注射压力大小的影响。 9.5 注射成型工艺条件 塑料注射压压力(Kg/cm2)流动动比 PE1500 600 280250 140100 PP1200 700 280 240200 SPVC900 700 280200 240160 UPVC1300 900 700 170130 140100 11070 PC1300 900 180120 13090 PA900360200 9.5 注射成型工艺条件 9.5 注射成型工艺条件 注射速度 注射速度一般以单位时间内柱塞或短杆移动的距 离(cms)或单位时间内注射塑料的体积或质量 (M3s或gs)来表示。 注射速度与注射压力密切相关。其他工艺条 件和塑料品种一定时，注射压力越大，注射速度 也就越快。 9.5 注射成型工艺条件 注射速度较高的优点： 熔体流速较快，其温度维持在较高的水平， 剪切速率具有较大值，熔体黏度较小，流动阻力 相对降低，料流长度和模腔压力会因此增大，制 件将比较密实和均匀，熔接痕强度有所提高，用 多腔模生产出的制件尺寸误差也比较小。 注意防止喷射流的产生。 9.5 注射成型工艺条件 对于一定的模具：注射速度常由实 验确定， 一般先低压慢速注射，然后则 根据制品的成型情况来调整注射速度。 通常对玻璃化温度高、粘度大的塑料，制 品形状复杂，浇口尺寸小，流道长，薄壁 制品的模具结构宜选用高速高压注射。 9.5 注射成型工艺条件 高压高速注射 制品应进行退火 处理很重要。 9.5 注射成型工艺条件 3. 保压压力、保压温度、保压时间 9.5 注射成型工艺条件 聚合物比体积、温度、保压力之间关系分析： 在较高的保压力或较低的温度条件下，可以使 制件得到较小的比体积，即较大的密度，其中温度的 影响可认为是塑料在低温下体积膨胀较小的结果。 a、b两条虚线分别反应模腔中靠近浇口和远离 浇口位置的比体积变化情况。很明显，塑料在靠近浇 口的位置温度高、比体积大、密度小，冷却后的收缩 也大，而在远离浇口的位置，情况则正好相反。 9.5 注射成型工艺条件 两图的差别： 结晶的聚乙烯从高温到低温变化时曲线在100 150左右具有一个明显的拐点，经此拐点之后， 比体积在100一150左右急剧减小(聚苯乙烯无此 现象)； 在相同的保压力和温度范围下，聚乙烯的比体 积变化幅度要比聚苯乙烯大得多。例如，在5