工艺技术_注射成型工艺及模具培训课件

第二篇注射成型工艺及模具 第四章注射成型工艺 一 热塑性塑料的工艺性能 二 注射机的基本结构及规格 三 注射成型原理及其工艺过程 四 注射成型工艺条件的选择与控制 五 几种常用塑料的注射成型特点 重点掌握 什么是注射成型工艺 注射成型生产中 运用一定的技术方法 将塑料原料 注射设备和注射所用的模具联系起来形成生产能力 这种方法就叫做注射成型工艺 第一节热塑性塑料的工艺性能 一 塑料的成型收缩 塑料的收缩性 指塑料制件从模具中取出发生尺寸收缩的特性 塑料的成型收缩 与塑料本身的热胀冷缩性质 模具结构及成型工艺条件等因素有关的塑料制件的收缩统称为成型收缩 成型收缩的大小 可用塑料制件的实际收缩率S实表示 即 4 1 式中a 成型温度时制件尺寸 b 常温时制件的尺寸 成型温度时的制件尺寸无法测量 故常采用常温时的型腔尺寸取代 有 4 2 式中c 常温时型腔尺寸 S计 塑料制件的计算收缩率 收缩率选择的原则 收缩率范围较小的塑料品种 可按收缩率的范围取中间值 此值称平均缩率 收缩率范围较大的塑料品种 应根据制件的形状 特别是根据制品的壁厚来确定收缩率 壁厚取上限 大值 壁薄取下限 小值 当S计为已知时 可用S计来计算型腔尺寸 即c b 1 S计 4 3 收缩率1 5 乘以比值0 7 内径取大值1 6 外径取小值1 4 以留有试模后修正的余地 对高精度塑件或对某种塑料的收缩率缺乏准确数据时 常用这种留有修模余量的设计方法 制件各部分尺寸的收缩率不尽相同 应根据实际情况加以选择 图4 1塑件的材料为尼龙 1010 壁厚4mm 查表4 2得 高度方向的收缩小于水平方向的收缩 其百分比为70 收缩率范围为1 4 1 6 高度方向取平均 收缩量很大的塑料 可利用现有的或者材料供应部门提供的计算收缩率的图表来确定收缩率 也可收集一些包括该塑料实际收缩率及相应的成型工艺条件等数据 然后用比较法进行估算 必要时应设计 制造一副试验模具 实测在类似的成型条件下塑料的收缩率 二 塑料的流动性 塑料的流动性 比较塑料成型加工难易的一项指标 与黏度一样 依赖于成型条件 聚合物的性质 衡量塑料流动性的指标 聚合物的相对分子质量 熔融指数 阿基米德螺旋线长度 表观黏度以及流动比 流程长度 制品壁厚 相对分子质量小 熔融指数高 螺旋线长度长 表观黏度小 流动比大则流动性好 常用热塑性塑料的流动性分为三类 流动性好的 有尼龙 聚乙烯 聚苯乙烯 聚丙烯 醋酸纤维素 流动性一般的 有ABS 有机玻璃 聚甲醛 聚氯醚 流动性差的 有聚碳酸酯 硬聚氯乙烯 聚苯醚 聚砜 氟塑料 塑料的流动性随成型工艺条件的改变而变化 熔体成型温度高则流动性好 注射压力大流动性好 模具结构也影响流动性的大小 成型时还可通过控制温度 模温 注射压力及注射速率等因素来调节注射成型过程以满足对制件质量的要求 三 塑料的结晶性 结晶形塑料须加热至熔点温度以上才能达到软化状态 结晶熔解需要热量 结晶形塑料达到成型温度要比无定形塑料达到成型温度需要更多的热量 制件在模内冷却时 结晶形塑料要比无定形塑料放出更多的热量 因此结晶形塑料在冷却时需要较长的冷却时间 结晶形塑料固态的密度与熔融时的密度相差较大 结晶形塑料的成型收缩率大 达到0 5 一3 0 无定形塑料的成型收缩率一般为0 4 一0 6 结晶形塑料的结晶度与冷却速度密切相关 在结晶形塑料成型时应按要求控制好模具温度 结晶形塑料各向异性显著 内应力大 脱模后制品内未结晶的分子有继续结晶的倾向 易使制品变形和翘曲 热敏性 指某些塑料对热较为敏感 在高温下受热时间较长或浇口截面过小 剪切作用大时 料温增高易发生变色 降解的倾向 包括 热敏性 水敏性 应力敏感性 吸湿性 粒度以及塑料的各种热性能指标 四 塑料的其他工艺性能 水敏性 指有的塑料 如聚碳酸酯等 即便含有少量水分 在高温和高压下也容易分解 应力敏感性 指有的塑料对应力敏感 成型时质脆易裂 对应力敏感的塑料 除在原料内加人添加剂提高抗裂性外 还应合理设计制件和模具 选择有利的成型条件 以减少内应力 粒度 指塑料粒料的细度和均匀度 根据技术要求 各种塑料应有一定的技术指标 热性能指标 塑料的比热容 热导率 热变形温度等 比热容高的塑料熔融时需要更多的热量 热变形温度高的塑料冷却时间可缩短 热导率低的塑料必须注意充分冷却 第二节注射机的基本结构及规格 注射机为塑料注射成型所用的主要设备 注射成型时注射模具安装在注射机的动模板和定模板上 由锁模装置合模并锁紧 塑料在料筒内加热呈熔融状态 由注射装置将塑料熔体注入型腔内 塑料制品固化冷却后由锁模装置开模 并由推出装置将制件推出 注塑机分以下几部分 1 注射装置 主要作用 使固态的塑料颗粒均匀地塑化呈熔融状态 并以足够的压力和速度将塑料熔体注入到闭合的型腔中 组成 料斗 料筒 加热器 计量装置 螺杆 柱塞式注射机为柱塞和分流梭 及驱动装置 喷嘴等部件 2 锁模装置 作用 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 开模时推出模内制件 锁紧装置类型 机械式 液压式或者液压机械联合作用方式 推出机构类型 机械式和液压式推出 液压式推出有单点推出 多点推出 3 液压传动和电器控制 作用 保证注射成型按照预定的工艺要求 压力 速度 时间 温度 和动作程序准确进行 液压传动系统是注射机的动力系统 电器控制系统则是控制各个动力液压缸完成开启 闭合和注射 推出等动作的系统 一 注射机分类 按外形特征可分为如下三类 1 立式注射机 特点 注射装置和定模板设置在设备上部 而锁模装置 动模板 推出机构均设置在设备的下部 优点 占地面积小 模具装拆方便 安装嵌件和活动型芯简便可靠 缺点 不容易自动操作 只适用于小注射量的场合 一般注射量为10 60g 2 卧式注射机 特点 注射装置和定模板在设备一侧 而锁模装置 动模板 推出机构均设置在另一侧 这是注射机最普通 最主要的形式 优点 机体较矮 容易操作加料 制件推出后能自动落下 便于实现自动化操作 缺点 设备占地面积大 模具安装比较麻烦 3 直角式注射机 特点 注射装置为立式布置 锁模 顶出机构以及动模板 定模板按卧式排列 两者互为直角 适用于中心部分不允许留有浇口痕迹的塑件 缺点 加料较困难 嵌件或活动型芯安放不便 只适用于小注射量的场合 注射量一般为20 45g 按塑料在料筒中的塑化方式分为两类 1 柱塞式注射机 工作原理 示意图4 4 柱塞是直径约为20 100mm的金属圆杆 在料筒内仅作往复运动 将熔融塑料注人模具 分流梭是装在料筒靠前端的中心部分 形如鱼雷的金属部件 其作用是将料筒内流经该处的塑料分成薄层 使塑料分流 以加快热传递 同时塑料熔体分流后 在分流梭表面 流速增加 剪切速率加大 剪切发热使料温升高 黏度下降 塑料得到进一步混合和塑化 适用场合 塑料的导热性差 若料筒内塑料层过厚 塑料外层熔融塑化时 它的内层尚未塑化 若要等到内层熔融塑化 则外层就会因受热时间过长而分解 因此 柱塞式注射机的注射量不宜过大 一般为30 60g 且不宜用来成型流动性差 热敏性强的塑料制件 2 螺杆式注射机 工作原理 示意图4 5 螺杆的作用是送料 压实 塑化与传压 当螺杆在料筒内旋转时 将料斗中的塑料卷入 并逐步将其压实 排气 塑化 不断地将塑料熔体推向料筒前端 积存在料筒前部与喷嘴之间 螺杆本身受到熔体的压力而缓缓后退 当积存 螺杆式注射机中螺杆既可旋转又可前后移动 因而能够胜任塑料的塑化 混合和注射工作 的熔体达到预定的注射量时 螺杆停止转动 并在液压油缸的驱动下向前移动 将熔体注入模具 国际上趋于用注射容量 锁模力来表示注射机的主要特征 这里所指的注射容量是指注射压力为100MPa时的理论注射容量 我国习惯上采用注射量来表示注射机的规格 如XS ZY500 表示注射机在无模具对空注射时的最大注射容量不低于500cm3的螺杆式 Y 塑料 S 注射 Z 成型 X 机 我国制定的注射机国家标准草案规定可以采用注射容量表示法和注射容量 锁模力表示法来表示注射机的型号 注射机的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 注射机的规格 二 注射机规格及主要技术参数 第三节注射成型原理及其工艺过程 基本原理 利用塑料的可挤压性和可模塑性 将松散的粒料或粉状成型物料从注射机的料斗送人高温的机筒内加热熔融塑化 使之成为黏流态熔体 在柱塞或螺杆的高压推动下 以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中 经过一段保压冷却定型时间后 开启模具便可从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件 注射成型原理图4 6 一 生产前的准备工作 l 原料预处理 1 分析检验成型物料的质量 根据注射成型对物料的工艺特性要求 检验物料的含水量 外观色泽 颗粒情况 有无杂质并测试其热稳定性 流动性和收缩率等指标 如果检测中出现问题 应及时解决 对于粉状物料 在注射成型前 经常还需要将其配制成粒料 因此其检验工作应放在配料后进行 生产工艺过程图4 7 作用 往塑料成型物料中添加一种称为色料或着色剂的物质 借助这种物质改变塑料原有的颜色或赋予塑料特殊光学性能 2 着色 着色剂按其在塑料中的分散能力分为 染料和颜料两大类 染料 具有着色力强 色彩鲜艳和色谱齐全的特点 但由于对热 光和化学药品的稳定性比较差 在塑料中较少应用 当塑料成型温度不高又希望制品透明时 可采用耐热性较好的蒽醌类和偶氮类染料 颜料 主要着色剂 按化学组成又分成无机和有机颜料 无机颜料 对热 光和化学药品的稳定性都比较高 且价格低廉 但色泽都不十分鲜艳 只能用于不透明塑料制件的着色 有机颜料 着色特性介于染料和无机颜料之间 对热 光和化学药品的稳定性一般不及无机颜料 但所着色制件色彩较鲜艳 用这种颜料的低浓度着色可得到彩色的半透明制件 粉状或粒状热塑性塑料着色的工艺实现方法 直接法和间接法两种 对于吸湿性或粘水性不强的成型物料 如果包装贮存较好 也可不必预热干燥 目的 为了除去物料中过多的水分及挥发物 防止成型后制品出现气泡和银纹等缺陷 同时也可以避免注射时发生水降解 3 预热干燥 预热干燥成型物料的方法 在空气循环干燥箱中进行 多品种 小批量物料 也可采用循环热风 红外线及远红外线等较为简单的设备预热干燥 大批量物料可采用抽湿干燥机或采用负压沸腾干燥法 高温下易氧化变色的塑料 如聚酰胺等 可采用真空干燥法 采用料斗干燥新工艺 图4 8 使干燥设备与注射机相连 简化生产工序 可防止吸湿性塑料再次吸湿 2 清洗料筒 生产中如遇下列情况均应对注射机的料筒进行清洗 改变塑料品种 更换物料 调换颜色 或发现成型过程中出现了热分解或降解反应 清洗方法 柱塞式机筒存料量大 须将机筒拆卸清洗 螺杆式机筒 可采用对空注射法清洗 最近研制成功了一种机筒清洗剂 是一种粒状无色高分子热弹性材料 100 时具有橡胶特性 但不熔融或粘结 将它通过机筒 可以像软塞一样把机筒内的残料带出 这种清洗剂主要适用于成型温度在180 280 内的各种塑性塑料以及中小型注射机 采用对空注射清洗螺杆式机筒时 应注意下列事项 欲换料的成型温度高于机筒内残料的成型温度时 应将机筒和喷嘴温度升高到欲换料的最低成型温度 然后加入欲换料或其回头料 并连续对空注射 直到全部残料除尽止 欲换料的成型温度低于机筒内残料的成型温度时 应将机筒和喷嘴温度升高到欲换最高成型温度 切断电源 加入欲换料的回头料后 连续对空注射 直到全部残料除尽止 两种物料成型温度相差不大时 不必变更温度 先用回头料 后和欲换料对空注射可 残料属热敏性塑料时 应从流动性好 热稳定性高的聚乙烯 聚苯乙烯等塑料中选黏度较高的品级作为过渡料对空注射 有嵌件的塑料制件 由于金属与塑料两者的收缩率不同 嵌件周围的塑料容易出现收缩应力和裂纹 若成型前对嵌件预热 可减小它在成型时与塑料熔体的温差 避免或抑制嵌件周围的塑料发生收缩应力和裂纹 为什么要预热嵌件 3 预热嵌件 什么情况下嵌件需预热 分子链刚性大的塑料 如聚苯乙烯 聚苯醚 聚碳酸酯和聚砜等 一般均需预热嵌件 因它们本身很容易产生应力开裂 分子链柔顺性大的塑料 且嵌件较小时 可以不预热 原因在于小嵌件容易在模内加热 嵌件预热温度 一般取110 130 并以不破坏嵌件表面镀层为限 对铝 铜等有色金属嵌件 预热温度可提高到150 4 选择脱模剂 目的 使成后的制件容易从模内脱出 常用的脱模剂 硬酯酸锌 液体石蜡 白油 和硅油等 硅油脱模效果最好 只要对模具施用一次 即可长效脱膜 但价格很贵 硬酯酸锌 不能用于聚酰胺 多用于高温模具 而液体石蜡多用于中低温模具 注意 含有橡胶的软制品或透明制品不宜采用脱模剂 否则影响制品的透明度 二 注射成型原理及其工艺过程 工艺过程分为 塑化计量 注射充模和冷却定型三个阶段 l 塑化计量 1 塑化的概念 什么是塑化 成型物料在注射成型机料筒内经过加热 压实以及混合等作用以后 由松散的粉状或粒状固体转变成连续的均化熔体的过程称为塑化 均化包含四方面的内容 熔体内组分均匀 密度均匀 黏度均匀和温度分布均匀 2 计量 计量 指能够保证注射机通过柱塞或螺杆 将塑化好的熔体定温 定压 定量地输出 即注射出 机筒所进行的准备动作 这些动作均需注射机控制柱塞或螺杆在塑化过程中完成 影响计量准确性的因素 注射机控制系统的精度 机筒 即塑化室 和螺杆的几何要素及其加工质量影响 3 塑化效果和塑化能力 塑化效果 指物料转变成熔体之后的均化程度 塑化能力 指注射机在单位时间内能够塑化的物料质量或体积 塑化效果与物料受热方式和注射机结构有关 柱塞式注射机 物料在机筒内只能接受柱塞的推挤力 几乎不受剪切作用 塑化所用的热量主要从外部装有加热装置的高温机筒上取得 螺杆式注射机 螺杆在机筒内的旋转会对物料起到强烈的搅拌和剪切作用 导致物料之间进行剧烈摩擦 并因此而产生很大热量 物料塑化时的热量既可同时来源于a 高温机筒和自身产生出的摩擦热 也可以b 只凭摩擦热单独供给 塑化效果对比 a称为普通螺杆塑化 b称为动力熔融 显然 在动力熔融条件下 强烈的搅拌与剪切作用不仅有利于熔体中各组分混合均化 而且还避免了波动的机筒温度对熔体温度的影响 有利于熔体的黏度均化和温度分布均化 能够得到良好的塑化效果 而柱塞式注射机塑化物料时 既不能产生搅拌和剪切的混合作用 又受机筒温度波动的影响 故熔体的组分 黏度和温度分布的均化程度都比较低 其塑化效果既不如动力熔融 也不如介于中间状态的部分依靠机筒热量的普通螺杆塑化 实验验证 图4 9为柱塞式和普通螺杆式注射机塑化相同物料时机筒中物料和熔体的温度分布曲线 可以看出 I 用螺杆式注射机塑化物料时 喷嘴附近熔体的径向温度分布要比柱塞式注射机来得均匀 II 不同结构的注射机 塑化能力不相同 柱塞式注射机的理论塑化能力 4 4 式中mpp 柱塞式注射机的塑化能力 kg h 热扩散率 m2 h Ap 塑化物料接受的传热面积 与机筒内径和分流锥直径有关 m2 物料密度 kg m3 Kt 热流动系数 与加热系数有关 参见图4 10 常数 无分流锥时 1 有分流锥时 2 V 受热物料的总体积 m3 螺杆式注射机的理论塑化能力 用螺杆计量段对熔体的输送能力表示 即有 4 5 mps 螺杆式注射机的塑化能力 cm3 s D 螺杆的基本直径 cm Lm 计量段长度 cm hm 计量段螺槽深度 cm 螺杆的螺旋升角 m 熔体在计量段螺槽中的黏度 Pa s N 螺杆转速 r s pb 塑化时熔体对螺杆产生的反向压力 通常称为背压 Pa 分析上两式 柱塞式注射机的塑化能力与机筒结构和物料体积有关 提高塑化能力 需增大传热面积AP或减小物料的总体积V 而增大AP时常会使V跟着增大 V的增大将导致熔体不易均化 螺杆式注射机塑化能力与物料体积无关 塑化能力一般都比柱塞式注射机大 这也是普通柱塞式注射机为什么只能成型小型制品的主要原因之一 影响螺杆式注射机塑化效果和塑化能力的主要因素除了成型物料本身的特性之外 还与机筒结构 筒的加热温度 螺杆转速 螺杆行程 或计量段长度 螺杆几何参数以及熔体对螺杆产生的背压等因素有关 2 注射充模 什么是注射充模 柱塞或螺杆从机筒内的计量位置开始 通过注射油缸和活塞施加高压 将塑化好的塑料熔体经过机筒前端的喷嘴和模具中的浇注系统快速进入封闭模腔的过程称为注射充模 分三个阶段 流动充模 保压补料 倒流 1 流动充模 指注射机将塑化好的熔体注射进入模腔的过程 熔体注射过程中会遇到机筒 喷嘴 模具浇注系统 模腔表壁对熔体的外摩擦 及熔体内部产生的黏性内摩擦 为了克服这些流动阻力 注射机须通过螺杆或柱塞向熔体施加很大的注射压力 要掌握熔体的流动充模规律 须了解注射压力在此过程中的变化特点以及与它相关的熔体温度 流速和充模特性问题 注射压力的变化 注射压力的变化可用注射成型的压力 时间曲线描述 图4 11 t0 柱塞或螺杆开始注射熔体的时刻 t1 熔体开始流入模腔的时刻 t2 熔体充满模腔的时刻 时间t0 t2代表整个充模阶段 其中t0 t1称为流动期 t1 t2称为充模期 a 流动期内 注射压力和喷嘴处的压力急剧上升 而模腔 浇口末端 的压力却近似等于零 注射压力主要用来克服熔体在模腔以外的阻力 如 t1时刻的压力差 pl pi1 pg1代表熔体从机筒到喷嘴时所消耗的注射压力而喷嘴压力pg1则代表熔体从喷嘴至模腔之间消耗的注射压力 b 充模期内 熔体流入模腔 模腔压力急剧上升 注射压力和喷嘴压力也会随之增加到最大值 或最大值附近 然后停止变化或平缓下降 这时注射压力对熔体起两方面作用 一是克服熔体在模腔内的流动阻力 二是对熔体进行一定程度的压实 压力随时间呈非线性变化 注射压力对熔体的作用必须充分 否则 熔体流动会因阻力过大而中断 导致生产出现废品 流动充模阶段 注射 a 剪切速率一定 压力 温度曲线分为三段 左边一段熔体热分解区 注射压力随温度升高迅速下降 不能在此区注射成型 右边一段高弹变形流动区 注射压力随着温度降低迅速增大 也不适于注射成型 只有中间一段温度区 曲线相对平缓 温度和注射压力都较适中 易于注射成型 温度升高有利于降低熔体黏度 注射压力可随之减小一定幅度 注射压力与熔体温度 熔体流速的关系 b 温度一定时 剪切速度增大 注射压力也要增大 完全符合流体力学压力与流速的关系 反之 过大的注射压力引起很高的剪切速率时 熔体内的剪切摩擦热也随之增大 很可能引起热分解或热降解 另外 过大的剪切速率又很容易使熔体发生过度的剪切稀化 从而导致成型过程出现溢料飞边 注射压力对流动充模时喷嘴处的熔体温度也有影响 注射压力上升阶段 喷嘴处的熔体温度也随着升高 图4 13 AC段和图4 11喷嘴压力曲线上的AC段对应 可见 引起温升的主要原因是注射压力增大 生产中应尽量避免采用过大的注射压力 否则会导致熔体热降解 熔体充模流动形式与充模速度有关 充模速度受注射工艺条件和模具结构的影响 注射成型时不希望充模期发生高速喷射流动 而希望获得中速或低速的扩展流动 为此 需通过分析充模期的流动取向 了解注射压力对于熔体充模特性的影响 注射压力与熔体充模特性 实际中 扩展流动时 料头前沿低温熔膜对熔体的阻滞作用较大 先进入模腔的熔体温度下降得很快 黏度也随之增大 这加剧后面熔体进模时的流动阻力 如此时的注射压力不大 很容易使充模流动中止 导致注射成型出现废品 为此 往往需提高注射压力 而注射压力提高后 熔体内的剪切作用加强 流动取向效应将增大 最终可能导致制品出现比较明显的各向异性并引起热稳定性变差 在这种情况下生产出的制品 若在温度变化大的环境中工作 很有可能发生与取向一致的裂纹 注意 在一定的模具结构条件下 只要保证充模时不发生高速喷射流动 充模速度尽量取快一些 这样不仅避免使用较大的注射压力导致制品使用性能不良 而且对提高生产率也有好处 2 保压补缩 保压补缩阶段 指从熔体充满模腔至柱塞或螺杆在机筒中开始后撤为止 图4 11t2 t3段 保压 指注射压力对模腔内的熔体继续进行压实的过程 补缩 指保压过程中 注射机对模腔内逐渐开始冷却的熔体因成型收缩而出现的空隙进行补料动作 分析 保压补缩阶段 如柱塞或螺杆停止在原位保持不动 模腔压力曲线会略有下降 图4 11的EF段 反之 若要使模腔压力保持不变 则需要柱塞或螺杆在保压过程中继续向前少许移动 这时压力曲线将与时间坐标轴平行 保压力和保压时间对模腔压力的影响 如保压力不足 补缩流动受浇口摩擦阻力限制不易进行 模腔压力因补料不足迅速下降 图4 14 如保压时间不充分 模腔内熔体倒流 也会造成模腔压力迅速下降 图4 15 保压时间足够长 可使浇口或模腔内的熔体完全固化 倒流不易发生 模腔压力将随着图4 15中虚线缓慢下降 结论 a 保压力 保压时间与模腔压力间的关系 对冷却定型时的制品密度 收缩及表面缺陷等问题产生重要影响 b 保压补缩阶段熔体仍有流动 且其温度亦在不断下降 此阶段是大分子取向以及熔体结晶的主要时期 保压时间的长短和冷却速度的快慢均对取向和结晶程度有影响 3 倒流 倒流 指柱塞或螺杆在机筒中向后倒退时 即撤除保压力以后 模腔内熔体朝着浇口和流道进行的反向流动 整个倒流过程将从注射压力撤出开始 至浇口处熔体冻结 简称浇口冻结 时为止 图4 11 t3 t4 保压力 保压时间与倒流的关系 如撤除压力时 浇口已经冻结或喷嘴带有止逆阀 倒流现象不存在 保压时间较长 保压力对模腔的熔体作用时间也长 倒流较小 制品的收缩情况有所减轻 而保压时间短 情况刚好相反 引起倒流的原因 主要是注射压力撤除后 模腔压力大于流道压力 且熔体与大气相通所造成的 倒流对于注射成型不利 a 使制品内部产生真空泡或表面出现凹陷等成型缺陷 b 对制件内的大分子取向也有一定影响 原因是倒流本身也是一种熔体流动行为 从原理上讲 也能提高大分子的取向能力 但实际上倒流产生的取向结构在制品内并不太多 因倒流波及的区域不太大 且倒流期内 熔体温度还比较高 取向结构很可能被分子热运动解除 3 冷却定型 冷却定型 从浇口冻结时间开始 到制品脱模为止 图4 11 t4 t5 注射成型工艺过程的最后阶段 1 冷却定型时的模腔压力 与保压时间有很大关系 图4 16 温度 压力曲线 图中曲线1代表模腔压力很低的情况 曲线2为正常工艺条件下的情况 F和F 是保压力撤除的位置 G G 分别是与F F 对应的浇口冻结位置 H H 分别与G G 对应 但模腔压力相同时的脱模位置 从F处撤除 从F 处撤除保压力时 保压时间就会短一些 保压力时 保压时间要长一些 分析推论 如果保压时间短 则保压作用终止时模内熔体温度较高 浇口冻结温度也高 开始冷却定型时的模腔压力低 情况相反 保压时间不同时 若在模腔压力相同的条件下脱模 则保压时间短时 脱模温度高 制件在模内冷却时间短 从浇口冻结算起 容易因刚度不足而变形 保压时间长 情况则相反 若将温度 压力曲线中因保压时间不同而产生的浇口冻结位置连成曲线 则该曲线为浇口冻结曲线 在注射工艺条件正常和稳定的条件下 冻结曲线呈直线状 2 冷却定型时的制品密度 冷却定型阶段 浇口冻结 熔体不再向模腔内补充 可用聚合物状态方程描述模腔内的压力 温度和比体积 或密度 关系 对于确定的聚合物 比体积 或密度 一定时 温度和压力呈直线关系 将这种关系反映在温度 压力坐标系中 可得到许多比容不等的直线 图4 17中的l l 2 2 四条直线 它们统称为等比体积线 其中 1和l 分别经过 浇口冻结位置G和G 2和2 分别经过脱模位置H和H 很明显 四条直线的斜率均与比体积 或密度 有关 斜率越大比体积越大 而密度越小 分析结论 保压时间长时 浇口冻结温度低冷却定型开始时模腔压力比较高 冷却定型时的制件密度比较大 保压时间一定时 若采用较高的脱模温度 冷却定型时模腔压力比较大 脱模后制件会进行较大的收缩 脱模制件密度较低 尚待在模外继续收缩 制件会因这种模外收缩在其内部产生较大的残余应力 发生翘曲变形 图中 H模腔厚度 h固化层厚度 冷却过程中h不断加大 M模腔表壁温度 s固化层与熔体之间的界面温度 模腔内的温度分布如 y 曲线 y是模腔厚度坐标 假设熔体密实 h增长很慢 固化层内温度呈直线变化 热传导限定在固化层范围内 则温度分布曲线用下式表达 3 熔体在模腔内的冷却情况 4 6 若再设熔体在固化过程中的面密度变化速度为Vc 则有平衡方程 式中qm 熔融潜热 s 固化层的导热系数 其中 4 8 式中 s 固化层密度 tc 冷却时间 将式 4 8 代人式 4 7 得 4 9 4 7 利用初始条件tc 0时 h 0 将上式积分后可得固化层厚度与冷却时间的关系为 4 10 上式实际上隐含熔体在模腔内的冷却速度 利用它可以计算冷却时间 4 脱模条件 聚合物状态方程表明 冷却定型阶段有压力 比容和温度三个可变参数 但外部无熔体向模腔补给 比容只与温度变化引起的体积收缩有关 独立参数只有模腔压力和温度 它们均与脱模条件有关 脱模温度 不宜太高 否则 制件脱模后会产生较大的收缩 容易在脱模后发生热变形 受模温限制 脱模温度也不能太低 适当的脱模温度应在塑料的热变形温度 H和模具温度 M之间 图4 19 低于热变形温度 脱模压力 模腔压力和外界压力的差值不要太大 应在图4 19中 pH 十pH脱模压力范围 其值可由经验或试验确定 否则制件脱模后内部产生较大的残余应力 导致使用过程中发生形状尺寸变化或产生其他缺陷 保压时间较长 模腔压力下降慢 脱模时的残余应力偏向 pH一边 当残余应力超过 pH 则开启模具时可能产生爆鸣现象 制件脱模时容易被刮伤或破裂 未进行保压或保压时间较短 模腔压力下降快 倒流严重 模腔压力甚至可能下降到比外界压力要低 这时残余应力偏向 pH一边 制品将会因此产生凹陷或真空泡 生产中应尽量调整好保压时间 使脱模时的残余应力接近或等于零 以保证制件具有良好质量 三 制件的后处理 为什么要进行制件的后处理 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及充模后冷却速度不同 制件内经常出现不均匀的结晶 取向和收缩 导致制件内产生相应的结晶 取向和收缩应力 除引起脱模后时效变形外 还使制件的力学性能 光学性能及表观质量变坏 严重时还会开裂 为了解决这些问题 可对制件进行一些适当的后处理 后处理方法 退火和调湿 将制品加热到 g f m 间某一温度后 进行一定时间保温的热处理过程 什么是退火 对于 结晶形塑料制件 利用退火对它们的结晶度大小进行调整 或加速二次结晶和后结晶的过程 对制品进行解取向 降低制件硬度和提高韧度 利用退火时的热量 加速塑料中大分子松弛 消除或降低制件成型后的残余应力 退火原理 保温时间 与塑料品种和制件厚度有关 如无数据资料 也可按每毫米厚度约需半小时的原则估算 退火温度 制件使用温度以上10 20 至热变形温度以下10 20 间选择和控制 退火热源或加热保温介质 红外线灯 鼓风烘箱以及热水 热油 热空气和液体石蜡等 应指出 并非所有塑料制件都要进行后处理 通常 只是对于带有金属嵌件 使用温度范围变化较大 尺寸精度要求高和壁厚大的制品才有必要 调湿处理 一种调整制件含水量的后处理工序 主要用于吸湿性很强且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件 它除了能在加热和保温条件下消除残余应力之外 还能促使制件在加热介质中达到吸湿平衡 以防它们在使用过程中发生尺寸变化 注意 退火冷却时 冷却速度不宜过快 否则还有可能重新产生温度应力 第四节注射成型工艺条件的选择与控制 注射成型具有三大工艺条件 温度 压力和时间 一 温度 注射成型温度主要指料温和模温 料温影响塑化和注射充模 模温则同时影响充模和冷却定型 1 料温 料温 指塑化物料的温度和从喷嘴注射出的熔体温度 前者称为塑化温度 而后者称为注射温度 料温主要取决于机筒和喷嘴两部分的温度 料温太低 不利于塑化 物料熔融后黏度也较大 故成型比较困难 成型后的制件容易出现熔接痕 表面无光泽和缺料等缺陷 提高料温 有利于塑化并降低熔体黏度 流动阻力或注射压力损失 熔体在模内的流动和充模状况随之改变 流速增大 充模时间缩短 对制件的一些性能带来许多好的影响 料温过高 很容易引起热降解 最终反而导致制件的物理和力学性能变差 各种塑料适用的机筒和喷嘴温度选择或控制原则 制件注射量大于注射机额定注射量75 或成型物料不预热时 机筒后段温度应比中段 前段低5 10 对于含水量偏高的物料 也可使机筒后段温度偏高一些 对于螺杆式机筒 为了防止热降解 可使机筒前段温度略低于中段 机筒温度应保持在塑料的黏流温度 f m 以上和热分解温度 d以下某一个适当的范围 对于热敏性塑料或相对分子质量较低 分布又较宽的塑料 机筒温度应选较低值 即只要稍高于 f m 即可 以免发生热降解 机筒温度与注射机类型及制件和模具的结构特点有关 如 注射同一塑料时 螺杆式机筒温度可比柱塞式低10 20 又如 薄壁制件或形状复杂以及带有嵌件的制品 因流动较困难或容易冷却 应选用较高的机筒温度 反之 对于厚壁制件 简单制件及无嵌件制件 均可选用较低的机筒温度 为了避免成型物料在机筒中过热降解 除应严格控制机筒最高温度之外 还必须控制物料或熔体在机筒内的停留时间 这对热敏性塑料尤为重要 通常 机筒温度提高以后 都要适当缩短物料或熔体在机筒中的停留时间 为了避免流涎现象 喷嘴温度可略低于机筒最高温度 但不能太低 否则会使熔体发生早凝 其结果不是堵塞喷嘴孔 便是将冷料带人模腔 最终导致成型缺陷 判断料温是否合适 可采用对空注射法观察 或直接观察制件质量好坏 对空注射时 如果料流均匀 光滑 无泡 色泽均匀 则说明料温合适 如料流毛糙 有银丝或变色现象 则说明料温不合适 2 模具温度 模具温度 指和制件接触的模腔表壁温度 模温直接影响熔体的充模流动行为 制件的冷却速度和成型后的制件性能等 模温选择的意义 模温选择得合理 分布均匀 可有效改善熔体的充模流动性能 制件的外观质量及一些主要的物理和力学性能 模温波动幅度较小 会促使制件收缩趋于均匀 防止脱模后发生较大的翘曲变形 提高模温 可改善熔体在模内的流动性 增强制件的密度和结晶度及减小充模压力和制件中的压力 但制件的冷却时间 收缩率和脱模后的翘曲变形将延长或增大 且生产率也会因冷却时间延长而下降 适当提高模温 制件的表面粗糙度值也会随之减小 降低模温 能缩短冷却时间和提高生产率 但温度过低 熔体在模内的流动性能会变差 制件产生较大的应力或明显的熔接痕等缺陷 模温怎样控制 依靠通入其内部的冷却或加热介质控制 要求不严时 可空气冷却而不用通人任何介质 其具体数值是决定制品冷却速度的关键 冷却速度分 缓冷 M cmax 中速冷却 M g 和急冷 M g 三种方式 各种塑料适用的模温选择或控制的原则 为了保证制件具有较高的形状和尺寸精度 避免制件脱模时被顶穿或脱模后发生较大的翘曲变形 模温必须低于塑料的热变形温度 见表4 10 为了改变聚碳酸酯 聚砜和聚苯醚等高黏度塑料的流动和充模性能 并力求使它们获得致密的组织结构 需要采用较高的模具温度 反之 对于黏度较小的聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯和聚酰胺等塑料 可采用较低的模温 这样可缩短冷却时间 提高生产效率 对于厚制件 因充模和冷却时间较长 若模温过低 易使制件内部产生真空泡和较大的应力 不宜采用较低的模具温度 为了缩短成型周期 确定模具温度时可采用两种方法 a 把模温取得尽可能低 以加快冷却速度缩短冷却时间 b 使模温保持在比热变形温度稍低的状态下 以求在较高的温度下将制品脱模 而后由其自然冷却 这样做也可以缩短制品在模内的冷却时间 具体采用何种方法 需要根据塑料品种和制件的复杂程度确定 二 压力 包括 注射压力 保压力和背压力 注射压力 与注射速度相辅相成 对塑料熔体的流动和充模具有决定性作用 保压力 和保压时间密切相关 主要影响模腔压力以及最终的成型质量 背压力 与螺杆转速有关 大小影响物料的塑化过程 塑化效果 和塑化能力 1 注射压力与注射速度 1 注射压力 什么是注射压力 指螺杆 或柱塞 轴向移动时 其头部对塑料熔体施加的压力 注射压力作用 在注射成型过程中主要用来克服熔体在整个注射成型系统中的流动阻力 对熔体起一定程度的压实作用 注射压力损失包括 动压损失和静压损失 动压损失 消耗在喷嘴 流道 浇口和模腔对熔体的流动阻力以及塑料熔体自身内部的黏性摩擦方面 与熔体温度及体积流量成正比 受各段料流通道的长度 截面尺寸及熔体的流变学性质影响 静压损失 消耗在注射和保压补缩流动方面 与熔体温度 模具温度和喷嘴压力有关 注射压力选择过低 注射成型过程中因其压力损失过大而导致模腔压力不足 熔体将很难充满模腔 注射压力选择得过大 虽可使压力损失相对减小 但却可能出现涨模 溢料等不良现象 引起较大的压力波动 生产操作难于稳定控制 还容易使机器出现过载现象 注射压力对熔体的流动 充模及制件质量的影响 注射压力很大且浇口又较小时 熔体在模腔内会产生喷射流动 料流先冲击模腔表壁而后才扩散 很容易在制件中形成气泡和银丝 严重时还会因摩擦热过大烧伤制件 因此 注射压力选择要适中 在可能的情况下尽量把注射压力选择得大一些 这样有助于提高充模速度及料流长度 还可能使制件的熔接痕强度提高 收缩率减小 注意 注射压力增大之后 制件中的应力也可能随之增大 这将影响制件脱模后的形状与尺寸的稳定性 注射压力不太高且浇口尺寸又较大时 熔体充模流动比较平稳 这时因模温比熔体温度低 对熔体有冷却作用 容易使熔体在浇口附近的模腔处形成堆积 料流长度会因此而减短 导致模腔难于充满 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40 200Mpa 对于玻璃化温度和熔体黏度较高的塑料 宜用较大的注射压力 对于尺寸较大 形状复杂的制品或薄壁制件 因模具中的流动阻力较大 也需用较大的注射压力 熔体温度较低时 注射压力应适当增大一些 选择 控制注射压力的原则 对于流动性好的塑料及形状简单的厚壁制件 注射压力可小于70MPa 对于黏度不高的塑料 如聚苯乙烯等 且其制品形状不太复杂以及精度要求一般时 注射压力可取70 100MPa 对于高 中黏度的塑料 如改性聚苯乙烯 聚碳酸酯等 且对其制件精度有一定要求 但制品形状不太复杂时 注射压力可取100一140MPa 对于高黏度塑料 如聚甲基丙烯酯甲酯 聚苯醚 聚砜等 且其制件壁厚小 流程长 形状复杂以及精度要求较高时 注射压力可取140 180MPa 对于优质 精密 微型制件 注射压力可取180 250MPa 甚至更高 注射速度的表示方法 注射时塑料熔体的体积流量qv 注射螺杆 或柱塞 的轴向位移速度vi 其数值可通过注射机的控制系统进行调整 表达式如下 2 注射速度 注射压力还与制件的流动比有关 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 表4 12 如实际设计的模具流动比大于表中数值 而注射压力又小于表中数值 制品难于成型 4 11 式中qv 体积流量 cm3 s pi 注射压力 Pa pM 模腔压力 Pa W 流道截面的最大尺寸 宽度 cm H 流道截面的最小尺寸 高度 cm L 流道长度 cm K 熔体在工作温度和许用剪切速率下的稠度系数 Pa s n 熔体的非牛顿指数 4 12 式中D 螺杆的基本直径 上两式可知 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 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 注射速度过大的缺点 与注射压力过大一样 在模腔内引起喷射流动 导致制件质量变差 另外 高速注射时如排气不良 模腔内的空气将受到严重的压缩 不仅使高速流动的熔体流速减慢 还因压缩气体放热灼伤制件或产生热降解 综上所述 注射速度选择不宜过高 也不宜过低 过低时制件表层冷却快 对继续充模不利 容易造成制品缺料 分层和明显的熔接痕等缺陷 vi常用15 20cm s 对于厚度和尺寸都很大的制件 vi可用8 12cm s 生产中的实际确定注射速度的做法 先采用慢速低压注射 然后根据注射出的制件调整注射速度 使之达到合理的数值 如生产批量较大 需要缩短成型周期 调整过程中可将注射速度尽量朝数值较高的方向调整 但须保证制件质量不能因注射速度过快而变差 应尽量采用高速注射的有 熔体黏度高 热敏性强的塑料 成型冷却速度快的塑料 大型薄壁 精密制件 流程长的制件 纤维增强塑料 其余不要采用过快的注射速度 选择或控制注射速度时还应注意以下几点 对于大 中型注射机 可对注射速度采用分段控制 其控制规律可参考图4 24 螺杆式注射机比柱塞式注射机可提供较大的注射速度 需要采用高速高压成型的情况下 如流道长 浇口小 制件形状复杂和薄壁制品等 应尽量采用螺杆式注射机 否则难保证成型质量 在注射成型的保压补缩阶段 为了对模腔内的塑料熔体进行压实以及为了维持向模腔内进行补料流动所需要的注射压力叫做保压力 什么是保压力 2 保压力和保压时间 什么是保压时间 保压力持续的时间长短叫做保压时间 1 保压力和保压时间对模腔压力的影响 图4 25 曲线l 采用的保压力和保压时间合理 模腔压力变化正常 能取得良好的充模质量 曲线2 注射压力和保压力切换时 注射机动作响应过慢 熔体过量充填模腔 分型面被涨开溢料 导致模腔压力产生不正常的快速下降 反而造成制件密度减小 缺料 凹陷及力学性能变差等不良现象 曲线3与曲线2的情况相反 即注射时间过短 熔体不能充满模腔 保压时模腔压力曲线的水平部分较低 曲线4表示保压时间不足 保压力撤除过早 浇口尚未冻结 于是熔体将会产生倒流 模腔压力在就猛然下降 无法实现正常补缩功能 制件内部可能出现真空泡和凹陷等不良现象 曲线5表示保压时间足够 但采用的保压力太低 因此保压力不能充分传递给模腔中的熔体 故模腔压力也会出现不正常的迅速下降现象 使得保压流动不能有效地补缩 从而造成一些不正常的成型缺陷 2 保压力 保压时间对制件密度和收缩的影响 非结晶聚合物比体积 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 结晶聚合物的比体积 温度和保压力之间的关系曲线 各条曲线的变化总趋势 与图4 26有些相似 即在较高的保压力与较低的温度条件下 可使制件得到较小的比体积或较大的密度 上两图的差别 结晶的聚乙烯从高温到低温变化时比体积 温度曲线在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50 250 范围内 若取保压力为10MPa 则聚乙烯比体积的变化幅度约为30 而聚苯乙烯只有10 左右 若取保压力为160MPa 两者的比体积变化幅度又分别为22 和3 结论 保压力和温度对结晶聚合物的比体积或密度之影响比对非结晶聚合物的影响来得强烈 而且在100 150 左右 无论保压力大小如何 结晶聚合物的比体积都会迅速减小 所以生产中对制件密度要求较高时 同时需要选择合理的保压力和合理的温度条件 并且结晶聚合物的保压力和温度条件的控制尤其要严格一些 保压时间与制件密度之间的关系 在保压阶段初期 随着保压时间延长 制件的体积质量迅速增大 但是当保压时间达到一定数值 ts 后 制件的体积质量就会停止增长 这意味着为了提高制件密度 必须有一段保压时间 但保压时间过长 除了浪费注射机能量之外 对于提高制件密度已无效用 所以生产中应能对保压时间恰当地控制在一个最佳值 保压时间对制件成型收缩率的影响 保压时间长收缩率小 结合聚合物状态方程可以认为保压力大 保压时间充分时 浇口冻结温度低 即冷冻时间晚 补缩作用强 有助于减小制件收缩 3 保压力和保压时间的选择与控制 保压力大小取决于模具对熔体的静水压力 并与制件的形状 壁厚有关 对于厚壁制件 保压力的选择比较复杂 因为保压力大 容易加强大分子取向 制件出现较为明显的各向异性 只能根据制件使用要求灵活处理保压力的选择与控制问题 大致规律是保压力与注射压力相等时 制件的收缩率可减小 批量产品中的尺寸波动小 然而会使制件出现较大的应力 对形状复杂和薄壁的制件 为了保证成型质量 采用的注射压力往往比较大 故保压力可稍低于注射压力 保压时间 取20 120s 与料温 模温 制件壁厚以及模具的流道和浇口大小有关 保压时间应在保压力和注射温度条件确定以后 根据制件的使用要求试验确定 具体方法 先用较短的保压时间成型制件 脱模后检测制件的质量 然后逐次延长保压时间继续进行试验 直到发现制件质量达到制件的使用要求或不再随保压时间延长而比容增大 或增大幅度很小 时为止 然后就以此时的保压时间作为最佳值选取 3 背压力与螺杆转速 1 背压力 塑化压力 背压力 指螺杆在预塑成型物料时 其前端汇集的熔体对它所产生的反压力 简称背压 背压对注射成型的影响主要体现在螺杆对物料的塑化效果及塑化能力方面 故有时也叫做塑化压力 增大背压可驱除物料中的空气提高熔体密实程度 增大熔体内的压力 螺杆后退速度减小 塑化时的剪切作用加强 摩擦热量增多 熔体温度上升 塑化效果提高 图4 30 为背压对熔体温度影响的实验曲线 背压大小 与塑料品种 喷嘴种类和加料方式有关 并受螺杆转速影响 其数值的设定与控制需通过调节注射油缸上的背压表实现 表压与背压的关系为 4 13 由经验得 背压的使用范围约为3 4 27 5MPa 下限值适用于大多数塑料 尤其是热敏性塑料 注意 增大背压虽可提高塑化效果 但背压增大后如不相应提高螺杆转速 则熔体在螺杆计量段螺槽中将会产生较大的逆流和漏流 使塑化能力下降 背压和塑化能力的关系 可参考式 4 5 进行分析 实际中经常需把背压的大小与螺杆转速综合考虑 选择或控制背压时注意事项 采用直通式喷嘴和后加料方式背压高时容易发生流涎现象 应使用较小的背压 采用阀式喷嘴和前加料方式时 背压可取大一些 热敏性塑料 如硬聚氯乙烯 聚甲醛等 为防止塑化时剪切摩擦热过大引起热降解 背压应尽量取小值 对于高黏度塑料 如聚碳酸酯 聚砜 聚苯醚等 若背压大时 为了保证塑化能力 常会使螺杆传动系统过载 也不宜使用较大的背压 增大背压虽可提高塑化效果 但因螺杆后退速度减慢 塑化时间或成型周期将会延长 因此 在可能的条件下 应尽量使用较小的背压 但是过小的背压有时会使空气进入螺杆前端 注射后的制品将会因此出现黑褐色云状条纹及细小的气泡 对此必须加以避