注射模塑工艺济南大学.ppt

第六章注射模塑 6 1概述注射模塑 又称注射成型 是热塑性塑料成型制品的一种重要方法 满足各种要求的模制品 过程 将粒状或粉状塑料从注射机 见图6 1 的料斗送进加热的料筒 经加热熔化至流动状态后 由柱塞或螺杆的推动而通过料筒端部的喷嘴并注入温度较低的闭合塑模中 模塑周期 几秒 几分钟 取决于制件大小 形状 厚度 成型机的类型 采用塑料品种 工艺条件等因素 特点 周期短 能一次成型外形复杂 尺寸精确 带有金属或非金属嵌件的塑料模制品 各种塑料适应性强 生产效率高 易于实现全自动化生产等塑料品种 几乎所有的热塑性塑料和多种热固性塑料 注射机 基本作用 1 加热塑料 使其达到熔化状态 2 对熔融塑料施加高压 使其射出面充满棋具型腔 往塞式注射机单螺杆定位预塑注射机移动螺杆式注射机 移动螺杆式注射机 6 2注射模塑设备移动螺杆式和柱塞式两种注射机都是由注射系统 锁模系统和塑模三大部分组成的6 2 1注射系统它是注射机最主要的部分 其作用是使塑料均化和塑化 并在很高的压力和较快的速度下 通过螺杆或柱塞的推挤将均化和塑化好的塑料注射入模具 注射系统包括 加料装置 料筒 螺杆 柱塞式注射机则柱塞和分流梭 及喷嘴等部件 1 加料装置小型注射机的加料装置 通过与料筒相连的锥形料斗 料斗容量约为生产1 2小时的用料量大型注射机上用的料斗基本上也是锥形的 只是另外配有自动上料的装置 2 料筒为塑料加热和加压的容器 因此要求料筒能耐压 耐热 耐疲劳 抗腐蚀 传热性好 柱塞式注射机的料筒容积约为最大注射量的4 8倍 料筒外部都配有加热装置 一般将料筒分为2 3个加热区 使其能进行分段加热和控制 3 柱塞与分流梭柱塞与分流梭都是柱塞式注射机料筒内的重要部件 柱塞的作用是将注射油缸的压力传给塑料并使熔料注射入模具 分流棱是装在料筒前端内腔中而形状颇似鱼雷体的一种金局部件 它的作用是使料筒内的塑料分散为薄层并均匀地处于或流过料筒和分流棱组成的通道 从而缩短传热导程 加快热传递和提高塑化质量 4 螺杆螺杆是移动螺杆式注射机内的重要部件 它的作用是对塑料进行输送 压实 塑化和施压 注射时 螺杆将液压或机械力传结熔料使它注入棋具 注射螺杆特点 与挤出螺杆比较 1 注射螺杆在旋转时有轴向位移 2 注射螺杆的长径比和压缩比较小 3 注射螺杆的螺槽深度一般偏大 借以提高生产率 4 注射螺杆因有轴向位移 因此加料段应较长 约为螺杆长度的一半 而压缩段和计量段则各为螺杆长度的四分之一 典型的注射螺杆如图6 4所示 5 为使螺杆对塑料施压进行注射时不致出现熔料积存或沿螺杆回流的现象 对螺杆头部的结构应行考虑 如图6 5所示 止逆环螺杆头 5 喷嘴喷嘴是联接料筒和模具的过渡部分 1 直通式喷嘴 2 自锁式喷嘴 3 杠杆针阀式喷嘴 选择喷嘴应根据加工塑料的性能和成型制品的特点来考虑 6 加压和驱动装置液压力和机械力 但大多数都采用液压力 而目多采用自给式的油压系统供压 驱使螺杆式注射机螺杆转动而使其完成对塑料顶塑化的装置 是驱动装置 常用的驱动器有单速交流电机和液压马达两种 6 2 2锁模系统 锁模系统 在注射机上实现锁合 启闭模具 顶出制件的机构 锁模力 F公斤 的大小决定于注射压力P和与施压方向成垂直的制品投影面积 A 的乘积 F P A P熔料压力 400 l500公斤 厘米2的高压注入模具 锁模系统技术要求 锁模结构应保证模具启闭灵活 准确 迅速而安全 启闭模板的最大行程 决定于注射机所能生产制件的最大厚度 在最大行程以内 模板的行程可以调整 模板必须具有足够的强度 借以保证在模塑过程中不致因承受压力撞击而引起变形 而影响制品尺寸的变化 常用的有以下三种型式 机械式这种装置一般是以电动机通过齿轮或蜗轮 蜗杆减速传动曲臂或以杠杆作动曲贸的机构来实现启闭模和锁模作用的 液压式液压式是采用油缸和校塞并依靠液压力推动柱塞作往复运动来实现启闭和锁模作用的 其锁模装置结构加图6 11所示 液压 机械组合式这种型式是由液压操纵连杆或曲肘撑杆机构来达到启闭和锁合模具的 6 2 3塑模模具 是在成型中赋予塑料以形状时所用部件的组合体 如图所示 塑模组成 浇注系统 塑料从喷嘴进入型腔前的流道部分 包括主流道 冷料穴 分流道和浇口等 成型零件 构成制品形状的各种零件 包括动模 定模和型腔 型芯 成型杆以及排气口等结构零件 承压板 夹模板等模架部分 1 主流道它是模具中连接注射机喷嘴通至分流道或型腔的一段通道 2 冷料穴它是设在主流道末端的一个空穴 3 分流道它是多槽模中连接主流道和各个型腔的通道 4 浇口它是接通主流道 或分流道 与型腔的通道 5 型腔它是模具中成型塑料制品的空间 6 排气口它是在模具中开设的一种槽形出气口 用以防止进入模具的熔料卷入气体物质 7 结构零件它是指构成模具结构的各种零件 包括 导向 脱模 抽芯以及分型的各种零件 8 塑模的冷却装置这是为熔料在模具内冷却定型而设的一种装置 一般是在阴阳模内沟通冷却介质流动的通道 而后凭借冷却介质的循环流动来达到冷却目的 6 3注射模塑工艺过程及控制图素 注射模塑工艺过程包括 成型前的准备 注射过程 制件的后处理 6 3 1成型前的准备为使注射过程顺利进行和保证产品质量 应对所用的设备和塑料作好以下准备工作成型前对原料的预处理料筒的清洗嵌件的预热脱模剂的选用 6 3 2注射过程注射步骤 加料 塑化 注射入模 稳压冷却 脱模顶出等几个步骤 过程 实质 塑化 流动 冷却1 塑化这是指塑料在料简内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程 1 热的均匀性加热效率Eh Eh依赖于 料筒的结构 料筒内停留时间 导热性能等 外部加热形式 如果分流梭也作加热器用 则 热扩散系数 t停留时间 a受热料层厚度 2 塑化量 塑化量是指单位时间内注射机熔化塑料的重量 柱塞式注射机塑化量qm可用下式表示 A受热面积 V受热体积 K常数 与加热效率 机型有关 塑料在料筒内从加料口至喷嘴的温升曲线 2 流动与冷却柱塞或螺杆的推动将具有流动性和温度均匀的塑料熔体注入型腔 熔体在控制条件下冷固定型 制品从模腔中脱出的过程 拄塞式注射机 首先压力将粒状物压成柱状固体 而后受热 成半固体以至熔融体 三种状态或三个区段 压力分别按照以下计算 后区的拄状固体在流动中的阻力可用所发生的压力降 Ps表示 前区的半固体和熔融体的压力损失可采用下式 从式中可以看出 三种状态的压力损失都是随料筒直径加大减小的 增大直径对塑化是不利的 所以柱塞式注射机中塑料的流动和加热过程之间存在着矛盾 移动螺杆式注射机中 第一种 螺杆顶部与喷嘴之间的液体流动阻力 第二种 螺杆区塑料与料简内壁之间的阻力 无论塑料是固体 半固体或熔体 其流动阻力均可用下式计算 Ff摩擦阻力 塑料与料筒摩擦系数 p塑料压力 A接触面积 由以上分析可见 移动螺扦式注射机注射时约阻力要比柱塞式注射机小得多 模腔内的流动过程 充模 压实 倒流 浇口冻结后的冷却 四个阶段中 塑料熔体的温度将不断下降而压力的变化则如图所示 1 充模阶段这一阶段从枝塞开始向前移动起 直至摸腔被塑料熔体充满 时间从零处至tl时 为止 2 压实阶段这是指自熔体充满模腔时起至柱塞或螺杆撤回t 时间从tl到t2 为止的一段时间 3 倒流阶段这一阶段是从柱塞或螺杆后退时开始 时间从t2到t3 的 这时模腔内的压力比流道内高 因此就会发生塑料熔体的回流 从而使模腔内压力迅速下降 4 冻结后的冷却阶段这 阶段是指浇口的塑料完全球结时起到制品从模腔中顶出时 时间从t3一t4 为止 6 3 3制件件的后处理 后处理 退火和调湿处理 以改善和提高制件的性能及稳定性 1 退火处理原因 由于塑料在料筒内塑化不均匀或在模腔内冷却速度不同 因此常会产生不均的结晶 定向和收缩 致使制品存有内应力 这在生产厚壁或带有金属嵌件的制品时更为突出 退火方法 使制品在一定温的加热液体介质 如热水 热的矿物油 甘油 乙二醇和液体石蜡等 或热空气循环烘箱中静置一段时间 退火实质是 1 位强迫冻结的分子链得到松弛 凝固的大分子链段转向无规位置 从而消除这一部分的内应力 2 提高结晶度 稳定结晶结构 从而提高结晶塑料制品的弹性模里和硬度 降低裂断仰长率 2 调湿处理将刚脱模的制品放在热水中进行处理故称为调湿处理作用 隔绝空气防止氧化 聚酰胺类塑料制件在高温下与空气接触时常会氧化变色 加快达到吸湿平衡 6 4注射模塑工艺条件的分析讨论生产方式 生产设备及模具结构确定之后 工艺条件的选择和控制就是主要考虑的因素 注射模塑最重要的工艺条件是 影响塑化流动和冷却的温度 压力 时间 6 4 1温度要控制的温度 料筒温度 喷嘴温度和模具温度 料筒温度与各种塑料的特性有关 料筒最合适的温度范围应在流动温度Tf或熔点Tm 分解温度Td之间 选用的原则如下 平均分子量高 分布较窄的塑料熔融粘度都偏高 而平均分子量低 分布较宽的塑料熔融粘度则偏低 前者较后者应适当提高料筒温度 塑料在不同类型的注射机 柱塞式或螺杆式 内的塑化过程是不同的 因而选择科筒温度也不相同 柱塞温度要高 选择料筒温度还应结合制品及模具的结构特点 薄壁高 厚壁低 有结晶倾向的塑料来说 料筒温度以及熔料在这一温度下停留的时间 均会对熔体内历含晶胚数量与大小产生影响 如甲醛的晶坯数与温度时间的关系 2 喷嘴温度喷嘴温度通常略低于料筒最高温度 防止熔料在直通式喷嘴可能发生的 流涎现象 由喷嘴低温产生的影响是可以从塑料注射时所发生的摩擦热得到一定的补偿 3 模具温度模具温度对制品的内在性能和表观质量影响很大 模具温度的高低决定于塑料结晶性 制品的尺寸与结构 性能要求 以及其它工艺条件 熔料温度 注射速度及注射压力 模塑周期等 控温方法与原则 模具温度通常是用定温的冷却介质来控制 靠熔料注入模具自然升温和自然散热达到平衡而保持一定的模温 对于溶熔粘度较低或中等的无定型塑料 如聚苯乙烯 碳酸纤维素等 模具的温度常偏低 结晶性塑料注入模腔后 当温度降低到熔点以下时即开始结晶 结晶的速率受冷却速率的控制 而冷却速率是由模具温度控制的 因此模具温度直接影响制品的结晶度和结晶构型 6 4 2压力 工艺过程中的压力 塑化压力 注射压力 1 塑化压力 背压 采用螺杆式注射机时 螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力称为塑化压力 亦称背压 这种压力的大小是可以通过液压系统中的溢流阀来调整 影响塑化质量 2 注射压力在当前的生产中 几乎所有注射机的注射压力都是以柱塞或螺杆顶部对塑料所施的压力 由油路压力换算来的 与制品质量 熔体粘度 制品厚薄 大小 充模速率有关 6 4 3时间 成型周期 成型周期 完成一次注射模塑过程所需的时间 6 5几种常用塑料的注射模塑特点 6 5 1聚苯乙烯塑料6 5 2聚丙烯塑料6 5 3尼龙6 5 4聚碳酸酯塑料 聚碳酸酯 6 6热固性塑料的传递模塑和注射模塑 解决热固性塑料的压缩模塑的缺点 不能模塑结构复杂 薄壁或者壁厚变化大的制件不宜制造带有精细嵌件的制品制品尺寸的准确性较差模塑周期长 6 6 1传递模塑过程 料锭 加料室 加热 流态 加压 浇口 分流道 模具 加热 硬化 脱模1 活板式传递模塑活板横架在阴模中间 上部加料室 下部型腔 活板四周浇口 制品 活板 残留塑料一起顶出 2 罐式传递模塑如图所示 与热塑性塑料注射差别是 引料接头锥形方向相反 便于脱出残留物 3 柱塞式传递模塑特点 主流道圆柱状即为加料室 压机有两个柱塞 分别夹持模具和注料 流道赘物与制品整体脱出 缩短周期 传递模塑工艺的特点 与压缩模塑 优点 制品废边少 减少加工量精细嵌件 位置正确性能均匀 尺寸准确塑模的磨损小缺点 制模成本高塑料损耗多带纤维填料 各向异性嵌件周围有可能焊接不牢 6 6 2热固性塑料注射模塑 新型的成型方法热固性塑料工艺要求 温度准确 水浴调温 达到 1度 放气操作 料筒内停留时间要短 多模更 注射压力和锁模压力大 原料要求最多的使用酚醛塑料 以酚醛塑料开始要求较高的流动性 拉西格大于200mm稳定性 熔体在料筒内停留15 20min 粘度无大变化 注射机特征等距螺杆 不分段 不压缩 只是输送 长径比L D 12 16 减少停留时间敞开式喷嘴加热准确液压马达 防止固化扭断放气动作模具有加热和温控系统 模具镀铬 成型工艺塑化 料筒温度 转速 背压注射 注射压力 充模速度 保压时间固化 模温 固化时间 料筒温度 转速 背压料筒温度 低 表面高剪固化 内部生料 注射困难 高 早交联 失去流动性 如图 螺杆转速 低黏度 摩擦力小 后退时间长 用高速高黏度 摩擦力大 后退时间短 用低速 增加塑化模具内部固化同期进行 固化需要时间 转速不必快 以免导致局部过热 40 60rpm背压 背压高 停留时间长 交联度大 黏度高 不利充模通常选用较低的背压 可以放松背压阀 仅靠摩擦 2 注射压力 注射速率 保压时间注射压力流道损失50 模腔压力仅是注射压力的一半 适当提高注射压力压力高 密实 力学和电性能提高 锁模力要增加 易产生飞边和脱模问题 一般100 170Mpa注射速度 随压力变化 快 摩擦热高 固化加快 过快 影响小分子排出 缺料 气痕等 速度过低表面波纹 保压 低于注射压力 补充收缩 增加保压时间可以增加密度 降低收缩率 3 模具温度和固化时间模具温度低 硬化时间长 高 硬化快 物理性能不高亦可提高 过高 硬化太快 小分子排放 疏松 气泡等问题 固化时间 与制品厚度成正比 适当增加 可以提高性能 6 7反应注射模塑 反应注塑的特点 高效 节能 性能好 成本低 适用原料 聚氨酯体系表6 5RIM与热塑性塑料注射模塑的比较6 7 1反应注塑工艺流程及原料反应注塑工艺流程 A组分与B组分混合加压 注射充模 交联固化 脱模 后处理 制件原料 聚氨酯 尼龙 6 苯乙烯树脂 环氧树脂 工艺流程 原料与参数 6 7 2反应设备实际上用的只有聚氨酯材料 设备 6 7 3反应注塑工艺控制要点 1 两组分物料的贮存加热和计量2 撞击混合 混合头的结构 3 充模 6 7 4聚氨酯的反应注塑 RIM 1 原料组分 2 配方及工艺 反应注射工艺 反应注射工艺配方 6 8特殊注射模塑工艺 6 8 1排气式注射成型 6 8 2结构发泡注射成型结构发泡材料 密度10 60kg m3 表面封闭致密表层 芯部呈微孔泡末结构 材料性能与木材接近适用 壁厚5mm以上 较大重量和尺寸的塑料制品结构发泡注射 单组分 低压 高压双组分 夹心注射 低压结构发泡注射普通注射的模腔压力 30 60MPa低压结构发泡注射模腔压力 2 7MPa使用材料PSPEPPPPOPCPAPU等2 高压结构发泡注射高压结构发泡注射模腔压力 7 15MPa二次锁