塑料注射成型加工工艺.doc

工程塑料|立用加工应用论文优选塑料成型1jn-r讲座(第五讲)塑料注射成型加工工艺申长雨陈静波刘春太李倩邵州工业大学檬塑模具国家工程研究中心450002)捕要介绍注塑成型的工艺原理、成型工艺条件厦对成型制品性能的影响。 关键词注射成型工艺参数加工工艺l概述 需的时间；辅助操作时间是指陈成型时问外的其余时间。通 塑料注射(注塑)成型是将粒状或粉状的塑料原料加入常包括合模、注射座前穆、开模、顶出的动作时间及安放嵌 注射机料筒，塑料在热和机械剪切力的作用下塑化成具有良件、涂脱摸剂、取出制品等：由于树品戚型都是在闭合的模 好流动性的熔体，随后在柱塞或螺杆的推动下熔体陕速进 腔中进行的，因此成型时间实际上包括在模具锁紧的时间范 温度较低的模具内，冷却固化而得到塑料制品。围内。图2为成型时间内，塑料熔体所经受的温度和压力变注射成型的优点：其一是能一次成型外形复杂、R寸精 化，一般可将此过程分为六个阶段。确、可带有各种金属嵌件的塑料制品，制品可小到钟表齿轮， 大到汽车保险杠，生产的塑料制品的种类之多，形状之繁是柱塞压力 其它任何塑料成型方法都无法比拟的；其二是可加工的塑料 种类多除聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯等极少数塑料外，几乎所有的热塑性塑料、热固性塑料和弹性俸都能用这种方法加工制品；其三是成型过程自动化程度高，成型过枉“h的合模、加料、塑化、注射、开模和制品顶出等全部操作均可时间a) i帅由注射机自动完成，因此注射成型是塑料加工中重要的成型方法之一。目前，注射制品的产量占塑料翩品总量的30以上。 a一柱塞位t与铷料温度的戋耙b一柱塞压力、喷噶温度与模具内压的关系注塑制品的生产过程由物料准备、注射成型和成型制品图2成型时间内熔体经受的温度和压力变化情配的热处理与调湿处理等三个阶段组成。其中注射成型包括2 1曩杆(柱塞)空载阶段 两个过程：第一是物料塑化，第二是制品成型。从屯时刻螺扦开始快速向前移动熔体通过喷嘴和浇2成型周期注射成型制品是周期性过程，主要由台模、锁模、注射座口，但熔体尚未进模腔，螺杆处于空载状态。当熔体高速前移、注射、保压、预塑、制品冷却、开模、顶出制品等程序组 通过喷嘴和浇口时，受到很大的阻力并产生大量的剪切摩擦成。在一个注射成型周期内，注射座合模装置、螺杆的动作 热，故在这一阶段结束时熔体温度明显升高而作用在螺杆时间顺序及熔体所经历的过程如图1所示。上和喷嘴处的压力迅速升高。2 2充模阶段从f。对刻熔体开始进A摸腔，到f。时熔体到达摸腔末 端结束=在此间螺杆(柱塞)继续快速前进，直至熔体充满模 腔。由干充模时间很短模具对熔体的冷却作用不显著，加 之充模速度较高，熔体在模腔内流动时仍有剪切唪擦热产 生，故充模过程中熔体温度仍有一定升高，到充模结束时达 到最大值。在此期间模腔内压力开始上升，螺杆和喷嘴处的 压力升到最太值。23压实阶段 这一阶段从“开始董螺杆(柱塞)到达前进行程的最大位置的时刻t：结束。该过程经历的时间很短，在此期间，尽管模腔已被克满，但在螺杆推动下仍有少量熔体进模腔吼围J注射成型周期在一个成型周期中时间可划分为成型时间和辅助操作*国家自然科学基金重点责助项目(19632004)时间。成型时间是指熔体充模、保压和在模腔内净却定型所原载于工程塑料应用)1999年第7期申长雨等：塑料注射成型加工工艺29l压紧(实)模腔中的培体，因而使模腔内熔体密度增大而压力 向后作直线运动，后退动作一一直持续鲥计量行程结束为止。 急剧上升，压实期结豪时模腔内的压力达到成型周期内的最 当螺杆后退停止时，螺杆旋转运动也随之停止塑化过程结 高值。 束，进人下一循环周期，物料在料筒内处于“保温”状态。2 4保压阶段32主要工艺参数 这一阶段从t：开始至螺杆(拄塞)开始退回的时刻h结 3、21温度束。此同，螺杆在压力控制下向前蠕动并向模腔内补料，以 料筒各段温度的分布主要取决于成型物料的热物理及弥补由于模具冷却和料温下降引起的熔体体积收缩。 流变性质。熔点低而牯度大的塑料(如PVC-E、H鸸和ABS25倒漉胥段 等)在很大程度上可刺用剪切摩攘加热成型这类塑料时螺 这一阶段从b开始至浇口内熔体凝固的时刻结束。杆加料段的温度只需高于塑料的软化温度，加热器的主要作 保压期结束后螺杆在“时刻开始后退，作用在其上的压力用是提供开始运转所需要的热量和弥补热损失，物料的熔融消失，喷嘴处和浇道内的压力迅速下降。这时模腔内的压力 塑化所需的热量大部分靠剪切摩擦产生。熔点高而粘度小 会高于浇道内的压力，若浇口内的熔悻毋能流动，靛会有少 的塑料(如PA、HDPE等)在熔融前难必由剪切摩擦获取热 量熔俸从模腔谢流入浇道并导致模腔内压力迅速降低。随 量，这时应采用高的加料段温度以增大料筒向物料的传热， 着模腔内压力降低倒流速度减慢，浇13处温度迅速下降，到 加速物料的熔融。因加料段靠近料斗，一般温度要低一些， h时浇口内熔体凝固，倒流髓之停止。 以防止物料“架桥”，以保证较高的输进效率；压缩段温度应26续冷阶段 比加料段高加25，计量段温度应比加料段高202s。 不论成型哪一类塑料，在压缩段末端与计量段的温度都应高这一阶段从t。开始到开谟时结束。此间，模腔内物料于物料的熔融温度，而低于其热分解温度。对于成型温度区 在设有外界压力作用下继续冷却，随着砖却过程的进行，摸问较宽且热稳定性较好的塑料，_I辞菏各段温度可适当提高，腔内物料的温度和压力继续降低。以利于物料充模，否则，料简各段温度应偏低。上述六个阶段是用大浇口模具成型厚壁制品时观测到322背压的，实际生产中由于制品的形状和结构、模具浇注系统的结背压对塑化质量和塑化能力有较大影响。背压提高有构和尺寸及成型工艺条件的不同，并非每个制品的成型过程助于螺槽中物料的压实，提高剪切效果，驱赶走物料中的气都要全郭经历上述六个阶段。例如，成型薄壁制品或用点浇体。背匪的增大使系统阻力加大，螺杆回遇速度减慢延长口横具时，在物料充满模腔后，模腔或浇口内熔体会很快凝 了物料在料筒中的热历程，使物料塑化质量得到改善。但过固，不必保压，也不会出现倒流。 高的背压会增加计量段螺槽熔悻逆流和漏流，降低熔体输送3物料熔融塑化(预塑)过程 能力，减少塑化量，而且过高的背压会产生过量的剪切热和所谓熔融塑化是将固体物料在料筒内加热熔融并混合过大的剪切应力，使物料发生降解。的过程，该过程是注射成型的一个准备阶段，塑化所得熔体 3 2 3螺杆转速的质量对成型过程和制品的质量都有不可忽视的影响。在 螺杆转速是决定物料剪切速率大小和剪切热多少的重 塑化过程中，重要的是应该保证熔体达到要求的成型温度， 要参数，直接影响塑化盹力、塑化质量和成型周期。若提高 且熔体温度分布尽可能均匀，其中的热降解产物含量应尽可 螺杆转速，则塑化能力增加、塑化时间缩短、熔体温度也随之 能少。在此着重讨论目前广泛采用的螺杆式注射机料筒内 升高，但温度的均匀性可能有所降低。物料的熔融塑化过程。 324成型周期3 1熔融塑化 成型周期对塑化过程也有髟响。这是因为成型周期的长 在塑化过程中，根据物料在料筒中所处的状态和螺槽尺短将改变物料在料筒内的停留时间，成型周期长有利于提高寸厦形状的不同，一般可将科筒分为三个区域即固体输送 熔体湿度的均匀性，但要受生产效率和物辩的热稳定性等因区、熔融区和熔体输送区，与此相对应的螺杆一般也可分为 素限制。三殷，即加料段、压缩段和计量段。在加料段，周体物料被压4塑料熔体在模具内的成型 实并向前输送；在压缩段，由于螺槽逐渐变浅，固体物料继续41充模过程 被压实，同时在科筒加热器，物料与螺杆、料筒之间摩擦和物 充填过程是从熔体进模腔到充满摸腔阶段，此同高温 料与物料之间剪切产生热量的共同作用下，在靠近料筒表面 熔体在模腔内的流动情况很大程度上决定着制品的表面质 处形成熔膜，并被螺棱前缘刮下乘积在螺槽内形成熔池；随 量和物理性能，是注射过程最为复杂而叉重要的阶段。 着物_1辞向前输送，熔池不断扩大，固体物料不断减少，在压缩 4 11熔惟在模腔内的充填模式 段的末端物料已全部被熔融但物料温度还不很均匀；在计 充模过程中熔体在模腔中的充填模式主要与浇口位置 量段熔体在剪切力作用下温度进一步升高且得到较充分 和模腔形状及结构有关。图3为熔体经过四种不同位置的 混台，使熔体温度分布进一步均匀。 浇口进入不同形状模腔的典型充填模式其中最基本的充填塑化过程中螺杆的旋转运动把熔体从计量段的螺槽中 模式为前三种，它们分别对应于熔体在圆昔、带有膜状浇口 向前挤出，使之汇集到螺杆头部的计量室中，并在室中形成 的矩形挟缝摸胜和中心开浇口的圆盘模腔中的流动。圆臂 丁熔体压力(即预塑背压)。在背压作用下，螺杆旋转的同时 模腔和矩形摸腔内的流动特点是熔体沿轴向流动，前锋面面292 (工程塑料应用)加工应用论文优选积保持不变；圆盘模腔内流动的特点是熔体沿径向方向以同前运动而转向模壁方向，附着在模壁上被玲却固化形成丁表 样的速度辐射向四周扩展熔体前锋面为一柱面，面积不断层；二是熔体冲破原有的前缘曦，形成新的前缘睡，如图5所 增大。一般说来，熔体在复杂模腔内的激动都可以分解为以示。这两个过程的交替进行，就形成了熔体流动前锋的所谓 上三种基本流动模式。带有小扇形浇l：l的矩形模腔充填模 喷泉效应。喷泉效应的存在对注塑过程的压力陴、充填时间 式如图3d。整个充模过程可分为浇口殷、过渡段和充分发 等影响讴小，但对熔体的温度分布、聚合物分子取向及残余 展段。在浇口段，熔体沿径向向四周扩展，形成一弧形前锋应力等有重要的影响。 面，类似于圆盘径向流；在过渡段，随着流动的发展，弧形前锋不断扩大，直到与蜘壁接触。弧形前锋逐渐转为平直，同时 具有圆盘径向流和带状流的特征；在充分发展段，前锋面鞍 为平直光滑地向前推进直至充满模腔具有带状流的特点。腆状浇El ：，L侈固苯薹翔币型旦 全晨区 前沿喷泉藏动图5熔体充模过程的喷泉技应42增密与保压过程浇口42 1增密(压宴)过程(8)充模结柬时模腔被充满+熔悻的快速流动停止，喷嘴处辔逝产a的压力达到最大值(注射压力)。但模腔内的压力还未达到最大值，在喷嘴压力的作用下，熔体继续进入模腔，使模腔内压力迅速升高。以压实熔体使其致密并改善其间不同熔体界 面之间的熔舍程度。压实阶段时间根短，熔体的流速很小，温度变化也不明 显，但压力的变化却很大。因此从某种意义上说压实过程是 一十压力传递的过程注射压力的太小和充模结柬时熔体的 流动性是影响压实效果的主要因素。注射压力决定了模腔a一暇管横睦中的瘴动；b一矩形礁麓横睦中的滤动； 在压实期所能达到的最高压力而熔体的流动性嘲决定了压c一薄壁圆盘模腔中的藏动；d一矩形横腔中的流动力向模腔末端传递的难易程度。田3熔体在模胜中的流动形式42 2保压过程412熔体在模腔申曲流动状态保压阶段仍有少量熔体被挤入模腔，以弥补由于熔体温 熔体在模腔中的流动状态一般为稳态层流(即熔体流动时受到的惯性力与粘滞剪切应力相比很小)，从浇口向模腔 度降低和相变引起的体积收缩。保压过程流动与压实过程终端逐渐扩展。但当熔体以较高速度从狭窄的浇口进入较 的流动都是在高压下的熔体致密流动其特点是熔悻流速根宽、较厚的模腔时，熔体不与上、下模壁接触而发生喷射，如小，影响保压过程的主要因素还是压力。保压压力决定模腔 图4所示，嫱体首先射向对壁，蛇样的喷射藏叠台很多次，从 内物料压缩程度，如果保压压力较高，不仅使制品的密度增撞击表面开始并连续转向浇口充模，即逆向充模。充摸过程 大、成型收缩宰减小，而且还舱促进物料各部分之间的更好中搭体的这种流动状态会在叠台处形成徽观的。熔接线”严熔合，因而对挺高制品的力学性能有利。但保压压力过高又 重影响塑料件表面质量和光学及力学性能。喷射流的发生 会使物料产生较大的弹性形变。致使制品内应力和分子取向主要与浇口尺寸和熔体挤出胀大程度有关。 增大，导致制品力学性能降低。保压时间是影响保压过程的另一重要工艺参数，保压压 力一定时，保压时间越长就可能向模腔中补进更多的熔体， 其效果与提高保压压力相似。但保压时问过长。也与保压压 力过高类似不仅无助于制品质量的提高，反而可能降低制 品性能。需要指出的是，保压时间实际上应该是向模腔内补圈4射流料的时闻其取决于浇口凝固时间。413竞模过程的“喷采”效应43熔体的翻谴与横腔封口 熔体在摸腔内流动时前锋面由于和拎空气接触而形成保压结束(保压压力解除)时如果浇口还设有凝封，由于高粘度的前缘膜，膜后的熔体由于冷却较差故粘度较低，因 漉道内的压力随之急剧下降而远低于模腔内的压力，致使熔 而以比前缘更高的速度向前流动，到达前缘的熔体受到前缘体从模腔倒流人浇道。随着熔体的流出，模腔内的压力迅速膜的阻碍使熔体交替发生以下两十过程。一是熔体不能向下降，熔体倒流的速度也逐渐碱小，直至浇口赴的熔体凝固，!兰!：!：竺翌兰竺些苎竺三三苎!这时模腔与流道之间的通道被阻断，倒流也随之停止。浇口凝固时刻模腔内的压力和温度|：为封口压力和封口温度。浇口凝固后，不会再有物料进或流出模腔，模腔中物 料量不再发生变化。封口压力和封口温度对制品的质量有 越 很大影响。封口温度一定时，封口压力越高，刚制品的密度 嘎 越大，成型收缩率越小，制品尺寸精度越好，但内应力太，且会造戚脱模困难；封Fl压力一定时，封口温度越高，则制品的 密度越小，成型收缩串越大，尺寸精度也越差，制品容易出现 凹陷和缩痕，但内应力小。影响封口压力和封口温度的主要压力 工艺参数有保压时间、保压压力、焙俸温度和模具温度等。图6模塑面积图此外，挠口尺寸和熔体的热扩散率等模具结构参数和塑料热51温度物理参数对其也有较大影响。一般说来，当其它参数一定 511料筒温度 时延长保压时间可增大封口压力。降低封日温度。料筒温度的选择与塑科的特性有关，确定料筒沮度时，44浇口蔓圊后的冷却 还应考虑制品和模具的结构特点。成型薄壁制品时流动阻 浇口凝固后摸腔内物料的烽却过程中由于没有物料的力很大，且熔体扳易冷却而失去流动能力故应选择较高的运动，因此是一个典型的热传导过程。其内部较高温度的熔料筒温度；成型厚壁制品时，流动阻力较小且因厚壁制品冷体将热量传导给温度较低的外层及表面的凝固层。凝固层再却时间长而使注射威型周期增加，塑辩在料筒内受热时间鞍将热量传递给模腔壁，最后由横具向外敖发直到制品具有长，故应选择较低的科筒温度；对形状复杂或带有嵌件的制足够的刚度从模腔中脱出。由于塑料的热导率远小于金属品，熔体瘴程较长且曲折，也应选择较高的料筒温度。摸具，因此冷却时同主要取决于塑料的热物理性能和制品的512啧嘴温度壁厚。对于薄壁制品，一般将其中心层温度降低到玻璃化转熔体通过喷嘴时因为高的剪切速率而产生较大温升，且变温度或热变形温度以下所需的时间称为狰却时问。由一 为了防止熔融塑料自动从喷嘴流出，通常应将喷嘴温度调得维瞬态热传导方程可推导出薄壁制品的最小理论冷却时间 比料筒最高温度略低。但是喷嘴温度也不能过低，否则会使C： 注射压力增大，或造成物料早凝，影响制品质量。酽，4 L一凡、 513模具温度蚺。；了“i瓦=瓦模具温度直接影响熔体的充模和制品的冷却是决定成式中：H制品的壁厚；型周期和制品质量的主要因素之一。模具温度的选择取决n塑料的热扩散率；于物料性质、制品的大小和形状及摸具结构等。对于无定型L模腔内物辩的温度； 塑料，模温主要影响熔体粘度(流动性)，如果物料的熔体牯h模壁温度； 度较低(如PS)，则可选择较低的模温，以提高生产效率；如n脱模温度。 果物料的熔体牯度较高(如Pc)，则应采用较高的模温以请 冷却时间一般占注塑周期的一半以上，是决定注塑效率足充模的需要。对于结晶型树脂，模温高时+物料玲却时间 的主要因紊之一。知道了“就可以改进模具冷却系统，使长，结晶度高，制品硬度大强度高，但收缩串大；模温低时，实际的玲却时间尽可能接近于h，以提高生产效率。物料砖却时间短，结晶度低，制品柔软，挠曲性好。5注塑工艺参数及对成型的影响对尺寸精度要求较高的制件，应选择较低的模温，以利 在制品及模具确定之后，注塑工艺参数的选择就成为决于控制收缩率；对表面光泽要求较高或又薄又复杂的翻件， 定制品质量的关键因素。注塑工艺参数主要包括温度(物料则应选择较高的模温，以利于充模；对于厚壁制件，应选择较 和模具温度)、压力(注射压力、保压压力)及时间(注射时间、高的模温，如果模温偏低，制件内外层温差大有可能造戚凹保压时间)等。此外，预塑背压、螺杆转速、注射量和剩余料 陷、空隙，内直力太。 量等对镧品质量也有不可忽规的影响，图6为模塑面积圈， 52压力 可定性说明熔体温度和注射压力的取值范围。图6的成型 521注射压力 区域由四条曲线围成+低于底部曲线时，钉料呈固态，或者不 注射压力是指注射时在螺杆头部(计量室)的熔体压力。 能流动；高于顶部曲线时塑料发生热分解；“缺料”线的左侧， 注射压力的作用是克服熔体从料筒流向型腔的阻力，给予熔 物料不能充满模腔；“镒料”线的右侧，熔体溢至模具零件之 体一定的充模速率并对熔体进行压实。注射压力过低会导 间的缝隙，形成毛刺。工艺参数只有在这四条曲线所包围的致熔体不能充满模腔；反之，注射压力过高不仅舍造成制品 区域内物料才能较好地成型。下面分别讨论主要洼塑工艺溢边、胀模等不良现象，还台使制品产生较丈内应力，井对模 参数的作用及相互关系。 具厦注射机产生较大损害。选择注射压力时，首先要考虑注工程塑料应用加工应用论文优选 射机所允许的注射压力然后根据影响焙体充模过程中压力速度。当注射行程一定时注射速度与注射时间成反比。在损失的主要因素(材料性质、模具结构及工艺参数)，调整注实际生产中注射速度的快慢陈影响注射压力外还直接影响 射压力。制品质量和生产效率。注射速度越慢，注射时间越长，制品 (1)注射压力与浇口位置和个数：对单浇isi而言，中心浇易产生玲接缝，密度不均，制品内应力大等弊病。台理缩短 口与侧浇口相比可缩短熔体的流动长度，因而可减小注射压 注射时同，提高注射速度，可以减少熔体在模内的温差，改善 力；多浇口可减少熔体的流动长度，减小所需的注射压力。 压力传递效果，保持制品密度均匀，提高制品力学性能和表 (2)注射压力与制品厚度：制品的厚度对注射压力有很面光泽性。对于薄壁和长度较长的制品快速注射更为合适，大影响，制品厚度越小流动阻力越大，所需注射压力越大否则易出现缺料。当用高速注射时，可以低温模塑，缩短成 反之亦然。 型周期，提高生产效率。但注射时间过短，注射速度过高熔 (3)注射压力与注射时间：注射压力与注射时间的关系体离开喷嘴后会产生不规则流动，且产生太的剪切热而烧焦 见图7。可见图7的u型曲线的最低点对应着注射压力最物料。在高速注射时，模内的气体往往来不及排出，夹杂在低时的注射时间，即最佳注射时间。当注射时间小于最佳注 物料中严重影响制品质量。 射时间时，随着注射时间的减小，熔体流动速率增大，从而熔对于复杂形状璺腔的物料充填，当注射速度一定时，不 体的剪切速率和剪切应力增大，所需注射压力也随之增大： 一定能保证熔体前措速度(mV)不变，如图8所示，尽管注 当注射时间大于最佳注射时间时，随着注射时同的增大，熔射速度一定(熔体体积流率恒定)，但由于熔体前滑面积体流动速率减小，模壁玲却散应的增大，熔体牯廑增加或产(?A)发生变化，嵌件周围懈较小，使v增加，在制品生较厚的不流动层使流道变窄，因而需要更高的注射压力。嵌件周围产生了高的应力和分子取向导致产品不同的收 鳍，使制件产生翘曲。因此在充填过程中应根据模腔及浇注 系统的具体情况，适当调整注射速度。-o础 誊 地注射时间图7注射压力与注射时间的关系(4)注射压力与物料性质：物料粘度越大，流动阻力越大，因而需要更高的注射压力。(5)注射压力与熔体及模壁温度：较高的熔体温度可降 低焙体牯凄改善流动性，减小注射压力；较高的模壁温度可 减小模壁冷却效应，因而也可减小注射压力。5 22保压压力I，时刻11时射保压压力是指为了补偿模具中物料收缩补缩，需要继续 图8_盯r变化圈 维持熔体瘴动的压力保压压力对成型制品的品质有很大影53 2克填保压切换点 响。保压压力不足时会造成制品产生凹陷、气泡、收缩过大 充填阶段的注射控制以速度为主，保压阶段以压力控制 等缺陷；保压压力过大时会出现过度充填、浇口附近应力过为主。充填切换到保压，控制方式有三种： 太、脱模困难等问题。保压压力一般可取最高注射压力的(1)行程：当螺杆推进到指定位置时，切换为保压控制。 加80，为改善制品的质量，也可采用分段保压压力控 (2)注射压力：当注射压力达到设定值时，切换为保压控 制。一般常用的方式有下列二种：制。(1)逐段下降的保压压力：可阱避免过度保压，减少浇izl(3)摸腔压力：当模腔压力达到设定值时，切换为保压控附近与流动末端的密度差，并可减少残余应力，避免变形。制。(2)先低后高的保压压力：第一段较低的保压压力，可防一般的注射成型以行程控制为主，先进的注射机可能提止毛边产生；第二段较高的保压压力，在表层已固化