第七章注射成型机

.,第七章注射成型机,第一节概述第二节整体结构与传动装置第三节主要零部件第四节工作原理和主要参数第五节注射机的液压传动和控制系统,汽车与机械工程学院材料成型及控制工程系,.,第一节概述,.,注射成型过程,.,塑料注射成型的特点,能一次成型出外形复杂、结构尺寸精确或带有嵌件的塑料制件；对各种塑料的加工适应性强，还能生产加填料改性的某些制品；所成型的制件后加工量小，经过很少修饰或不修饰就可满足使用要求；易于实现自动化，生产率高（虽为间歇成型）；用途极其广泛。广泛应用于家电、汽车、航空、仪表、国防、电信、医疗、建筑、日用品及农业等各个行业。,.,注塑设备分类,1.根据塑化方式的不同可分为：柱塞式螺杆式2.根据合模装置的不同可分为：液压式液压-机械式3.根据注射装置的排列方式的不同可分为：卧式立式角式多工位式,.,柱塞式注射机,螺杆式注射机,.,不同排列方式的注塑机,卧式,立式,角式,角式,多工位式,.,注塑机的组成,塑化注射系统合模系统液压传动系统电气控制系统成型模具,.,注射机规格表示,以注射容积表示采用80%理论注射容积为注射机的注射量，以此作为注射机的主要参数。例如，XS-ZY500以合模力表示以注射机合模力（kN）表示注射机规格，这种表示一般与注射容积共同表示。以理论注射容积与合模力共同表示法例如SZ-200/1000,.,第二节整体结构与传动装置,注射装置通常可分为柱塞式与螺杆式两类，再细分则有螺杆挤出式、柱塞注射式、往复螺杆式和带预塑螺杆的柱塞式等四种。（1）螺杆挤出式：利用挤出机的螺杆挤出压力往模腔直接注射。仅适用软胶料和形状简单的制品。（2）柱塞注射式：利用外加热塑化，柱塞注射。塑化能力差，不均匀，排气差，一般用在小型机台上。（3）往复螺杆式：螺杆旋转塑化，往复注射。塑化能力强，混合均匀，排气好。多用于中型和大型机台。（4）带预塑螺杆的柱塞式：螺杆塑化，柱塞注射。塑化能力强，质量好，注射压力高，计量准确。多用于橡胶和高精度制品的成型注射,.,柱塞式注射机,.,螺杆式注射机,.,.,传动装置,注射机螺杆传动装置是为提供螺杆预塑时所需要的扭矩与速度而设置的。与挤出机的传动装置相比，注射机的螺杆传动装置有如下特点：螺杆的“预塑”是间歇式工作，因此启动频繁并带有负载；螺杆转动时为塑化供料，与制品的成型无直接联系，塑料的塑化状况可以通过背压等进行调节，因而对螺杆转数调整的要求并不十分严格。由于传动装置放在注射架上，工作时随着注射架作往复移动，故传动装置要求简单。,.,螺杆传动系统,1.螺杆传动的形式按实现螺杆变速的方式分类，可分为无级调速和有级调速两大类。无级调速，主要有液压马达和调速电机（经或不经齿轮箱）传动；有级调速，主要有定速电动机经变速齿轮箱传动。实际上，现在最常用的是低速大扭矩油马达传动和定速电动机变速齿轮箱传动,.,（1）低速大扭矩油马达传动,这种传动方式省去了齿轮箱，结构非常简单，可以实现螺杆转数的无级调节。根据注射螺杆传动的要求，使用液压马达是比较理想的。这是因为：液压马达的传动特性软，启动惯性小，可以对螺杆起保护作用；由于它的体积比同规格的电机小得多，整个传动装置容易满足体积小、重量轻、结构简单的要求，尤其是采用低速大扭矩马达直接驱动螺杆的传动方案，结构就更简单了；由于大部分注射机均采用液压传动，当螺杆预塑时，机器正处冷却定型阶段，油泵这时为无负载状态，故用液压马达可方便地取得动力来源；液压马达可在较大的范围内实现螺杆转数的无级调节等由于这些优点，新设计的注射机越来越多地采用液压马达传动。但是液压马达传动系统维修比较复杂，效率较低。,.,（2）定速电动机-变速齿轮箱传动,它只能实现有级的变速，但因为注射螺杆对速度调节的要求不十分严，而且这类传动易于维护、寿命长，制造比较简单，效率高，起动力矩大，成本较低，故过去应用较普遍。这种传动方式，由于其传动特性比较硬，应设置螺杆保护环节。另外还要克服电动机频繁起动影响电动机使用寿命这一缺点。当然，这种传动方式调速范围小，且是有级的，结构比较笨重。噪音也较大。,.,2.螺杆转数,为了适应多种塑料的塑化要求和平衡注射成型循环周期中预塑工序的时间，经常需要对螺杆的转数进行调节，这就需要螺杆具有一定的转数范围。螺杆的转数范围，根据使用情况确定。对热敏性塑料或高粘度塑料，螺杆的最高线速度在1520米/分以下，对一般塑料，螺杆的最高线速度为3045米/分。目前螺杆转速向提高的方向发展，有的注射机的螺杆线速度提高到4860米/分。在有级调速装置中，螺杆一般具有34级速度，多至68级速度。,.,第三节主要零部件,一.塑化部件（一）螺杆采用螺杆作为塑化部件具有如下特点：螺杆具有塑化和注射两种功能；物料在塑化过程中，所经过的热历程要比挤出长；物料在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过程的非稳定性,.,注射机螺杆与挤出机螺杆不同之处,注射螺杆的长径比和压缩比比较小；注射螺杆均化段的螺槽较深；注射螺杆的加料段较长，而均化段较短；注射螺杆的头部结构具有特殊形式。注射机螺杆常采用的类型包括：渐变型螺杆、突变型螺杆、通用型螺杆三类。,.,常用注射螺杆的型式,渐变型螺杆,突变型螺杆,通用型螺杆,.,.,螺杆参数,螺杆的直径与行程螺杆的直径应从保证注射量和塑化能力这两个方面来确定。一次最大注射量是根据螺杆的直径与最大行程决定的。直径与行程之间有一定的比例关系。行程过长会使螺杆的有效长度缩短太多，影响塑化均匀性。行程过短也不好，为保持一定的注射量就得增加螺杆的直径，也要相应增大注射油缸的直径。一般螺杆的行程与直径之比R=24，常取3左右。注射量小或长径比小的螺杆其R较小，即螺杆直径较大，以增加强度和刚度。,.,螺距、螺棱宽、径向间隙注射螺杆一般具有恒定的螺距，且螺距与螺杆直径相等，这时螺旋角等于1740；螺杆棱顶的宽度一般为直径的10%；螺杆与料筒的间隙是一个重要参量。间隙过大，将会使塑化能力下降，注射时回流增加，过小，又会增加机械制造的困难和螺杆功率的消耗。根据实际情况，一般为（0.0020.005）D。,.,螺杆的长径比,注射机螺杆的长径比（L/D）一般比挤出机螺杆短。这是因为注射机螺杆仅作预塑之用，塑化时出料的稳定性对制品质量的影响很小，并且塑化所经历的时间比挤出机长，而且喷嘴对物料还起到塑化作用，故L/D有必要象挤出机那样大。注射机螺杆的长径比过去多为1518，现在加长到20。L/D加大后，塑化效果好，温度均匀，混炼效果好。但从制造角度看，希望效果好而短的螺杆，因为短的螺杆制造容易，也可以缩短注射机的机身，减轻注射机重量，清理螺杆也方便。,.,螺槽深度和压缩比,注射机螺杆计量段的螺槽深度h3是螺杆的重要参数之一。一般比挤出机螺杆深1520%，约为（0.040.07）D（小直径取大值）。注射机螺杆的压缩比一般比挤出机螺杆为小。可以通过调节背压来调节注射螺杆的塑化情况，但螺杆压缩比不同，其调整背压的效果是不一样的，即小压缩比的螺杆，调整背压，物料塑化温度的变化明显，故小的压缩比可以提高适应性。注射螺杆的压缩比：对结晶性塑料一般取3.03.5；对粘度高的塑料，可取1.42，通用型螺杆可取22.8。,.,(二)螺杆头,注射螺杆头和挤出螺杆头不一样。挤出螺杆头多为圆头或锥头，而注射螺杆头多为尖头。有的设计成特殊结构。这是为了减少注射时物料流动的阻力。特别当加工PVC等热敏性、高粘度的物料时，经常发生螺杆头处排料不干净而造成的滞料分解现象，因此注射螺杆用的螺杆头多为尖头。,.,锥形螺杆头：,下图所示为锥形螺杆头的结构形式。其锥角一般为2030，一种为光滑圆锥头，另一种在锥形处加工出螺纹。这两种螺杆头结构简单，能消除滞料分解现象，适于高粘度、热敏性材料如硬聚氯乙烯等的加工。,.,止逆螺杆头,对于中等粘度和低粘度的塑料，为了伤止注射时熔料沿螺纹槽回流，提高注射效率，通常需要带有止逆环的螺杆头；旋转时，沿螺槽前进的熔体将止逆环推向前方，熔料沿着止逆环与螺杆头的间隙进入料筒的前端；注射时，由于料筒前端熔料的压力升高，止逆环被压向后退而与螺杆端面密合，从而防止物料回流；止逆环与料筒之间应选取适当的配合。环与料筒的间隙过小，料筒将产生过度磨损，增大螺杆退回的阻力；间隙过大，不仅漏流严重，还对物料产生高剪切作用，使塑料过热分解。该间隙一般为0.l0.2毫米。止逆环的宽度一般为环径的6080%。,.,止逆螺杆头的其他形式,.,（三）料筒及其加热,注射机的料筒是塑化部件的另一个重要零件。其结构型式大多采用整体式。由于要求其耐温、耐压、耐磨及耐腐蚀，因此常采用含铬、钼、铝的特殊合金钢制造，经氮化处理（氮化层深约0.5mm），表面硬度较高。常用的氮化钢为38CrMoAL。注射机料筒也可以不用氮化钢，而用碳钢，内层浇铸Xaloy合金衬里。料筒设计考虑的问题有：塑料的加入与输送、加热与冷却、强度等。,.,料筒加料口的断面形状,注射机大多采用自重加料。加料口的形状应尽可能增强对塑料的输送能力。加料口的形式有对称和偏置两种（国产注射机常用偏置加料口）,.,料筒的加热,注射机料筒多采用电阻加热。国产注射机普遍采用电热圈。为了提高加热效率和升温速度，有的在电热圈上涂上远红外加热剂和增加保温层；通常用热电偶或热电阻对料筒温度进行分段控制，分段多少视料筒长短而定。一般为26段。每段长约（35）D，D为螺杆直径；一般料筒和螺杆无需加冷却装置，而靠自然冷却，但为了能顺利进料，在料斗座处需进行冷却；料筒加热功率的确定，除了要满足塑料塑化所需要的功率以外，还要保证有足够快的升温速度。,.,（四）喷嘴,作用：保持较高注射压力，塑料受到更大的剪切，使用物料进一步塑化；喷嘴结构及尺寸对注射时熔体的压力损失和温度变化及补缩作用的大小有重要的影响；按结构特点可将喷嘴分为：开式、锁闭式和特殊用途型等型式。,.,喷嘴头部多为球形，其尺寸与模具主浇套球面名义尺寸相同（负公差）。喷嘴口径应与螺杆直径成比例。对于高粘度塑料，喷嘴口径一般为螺杆直径的1/151/10；对于中低粘度塑料，约为1/201/15。喷嘴口径的确定还与注射工艺条件密切相关。喷嘴出口处流道的形状可加工成圆筒形、正圆锥形或倒圆锥形及组合型等。,.,二.合模装置,一个完整的合模装置应满足以下特点：足够的模板面积、模板行程和模板间的开距，以满足不同外形尺寸制品的成型要求；足够大的合模力和刚性，使模具在熔料压力作用下不产生开缝溢料现象；较高的合模速度和开模速度，模板的运行速度应是合模时先快后慢，开模时先慢后快，而后再慢，以实现制品的平稳顶出和提高生产能力；结构简单，便于制造与维修。,.,合模装置,主要区别在于移模油缸和动模板的连接方式,全液压合模装置,液压机械式合模装置,按提供合模力的方式划分,直接连接,油缸肘杆机构与模板连接,单杠直压式,增压式,充液式,充液-增压混合式,液压-单曲肘,液压-双曲肘,.,单缸直压式,通过调整工作油压力提供不同的锁模力要求；通过油泵流量调节移模速度。适用吨位不大、速度不高的液压机，现已较少出现在注射机上。,.,增压式合模装置,合模时，压力油先进入合模油缸，当模具合上后，切换压力油进入增压缸，由于增压缸活塞两端面积不同而提高合模油缸的油压，从而满足合模力的要求。油压增加会对液压系统和密封性提出更高的要求，提高油压有一定限度。,一般用于中、小型注射机，移模速度并不很快，因为实际合模油缸直径比较大,.,充液式,一般是以小直径油缸实现快速移模，以大直径油缸获得所需合模力，而且在快速移模过程中，合模油缸能自动充液。合模力的大小取决于合模油缸的截面积。,.,充液增压式,充液增压式同时具有增压和增速功能一般称为充液增压式或自吸增压式,.,液压-单曲肘式合模装置,由一套单曲肘液压机械式合模机构和一套稳压系统所组成。前者具有移模速度快的特点，后者具有可产生较大合模力的稳压特点,.,液压-双曲肘式合模装置,基本结构与单肘比较类似双肘能使模板受力更为均匀模板行程较短-广泛应用于中、小型注射机,.,.,液压-曲肘式合模装置的工作特点,具有自锁功能。当油缸活塞拉动曲肘伸展成直线时，合模锁紧后即可自锁。此时油缸卸载而锁模力不会自行消失。具有可靠的锁模力。当模具的内压力升高，胀模力大于锁模力时，合模装置有附加力仍可锁紧模具。锁模油缸不用长时间高压工作，可及时卸载，以减少功率消耗，节能。模板移动速度可变，合模时由高速到低速，开模时由低速到高速，使模具得到有效保护。,.,调模机构,调模机构安装在动模板或定模板上，可在一定范围内调节模具厚度。调模机构可调试合模力的大小，控制超载。常见调模机构有：螺纹肘杆调距、改变动模板厚度调距（动模板间连接大螺母调距）、移动合模油缸位置调距、拉杆螺母调距。,.,.,顶出机构,对顶出装置的要求：顶出位置可选、行程可调、顶出次数可随意、直到顶出制品落下为止；力量足够，速度合适；操作方便主要有机械顶出、液压顶出、气动顶出三种,.,（1）机械顶出,顶杆固定在机架上，它本身不移动，开模时动模板后退，顶出杆穿过移动模板上的孔而达于模具顶板，将制品顶出；顶出杆长度可以根据模具的厚薄，通过螺纹调节；顶杆的数目、位置随合模机构的特点、制品的大小而定；机械顶出结构简单，但顶出是在开模终了进行的，模具内顶板的复位要在闭模开始以后。,.,（2）液压顶出,顶出力量、速度和时间都可以通过液压系统调节；一般小型注射机，若无特殊要求，使用机械顶出较好。较大的注射机，一般同时设有机械顶出和液压顶出，可根据需要选用。,（3）气动顶出,是利用压缩空气，通过模具上的微小气孔，直接把制品从型腔内吹出此法顶出方便，对制品不留痕迹，特别适合盆状、薄壁或杯状制品的快速脱模。,.,第四节工作原理和主要参数,一、往复螺杆式注射机工作原理（一）注射机的工作过程,.,（二）影响塑化质量的主要因素,注射机工作时，进入加热段的塑料并不立即实现熔融，而要滞后一段时间（或距离），直到形成熔膜，熔融机理才开始实现。这种物料开始加热与熔融不是同时发生的现象即为熔融滞后。注射螺杆的熔融过程为非稳定过程，主要表现为熔融效率不稳定和塑化后的熔料存在较大的轴向温差。,.,螺杆背压对塑化能力和塑化温度的影响,提高背压可改善熔料均化程度，缩小温差；但熔料温度被提高，螺杆的输送能力则下降。解决注射螺杆熔料轴向温差大的最为有效的方法，是选择合适的注射螺杆和对工艺参数（螺杆转速和背压）实现有效地控制与调节。,.,（三）注射成型过程模腔压力变化,.,二、注射机的主要参数,（一）注射量（m3，g）是指注射机在注射螺杆（或柱塞）作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大的注射量理论注射量：螺杆截面积与最大行程的乘积注射质量:从注射机喷嘴所能注射出的熔料最大质量在使用注射机时，加工塑料的质量一般在1/44/5注射机注射量范围内。,.,（二）注射压力,是指注射螺杆或柱塞的端部作用在物料单位面积上的压力。注射压力大小与流动阻力、制品的形状、塑料的性能、塑化方式、塑化温度、模具温度及对制品精度要求等有关；注射压力过高：制品可能产生毛边，脱模困难，影响制品光洁度，使制品产生较大内应力，甚至成废品，还会影响到注射装置及传动系统的设计注射压力过低：则易产生物料充不满模腔，甚至根本不能成型等现象,.,注射压力的大小要根据实际情况选用,加工粘度低、流动性好的塑料，其注射压力可选用7080MPa；加工中等粘度的塑料，形状一般，但有一定的精度要求的制品，注射压力可选100120MPa；对高粘度工程塑料的注射成型，其注射压力大约选在140170MPa范围内；加工优质精密微型制品，注射压力可用到230250MPa以上。,.,（三）注射时间（注射速率、注射速度）,注射时间：是指注射螺杆或柱塞往模腔内注射最大容量的物料时所需要的最短时间。注射速率：是表示单位时间内从喷嘴射出的熔料量。注射速度：是表示注射螺杆或柱塞的移动速度。,注射时间、注射速率或注射速度三者是相互关联的,.,注射速率、注射速度或注射时间的选定：,注射速率过低（即注射时间过长），制品易形成冷接缝，不易充满复杂的模腔。注射速率过高，熔料高速流经喷嘴时产生大量的摩擦热，使物料发生热解和变色，模腔中的空气由于被急剧压缩产生热量，在排气口处有可能出现制品烧伤现象。合理地提高注射速率，能缩短生产周期，减少制品的尺寸公差，能在较低的模温下顺利地获得优良的制品。注射速率应根据工艺要求、塑料的性能、制品的形状及壁厚、浇口设计以及模具的冷却情况来选定。为了提高注射制件的质量，尤其对形状复杂制品的成型，近年来发展了变速注射（分级注射），即注射速度是变化的。其变化规律根据制件的结构形状和塑料的性能决定。,.,（四）注射功及注射功率,注射功率大，有利于缩短成型周期，消除充模不足，改善制品外观质量，提高制品精度。随着注射压力和注射速度的提高，近来注射功率也有了较大的提高。因注射时间短，机器的油泵电动机允许作瞬时超载，故机器的注射功率一般均大于油泵电机的额定功率。对于油泵直接驱动的油路，注射功率即为注射时的工作负载，也是电动机的最大负载。油泵电动机功率大约是注射功率的7080。,.,（五）合模力,注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力注射时为使模具不被熔体顶开，则锁模力F应为,P注射压力或模腔内的平均压力（MPa）A制品在模具分型面上的投影面积K考虑到压力损失的折算系数,FKPA,.,（六）合模装置的基本尺寸,主要内容：包括模板尺寸、拉杆空间、模板间最大