注射成型工艺及设备.pptx

第二讲注射成形工艺及设备 2 塑料模具 2 1注射成型模具2 2压塑 传递成型模具2 3塑料中空成型 真空成型模具2 4挤出成型模具 2 1 1注射成型原理与工艺过程1注射成形过程原理2注射机简介3注射成型工艺过程2 1 2注塑成形工艺条件与控制1温度2压力3成形周期 注塑成型制品 注射成型具有可一次成形多个结构复杂 形状相同或不同 尺寸一致性好 质量稳定的塑件的特点 因而成为塑料加工领域的一种重要工艺方法 在各种塑料制品中约有35 以上是由注射成形加工的 注射成型几乎可成形所有的塑料种类 生产效率高 可实现大批量自动化生产 实现注射成型加工需要四个基本要素 如图所示 2 1 1注射成型原理与工艺过程 注射成型四大要素 注射成形的四大要素 1注塑成形过程原理注射成型基本原理就是利用塑料的可模塑性 将松散的粒状或粉状塑料原料 经注射机的料斗输入料筒内 再经料筒外部加热器和螺杆旋转的剪切摩擦作用 使逐渐软化熔融至粘流态的塑料存于料筒前端 然后在注射机螺杆的高压力推动下 将塑料以一定的速度通过注射机喷嘴注入闭合的模具中 经一定的保压与冷却定型时间后 打开模具即可取出具有一定形状和尺寸精度的塑料制品 注射成形的原理 结构及注射成形过程循环如图所示 注射成型过程循环 注射成形过程原理及动画模拟示意 2注射机简介 1 注射机的组成注射成形的工作循环是在注射机上完成的 注射机是实现注射成形加工的主要设备 常用注射机的典型结构示意及外观形式如图所示 注射机的结构组成示意图 注射机的外观结构 注射机一般由以下几部分组成 1 注射装置注射装置是注射机的核心 它的作用包括两个方面 一是将物料均匀的塑化 二是借助螺杆或注塞的推挤作用 使熔融物料高压 快速地注入模具型腔 注射装置由加料部分 料筒 计量装置 螺杆 喷嘴等组成 如图所示 注射机的注射装置和合模装置示意图 2 锁模装置锁模装置在注射机上通常是与顶出机构连接为一体 故将两者统称为锁模装置 其作用有三 一是实现模具的开 合动作 二是在成形时提供足够的锁紧力使模具闭合 三是开模时推出模内的塑件 锁模装置主要由固定模板 活动模板 拉杆 油缸 连杆机构 调模装置及顶出机构等组成 如图所示根据实现锁模力的方式不同 可分为机械式的 液压式的和机械液压联合作用的 推出机构也有机械和液压两种方式 3 控制系统控制系统包括液压和电器两部分 它是保证注射成形过程按照预先设定的工艺条件和动作顺序进行正确工作的关键 液压系统是为注射机各运动机构提供动力的 电器控制系统则是控制各个执行部件完成注塑成形过程各种动作的 注射机的分类 按结构形式分 卧式 立式 直角式按注射装置的形式分 螺杆式 柱塞式按驱动方式分 机械式 液压式 2 螺杆式注射机按注射装置的构造不同 注射机可分为柱塞式和螺杆式两种 螺杆式注射机因其对物料塑化的均匀程度高 注射压力损失小 以及物料在料筒内产生热降解的可能性低等特点而被广泛应用 螺杆的作用是输送物料 压实 塑化和传递压力 当螺杆在料筒内旋转时 将料筒中塑料颗粒卷入螺杆的螺槽 并逐步将其压实 排气 塑化 并不断地将塑化好塑料熔体推向料筒前端 积存在料筒顶部与喷嘴之间 螺杆本身受到熔体的压力而缓缓后退 当寄存的熔体达到设定的计量值时 螺杆便停止转动 即塑化停止 而在注射油缸的驱动下向前移动 将塑化好的熔体注入模具 注射与保压结束后 螺杆有开始旋转并后退 实现下一个循环的塑化工作 目前国际上对注射机规格趋于以注射容量和锁模力来表示 这里的注射容积是指注射压力为100MPa时的理论注射容积 螺杆结构示意 螺杆是注射机的核心部件 螺杆的结构有多种形式 如有等截面变螺距 变截面变螺距等 为满足塑化及输送物料的要求 螺杆一般分为三段 每段的长度不等 如图所示 相应于螺杆的各段 料筒的温度也不同 压缩区为料筒的前段 温度最高 塑化好的熔体积存于料筒的前段 3注射成型工艺过程注射成型过程可分为三个阶段 即成型前的准备 注射成型 制件后处理 1 成型前的准备包括原材料性能指标检验 如成分 含水量等 预热 干燥处理 着色 注射机料简清洗 模具嵌件预热 脱模剂选择等 2 注射成型1 塑化计量塑化 将粉 粒状原料在注射机料筒内加热至熔融粘流态 要求 组分 密度 粘度 温度 色泽等均匀 均匀的熔体 才具有良好的流动性 能保证制品质量 计量 注射机螺杆每次注射 需将塑化好的熔体按塑件成形要求定温 定压 定量地注入模具型腔 要求 准确 否则影响制品质量 2 注射充模与冷却定型及脱模从熔体进入模具 到制件脱模 这一过程时间虽短 但对制件的质量起着决定性的作用 据熔体进入模腔的变化情况 此过程可细分为 注射充模 保压补缩 熔体倒流 冷却定型 开模脱件 流动充模这是指注射机将塑化好的熔体注入模具型腔的过程 这一过程中 熔体流动要受到注射机喷嘴 模具浇注系统和型腔表面及熔体内部的粘性摩擦等阻力 熔体充模示意如图所示 注射过程中 压力是随时间呈非线性变化的 喷嘴 熔体经浇注系统充满型腔 曲线1 注射压力随时间变化的曲线 曲线2 喷嘴末端的压力曲线 曲线3 是型腔始端 浇口处 的压力曲线 曲线4 是型腔末端的压力曲线 注射成形的压力 时间曲线 曲线OA段是熔体在注射压力作用下开始注入型腔的时刻 在AB时间段熔体充满型腔 此时注射压力P1迅速达到最大值 喷嘴压力也达到一定的动态压力P2 型腔充满后 型腔压力迅速增加并达到最大值 型腔始端的最大压力为pC 末端最大压力为pC1 喷嘴压力迅速增加并接近注射压力p1 BC时间段是熔体的压实阶段 在压实阶段 约有占制品重量15 的熔体被压入模腔 使制件密度增加 此时熔体进入型腔的速度非常缓慢 保压补缩是指熔体充满模腔至螺杆开始后退为止 图中的CD时间段 保压是指注射压力对模腔内的熔体继续进行压实的过程 而补缩则是指保压过程中 模腔内熔体因冷却收缩体积减小产生了空隙 为避免制品因收缩而产生内部缩孔或表面凹陷 螺杆继续以较高的压力向模腔注入熔体 以补充熔体收缩减少的部分 保压压力一般维持在型腔充满时刻的压力 此时熔体的流动速度缓慢 螺杆只有微小的补缩位移 保压阶段熔体随模具的冷却 密度增大而逐渐成型 倒流是指保压结束后 螺杆开始后退 喷嘴压力迅速下降为零 而模腔内尚未凝固的塑料熔体在模腔压力作用下 沿浇注系统产生了反向流动 导致型腔压力从PD降至PE 在E时刻浇口处熔体凝固 使倒流过程停止 E点处的压力称为封口压力 浇口尺寸越小 凝固时间越短 PE和与此相对应的熔体温度对制品的性能影响很大 冷却定型与制品脱模冷却定型是指从浇口冻结开始到制品脱模为止的时间 这是注射成形的最后阶段 这一阶段浇口已经凝固 没有熔体向模腔补充 模腔压力逐渐降低 熔体在模具冷却系统作用下 逐渐冷却固化为制品 当制品冷却到具有一定的刚度和强度时 即可开模脱件 这一阶段对应曲线EF段 制品脱模时的温度不易太高 否则制件脱模后会产生较大的收缩和热变形 但也不能太低 适当的脱模温度应在塑料的热变形温度和模具温度之间 3 制件的后处理由于原料塑化不均 成型中结晶 取向 冷却不均等造成制品各部分收缩不一致 使制品产生内应力 脱模后制品在自由状态下进行应力平衡或松弛 将引起应力变形或开裂以及力学性能和表面质量等方面问题 为此可对制件进行后处理 1 退火处理塑件加热至Tg Tf之间的某一温度 保持一定时间 缓冷至室温 利用退火时的热量 加速大分子的松弛 从而消除或减小制件内应力 调节结晶度 增加解取向能力 从而提高塑件尺寸稳定性和其它性能 退火温度 在制品使用温度以上10 20 至热变形温度以下10 20 之间选择 保温时间与制品结构 壁厚等因素有关 如无数据资料 可按每毫米厚度约需30分钟的原则估算 2 调湿处理调整制品含水量 主要用于吸湿性强又易氧化的塑料 如PA等 常用沸水 加热温度100 120 将塑件放入一定时间 时间长短与塑件壁厚有关 通常约取2 9小时 调湿可消除应力 促使制品在热介质中达到吸湿平衡 以免使用中发生尺寸变化 并非所有制品都需要后处理 通常只对带有金属嵌件 使用温度范围变化大 尺寸精度要求高和壁厚大的制品才作后处理 3 2注塑成形工艺条件与控制 当塑料材料 注射机和模具结构确定之后 注射工艺条件的选择与控制 便成为决定成形质量的主要因素 一般讲 注塑成形主要是三大工艺条件 即温度 压力和时间 1温度注射成形时的温度条件包括熔体温度和模具温度两方面 其中熔体温度 也称料温 影响充模流动 1 料温是指塑化物料的温度和从注射机喷嘴射出熔体温度 前者为塑化温度 后者为注射温度 因此 料温主要取决于机筒和喷嘴两部分的温度 料温太低时 不利于塑化 物料熔融后粘度大 流动与成型困难 制品出现熔接痕 表面无光泽和缺料等缺陷 提高料温 有利于塑化 降低熔体粘度和流动阻力 减少压力损失 增大有效注射压力 改善熔体充模流动状况 料温太高 易于引起热降解 导致制品的物理 力学性能变差 2 模具温度是指模具型腔表面的温度 它直接影响熔体的充模流动状态 制品的冷却速度和成形后的制品性能 不同的材料 要求的模具温度不同 从改善熔体的充模流动性 制品的外观质量和主要的物理 力学性能考虑 模具温度应选择合理 分布均匀 波动较小 模温高 可改善熔体充模流动性 提高制品的密度和结晶度 减小充模压力和制品中的应力 降低制品表面粗糙度 但制品的冷却时间延长 影响生产效率 制品收缩率和脱模后的翘曲变形会增大 影响精度和质量 模温低 制品冷却时间短 生产效率高 但模温过低 熔体的在模内的流动性变差 制件易产生较大的内应力和熔接痕等缺陷 制件表面粗糙度变差 2压力注射成形时的压力包括注射压力 保压压力和背压力 注射压力与注射速度相辅相成 对熔体的流动和充模具有决定性作用 保压压力和保压时间密切相关 主要影响模腔压力和制件的成形质量 背压力的大小影响物料的塑化质量 并与螺杆转速有关 1 注射压力与注射速度1 注射压力是指螺杆轴向移动时 其头部对熔体所施加的压力 主要用来克服熔体在充模过程中流经各段通道的阻力 同时还对熔体起一定的压实作用 压力高 能减少压力损失 有利于充模 可提高充模速度和料流长度 提高熔接痕强度 减小收缩率 提高尺寸精度 但易使制件内应力增大 影响脱模后的尺寸稳定性 压力过高 还易发生涨模和飞边等不良现象 甚至可能造成注射机过载或压力波动 压力低 熔体充模流动速度慢 温度损失大 料流融合不良 熔接痕明显 制品密度低 收缩大 压力过低时 还会因压力损失太大 导致模腔填充不满 出现欠注现象 注射压力的大小与塑料品种 制件结构复杂程度 模具浇口尺寸等因素有关 通常取40 200MPa 不同塑料的注射压力可参考相关手册确定 注射压力对成形性能的影响 1 制品取向程度 2 料流长度 等效流动性能 3 制品体积质量 4 料流方向的收缩率 5 需用的冷却时间 6 熔接痕强度 7 热变形温度 2 注射速度注射速度可用注射螺杆的轴向位移速度表示 其数值可通过注射机的控制系统进行调整 注射速度与注射压力相辅相成 它对熔体的流动 充模及制品质量也有直接影响 注射速度高 可使熔体流动速度快 料流长度和模腔压力都会因此而增大 而制品的密度和熔接痕强度会有所提高 多腔模生产出的制件尺寸误差也比较小 但注射速度过高 会在模腔内产生喷射流动 导致制件质量变差 若排气不良 还会因模腔内的气体排不出 而影响熔体流动 或气体受压缩放热而灼伤制件或产生热降解 注射速度低 熔体流动速度慢 会因温度降低多而增高粘度 影响填充和熔接痕强度 注射速度低 熔体流动速度慢 会因温度降低多而增高粘度 影响填充和熔接痕强度 注射速度对注射成型的影响如图所示 1 料流长度 等效流动性能 2 充模压力 3 熔接痕强度 4 制品应力 5 制品表面质量 注射速度对注射成形的影响 注射速度应选择合理 不宜过高或过低 常用的值约为15 20cm s 对于壁厚和尺寸较大的制件 可取8 12cm s 实际生产中 一般先采用慢速低压注射 然后根据制件质量调整注射速度 使其达到合理数值 注射速度对成形质量的影响如图所示 实际生产中宜用高速注射的 包括以下几种情况 熔体粘度高 热敏性强的塑料 冷却速度快的塑料 大型薄壁 精密制件 流程长的制件 纤维增强塑料制件 其它情况下一般不宜采用高速注射 注射速度对成形质量的影响 2 保压压力和保压时间保压力和保压时间分别是补缩的动力和补缩的持续过程 它们对制件的密度影响尤其重要 而且还与温度有关 保压力和温度对结晶型聚合物的比体积 cm3 g 或密度的影响比对非结晶型聚合物的影响来得强烈 而且在100 150 左右 无论保压力大小 结晶聚合物的比体积都会迅速减小 如图所示 故生产中对结晶型聚合物的保压力和温度控制应严格 PS的比体积 温度 保压力曲线 PE的比体积 温度 保压力曲线 PE从高温到低温时比体积 温度 保压力曲线在100 150 具有明显拐点 同样保压力和温度下 PE的比体积变化幅度比PS大的多 保压时间对制件密度的关系 如图所示 在保压初期阶段 随着保压时间的延长 制件的体积质量 或密度 迅速增大 但当保压时间达到一定数值后 制件的体积质量就会停止增长 这意味着制件体积质量达到一定值后 再增加保压时间对制件密度的提高已无效用 保压时间对成形收缩率的影响如图所示 保压时间长 收缩率小 保压时间与制件质量的关系 保压时间与成形收缩的关系 1 PP 料流方向 2 PP 与料流垂直方向 3 PA66 4 PMMA 3 保压力和保压时间的控制保压力的大小与塑件的形状 壁厚有关 一般对于形状复杂和薄壁制件 为保证成形质量 采用的注射压力往往较大 故保压力可稍微低于注射压力 对于厚壁制件 保压力的确定较复杂 若保压力大时 容易加强大分子取向 使制件出现明显的各向异性 通常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 但制件的内应力会相对较大 保压时间一般约取20 120s 与料温 模温 制件壁厚和模具的流道 浇口尺寸有关 但对有些特厚的制件 保压时间甚至可长达数分钟 保压力和保压时间的选择与控制的基本原则是保证制件的成形质量 具体数值要根据生产实际确定 3 背压力和螺杆转速1 背压力 塑化压力 背压力是指螺杆在预塑成型物料时 其前端汇集的物料对其头部产生的反向压力 增大背压力除了可以驱除物料中的空气提高熔体密实程度之外 熔体的内压力也将随之增大 螺杆后退速度减小 于是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 但如果背压增大后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 从而使塑化能力下降 背压大小与塑料品种 喷嘴类型和加料方式有关 并受螺杆转速影响 生产中使用的背压范围约为3 4 27 5MPa 下限值适用于大多数塑料 尤其是热敏性塑料 2 螺杆转速螺杆转速指螺杆塑化成型物料时的旋转速度 它所产生的扭矩是塑化过程中向前输送物料发生剪切 混合与均化的原动力 螺杆转速增大 塑化能力提高 但由图知 当螺杆转速达到一定数值后 熔体温度均化程度提高 但曳流也随着增大 使综合塑化效果下降 3成形周期注射成形周期是指完成一次注射成形工艺过程所需的时间 注射成形周期包括 注射时间 充模时间和保压时间 闭模冷却时间和其它操作时间 开模 脱模 喷洒脱模剂 安放嵌件 合模时间等 如图所示 注射成形周期的时间构成 1 注射时间指注射活塞在注射油缸内开始向前运动至保压补缩结束为止所经历的全部时间 与塑料的流动性 塑件的复杂程度及尺寸大小 浇注系统形式 及成形工艺条件等因素有关 对于普通制件 注射时间约为5 130s 特厚制件可长达10 15min 其中主要花费在保压阶段