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河南机电高等专科学校先进制造技术论文河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文 论文题目：几种注塑成型技术技术特点、应用情况分析研究系 部： 机械工程系 专 业： 机械制造与自动化 班 级： 机制101 学生姓名： 王胜召 学 号： 100114123 2012年 10 月 9 日 几种注塑成型技术技术特点、应用情况分析研究绪 论 塑料成型加工机械和成型模具发展十分迅速，高效，自动化，大型，微型，精密，高寿命的模具在整个模具行业中所占的比例越来越大。据深圳市模具技术学会副秘书长罗百辉介绍，目前我国大型、复杂、精密、高效和长寿命模具又上了一个新台阶，不少种类模具已能替代进口模具，模具CAD/CAM技术得到了较快推广应用并取得了良好效果，快速成形制造技术和设备有了长足发展并已开始进入实用推广阶段，高速铣等新一代制造技术已被人们重视并开始应用。从模具使用角度来说，要求高效，自动化，操作简便；从模具制造角度，要求结构合理，制造容易，低成本。现代塑料制品生产中，合理的加工工艺，高效的设备，先进的模具是必不可少的三项重要因素。第一章 注塑成型技术简介1.1 引言 所谓注塑成型（Injection Molding）是指，将已经加热融化的材料喷射注入到模具内，经过冷却与固化，由机器顶出系统推出顶杆，将模具顶板向前推，得到成形制品的方法。1.1.1注塑成型技术的发展历史 注塑技术经历了移植、技术成熟、发展创新几个阶段。 1、技术移植阶段 1920年以前，早期的塑料注射成型技术是从其它材料的加工方法（如铸造、热成型）中借鉴过来的，成型技术主要是移植改造，使粘弹性高的塑料熔体成型。 2、技术成熟阶段 1920-1970年，聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（PCM）、聚苯醚（PPO）、聚砜（PSU）、聚酰亚胺（PI）、环氧树脂（EP）、不饱和聚酯（LP）等一大批高性能塑料的出现，要求塑料成型加工技术向更高的阶段发展。同时，随着塑料成型设备设计和制造技术的不断进步，以及塑料成型加工理论研究的不断深入，为塑料成型加工技术的提高创新提供了条件；往复式螺杆注塑机、双螺杆挤出机的出现，使热敏性和高熔体粘度的热塑性、热固性塑料都采用高效的成型技术生产出高质量的制品。反应注塑技术使聚氨酯（PUR）、EP和UP的液态单体或低聚物的聚合成型成为可能。这一切标志着塑料成型加工已从改造、移植为主的时期过渡到了技术成熟时期。3、发展创新阶段 1970年以后，随着科技的发展，控制技术、计算机技术的引入，促使塑料制品的生产过程从机械化、自动化进一步向连续化、程序化和自适应控制的方向发展。此阶段的塑料成型加工技术与前一时期相比，在可加工原材料的范围、制品的范围和制品质量等方面均有重林突破，不仅以往难以成型的热敏性、高熔体粘度的原料能方便地加工成制品，而且长纤维增强塑料、片状和团状模塑料也被用作高效成型技术的原材料。件重超过100kg的汽车外壳、容积超过50000L的特大容器、幅宽大于30m的薄膜和宽度大于2m的板材及件重仅几十克的微型齿轮，都成为塑料制品家庭中的成员。1.2注塑成型工艺流程 图为注塑机装配示意图 塑件的注塑成型工艺过程主要包括填充保压冷却脱模等4个阶段，这4个段直接决定着制品的成型质量而且这4个阶段是一个完整的连续过程。注塑生产流程图1.3注塑成型设备 注塑成型是在注塑成型设备（简称注塑机，外观如下图所示）上完成全部工作过程的。注塑机可用于各种热塑性塑料（尼龙、ABS、聚丙烯、聚苯乙烯等）的成型加工，广泛用于汽车、仪表、电子、电信、塑胶产品、日用制品、文具等零件注塑成型。震雄集团 SUPERMASTER 二板大型卧式注塑机 注塑机装配示意图一般情况下，通用型注塑机基本结构包括三大部分，即注射装置、合模装置（锁模与脱模装置）和液压传动与电气控制系统。1.3.1注塑机的基本参数 注塑机的性能通常采用一些参数加以表示，其基本参数有注射量、注射压力、注射速度、注射时间、塑化能力、锁模力、移模速度和合模装置基本尺寸等。这些参数能较好地反映出注塑件的大小、物料种类和品级范围，又是注塑模具设计和注塑机选用的依据。1.4注塑工艺参数1 注塑压力 注塑压力是由注塑系统的液压系统提供的。液压缸的压力通过注塑机螺杆传递到塑料熔体上，塑料熔体在压力的推动下，经注塑机的喷嘴进入模具的竖流道（对于部分模具来说也是主流道）、主流道、分流道，并经浇口进入模具型腔，这个过程即为注塑过程，或者称之为填充过程。压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力，或者反过来说，流动过程中存在的阻力需要注塑机的压力来抵消，以保证填充过程顺利进行。2 注塑时间 这里所说的注塑时间是指塑料熔体充满型腔所需要的时间，不包括模具开、合等辅助时间。尽管注塑时间很短，对于成型周期的影响也很小，但是注塑时间的调整对于浇口、流道和型腔的压力控制有着很大作用。合理的注塑时间有助于熔体理想填充，而且对于提高制品的表面质量以及减小尺寸公差有着非常重要的意义。 注塑时间要远远低于冷却时间，大约为冷却时间的1/101/15，这个规律可以作为预测塑件全部成型时间的依据。在作模流分析时，只有当熔体完全是由螺杆旋转推动注满型腔的情况下，分析结果中的注塑时间才等于工艺条件中设定的注塑时间。如果在型腔充满前发生螺杆的保压切换，那么分析结果将大于工艺条件的设定。3 注塑温度 注塑温度是影响注塑压力的重要因素。注塑机料筒有56个加热段，每种原料都有其合适的加工温度（详细的加工温度可以参阅材料供应商提供的数据）。注塑温度必须控制在一定的范围内。温度太低，熔料塑化不良，影响成型件的质量，增加工艺难度；温度太高，原料容易分解。在实际的注塑成型过程中，注塑温度往往比料筒温度高，高出的数值与注塑速率和材料的性能有关，最高可达30。这是由于熔料通过注料口时受到剪切而产生很高的热量造成的。在作模流分析时可以通过两种方式来补偿这种差值，一种是设法测量熔料对空注塑时的温度，另一种是建模时将射嘴也包含进去。4保压压力与时间 在注塑过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的容积。如果型腔充满后不进行保压，制件大约会收缩25%左右，特别是筋处由于收缩过大而形成收缩痕迹。保压压力一般为充填最大压力的85%左右，当然要根据实际情况来确定。5、背压 背压是指螺杆反转后退储料时所需要克服的压力。采用高背压有利于色料的分散和塑料的融化，但却同时延长了螺杆回缩时间，降低了塑料纤维的长度，增加了注塑机的压力，因此背压应该低一些，一般不超过注塑压力的20%。注塑泡沫塑料时，背压应该比气体形成的压力高，否则螺杆会被推出料筒。有些注塑机可以将背压编程，以补偿熔化期间螺杆长度的缩减，这样会降低输入热量，令温度下降。不过由于这种变化的结果难以估计，故不易对机器作出相应的调整。第2章 注塑成型技术的特点和研究概况2.1气体辅助注射 气体辅助注射成型是80年代为了减轻制品重量和节约生产周期而发展起来的一种新型注射成型技术。其工艺特点是注射过程中，当注射机向模具腔内注人熔融树脂后，再注人高压气体(一般为氮气)，由气体将树脂充实到模具到腔的各壁面，并从熔融树脂内部进行保压，最后冷却定型成中空的注塑件。气体辅助注塑成型优点是：（1）可保证壁厚差异较大制品的成型质量；（2）注射压力低，仅有普通注射成型压力的10%到70%；（3）能消除缩痕，提高制品表面的质量；（4）可简化浇注系统，有些甚至可省去冷却、加热流道系统。（5）减小制品成型应力和翘曲，提高制品的强度和刚度；（6）生产需要特殊的中空形状而机械抽芯又无法办得到的产品；（7）成型时间较短，生产效率高。气体辅助注塑成型的缺点是专用设备成本较高，加工过程中控制参数增多，模具设计制造难度加大等。 气体辅助射出成型的工作原理是通过“欠料注射法”将树脂注入模腔中，接着将气体注入熔化的树脂。由于低压高温度，气体能够沿阻力最小的路径进入铸件的各个部分。当气体穿过成型件时，它会将壁厚部分的树脂熔液均匀地推向铸件的其他部分。 气辅设备气辅设备气辅设备气辅设备包括气辅控制单元和氮气发生装置。它是独立于注塑机外的另一套系统，其与注塑机的唯一接口是注射信号连接线。注塑机将一个注射信号注射开始或螺杆位置传递给气辅控制单元之后，便开始一个注气过程，等下一个注射过程开始时给出另一个注射信号，开始另一个循环，如此反复进行。气辅注塑所使用的气体必须是隋性气体（通常为氮气），气体最高压力为35MPa，特殊者可达70MPa，氮气纯度98。 气辅控制单元是控制注气时间和注气压力的装置，它具有多组气路设计，可同时控制多台注塑机的气辅生产，气辅控制单元设有气体回收功能，尽可能降低气体耗用量。气辅注塑是采用所谓的“短射”方法，即先在模腔内注入一定量的料（通常为满射时的7095），然后再注入气体，实现全充满过程。熔胶注射量与模具气道大小及模腔结构关系最大。气道截面越大，气体越易穿透，掏空率越高，适宜于采用较大的“短射率”。这时如果使用过多料量，则很容易发生熔料堆积，料多的地方会出现缩痕。如果料太少，则会导致吹穿。 如果气道与流料方向完全一致，那么最有利于气体的穿透，气道的掏空率最大。因此在模具设计时尽可能将气道与流料方向保持一致。2.2金属粉末注射成型（Metal Powder Injection Molding，简称MIM） 金属粉末注射成型技术是将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净成形技术。其基本工艺过程是：首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混练，经制粒后在加热塑化状态下（150）用注射成型机注入模腔内固化成型，然后用化学或热分解的方法将成型坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。与传统工艺相比，MIM具有精度高、组织均匀、性能优异、生产成本低等特点，其产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域。国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命，被誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。 MIM技术由美国加州Parmatech公司于1973年发明，八十年代初欧洲许多国家以及日本也都投入极大精力开始研究该技术，并使其得到迅速推广，特别是在八十年代中期该技术实现产业化以来，更获得了突飞猛进的发展，产量每年都以惊人速度递增。到目前为止，美国、西欧、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作。日本在竞争上十分积极，并且表现突出，许多大型株式会社均参与MIM工艺的推广应用，这些公司包括太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工爱普生、大同特殊钢等。目前日本有四十多家专业从事MIM产业的公司，其MIM产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国。MIM技术已成为新型制造业中最为活跃的前沿技术领域，是世界冶金行业的开拓性技术，代表着粉末冶金技术发展的主方向。 2.2.1MIM的工艺流程 MIM的工艺流程为：金属粉末粘结剂混炼注射成型脱脂烧结后处理。 1、金属粉末 MIM工艺所用的金属粉末颗粒尺寸一般在0.520m。从理论上讲，颗粒越细，比表面积也越大，越易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40m的较粗粉末。 2、有机粘结剂 有机粘结剂的作用是粘结金属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热后具有流变性和润滑性，即粘结剂是带动粉末流动的载体。因此，粘结剂的选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘结剂的要求为：（1）用量少，用较少的粘结剂能使混合料产生较好的流变性；（2）不反应，在去除粘结剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应；易去除，在制品内不残留碳。 3、混料 把金属粉末与有机粘结剂均匀掺混在一起，使各种原料成为注射成型用混合料。混合料的均匀程度直接影响其流动性，从而影响注射成型工艺参数以及最终材料的密度及其它性能。 4、注射成型 本步工艺过程与塑料注射成型工艺过程在原理上是一致的，其设备条件也基本相同。在注射成型过程中，混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，成型出毛坯。注射成型毛坯在外观上应均匀一致，从而使制品在烧结过程中均匀收缩。 5、萃取成型毛坯 在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘结剂，该过程称为萃取。萃取工艺必须保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗料之间的微小通道逐渐排出，而不降低毛坯的强度。粘结剂的排除速率一般遵循扩散方程。 6、烧结 烧结能使多孔的脱脂毛坯收缩密化成为具有一定组织和性能的制品。尽管制品的性能与烧结前的许多工艺因素有关，但在许多情况下，烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有着很大甚至决定性的影响。 7、后处理 对于尺寸要求较为精密的零件，需要进行必要的后处理。这工序与常规金属制品的热处理工序相同。 2.2.2MIM技术的应用领域 1、 计算机及其辅助设施：如打印机零件、磁芯、撞针轴销、驱动零件等； 2、 工具：如钻头、刀头、喷嘴、枪钻、螺旋铣刀、冲头、套筒、扳手、电工工具，手工工具等。3、 家用器具：如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、风扇、高尔夫球头、珠宝链环、圆珠笔卡箍、刃具刀头等零部件； 4、 医疗机械用零件：如牙矫形架、剪刀、镊子等； 5、 军用零件：导弹尾翼、枪支零件、弹头、药型罩、引信用零件等； 6、 电器用零件：电子封装，微型马达、电子零件、传感器件等； 7、 机械用零件：如松棉机、纺织机、卷边机、办公机械等； 8、 汽车船舶用零件：如离合器内环、拔叉套、分配器套、汽门导管、同步毂、安全气囊件等金属粉末注射成形技术研究进展金属粉末注射成形技术研究进展金属粉末注射成形技术研究进展金属粉末注射成形技术研究进展。 2.3电磁动态塑化注射成型 电磁式聚合物动态塑化注射成型的要点是在电磁式直线脉冲驱动的注射装置中，由电磁场产生的机械振动力场被引人物料的塑化、注射、保压全过程，实现了动态靼化注射成型全过程均处于周期性振动状态这种过程完全不同传统螺杆式塑化注射过程。螺杆在电磁式直线脉动驱动装置的作用下向前直线脉动位移，将熔体注入模腔，熔体的压力将随螺杆的脉动而周期性变化，这种作用同样使熔体粘度及弹性降低，流动阻力减小，加速了充模过程。模腔充满熔体后，螺杆继续作轴向脉动，保持模腔中物料压力周期性变化，使物料的温度、内应力得到均化，同时冷却缩孔能得到快速补充熔料，保压时间可缩短。如果选用与无振动力场的稳态充模保压过程相同熔体流动阻力，则熔体温度及模腔温度可以降低，制品质量可以提高，解决了传统注射成型技术中注射温度高、成型制品所需冷却时间长的问题。该成型方式可以降低成型温度及压力，提高生产效率，降低能耗。 由华南理工大学瞿金平教授等人开发的电磁动态塑料注射成型机，利用电磁绕组产生振动场，将振动施加到螺杆上，使螺杆在原来匀速运动的基础上叠加一个脉动，从而有控制地将振动场引入到塑料熔融、塑化、注射和保压的全过程。螺杆在电磁式直线脉动驱动装置的作用下向前直线脉动位移，将熔体注入模腔，熔体的压力将随螺杆的脉动而周期性变化，这种作用同样使熔体粘度及弹性降低，流动阻力减小，加速了充模过程。模腔充满熔体后，螺杆继续作轴向脉动，保持模腔中物料压力周期性变化，使物料的温度、内应力得到均化，同时冷却缩孔能得到快速补充熔料，保压时间可缩短。如果选用与无振动力场的稳态充模保压过程相同熔体流动阻力，则熔体温度及模腔温度可以降低，制品质量可以提高，解决了传统注射成型技术中注射温度高、成型制品所需冷却时间长的问题。与传统注射机相比较，塑料电磁动态塑化注射机在工程应用上有如下特点：（1）体积重量减少45%以上，制造成本降低40%以上；（2）噪声降低至78分贝以下，且无油污染；（3）可实现低温、低压注射，缩短成型循环时间，而且能耗降低35%以上；（4）制品内部组织均匀，其力学性能比用传统注射机成型的制品高；（5）对于不同物料成型加工的适应能力强，既能适应大多数热塑性塑料的加工（如LDPE、HDPE、PP、PS等），还能加工一般注射机难以加工的高粘度树脂、易降解树脂等。2.4低压结构发泡注塑成型技术 随着高分子成型工艺技术的发展，结构发泡注塑与气体辅助注塑两项成型工艺越加完善，应用领域不断扩大。但是，随着人们生活水平的日渐提高，对很多产品提出了更高的要求，比如在音响号筒领域大家越来越关注音质效果以及产品的耐用性、外观效果等等。传统的注塑已经很难满足这些塑件的需求，低压结构发泡注塑的诞生填补了传统注塑技术的空白。 发泡注塑发展简介 发泡注塑的技术渊源久远。最早是20世纪20年代初期的泡沫胶木，用类似制造泡沫橡胶 方法制取；30年代出现硬质聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫；40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、酚醛泡沫；50年代则有可发性聚苯乙烯泡沫和软质聚氨酯泡沫。现在，基本上所有的塑料，包括热塑性和热固性的都可以发泡。工业上的制备方法有：挤出发泡、注塑发泡、模塑发泡、压延发泡、粉末发泡和喷涂发泡等等。其中，注塑发泡是最重要的成型方法之一，也是低压结构发泡注塑的前身。 低压结构发泡原理 在塑料进行注射之前，通过氮气辅助设备向密封的模腔内打入低压气体抑制发泡剂瞬间发泡，当压力达到0.8-2.0MPa时开始射胶填充模具，同时模具内的氮气通过排气孔缓慢排出，而发泡剂则在塑料内部发泡形成微孔。 发泡反应式： 名称：偶氮二甲酰胺；分子式：C2H4N4O2；分子量：116。 物化性质：淡黄色的结晶粉末，正常情况下极为稳定；无毒、无臭、无污染性；易溶于二甲基亚矾、二甲基酰胺和氢氧化钠溶液；不溶于酸、醇、酮、苯、汽油和水。 结构发泡的特点 结构发泡(Structural Foam Molding)属于化学发泡法，保留了传统注射成型工艺的许多优点，又避免了后者的部分缺陷，如制品强度不够、生产周期太长、模塑率低等。采用结构发泡技术可以模塑大型复杂制品、使用低成本模具、多模腔可同时操作，从而降低制品生产成本。结构发泡制品是一种具有致密表层的连体发泡材料，其单位重量强度和刚度比同种未发泡的材料高34倍。 低压发泡注塑与普通注塑的区别在于其模具的模腔压力较低，约27MPa，而普通注塑在3060MPa之间。低压发泡注塑一般采用欠注法，即将一定量（不注满模腔）的塑料熔体（含有发泡剂）注入模腔，发泡剂分解出来的气体使塑料膨胀而充满模腔。在普通注塑机上进行低压发泡注塑，一般是将化学发泡剂与塑料混合，在机筒内塑化，必须采用自锁式射嘴。注射时，由于气体的扩散速度很快，会造成制品的表面粗糙，因此注塑机的注射速度要足够快。一般采用增压器来提高注射速度和注射量，使注射动作在瞬间完成。 2.4.1工艺流程 1、 将我们通常用的材料如：ABS、HIPS、PP等（注意必须是成型温度与AC发泡剂发泡温度接近的塑料），与AC进行一定比例的混合，通常比例为0.5%-5%。2、 混合均匀的材料通过注塑机螺杆共混，此时喷嘴的阀门关闭。3、 气体辅助设备运转向密封模具内打入低压氮气，抑制发泡剂在瞬间发泡。 4、 当模腔压力达到0.8-2.0MPA时，自锁式喷嘴阀门打开开始注射，熔融塑料通过模具内的热流道的加热，让发泡剂达到发泡温度。 5、 塑料即将填满模腔时（通常在90%-95%左右），气体辅助设备开始排气，与此同时塑料件内部也充分进行发泡，最后添满整个模腔。 2.4.2常见缺陷及解决办法 1、 注塑件缩水：由于填充过于饱和经常会造成发泡不充分，因而造成筋位和柱位的缩水。 解决方法：减少注射量、降低注气时间、降低注气压力、提高喷嘴温度。2、 注塑件欠注：由于注塑量不足经常会有欠注现象。 解决方法：适当增加注塑量。 熔体破裂、气痕：由于充填不均匀或者发泡的时机不对，在注塑件表面会有橘皮状缺陷或者有类似于熔接痕的缺陷。 解决方法：调整注塑件充填平衡，适当降低浇口位置填充速度、降低气体压力，适当提高气体排放的斜率、降低料管温度，避免材料在料管中提前发泡。 其他的缺陷处理办法与传统注塑比较接近，在此不再重复说明。主要是通过气体辅助设备调整模具内部的压力，进而控制发泡剂发泡的时机。 2.4.3结论 低压发泡注塑是由气体辅助控制AC发泡剂发泡的新型注塑工艺。低压发泡注塑可以解决传统的厚壁、柱位、筋位缩水问题，同时还具有节省材料，提高制品音质效果等作用，广泛应用于各个行业之中。 2.5热固性塑料注射成型热固性塑料的注射成型方法根据其成型方式、模具结构特点及原料特性可分为一般热固性注射成型、热固性塑料冷（温）流道注射成型、无流道注射成型、注压成型、反应注射成型、液体注射成型、模塑料注射成型等。1、注压成型 它是一种综合注塑和压塑两种成型工艺优点的新型生产技术，如果同时在模具中采用冷流道，则又称之为冷流道注压成型，它可以同时兼有三种成型工艺的优点。普通的热固性注塑机经过一定改造后便可进行注压成型。适于注压成型的热固性塑料品种很多，如酚醛树脂（PF）、EP、氨基塑料、三聚氰胺-酚醛、有机硅塑料、聚酯、聚邻二甲酸二烯丙