《复合材料工艺与设备》 第12章 注射成型工艺及设备.ppt

1、课件,12.1 概述,第12章 注射成型工艺及设备,12 注射成型工艺及设备,注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。,注射成型,将粒状或粉状的纤维树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内，加热熔化后由柱塞或螺杆加压，通过喷嘴注入温度降低的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。,注射成型为间歇式操作过程,课件,第12章 注射成型工艺及设备,图12-1 注射成型工艺原理示意图 1-模具；2-喷嘴；3-料筒；4-分流梭；5-料斗；6-注射柱塞,12.1 概述,课件,第12章 注射成型工艺及设备,SZL-125克,12.1 概述,课件,

2、第12章 注射成型工艺及设备,12.1 概述,课件,第12章 注射成型工艺及设备,注射成型相对于模压成型的特点：,(1)成型周期短，物料的塑化在注射机内完成。 (2)热耗量少 (3)闭模成型 (4)可使形状复杂的产品一次成型 (5)生产效率高，成本低,注射成型的缺点：,(1)不适用于长纤维增强的产品，一般纤维小于7mm (2)模具质量要求高 注射成型工艺在CM生产中主要代替模压成型工艺，近年来发展较快。 注射成型工艺发展较快：自动化、高速化、大型化及微型化。,12.1 概述,课件,第12章 注射成型工艺及设备,122 注射成型工艺,1 注射成型工艺原理,FRTP和FRP的物理性能和固化原理不同

3、,11 FRTP注射成型原理,增强粒料在注射机的料筒内加热熔化至粘流态，以高压迅速注入温度较低的闭合模内，经冷却使物料恢复玻璃态并保持模腔形状。,FRTP的注射成型过程主要产生物理变化,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,12 FRP注射成型原理,FRP的注射成型过程是一个复杂的物理和化学过程,注射料在加热过程中温度升高，粘度下降，但随着时间的延长，分子间的交联反应增加，粘度又会上升。实际加热过程应综合考虑两种作用的影响。图12-2 实际加热过程中，粘度随时间的变化有最小值，如图12-2。AO段随加热时间的增加粘度降低，到达O点时粘度达到最低值（物理变化）。继续增加加热

4、时间即OB段，粘度随加热时间增大而变大（化学变化）。其粘度变化是不可逆的。,图12-2 热固性树脂纤维混合料加热时粘度与时间变化关系,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,粘度变化是不可逆的，特点如下：,1)FRP注射成型不需要冷 却定型阶段,2)加热固化为不可逆的化 学反应过程,3)注射充模时机应控制在 粘度最低的O点左右,4)FRP的固化过程是放热反应,图12-2 热固性树脂纤维混合料加热时粘度与时间变化关系,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,预浸渍料加入料筒，适当加温加压，当物料运动到喷嘴时，粘度应达到最低值，并被迅速注入模腔。在热压作用下

5、固化定型，然后开模取出制品。,FRP注射成型过程：,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,FRTP和FRP的注射成型特点对比,(1)FRTP可以反复加热塑化，物料的熔融和硬化完全是物理变化；FRP加热固化后不能再塑化，固化过程为不可逆反应。,(2)FRTP受热时，物料由玻璃态变为熔融的粘流态，料筒温度要分段控制，其塑化温度应高于粘流温度，但低于分解温度；FRP在料筒中加热时，树脂分子链发生运动，物料熔融，但接着会发生化学反应、放热，加速化学反应过程。因此，FRP注射成型的温度控制要比FRTP严格得多。,(3)FRTP注射成型时，料筒温度必需高于模具温度，物料在模腔内冷却时

6、会引起体积收缩，故需要有相应的料垫传压补料，FRP注射成型时，料筒温度低于模具温度，物料在模腔内发生固化收缩的同时，也发生热膨胀，因此，充模后不需要补料。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,2 复合材料注射成型特性,(1)注射料中挥发物的控制,注射过程中总是有一些低分子挥发物存在，如物料中的水分，低分子物（苯酚、甲醛），固化时生成的水分、氨等低分子物，在固化的过程中会放出。 挥发物的存在一般可降低粘度，对成型有利，但是挥发物的含量过高会对产品造成不良影响。 对热塑性CM，挥发物过多会造成熔融物料起泡，树脂水解等，给加工造成困难并使产品质量下降，一般控制挥发物含量在0.

7、52以下。 对热固性CM，挥发物过多会造成物料贮存过程中结块，产品收缩率大，易翘曲，产品质量下降等，一般控制挥发物含量在27以下。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(2)流动特性,指物料在加热、加压下的流动性能和充模能力。适当加入增塑剂和浸润剂可提高流动性能。 纤维对物料流动性的影响：纤维含量愈多流动性愈差。 对于FRTP而言，压力愈高流动性愈好，温度愈高流动性愈好。如图12-3、12-4。 在实际生产过程中为改善物料流动性，常采用的措施： 1、对热塑性CM：加大交口及流道直径；增加注射压力；提高料筒温度及模具温度。 2、对热固性CM：尽量减少注模前的加热时间，防止

8、树脂过早凝胶固化。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(3)注射成型过程中纤维长度变化,在注射成型的混炼过程（螺杆旋转作用）及喷射过程中纤维会产生不同程度的折断。 图12-5，12-6表明了螺杆转速对玻璃纤维增强尼龙6和聚丙烯时纤维长度的影响。 最终产品中纤维长度一般在0.30.7mm，（最初小于7mm），随着螺杆转速的增加，纤维变短。 纤维长度对制品性能的影响是显而易见的，如图12-7，随纤维长度的增加，机械性能增大。 值得注意的是：热塑性CM废料利用时，其掺量过大，经重复加工，会使纤维更短，机械性能下降幅度大。一般废料回用量控制在物料量的20以内。如图12-8、1

9、2-9。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(4)纤维定向性,热塑性CM：大分子定向；纤维定向 热固性CM：纤维定向 因此必须合理设计模具，确立物料的流动方向，得到好的制品。 熔融物料在模腔内流动状态示意图见图12-10。流体的流动过程在横断面上存在速度梯度，愈靠近模具速度梯度愈大即剪应力愈大,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,因此在模具边缘纤维及大分子的定向更加明显。图12-11。纤维一经定向后不会再有改变，大分子定向当物料充满模腔后，剪应力消除，在热运动的作用下，定向会有一定的消除。 提高模具温度、物料温度、加大制品厚度、浇口放在型腔最低

10、部可减弱定向作用。 提高浇口温度、注射压力，会增加定向作用。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(5)拼缝强度,在环形制品的注射时，物料往往通过两个以上流道流动并在模腔内某一处相遇，此相遇部位称为拼缝部位。 在拼缝部位由于纤维的排向原因，使强度明显下降。图12-12为有无拼缝线的制品强度比较，强度可下降3060%. 当模具设计时就考虑此问题，可减弱拼缝及其影响。如图12-13、12-14。 拼缝强度还与其他工艺条件有关，表12-2列出了玻璃纤维增强尼龙6的成型条件对拼缝强度的影响。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,冷却出模后的FRTP制品，

11、其尺寸总是小于模具的模腔尺寸，两者差值之比。,收缩率,收缩率,式中 D 常温下模腔尺寸； D1常温下制品尺寸。,制品在成型后24h的收缩率，称为初期收缩率，制品成型后24h48h所测得的收缩率，称为成型收缩率。,(6)体积收缩,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,在注射成型过程中玻璃纤维是不会收缩的，收缩主要由树脂基体引起的。不同的树脂及树脂含量收缩不同，另外收缩还与纤维长度有关。一般来讲，树脂含量愈大，收缩率越大，纤维愈长收缩率愈小。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,影响FRTP成型收缩率的因素：,1)玻璃纤维含量。含量愈高，收缩率愈低 2

12、)制品壁厚的影响。制品厚度增加，收缩率明显增加。 3)浇口尺寸影响。增大浇口尺寸，收缩率明显降低。 4)熔融温度的影响 5)模具温度影响。对厚制品，温度升高，减少收缩率； 对薄制品，温度升高，增大收缩率。 6)成型压力影响。一般随成型压力的提高，收缩率降低。 7)硬化速度。一般硬化速度降低，可使收缩率降低。,12.2 注射成型工艺,课件,第12章 注射成型工艺及设备,3 注射成型工艺过程,31 准备工作,(1)注射料选择及预处理,a、注射料原则 需根据产品性能和注射机性能合理选择注射料。 b、注射料的预处理 注射料应尽可能均匀，已结块的应粉碎。 粒料使用前应测水分及挥发物含量。超标时要干燥。比

13、如热风干燥、红外线干燥、真空干燥等。 干燥后的物料仍会吸湿。因此需密封贮存，加工时需用加热等措施。,12.3 注射成型工艺过程,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(2)料简清洗,在注射成型过程中，如需换料生产时，一定要清洗料斗。一般采用加入新料进行清洗的方法，可反复进行。 注意：如果用一台注射机加工几种不同物料时，为了清洗方便，最好先加工成型温度低、色浅的物料。,(3)脱模剂选择,常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石蜡、硅油等。,(4)嵌件预热,为了避免两种物质膨胀系数不同而产生的热应力或应力开裂现象。因此，注射成型制品中的嵌件要提前预热。预热温度一般钢铁嵌件110130，铝、铜嵌件预热到150。

14、 嵌件预热温度越高越好，但不应高于物料的分解温度。,12.3.1 准备工作,课件,第12章 注射成型工艺及设备,32 注射成型工艺条件,包括闭模、加料、塑化、注射、保压、固化(冷却定型)、开模出料等工序。而成型温度、注射压力（包括注射速度）、成型周期（包括注射、保压、固化时间）被称为注射成型工艺的“三大工艺条件”。当然要顺利完成整个注射过程需一步一步地加以控制。,(1）加料及剩余量,加料：一般要求定时、定量、均匀供料。 剩余量：保证每次注射后料筒底部有一定剩余的物料 剩料的作用：a、传压；b、补料（收缩后的补料） 剩料一般控制在1020mm，不能太多，太少。 太多：注射压力损失大，剩料受热时间

15、太长，易发生分解或固化等。 太少：起不到很好的传压作用，模腔内物料受压不足。,12.3.2 注射成型工艺条件,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(2)成型温度,成型温度包括：料筒、喷嘴、模具温度。成型温度是三大工艺条件之一，关系到物料的塑化、流动性、充模等工艺条件。应考虑以下因素： 1、注射成型机的种类 螺杆式注射成型机所需的料筒温度比柱塞式低。 原因：a、螺杆式成型机料筒内的料层较薄； b、物料在螺杆推进的过程中不断翻转，有利于传热； c、物料翻转运动，受剪切力作用，自身摩擦生热。 2、产品厚度 对薄壁制品要求物料有较高的流动性才能充满模腔，因此需较高的成型温度；相反厚壁制品成型温度可低一

16、些。,12.3.2 注射成型工艺条件,课件,第12章 注射成型工艺及设备,3、注射料的品种和性能 是确立加工温度的决定因素，常用的树脂注射成型条件见表12-4、12-5。 对于热塑性树脂，料筒温度略高于喷嘴温度，高于模具温度。 对于热固性树脂，模具温度略高于喷嘴温度，高于料筒温度。 判断料筒喷嘴温度的两种方法： a、熔体对空注射法。脱开模具，用低压注射，观察料流，是否毛糙、变色、起泡、料流表面光滑者表明温度合适。 b、产品直观分析法。对试生产制品观察有无毛糙、波纹、气泡等弊病。,12.3.2 注射成型工艺条件,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(3)螺杆转速及背压,必须根据所选用的树脂热敏程

17、度及熔体粘度进行调整。 转速慢：塑化好，物料易降解、早期固化。 转速快：有利于塑化，但物料停留时间短可能塑化不够。还可使纤维变短。 背压：指螺杆转动推进物料塑化时，传给螺杆的反向压力。 背压的作用：能使物料在运动过程中不断排出空气和挥发物，并使物料逐渐密实。 背压过小起不到以上作用，背压大，功率消耗大，并在物料温度较低时能使纤维粉化，影响制品性能。图12-21背压与玻璃纤维长度的关系。,12.3.2 注射成型工艺条件,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(4)注射速度及注射压力,注射压力大小与注射机种类、物料流动性、模具浇口尺寸、产品厚度、模具温度及流程等因素有关。 一般注射压力略高于热塑性塑

18、料的注射压力。 注射压力对制品性能的影响见图12-22。 保压的作用：使制品冷却收缩时得以补料，尺寸准确，表面光洁，有利于消除气泡。保压时间一般0.32分钟，特厚制品可达510分钟。 注射速度与注射压力、温度、模口尺寸等因素有关。注射速度慢不利于充模，生产效率低，注射速度过快易混入气泡。需通过实际实验确定。,12.3.2 注射成型工艺条件,课件,第12章 注射成型工艺及设备,(5)成型周期,成型周期即完成一次注射成型制品所需的时间。 包括： 1）注射加压时间（保压时间、注射时间）； 2）冷却时间（模内冷却或固化时间）； 3）其他时间（开模、取出制品、涂脱模剂、安放嵌件、闭模等时间）。 成型周期

19、是提高生产率的关键，在保证产品质量的前提下，应尽量缩短成型周期。,12.3.2 注射成型工艺条件,课件,第12章 注射成型工艺及设备,3.3 制品后处理,作用,提高制品的尺寸稳定性，消除内应力,热处理,分类,调湿处理,（1）热处理,热处理的实质：迫使冻结的分子链松弛，凝固的大分子链段转向无规位置，消除部分内应力，提高结晶度，稳定结晶结构，提高弹性模量，降低断裂延伸率。,（2）调湿处理,将刚脱模的制品放入水中，与空气隔绝、防止氧化。调湿条件：90110 4h,3.4 注射成型过程中易出现的缺陷、产生原因及处理方法,12.3.3 制品后处理,课件,第12章 注射成型工艺及设备,作业： 1、与模压成

20、型工艺相比，注射成型工艺有什么特点？ 2、 试比较热塑性CM与热固性CM注射成型各有哪些特点？ 3、为什么在注射成型的模具边缘处纤维容易定向排列？,12.3.3 制品后处理,课件,第12章 注射成型工艺及设备,12.3 注射成型设备,主要包括注射成型机和模具。 12.3.1 注射机,一、分类 （1）按物料的塑化形式分：柱塞式和往复螺杆式,其中往复螺杆式用的最多。 往复螺杆式注射机的优点： 简化了预塑结构，不需要分流梭，因而使注射压力降低了很多。 螺杆转动使物料翻滚，传热条件好。物料内部受到剪应力大，塑化效率高。 因无分流梭，更换物料方便。 注射速度快。 对原料的适应性广，能加工热敏树脂。,12

21、.3 注射成型设备,课件,第12章 注射成型工艺及设备,（2）按照注射机的外形特征分类 常见的有五种形式 立式注射成型机 注射装置和合模装置与地面垂直。图12-23。 特点：占地面积小，模具折装方便。料斗高，加料不方便，仅适用于注射量小于60cm3的制品生产。 卧式注射机 注射装置，合模装置均水平排列。图12-24。 特点：机身低，加料方便，操作维修方便，制品顶出后可自由落下，易实现自动化。 缺点：占地面积大，模具拆卸比较麻烦。 角式注射机 注射装置与合模装置呈垂直排列。图12-25。 特点：介于立式与卧式之间，适用于加工中心部分不允许留有浇口的制品。,12.3 注射成型设备,课件,第12章

22、注射成型工艺及设备,螺杆预塑和柱塞注模式 图12-26 利用螺杆预塑并采用柱塞进行注模，是一种新型的注射成型机，生产效率很高（最高）。 转盘式注射机 将多副模具装在一个可转动的盘上，转盘去年定时旋转，使各模具与喷嘴相对注射成型。图12-27 特点：生产效率高，特别适用于冷却时间长或安放嵌件费时的制品生产。,12.3 注射成型设备,课件,第12章 注射成型工艺及设备,12.3.2 注射机的构造 螺杆式注射机主要由注射、合模、传动、控制四部分组成。,一、注射系统 包括螺杆、料筒、加料加热装置、喷嘴等。 （1）螺杆 注射机螺杆与挤出机螺杆的区别： a、注射机螺杆既能旋转，又能轴向移动，挤出机螺杆仅转

23、动； b、注射机螺杆的长径比和压缩比都比挤出机小； 注射机：长径比 1518，压缩比 22.5 挤出机：长径比 2030，压缩比 （压缩比：加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比）,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,c、注射机均化段螺槽比同直径挤出机螺槽深1525； d、与挤出机螺杆比，加料段增长，均化段缩短； e、注射机螺杆头为尖锥形，挤出机为圆锥形或半圆形； 注射机与挤出机螺杆参数对比见表12-8；,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,（2）料筒 注射机的料筒与挤出机的构造和选材相同。 （3）喷嘴 喷嘴的作用：提高熔融物料的流

24、速，使其能迅速充模。 分为开式喷嘴与闭式喷嘴。 开式喷嘴 图12-28 12-8（a）不能加热 12-8（b）可进行加热 闭式喷嘴 图12-29 通过弹簧弹力、挡圈、导杆、顶针实现闭锁。 注射时，熔料顶开顶针进入模腔。这种喷嘴使用方便，可防止流延，但结构复杂，压力损失大，射程小，补缩作用小，适用于加工粘度低的树脂。,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,二、合模系统 作用：开启和闭合模具。 要求有足够的锁模力，足够的模板面积和强度； 运动速度要求：闭合时先快后慢，开启时先慢后快； 合模系统由固定板、移动板、合模油缸、顶出装置等组成，如图12-30 常见的顶出装置有三种

25、形式 （1）全机械式合模装置 靠电机、曲柄连杆机构实现开模和闭模的动作，图12-30（b），此设备的优点：结构简单、制作方便、耐用、便于维修。缺点：模板行程短，只适合小制品生产；噪音大，设备磨损（连杆部分）较大。,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,（2）液压式合模装置 靠液压的力量，由活塞联动模具开模、闭模。其合模力 P油缸面积油压/4.D02.P0 (N) D0油缸直径，m P0油压Pa P 合模力N 液压合模装置的优点： 结构简单（仅油缸、活塞组成），制造方便，合模力调节方便，模板行程大可加工大制品，模具更换方便。如图12-30（a）。,12.3.2 注射机的

26、构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,顶出装置： 作用：用于制品脱模的机构。分为机械式和液压式。一般设计成与合模装置联动，开模后一时间间隔联动顶模装置将制品顶出。 （3）传动部分 主要由油缸、电机、各种阀门、开关等组成。通过油路供给的压力驱动各部分动作。,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,三、注射机的参数 （1）注射部分参数 最大注射量 是指注射螺杆完成一次最大注射行程时（有轴向移动），注射机的最大注射量。 表示方法： a、以注射出的聚苯乙烯熔料质量（克）来表示； b、以注射出的熔料体积（cm3）表示。 第二种表示方法即容积法与物料的密度无关，用起来比较方便，采用此表示方法的较多。 注射压力 指注射时螺杆对熔融物料的压强，用MPa表示。 常见的塑料注射压力及加工温度范围见表12-9。,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,注射速度 指在最大注射量时，螺杆单位时间内的行程。 v= S/t (m/s) v注射速度m/s S注射行程（螺杆） t注射时间s 塑化性能指标 与螺杆直径、长径比、物料性能、螺杆转速等多种因素有关。,12.3.2 注射机的构造,课件,第12章 注射成型工艺及设备,四、合模部分参数 （1）锁模力 用下式计