射出成形機

第二章 射出成形机就热塑性塑料(thermoplastics)而言，射出成形机将塑料颗粒材料经由熔融、射出、保压、冷却等循环，转变成最终的塑件。热塑性塑料射出成形机通常采用锁模吨数(clamping tonnage)或射出量(shot size)作为简易的机器规格辨识，可以使用的其它参数还包括射出速率、射出压力、螺杆设计、模具厚度和导杆间距等等。根据功能区分，射出成形机的大致上有三个种类：(1)一般用途射出机；(2)精密、紧配射出机；和(3)高速、薄肉厚射出机。射出成形机的主要辅助设备包括树脂干燥机、材料处理及输送设备、粉碎机、模温控制机与冷凝器、塑件退模之机械手臂、以及塑件处理设备。2-1 射出机组件典型的射出成形机如图2-1所示，主要包括了射出系统(injection system)、模具系统(mold system)、油压系统(hydraulic system)、控制系统(comtrol system)、和锁模系统(clamping system)等五个单元。 图2-1 应用于热塑性塑料的单螺杆射出成形机2-1-1 射出系统射出系统包括了料斗(hooper)、回转螺杆与料筒(barrel)组合，和喷嘴(nozzle)，如图2-2。射出系统的功能是存放及输送塑料，使塑料经历进料、压缩、排气、熔化、射出及保压阶段。图2-2 热塑性塑料的单螺杆射出成形机之塑化螺杆、料筒、电热片、固定模板及移动模板。(1) 料斗热塑性塑料通常以小颗粒供应成形厂。射出机的料斗可以存放塑料胶颗粒，藉由重力作用使塑料颗粒经过料斗颈部，进入料筒与螺杆组合内。(2) 料筒射出机的料筒可以容纳回转式螺杆，并且使用电热片(electric heater bands)加热塑料。(3) 回转式螺杆回转式螺杆可以压缩塑料、熔化塑料及输送塑料，螺杆上包括了进料区(feeding zone)、压缩区（compression zone, 或转移区transition zone）、和计量区(metering zone)三个区段，如图2-3所示。图2-3 回转式螺杆之进料区、压缩区、和计量区。螺杆的外径为固定值，螺杆的沟槽深度(the depth of flight)从进料区到计量区起点逐渐递减，沟槽深度的变化使塑料相对于料筒内径产生压缩，造成剪切热，提供熔化塑料的主要热量。料筒外的加热片则帮助塑料维持于熔融状态，一般的射出机有三组或更多组加热片，以便设定为不同的温度区段。(4) 喷嘴喷嘴连接料筒和竖浇道衬套(sprue bushing)。当料筒移到最前端的成形位置，其喷嘴外径必须包覆在竖浇道定位环内，构成密封。喷嘴的温度应该设定在材料供货商建议之塑料熔化温度，或是略低于温度。如此，清理料筒时，只要将料筒后退远离竖浇道，清除的塑料可以从喷嘴自由落下，参阅图2-4。图2-4 (a)在成形位置的喷嘴与料筒；(b)在清料位置的喷嘴与料筒。2-1-2 模具系统模具系统包括了导杆(tie bars)、固定模板(stationary platen)、移动模板(movable platen)、和容纳模穴、竖浇道、流道系统、顶出销和冷却管路的模板(molding plates)，如图2-5所示。基本上，模具是一座热交换器，使热塑性塑料的熔胶在模穴内凝固成需要的形状及尺寸。图2-5 典型的三板模之模具系统模具系统将熔融塑料在模穴内定形，并于冷却后将塑件顶出。射出成形的模具系统是安装模板与成形模板的组合，通常以工具钢加工制成。固定安装板连接到成形机料筒一侧，并经由导杆与移动模板相接。母模板通常锁在固定模板上，并且连接到喷嘴；公模板锁在移动安装板上，沿着导杆之导引而移动。有些应用会相反地将母模板锁在移动模板上，将公模板和液压顶出机构安装固定模板上。(1) 两板模大多数模具是由两片模板组成，如图2-6，此类模具常使用在塑件浇口正好设在塑件边缘或者接近塑件边缘的设计，其流道(runner)也设计在母模板上。(2) 三板模三板模通常应用于浇口远离塑件边缘的设计，其流道是设计在分隔公模与母模的脱料板(stripper plate)上，如图2-6所示。 图2-6 (左)两板模与 (右)三板模(3) 冷却管路（回路）冷却管路(cooling channels)是模具本体的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）经由冷却管路循环以调节模壁温度。冷却管路也可以搭配其它的温度控制装置一起使用，例如障板管(bafflers)、扰流板(bubblers)或热管(thermal pins or heat pipes)等。2-1-3 油压系统射出机的油压系统提供开启与关闭模具的动力，蓄积并维持锁模力吨数，旋转与推进螺杆，致动顶出销，以及移动公模侧。油压系统的组件包括帮浦、阀、油压马达、油压管件、油压接头及油压槽等。2-1-4 控制系统控制系统提供成形机一致性的重复操作，并且监控温度、压力、射出速度、螺杆速度与位置、及油压位置等制程参数。制程控制直接影响到塑件质量和制程的经济效益。控制系统包括简单的开关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制器。2-1-5 锁模系统锁模系统用来开启关闭模具，支撑与移动模具组件，产生足够的力量以防止模具被射出压力推开。锁模机构可以是肘节机构锁定、油压机构锁定、或是上述的两个基本型态的组合。2-2 射出成形系统典型的射出成形系统(molded system)包括熔胶输送系统和成形塑件，如图2-7所示。熔胶输送系统提供让熔胶从射出机喷嘴流到模穴的通道，它通常包括：竖浇道(sprue)、冷料井(cold slug well)、主流道、分枝流道、和浇口(gates)。图2-7 射出成形系统包括熔胶输送系统及成形塑件。输送系统的设计对于充填模式与塑件质量都有很重要的影响。因此应该设计流道系统，以维持所需充填模式，将熔胶输送到模穴。在完成射出成形之后，冷流道输送系统将会被切除成为回收废料，所以应该设计输送系统，以产生最少的废料。热流道（Hot runner或无流道runnerless）成形制程维持流道于高温，使其内之熔胶维持在熔融状态。因为热流道并不与塑件一起脱模，不致于造成废料，并且节省塑件二次切除加工的制程。2-3 射出机操作顺序塑料射出成形加工是一种适合高速量产精密组件的加工法，它将粒状塑料于料筒内融化、混合、移动(3 Ms: Melt, Mix, and Move)，再于模穴内流动、充填、凝固(3Fs: Flow, Form, and Freeze)。其动作可以区分为塑料之塑化、充填、保压、冷却、顶出等阶段的循环制程，包括的基本操作动作如下列：(1) 关闭模具，以便螺杆开始向前推进，如图2-8(a)。(2) 与柱塞式射出机相同地，推进回转式螺杆以充填模穴，如图2-8(b)。(3) 螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图2-8(c)。(4) 当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开始后退，并塑化材料准备下一次射出，如图2-8(d)。(5) 开启模具，顶出塑件，如图2-8(e)。(6) 开闭模具，以开始下一个循环，如图2-8(f)。塑料在料筒被螺杆挤压产生大量摩擦热而形成熔融状态，熔胶堆积于料筒前端，并且使用加热器维持熔胶温度。在充填阶段开始，射出机打开喷嘴，螺杆前进将熔胶经喷嘴注入关闭的模穴，以完成充填。当熔胶进入模穴，受压气体从顶出销、分模线和气孔逸出。良好的充填决定于塑料组件设计、浇口位置和良好的排气。假如塑料的流动性不佳，或者射出压力不足就可能造成短射现象；相反地，假如塑料的流动性太好，容易在塑件的分模面造成毛边。熔胶完全填满模穴后，继续施压以注入更多熔胶，补偿因冷却而造成之塑料体积收缩，并确保模穴完全填满。充填与保压阶段结束，熔胶在模具里完全凝固后，再打开模穴取出塑件。冷却时间在整个成形周期占非常高的比例，大约80%，成形品的冷却时间依照塑料性质、成形品的形状、大小、尺寸、精度而有不同。当移动模板后退，使顶出销顶到后板(rear plate) 而停止运动，将成形品、浇道系统及废料顶出。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图2-8 射出机之操作程序。(a)关闭模具；(b)充填模穴；(c)保压； (d)螺杆后退；(e)顶出塑件；(f)开始下一个循环。为了进一步说明制程循环中的射出机动作，图2-9画出不同阶段的油压缸压力、模穴压力、公母模分隔距离与螺杆位置的示意图，其中编号表示：图2-9 典型的射出成形机之动作循环和各动作所占的时间比例1 - 充填（射出阶段）2 - 保压与冷却3 - 开启模具4 - 顶出塑件5 - 关闭锁具射出成形的周期时间根据制程的塑件重量、肉厚、塑料性质、机器设定参数而改变。典型的周期时间可能从数秒钟到数十秒。2-4 螺杆操作根据需求，回转式螺杆可以设定转速以塑化塑料颗粒，并且将熔胶以设定之螺杆速度、射出量与射出压力压挤进入模穴。回转式螺杆射出机之射出成形的主要控制参数如下列： (1) 背压背压(back pressure)是螺杆往后推以准备下一次射出塑料时，作用于螺杆前端之塑料的压力值。当射出机准备要射出时，螺杆将前端的塑料推入模穴，射出的塑料在模具内冷却后，射出机再进入螺杆倒退阶段，重新开始一个循环。通常，射出机可以调节背压的最大值，当螺杆移到此预设背压位置，就结束螺杆倒退阶段。此预设的螺杆停止位置是根据充填流道和模穴所需的塑料量，以手动方式设定。(2) 射出速度（或射出时间）射出速度（injection speed或螺杆速度ram speed）是指射出操作中，螺杆的前进速度。对于大部份的工程塑料，应该在塑件设计的技术条件和制程允许的经济条件下，设定为最快的射出速度。然而，在射出的起始阶段，仍应采用较低的射速以避免喷射流(jetting)或扰流。接近射出完成时，也应该降低射速以避免造成塑件溢料，同时可以帮助形成均质的缝合线。射出时间是将熔胶充填进模穴所需的时间，受到射出速度控制。虽然最佳的充填速度取决于塑件的几何形状、浇口尺寸和熔胶温度，但大多数情况会将熔胶尽速射入模穴。因为模具温度通常低于树脂的凝固点(freezing point)，所以太长的射出时间会提高导致塑料太早凝固的可能性。薄肉厚塑件使用高射出速度以防止充保模穴前发生凝固。有时候，粗厚塑件或小浇口会降低充填速度，此时必须保持熔胶连续地流过浇口以防止浇口凝固，进而充饱模穴。新进的研究方向尝试控制射出量，控制螺杆动作和止回阀(check valve)关闭的时间，以达到控制组件尺寸的目的。(3) 螺杆旋转速度螺杆旋转速度是塑化螺杆的转速。转速越快，塑料螺杆沟槽压缩得越激烈，产生更大量的剪切热。(4) 缓冲量缓冲量(cushion)是螺杆的最大允许前进位置与最末端的前进位置之间的差值。假如允许螺杆行程设为最大值，缓冲量为零，螺杆将前进至碰到喷嘴后才停止。通常，缓冲量设定为36 mm（1/81/4英吋）。(5) 熔胶温度熔胶温度应依照(a)树脂种类、(b)射出机特性、(c)射出量，相互配合。最初设定的熔胶温度应参考树脂供货商的推荐数据。通常选择高于软化温度、低于树脂之熔点做为熔胶温度，以免过热而裂解。以nylon为例，在射出区(feed zone)的温度通常比料筒的温度高，此增加的热量可以降低熔胶射出压力而不致于使熔胶过热。因为nylon熔胶的黏滞性相当低，可以很容易地充填模穴而不必倚赖提升温度造成的致稀性。(6) 模具温度模具温度的限制在于避免塑料在模穴内的剖面冻结(freezing)以及塑料的冷却性质(例如crystallization等)。所以，模具温度应该是在熔胶的流动性与模具温度之间作折衷选择。假如可能的话，应该让临界之凝固位置(the critical freezing location)发生在浇口处。调节浇口尺寸能够获得在可能的最低模具温度下的最佳流动性。较低的模具温度可以加速成形周期，故应尽量使用可接受的最低模具温度。有些射出成形需要冷却或冷凝，有些则需要加热模具以控制结晶度(crystallization)和热应力。模具温度可以使用冷却剂调节。模具温度和冷却剂温度都应监控。模具固定侧和移动侧使用不同模温的目的之一是要控制成品附着在模仁，方便顶出。影响熔胶温度和模具温度的一些因素包括：射出量(shot size)大射出量需要较高的模具温度。射出速率(injection rate)高射出速度会造成致稀性的高温。流道尺寸(size of runner)长的流道需要较高温度。塑件壁厚(part thickness)粗厚件需要较长冷却时间，通常使用较低模温。(7) 射出和保压压力射出压力的上限是射出机的容量、锁模力和模具的结构。通常，射出压力和保压压力设定为不会造成短射的最低压力。射出压力和保压压力应该足够高，维持足够久，以便在塑件的收缩阶段继续填注塑料，将收缩量最小化。然而，太高的射出压力会造成塑件潜在的应力。两段式加压可以应用在一些制程，第一阶段的高压进行充填，第二段则以较低压力进行保压。(8) 保压时间完成充填模穴后，射出机仍然施加压力在模具的时间称为保压时间，保压的目的在维持组件的尺寸精度。(9) 剩余冷却时间解除压力到开模之间的时间称为剩余冷却时间，目的是让塑件足够硬化以便顶出。假如在塑件尚未完全冷却硬化之前就顶出，会造成塑件翘曲变形。(10) 开模时间（mold-opening time，也称为dead time）开模时间包括打开模具、顶出塑件和关闭模具的时间。