第二篇注射成型工藝及模具 第四章注射成型工藝 一 熱塑性塑料的工藝性能 二 注射機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及規(guī)格 三 注射成型原理及其工藝過(guò)程 四 注射成型工藝條件的選擇與控制 五 幾種常用塑料的注射成型特點(diǎn) 重點(diǎn)掌握 什么是注射成型工藝 注射成型生產(chǎn)中 運(yùn)用一定的技術(shù)方法 將塑料原料 注射設(shè)備和注射所用的模具聯(lián)系起來(lái)形成生產(chǎn)能力 這種方法就叫做注射成型工藝 第一節(jié)熱塑性塑料的工藝性能 一 塑料的成型收縮 塑料的收縮性 指塑料制件從模具中取出發(fā)生尺寸收縮的特性 塑料的成型收縮 與塑料本身的熱脹冷縮性質(zhì) 模具結(jié)構(gòu)及成型工藝條件等因素有關(guān)的塑料制件的收縮統(tǒng)稱為成型收縮 成型收縮的大小 可用塑料制件的實(shí)際收縮率S實(shí)表示 即 4 1 式中a 成型溫度時(shí)制件尺寸 b 常溫時(shí)制件的尺寸 成型溫度時(shí)的制件尺寸無(wú)法測(cè)量 故常采用常溫時(shí)的型腔尺寸取代 有 4 2 式中c 常溫時(shí)型腔尺寸 S計(jì) 塑料制件的計(jì)算收縮率 收縮率選擇的原則 收縮率范圍較小的塑料品種 可按收縮率的范圍取中間值 此值稱平均縮率 收縮率范圍較大的塑料品種 應(yīng)根據(jù)制件的形狀 特別是根據(jù)制品的壁厚來(lái)確定收縮率 壁厚取上限 大值 壁薄取下限 小值 當(dāng)S計(jì)為已知時(shí) 可用S計(jì)來(lái)計(jì)算型腔尺寸 即c b 1 S計(jì) 4 3 收縮率1 5 乘以比值0 7 內(nèi)徑取大值1 6 外徑取小值1 4 以留有試模后修正的余地 對(duì)高精度塑件或?qū)δ撤N塑料的收縮率缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí) 常用這種留有修模余量的設(shè)計(jì)方法 制件各部分尺寸的收縮率不盡相同 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以選擇 圖4 1塑件的材料為尼龍 1010 壁厚4mm 查表4 2得 高度方向的收縮小于水平方向的收縮 其百分比為70 收縮率范圍為1 4 1 6 高度方向取平均 收縮量很大的塑料 可利用現(xiàn)有的或者材料供應(yīng)部門(mén)提供的計(jì)算收縮率的圖表來(lái)確定收縮率 也可收集一些包括該塑料實(shí)際收縮率及相應(yīng)的成型工藝條件等數(shù)據(jù) 然后用比較法進(jìn)行估算 必要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì) 制造一副試驗(yàn)?zāi)＞?實(shí)測(cè)在類似的成型條件下塑料的收縮率 二 塑料的流動(dòng)性 塑料的流動(dòng)性 比較塑料成型加工難易的一項(xiàng)指標(biāo) 與黏度一樣 依賴于成型條件 聚合物的性質(zhì) 衡量塑料流動(dòng)性的指標(biāo) 聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量 熔融指數(shù) 阿基米德螺旋線長(zhǎng)度 表觀黏度以及流動(dòng)比 流程長(zhǎng)度 制品壁厚 相對(duì)分子質(zhì)量小 熔融指數(shù)高 螺旋線長(zhǎng)度長(zhǎng) 表觀黏度小 流動(dòng)比大則流動(dòng)性好 常用熱塑性塑料的流動(dòng)性分為三類 流動(dòng)性好的 有尼龍 聚乙烯 聚苯乙烯 聚丙烯 醋酸纖維素 流動(dòng)性一般的 有ABS 有機(jī)玻璃 聚甲醛 聚氯醚 流動(dòng)性差的 有聚碳酸酯 硬聚氯乙烯 聚苯醚 聚砜 氟塑料 塑料的流動(dòng)性隨成型工藝條件的改變而變化 熔體成型溫度高則流動(dòng)性好 注射壓力大流動(dòng)性好 模具結(jié)構(gòu)也影響流動(dòng)性的大小 成型時(shí)還可通過(guò)控制溫度 模溫 注射壓力及注射速率等因素來(lái)調(diào)節(jié)注射成型過(guò)程以滿足對(duì)制件質(zhì)量的要求 三 塑料的結(jié)晶性 結(jié)晶形塑料須加熱至熔點(diǎn)溫度以上才能達(dá)到軟化狀態(tài) 結(jié)晶熔解需要熱量 結(jié)晶形塑料達(dá)到成型溫度要比無(wú)定形塑料達(dá)到成型溫度需要更多的熱量 制件在模內(nèi)冷卻時(shí) 結(jié)晶形塑料要比無(wú)定形塑料放出更多的熱量 因此結(jié)晶形塑料在冷卻時(shí)需要較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間 結(jié)晶形塑料固態(tài)的密度與熔融時(shí)的密度相差較大 結(jié)晶形塑料的成型收縮率大 達(dá)到0 5 一3 0 無(wú)定形塑料的成型收縮率一般為0 4 一0 6 結(jié)晶形塑料的結(jié)晶度與冷卻速度密切相關(guān) 在結(jié)晶形塑料成型時(shí)應(yīng)按要求控制好模具溫度 結(jié)晶形塑料各向異性顯著 內(nèi)應(yīng)力大 脫模后制品內(nèi)未結(jié)晶的分子有繼續(xù)結(jié)晶的傾向 易使制品變形和翹曲 熱敏性 指某些塑料對(duì)熱較為敏感 在高溫下受熱時(shí)間較長(zhǎng)或澆口截面過(guò)小 剪切作用大時(shí) 料溫增高易發(fā)生變色 降解的傾向 包括 熱敏性 水敏性 應(yīng)力敏感性 吸濕性 粒度以及塑料的各種熱性能指標(biāo) 四 塑料的其他工藝性能 水敏性 指有的塑料 如聚碳酸酯等 即便含有少量水分 在高溫和高壓下也容易分解 應(yīng)力敏感性 指有的塑料對(duì)應(yīng)力敏感 成型時(shí)質(zhì)脆易裂 對(duì)應(yīng)力敏感的塑料 除在原料內(nèi)加人添加劑提高抗裂性外 還應(yīng)合理設(shè)計(jì)制件和模具 選擇有利的成型條件 以減少內(nèi)應(yīng)力 粒度 指塑料粒料的細(xì)度和均勻度 根據(jù)技術(shù)要求 各種塑料應(yīng)有一定的技術(shù)指標(biāo) 熱性能指標(biāo) 塑料的比熱容 熱導(dǎo)率 熱變形溫度等 比熱容高的塑料熔融時(shí)需要更多的熱量 熱變形溫度高的塑料冷卻時(shí)間可縮短 熱導(dǎo)率低的塑料必須注意充分冷卻 第二節(jié)注射機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及規(guī)格 注射機(jī)為塑料注射成型所用的主要設(shè)備 注射成型時(shí)注射模具安裝在注射機(jī)的動(dòng)模板和定模板上 由鎖模裝置合模并鎖緊 塑料在料筒內(nèi)加熱呈熔融狀態(tài) 由注射裝置將塑料熔體注入型腔內(nèi) 塑料制品固化冷卻后由鎖模裝置開(kāi)模 并由推出裝置將制件推出 注塑機(jī)分以下幾部分 1 注射裝置 主要作用 使固態(tài)的塑料顆粒均勻地塑化呈熔融狀態(tài) 并以足夠的壓力和速度將塑料熔體注入到閉合的型腔中 組成 料斗 料筒 加熱器 計(jì)量裝置 螺桿 柱塞式注射機(jī)為柱塞和分流梭 及驅(qū)動(dòng)裝置 噴嘴等部件 2 鎖模裝置 作用 實(shí)現(xiàn)模具的開(kāi)閉動(dòng)作 在成型時(shí)提供足夠的夾緊力使模具鎖緊 開(kāi)模時(shí)推出模內(nèi)制件 鎖緊裝置類型 機(jī)械式 液壓式或者液壓機(jī)械聯(lián)合作用方式 推出機(jī)構(gòu)類型 機(jī)械式和液壓式推出 液壓式推出有單點(diǎn)推出 多點(diǎn)推出 3 液壓傳動(dòng)和電器控制 作用 保證注射成型按照預(yù)定的工藝要求 壓力 速度 時(shí)間 溫度 和動(dòng)作程序準(zhǔn)確進(jìn)行 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是注射機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng) 電器控制系統(tǒng)則是控制各個(gè)動(dòng)力液壓缸完成開(kāi)啟 閉合和注射 推出等動(dòng)作的系統(tǒng) 一 注射機(jī)分類 按外形特征可分為如下三類 1 立式注射機(jī) 特點(diǎn) 注射裝置和定模板設(shè)置在設(shè)備上部 而鎖模裝置 動(dòng)模板 推出機(jī)構(gòu)均設(shè)置在設(shè)備的下部 優(yōu)點(diǎn) 占地面積小 模具裝拆方便 安裝嵌件和活動(dòng)型芯簡(jiǎn)便可靠 缺點(diǎn) 不容易自動(dòng)操作 只適用于小注射量的場(chǎng)合 一般注射量為10 60g 2 臥式注射機(jī) 特點(diǎn) 注射裝置和定模板在設(shè)備一側(cè) 而鎖模裝置 動(dòng)模板 推出機(jī)構(gòu)均設(shè)置在另一側(cè) 這是注射機(jī)最普通 最主要的形式 優(yōu)點(diǎn) 機(jī)體較矮 容易操作加料 制件推出后能自動(dòng)落下 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作 缺點(diǎn) 設(shè)備占地面積大 模具安裝比較麻煩 3 直角式注射機(jī) 特點(diǎn) 注射裝置為立式布置 鎖模 頂出機(jī)構(gòu)以及動(dòng)模板 定模板按臥式排列 兩者互為直角 適用于中心部分不允許留有澆口痕跡的塑件 缺點(diǎn) 加料較困難 嵌件或活動(dòng)型芯安放不便 只適用于小注射量的場(chǎng)合 注射量一般為20 45g 按塑料在料筒中的塑化方式分為兩類 1 柱塞式注射機(jī) 工作原理 示意圖4 4 柱塞是直徑約為20 100mm的金屬圓桿 在料筒內(nèi)僅作往復(fù)運(yùn)動(dòng) 將熔融塑料注人模具 分流梭是裝在料筒靠前端的中心部分 形如魚(yú)雷的金屬部件 其作用是將料筒內(nèi)流經(jīng)該處的塑料分成薄層 使塑料分流 以加快熱傳遞 同時(shí)塑料熔體分流后 在分流梭表面 流速增加 剪切速率加大 剪切發(fā)熱使料溫升高 黏度下降 塑料得到進(jìn)一步混合和塑化 適用場(chǎng)合 塑料的導(dǎo)熱性差 若料筒內(nèi)塑料層過(guò)厚 塑料外層熔融塑化時(shí) 它的內(nèi)層尚未塑化 若要等到內(nèi)層熔融塑化 則外層就會(huì)因受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而分解 因此 柱塞式注射機(jī)的注射量不宜過(guò)大 一般為30 60g 且不宜用來(lái)成型流動(dòng)性差 熱敏性強(qiáng)的塑料制件 2 螺桿式注射機(jī) 工作原理 示意圖4 5 螺桿的作用是送料 壓實(shí) 塑化與傳壓 當(dāng)螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí) 將料斗中的塑料卷入 并逐步將其壓實(shí) 排氣 塑化 不斷地將塑料熔體推向料筒前端 積存在料筒前部與噴嘴之間 螺桿本身受到熔體的壓力而緩緩后退 當(dāng)積存 螺桿式注射機(jī)中螺桿既可旋轉(zhuǎn)又可前后移動(dòng) 因而能夠勝任塑料的塑化 混合和注射工作 的熔體達(dá)到預(yù)定的注射量時(shí) 螺桿停止轉(zhuǎn)動(dòng) 并在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下向前移動(dòng) 將熔體注入模具 國(guó)際上趨于用注射容量 鎖模力來(lái)表示注射機(jī)的主要特征 這里所指的注射容量是指注射壓力為100MPa時(shí)的理論注射容量 我國(guó)習(xí)慣上采用注射量來(lái)表示注射機(jī)的規(guī)格 如XS ZY500 表示注射機(jī)在無(wú)模具對(duì)空注射時(shí)的最大注射容量不低于500cm3的螺桿式 Y 塑料 S 注射 Z 成型 X 機(jī) 我國(guó)制定的注射機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定可以采用注射容量表示法和注射容量 鎖模力表示法來(lái)表示注射機(jī)的型號(hào) 注射機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)包括注射 合模 綜合性能等三個(gè)方面 如公稱注射量 螺桿直徑及有效長(zhǎng)度 注射行程 注射壓力 注射速度 塑化能力 合模力 開(kāi)模力 開(kāi)模合模速度 開(kāi)模行程 模板尺寸 推出行程 推出力 空循環(huán)時(shí)間 機(jī)器的功率 體積和質(zhì)量等 注射機(jī)的規(guī)格 二 注射機(jī)規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù) 第三節(jié)注射成型原理及其工藝過(guò)程 基本原理 利用塑料的可擠壓性和可模塑性 將松散的粒料或粉狀成型物料從注射機(jī)的料斗送人高溫的機(jī)筒內(nèi)加熱熔融塑化 使之成為黏流態(tài)熔體 在柱塞或螺桿的高壓推動(dòng)下 以很大的流速通過(guò)機(jī)筒前端的噴嘴注射進(jìn)入溫度較低的閉合模具中 經(jīng)過(guò)一段保壓冷卻定型時(shí)間后 開(kāi)啟模具便可從模腔中脫出具有一定形狀和尺寸的塑料制件 注射成型原理圖4 6 一 生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作 l 原料預(yù)處理 1 分析檢驗(yàn)成型物料的質(zhì)量 根據(jù)注射成型對(duì)物料的工藝特性要求 檢驗(yàn)物料的含水量 外觀色澤 顆粒情況 有無(wú)雜質(zhì)并測(cè)試其熱穩(wěn)定性 流動(dòng)性和收縮率等指標(biāo) 如果檢測(cè)中出現(xiàn)問(wèn)題 應(yīng)及時(shí)解決 對(duì)于粉狀物料 在注射成型前 經(jīng)常還需要將其配制成粒料 因此其檢驗(yàn)工作應(yīng)放在配料后進(jìn)行 生產(chǎn)工藝過(guò)程圖4 7 作用 往塑料成型物料中添加一種稱為色料或著色劑的物質(zhì) 借助這種物質(zhì)改變塑料原有的顏色或賦予塑料特殊光學(xué)性能 2 著色 著色劑按其在塑料中的分散能力分為 染料和顏料兩大類 染料 具有著色力強(qiáng) 色彩鮮艷和色譜齊全的特點(diǎn) 但由于對(duì)熱 光和化學(xué)藥品的穩(wěn)定性比較差 在塑料中較少應(yīng)用 當(dāng)塑料成型溫度不高又希望制品透明時(shí) 可采用耐熱性較好的蒽醌類和偶氮類染料 顏料 主要著色劑 按化學(xué)組成又分成無(wú)機(jī)和有機(jī)顏料 無(wú)機(jī)顏料 對(duì)熱 光和化學(xué)藥品的穩(wěn)定性都比較高 且價(jià)格低廉 但色澤都不十分鮮艷 只能用于不透明塑料制件的著色 有機(jī)顏料 著色特性介于染料和無(wú)機(jī)顏料之間 對(duì)熱 光和化學(xué)藥品的穩(wěn)定性一般不及無(wú)機(jī)顏料 但所著色制件色彩較鮮艷 用這種顏料的低濃度著色可得到彩色的半透明制件 粉狀或粒狀熱塑性塑料著色的工藝實(shí)現(xiàn)方法 直接法和間接法兩種 對(duì)于吸濕性或粘水性不強(qiáng)的成型物料 如果包裝貯存較好 也可不必預(yù)熱干燥 目的 為了除去物料中過(guò)多的水分及揮發(fā)物 防止成型后制品出現(xiàn)氣泡和銀紋等缺陷 同時(shí)也可以避免注射時(shí)發(fā)生水降解 3 預(yù)熱干燥 預(yù)熱干燥成型物料的方法 在空氣循環(huán)干燥箱中進(jìn)行 多品種 小批量物料 也可采用循環(huán)熱風(fēng) 紅外線及遠(yuǎn)紅外線等較為簡(jiǎn)單的設(shè)備預(yù)熱干燥 大批量物料可采用抽濕干燥機(jī)或采用負(fù)壓沸騰干燥法 高溫下易氧化變色的塑料 如聚酰胺等 可采用真空干燥法 采用料斗干燥新工藝 圖4 8 使干燥設(shè)備與注射機(jī)相連 簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序 可防止吸濕性塑料再次吸濕 2 清洗料筒 生產(chǎn)中如遇下列情況均應(yīng)對(duì)注射機(jī)的料筒進(jìn)行清洗 改變塑料品種 更換物料 調(diào)換顏色 或發(fā)現(xiàn)成型過(guò)程中出現(xiàn)了熱分解或降解反應(yīng) 清洗方法 柱塞式機(jī)筒存料量大 須將機(jī)筒拆卸清洗 螺桿式機(jī)筒 可采用對(duì)空注射法清洗 最近研制成功了一種機(jī)筒清洗劑 是一種粒狀無(wú)色高分子熱彈性材料 100 時(shí)具有橡膠特性 但不熔融或粘結(jié) 將它通過(guò)機(jī)筒 可以像軟塞一樣把機(jī)筒內(nèi)的殘料帶出 這種清洗劑主要適用于成型溫度在180 280 內(nèi)的各種塑性塑料以及中小型注射機(jī) 采用對(duì)空注射清洗螺桿式機(jī)筒時(shí) 應(yīng)注意下列事項(xiàng) 欲換料的成型溫度高于機(jī)筒內(nèi)殘料的成型溫度時(shí) 應(yīng)將機(jī)筒和噴嘴溫度升高到欲換料的最低成型溫度 然后加入欲換料或其回頭料 并連續(xù)對(duì)空注射 直到全部殘料除盡止 欲換料的成型溫度低于機(jī)筒內(nèi)殘料的成型溫度時(shí) 應(yīng)將機(jī)筒和噴嘴溫度升高到欲換最高成型溫度 切斷電源 加入欲換料的回頭料后 連續(xù)對(duì)空注射 直到全部殘料除盡止 兩種物料成型溫度相差不大時(shí) 不必變更溫度 先用回頭料 后和欲換料對(duì)空注射可 殘料屬熱敏性塑料時(shí) 應(yīng)從流動(dòng)性好 熱穩(wěn)定性高的聚乙烯 聚苯乙烯等塑料中選黏度較高的品級(jí)作為過(guò)渡料對(duì)空注射 有嵌件的塑料制件 由于金屬與塑料兩者的收縮率不同 嵌件周?chē)乃芰先菀壮霈F(xiàn)收縮應(yīng)力和裂紋 若成型前對(duì)嵌件預(yù)熱 可減小它在成型時(shí)與塑料熔體的溫差 避免或抑制嵌件周?chē)乃芰习l(fā)生收縮應(yīng)力和裂紋 為什么要預(yù)熱嵌件 3 預(yù)熱嵌件 什么情況下嵌件需預(yù)熱 分子鏈剛性大的塑料 如聚苯乙烯 聚苯醚 聚碳酸酯和聚砜等 一般均需預(yù)熱嵌件 因它們本身很容易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂 分子鏈柔順性大的塑料 且嵌件較小時(shí) 可以不預(yù)熱 原因在于小嵌件容易在模內(nèi)加熱 嵌件預(yù)熱溫度 一般取110 130 并以不破壞嵌件表面鍍層為限 對(duì)鋁 銅等有色金屬嵌件 預(yù)熱溫度可提高到150 4 選擇脫模劑 目的 使成后的制件容易從模內(nèi)脫出 常用的脫模劑 硬酯酸鋅 液體石蠟 白油 和硅油等 硅油脫模效果最好 只要對(duì)模具施用一次 即可長(zhǎng)效脫膜 但價(jià)格很貴 硬酯酸鋅 不能用于聚酰胺 多用于高溫模具 而液體石蠟多用于中低溫模具 注意 含有橡膠的軟制品或透明制品不宜采用脫模劑 否則影響制品的透明度 二 注射成型原理及其工藝過(guò)程 工藝過(guò)程分為 塑化計(jì)量 注射充模和冷卻定型三個(gè)階段 l 塑化計(jì)量 1 塑化的概念 什么是塑化 成型物料在注射成型機(jī)料筒內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱 壓實(shí)以及混合等作用以后 由松散的粉狀或粒狀固體轉(zhuǎn)變成連續(xù)的均化熔體的過(guò)程稱為塑化 均化包含四方面的內(nèi)容 熔體內(nèi)組分均勻 密度均勻 黏度均勻和溫度分布均勻 2 計(jì)量 計(jì)量 指能夠保證注射機(jī)通過(guò)柱塞或螺桿 將塑化好的熔體定溫 定壓 定量地輸出 即注射出 機(jī)筒所進(jìn)行的準(zhǔn)備動(dòng)作 這些動(dòng)作均需注射機(jī)控制柱塞或螺桿在塑化過(guò)程中完成 影響計(jì)量準(zhǔn)確性的因素 注射機(jī)控制系統(tǒng)的精度 機(jī)筒 即塑化室 和螺桿的幾何要素及其加工質(zhì)量影響 3 塑化效果和塑化能力 塑化效果 指物料轉(zhuǎn)變成熔體之后的均化程度 塑化能力 指注射機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)能夠塑化的物料質(zhì)量或體積 塑化效果與物料受熱方式和注射機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān) 柱塞式注射機(jī) 物料在機(jī)筒內(nèi)只能接受柱塞的推擠力 幾乎不受剪切作用 塑化所用的熱量主要從外部裝有加熱裝置的高溫機(jī)筒上取得 螺桿式注射機(jī) 螺桿在機(jī)筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)物料起到強(qiáng)烈的攪拌和剪切作用 導(dǎo)致物料之間進(jìn)行劇烈摩擦 并因此而產(chǎn)生很大熱量 物料塑化時(shí)的熱量既可同時(shí)來(lái)源于a 高溫機(jī)筒和自身產(chǎn)生出的摩擦熱 也可以b 只憑摩擦熱單獨(dú)供給 塑化效果對(duì)比 a稱為普通螺桿塑化 b稱為動(dòng)力熔融 顯然 在動(dòng)力熔融條件下 強(qiáng)烈的攪拌與剪切作用不僅有利于熔體中各組分混合均化 而且還避免了波動(dòng)的機(jī)筒溫度對(duì)熔體溫度的影響 有利于熔體的黏度均化和溫度分布均化 能夠得到良好的塑化效果 而柱塞式注射機(jī)塑化物料時(shí) 既不能產(chǎn)生攪拌和剪切的混合作用 又受機(jī)筒溫度波動(dòng)的影響 故熔體的組分 黏度和溫度分布的均化程度都比較低 其塑化效果既不如動(dòng)力熔融 也不如介于中間狀態(tài)的部分依靠機(jī)筒熱量的普通螺桿塑化 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 圖4 9為柱塞式和普通螺桿式注射機(jī)塑化相同物料時(shí)機(jī)筒中物料和熔體的溫度分布曲線 可以看出 I 用螺桿式注射機(jī)塑化物料時(shí) 噴嘴附近熔體的徑向溫度分布要比柱塞式注射機(jī)來(lái)得均勻 II 不同結(jié)構(gòu)的注射機(jī) 塑化能力不相同 柱塞式注射機(jī)的理論塑化能力 4 4 式中mpp 柱塞式注射機(jī)的塑化能力 kg h 熱擴(kuò)散率 m2 h Ap 塑化物料接受的傳熱面積 與機(jī)筒內(nèi)徑和分流錐直徑有關(guān) m2 物料密度 kg m3 Kt 熱流動(dòng)系數(shù) 與加熱系數(shù)有關(guān) 參見(jiàn)圖4 10 常數(shù) 無(wú)分流錐時(shí) 1 有分流錐時(shí) 2 V 受熱物料的總體積 m3 螺桿式注射機(jī)的理論塑化能力 用螺桿計(jì)量段對(duì)熔體的輸送能力表示 即有 4 5 mps 螺桿式注射機(jī)的塑化能力 cm3 s D 螺桿的基本直徑 cm Lm 計(jì)量段長(zhǎng)度 cm hm 計(jì)量段螺槽深度 cm 螺桿的螺旋升角 m 熔體在計(jì)量段螺槽中的黏度 Pa s N 螺桿轉(zhuǎn)速 r s pb 塑化時(shí)熔體對(duì)螺桿產(chǎn)生的反向壓力 通常稱為背壓 Pa 分析上兩式 柱塞式注射機(jī)的塑化能力與機(jī)筒結(jié)構(gòu)和物料體積有關(guān) 提高塑化能力 需增大傳熱面積AP或減小物料的總體積V 而增大AP時(shí)常會(huì)使V跟著增大 V的增大將導(dǎo)致熔體不易均化 螺桿式注射機(jī)塑化能力與物料體積無(wú)關(guān) 塑化能力一般都比柱塞式注射機(jī)大 這也是普通柱塞式注射機(jī)為什么只能成型小型制品的主要原因之一 影響螺桿式注射機(jī)塑化效果和塑化能力的主要因素除了成型物料本身的特性之外 還與機(jī)筒結(jié)構(gòu) 筒的加熱溫度 螺桿轉(zhuǎn)速 螺桿行程 或計(jì)量段長(zhǎng)度 螺桿幾何參數(shù)以及熔體對(duì)螺桿產(chǎn)生的背壓等因素有關(guān) 2 注射充模 什么是注射充模 柱塞或螺桿從機(jī)筒內(nèi)的計(jì)量位置開(kāi)始 通過(guò)注射油缸和活塞施加高壓 將塑化好的塑料熔體經(jīng)過(guò)機(jī)筒前端的噴嘴和模具中的澆注系統(tǒng)快速進(jìn)入封閉模腔的過(guò)程稱為注射充模 分三個(gè)階段 流動(dòng)充模 保壓補(bǔ)料 倒流 1 流動(dòng)充模 指注射機(jī)將塑化好的熔體注射進(jìn)入模腔的過(guò)程 熔體注射過(guò)程中會(huì)遇到機(jī)筒 噴嘴 模具澆注系統(tǒng) 模腔表壁對(duì)熔體的外摩擦 及熔體內(nèi)部產(chǎn)生的黏性內(nèi)摩擦 為了克服這些流動(dòng)阻力 注射機(jī)須通過(guò)螺桿或柱塞向熔體施加很大的注射壓力 要掌握熔體的流動(dòng)充模規(guī)律 須了解注射壓力在此過(guò)程中的變化特點(diǎn)以及與它相關(guān)的熔體溫度 流速和充模特性問(wèn)題 注射壓力的變化 注射壓力的變化可用注射成型的壓力 時(shí)間曲線描述 圖4 11 t0 柱塞或螺桿開(kāi)始注射熔體的時(shí)刻 t1 熔體開(kāi)始流入模腔的時(shí)刻 t2 熔體充滿模腔的時(shí)刻 時(shí)間t0 t2代表整個(gè)充模階段 其中t0 t1稱為流動(dòng)期 t1 t2稱為充模期 a 流動(dòng)期內(nèi) 注射壓力和噴嘴處的壓力急劇上升 而模腔 澆口末端 的壓力卻近似等于零 注射壓力主要用來(lái)克服熔體在模腔以外的阻力 如 t1時(shí)刻的壓力差 pl pi1 pg1代表熔體從機(jī)筒到噴嘴時(shí)所消耗的注射壓力而噴嘴壓力pg1則代表熔體從噴嘴至模腔之間消耗的注射壓力 b 充模期內(nèi) 熔體流入模腔 模腔壓力急劇上升 注射壓力和噴嘴壓力也會(huì)隨之增加到最大值 或最大值附近 然后停止變化或平緩下降 這時(shí)注射壓力對(duì)熔體起兩方面作用 一是克服熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)阻力 二是對(duì)熔體進(jìn)行一定程度的壓實(shí) 壓力隨時(shí)間呈非線性變化 注射壓力對(duì)熔體的作用必須充分 否則 熔體流動(dòng)會(huì)因阻力過(guò)大而中斷 導(dǎo)致生產(chǎn)出現(xiàn)廢品 流動(dòng)充模階段 注射 a 剪切速率一定 壓力 溫度曲線分為三段 左邊一段熔體熱分解區(qū) 注射壓力隨溫度升高迅速下降 不能在此區(qū)注射成型 右邊一段高彈變形流動(dòng)區(qū) 注射壓力隨著溫度降低迅速增大 也不適于注射成型 只有中間一段溫度區(qū) 曲線相對(duì)平緩 溫度和注射壓力都較適中 易于注射成型 溫度升高有利于降低熔體黏度 注射壓力可隨之減小一定幅度 注射壓力與熔體溫度 熔體流速的關(guān)系 b 溫度一定時(shí) 剪切速度增大 注射壓力也要增大 完全符合流體力學(xué)壓力與流速的關(guān)系 反之 過(guò)大的注射壓力引起很高的剪切速率時(shí) 熔體內(nèi)的剪切摩擦熱也隨之增大 很可能引起熱分解或熱降解 另外 過(guò)大的剪切速率又很容易使熔體發(fā)生過(guò)度的剪切稀化 從而導(dǎo)致成型過(guò)程出現(xiàn)溢料飛邊 注射壓力對(duì)流動(dòng)充模時(shí)噴嘴處的熔體溫度也有影響 注射壓力上升階段 噴嘴處的熔體溫度也隨著升高 圖4 13 AC段和圖4 11噴嘴壓力曲線上的AC段對(duì)應(yīng) 可見(jiàn) 引起溫升的主要原因是注射壓力增大 生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免采用過(guò)大的注射壓力 否則會(huì)導(dǎo)致熔體熱降解 熔體充模流動(dòng)形式與充模速度有關(guān) 充模速度受注射工藝條件和模具結(jié)構(gòu)的影響 注射成型時(shí)不希望充模期發(fā)生高速噴射流動(dòng) 而希望獲得中速或低速的擴(kuò)展流動(dòng) 為此 需通過(guò)分析充模期的流動(dòng)取向 了解注射壓力對(duì)于熔體充模特性的影響 注射壓力與熔體充模特性 實(shí)際中 擴(kuò)展流動(dòng)時(shí) 料頭前沿低溫熔膜對(duì)熔體的阻滯作用較大 先進(jìn)入模腔的熔體溫度下降得很快 黏度也隨之增大 這加劇后面熔體進(jìn)模時(shí)的流動(dòng)阻力 如此時(shí)的注射壓力不大 很容易使充模流動(dòng)中止 導(dǎo)致注射成型出現(xiàn)廢品 為此 往往需提高注射壓力 而注射壓力提高后 熔體內(nèi)的剪切作用加強(qiáng) 流動(dòng)取向效應(yīng)將增大 最終可能導(dǎo)致制品出現(xiàn)比較明顯的各向異性并引起熱穩(wěn)定性變差 在這種情況下生產(chǎn)出的制品 若在溫度變化大的環(huán)境中工作 很有可能發(fā)生與取向一致的裂紋 注意 在一定的模具結(jié)構(gòu)條件下 只要保證充模時(shí)不發(fā)生高速噴射流動(dòng) 充模速度盡量取快一些 這樣不僅避免使用較大的注射壓力導(dǎo)致制品使用性能不良 而且對(duì)提高生產(chǎn)率也有好處 2 保壓補(bǔ)縮 保壓補(bǔ)縮階段 指從熔體充滿模腔至柱塞或螺桿在機(jī)筒中開(kāi)始后撤為止 圖4 11t2 t3段 保壓 指注射壓力對(duì)模腔內(nèi)的熔體繼續(xù)進(jìn)行壓實(shí)的過(guò)程 補(bǔ)縮 指保壓過(guò)程中 注射機(jī)對(duì)模腔內(nèi)逐漸開(kāi)始冷卻的熔體因成型收縮而出現(xiàn)的空隙進(jìn)行補(bǔ)料動(dòng)作 分析 保壓補(bǔ)縮階段 如柱塞或螺桿停止在原位保持不動(dòng) 模腔壓力曲線會(huì)略有下降 圖4 11的EF段 反之 若要使模腔壓力保持不變 則需要柱塞或螺桿在保壓過(guò)程中繼續(xù)向前少許移動(dòng) 這時(shí)壓力曲線將與時(shí)間坐標(biāo)軸平行 保壓力和保壓時(shí)間對(duì)模腔壓力的影響 如保壓力不足 補(bǔ)縮流動(dòng)受澆口摩擦阻力限制不易進(jìn)行 模腔壓力因補(bǔ)料不足迅速下降 圖4 14 如保壓時(shí)間不充分 模腔內(nèi)熔體倒流 也會(huì)造成模腔壓力迅速下降 圖4 15 保壓時(shí)間足夠長(zhǎng) 可使?jié)部诨蚰Ｇ粌?nèi)的熔體完全固化 倒流不易發(fā)生 模腔壓力將隨著圖4 15中虛線緩慢下降 結(jié)論 a 保壓力 保壓時(shí)間與模腔壓力間的關(guān)系 對(duì)冷卻定型時(shí)的制品密度 收縮及表面缺陷等問(wèn)題產(chǎn)生重要影響 b 保壓補(bǔ)縮階段熔體仍有流動(dòng) 且其溫度亦在不斷下降 此階段是大分子取向以及熔體結(jié)晶的主要時(shí)期 保壓時(shí)間的長(zhǎng)短和冷卻速度的快慢均對(duì)取向和結(jié)晶程度有影響 3 倒流 倒流 指柱塞或螺桿在機(jī)筒中向后倒退時(shí) 即撤除保壓力以后 模腔內(nèi)熔體朝著澆口和流道進(jìn)行的反向流動(dòng) 整個(gè)倒流過(guò)程將從注射壓力撤出開(kāi)始 至澆口處熔體凍結(jié) 簡(jiǎn)稱澆口凍結(jié) 時(shí)為止 圖4 11 t3 t4 保壓力 保壓時(shí)間與倒流的關(guān)系 如撤除壓力時(shí) 澆口已經(jīng)凍結(jié)或噴嘴帶有止逆閥 倒流現(xiàn)象不存在 保壓時(shí)間較長(zhǎng) 保壓力對(duì)模腔的熔體作用時(shí)間也長(zhǎng) 倒流較小 制品的收縮情況有所減輕 而保壓時(shí)間短 情況剛好相反 引起倒流的原因 主要是注射壓力撤除后 模腔壓力大于流道壓力 且熔體與大氣相通所造成的 倒流對(duì)于注射成型不利 a 使制品內(nèi)部產(chǎn)生真空泡或表面出現(xiàn)凹陷等成型缺陷 b 對(duì)制件內(nèi)的大分子取向也有一定影響 原因是倒流本身也是一種熔體流動(dòng)行為 從原理上講 也能提高大分子的取向能力 但實(shí)際上倒流產(chǎn)生的取向結(jié)構(gòu)在制品內(nèi)并不太多 因倒流波及的區(qū)域不太大 且倒流期內(nèi) 熔體溫度還比較高 取向結(jié)構(gòu)很可能被分子熱運(yùn)動(dòng)解除 3 冷卻定型 冷卻定型 從澆口凍結(jié)時(shí)間開(kāi)始 到制品脫模為止 圖4 11 t4 t5 注射成型工藝過(guò)程的最后階段 1 冷卻定型時(shí)的模腔壓力 與保壓時(shí)間有很大關(guān)系 圖4 16 溫度 壓力曲線 圖中曲線1代表模腔壓力很低的情況 曲線2為正常工藝條件下的情況 F和F 是保壓力撤除的位置 G G 分別是與F F 對(duì)應(yīng)的澆口凍結(jié)位置 H H 分別與G G 對(duì)應(yīng) 但模腔壓力相同時(shí)的脫模位置 從F處撤除 從F 處撤除保壓力時(shí) 保壓時(shí)間就會(huì)短一些 保壓力時(shí) 保壓時(shí)間要長(zhǎng)一些 分析推論 如果保壓時(shí)間短 則保壓作用終止時(shí)模內(nèi)熔體溫度較高 澆口凍結(jié)溫度也高 開(kāi)始冷卻定型時(shí)的模腔壓力低 情況相反 保壓時(shí)間不同時(shí) 若在模腔壓力相同的條件下脫模 則保壓時(shí)間短時(shí) 脫模溫度高 制件在模內(nèi)冷卻時(shí)間短 從澆口凍結(jié)算起 容易因剛度不足而變形 保壓時(shí)間長(zhǎng) 情況則相反 若將溫度 壓力曲線中因保壓時(shí)間不同而產(chǎn)生的澆口凍結(jié)位置連成曲線 則該曲線為澆口凍結(jié)曲線 在注射工藝條件正常和穩(wěn)定的條件下 凍結(jié)曲線呈直線狀 2 冷卻定型時(shí)的制品密度 冷卻定型階段 澆口凍結(jié) 熔體不再向模腔內(nèi)補(bǔ)充 可用聚合物狀態(tài)方程描述模腔內(nèi)的壓力 溫度和比體積 或密度 關(guān)系 對(duì)于確定的聚合物 比體積 或密度 一定時(shí) 溫度和壓力呈直線關(guān)系 將這種關(guān)系反映在溫度 壓力坐標(biāo)系中 可得到許多比容不等的直線 圖4 17中的l l 2 2 四條直線 它們統(tǒng)稱為等比體積線 其中 1和l 分別經(jīng)過(guò) 澆口凍結(jié)位置G和G 2和2 分別經(jīng)過(guò)脫模位置H和H 很明顯 四條直線的斜率均與比體積 或密度 有關(guān) 斜率越大比體積越大 而密度越小 分析結(jié)論 保壓時(shí)間長(zhǎng)時(shí) 澆口凍結(jié)溫度低冷卻定型開(kāi)始時(shí)模腔壓力比較高 冷卻定型時(shí)的制件密度比較大 保壓時(shí)間一定時(shí) 若采用較高的脫模溫度 冷卻定型時(shí)模腔壓力比較大 脫模后制件會(huì)進(jìn)行較大的收縮 脫模制件密度較低 尚待在模外繼續(xù)收縮 制件會(huì)因這種模外收縮在其內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力 發(fā)生翹曲變形 圖中 H模腔厚度 h固化層厚度 冷卻過(guò)程中h不斷加大 M模腔表壁溫度 s固化層與熔體之間的界面溫度 模腔內(nèi)的溫度分布如 y 曲線 y是模腔厚度坐標(biāo) 假設(shè)熔體密實(shí) h增長(zhǎng)很慢 固化層內(nèi)溫度呈直線變化 熱傳導(dǎo)限定在固化層范圍內(nèi) 則溫度分布曲線用下式表達(dá) 3 熔體在模腔內(nèi)的冷卻情況 4 6 若再設(shè)熔體在固化過(guò)程中的面密度變化速度為Vc 則有平衡方程 式中qm 熔融潛熱 s 固化層的導(dǎo)熱系數(shù) 其中 4 8 式中 s 固化層密度 tc 冷卻時(shí)間 將式 4 8 代人式 4 7 得 4 9 4 7 利用初始條件tc 0時(shí) h 0 將上式積分后可得固化層厚度與冷卻時(shí)間的關(guān)系為 4 10 上式實(shí)際上隱含熔體在模腔內(nèi)的冷卻速度 利用它可以計(jì)算冷卻時(shí)間 4 脫模條件 聚合物狀態(tài)方程表明 冷卻定型階段有壓力 比容和溫度三個(gè)可變參數(shù) 但外部無(wú)熔體向模腔補(bǔ)給 比容只與溫度變化引起的體積收縮有關(guān) 獨(dú)立參數(shù)只有模腔壓力和溫度 它們均與脫模條件有關(guān) 脫模溫度 不宜太高 否則 制件脫模后會(huì)產(chǎn)生較大的收縮 容易在脫模后發(fā)生熱變形 受模溫限制 脫模溫度也不能太低 適當(dāng)?shù)拿撃囟葢?yīng)在塑料的熱變形溫度 H和模具溫度 M之間 圖4 19 低于熱變形溫度 脫模壓力 模腔壓力和外界壓力的差值不要太大 應(yīng)在圖4 19中 pH 十pH脫模壓力范圍 其值可由經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)確定 否則制件脫模后內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力 導(dǎo)致使用過(guò)程中發(fā)生形狀尺寸變化或產(chǎn)生其他缺陷 保壓時(shí)間較長(zhǎng) 模腔壓力下降慢 脫模時(shí)的殘余應(yīng)力偏向 pH一邊 當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò) pH 則開(kāi)啟模具時(shí)可能產(chǎn)生爆鳴現(xiàn)象 制件脫模時(shí)容易被刮傷或破裂 未進(jìn)行保壓或保壓時(shí)間較短 模腔壓力下降快 倒流嚴(yán)重 模腔壓力甚至可能下降到比外界壓力要低 這時(shí)殘余應(yīng)力偏向 pH一邊 制品將會(huì)因此產(chǎn)生凹陷或真空泡 生產(chǎn)中應(yīng)盡量調(diào)整好保壓時(shí)間 使脫模時(shí)的殘余應(yīng)力接近或等于零 以保證制件具有良好質(zhì)量 三 制件的后處理 為什么要進(jìn)行制件的后處理 成型過(guò)程中塑料熔體在溫度和壓力作用下的變形流動(dòng)行為非常復(fù)雜 再加上流動(dòng)前塑化不均及充模后冷卻速度不同 制件內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)不均勻的結(jié)晶 取向和收縮 導(dǎo)致制件內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)晶 取向和收縮應(yīng)力 除引起脫模后時(shí)效變形外 還使制件的力學(xué)性能 光學(xué)性能及表觀質(zhì)量變壞 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)開(kāi)裂 為了解決這些問(wèn)題 可對(duì)制件進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)暮筇幚?后處理方法 退火和調(diào)濕 將制品加熱到 g f m 間某一溫度后 進(jìn)行一定時(shí)間保溫的熱處理過(guò)程 什么是退火 對(duì)于 結(jié)晶形塑料制件 利用退火對(duì)它們的結(jié)晶度大小進(jìn)行調(diào)整 或加速二次結(jié)晶和后結(jié)晶的過(guò)程 對(duì)制品進(jìn)行解取向 降低制件硬度和提高韌度 利用退火時(shí)的熱量 加速塑料中大分子松弛 消除或降低制件成型后的殘余應(yīng)力 退火原理 保溫時(shí)間 與塑料品種和制件厚度有關(guān) 如無(wú)數(shù)據(jù)資料 也可按每毫米厚度約需半小時(shí)的原則估算 退火溫度 制件使用溫度以上10 20 至熱變形溫度以下10 20 間選擇和控制 退火熱源或加熱保溫介質(zhì) 紅外線燈 鼓風(fēng)烘箱以及熱水 熱油 熱空氣和液體石蠟等 應(yīng)指出 并非所有塑料制件都要進(jìn)行后處理 通常 只是對(duì)于帶有金屬嵌件 使用溫度范圍變化較大 尺寸精度要求高和壁厚大的制品才有必要 調(diào)濕處理 一種調(diào)整制件含水量的后處理工序 主要用于吸濕性很強(qiáng)且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件 它除了能在加熱和保溫條件下消除殘余應(yīng)力之外 還能促使制件在加熱介質(zhì)中達(dá)到吸濕平衡 以防它們?cè)谑褂眠^(guò)程中發(fā)生尺寸變化 注意 退火冷卻時(shí) 冷卻速度不宜過(guò)快 否則還有可能重新產(chǎn)生溫度應(yīng)力 第四節(jié)注射成型工藝條件的選擇與控制 注射成型具有三大工藝條件 溫度 壓力和時(shí)間 一 溫度 注射成型溫度主要指料溫和模溫 料溫影響塑化和注射充模 模溫則同時(shí)影響充模和冷卻定型 1 料溫 料溫 指塑化物料的溫度和從噴嘴注射出的熔體溫度 前者稱為塑化溫度 而后者稱為注射溫度 料溫主要取決于機(jī)筒和噴嘴兩部分的溫度 料溫太低 不利于塑化 物料熔融后黏度也較大 故成型比較困難 成型后的制件容易出現(xiàn)熔接痕 表面無(wú)光澤和缺料等缺陷 提高料溫 有利于塑化并降低熔體黏度 流動(dòng)阻力或注射壓力損失 熔體在模內(nèi)的流動(dòng)和充模狀況隨之改變 流速增大 充模時(shí)間縮短 對(duì)制件的一些性能帶來(lái)許多好的影響 料溫過(guò)高 很容易引起熱降解 最終反而導(dǎo)致制件的物理和力學(xué)性能變差 各種塑料適用的機(jī)筒和噴嘴溫度選擇或控制原則 制件注射量大于注射機(jī)額定注射量75 或成型物料不預(yù)熱時(shí) 機(jī)筒后段溫度應(yīng)比中段 前段低5 10 對(duì)于含水量偏高的物料 也可使機(jī)筒后段溫度偏高一些 對(duì)于螺桿式機(jī)筒 為了防止熱降解 可使機(jī)筒前段溫度略低于中段 機(jī)筒溫度應(yīng)保持在塑料的黏流溫度 f m 以上和熱分解溫度 d以下某一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?對(duì)于熱敏性塑料或相對(duì)分子質(zhì)量較低 分布又較寬的塑料 機(jī)筒溫度應(yīng)選較低值 即只要稍高于 f m 即可 以免發(fā)生熱降解 機(jī)筒溫度與注射機(jī)類型及制件和模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān) 如 注射同一塑料時(shí) 螺桿式機(jī)筒溫度可比柱塞式低10 20 又如 薄壁制件或形狀復(fù)雜以及帶有嵌件的制品 因流動(dòng)較困難或容易冷卻 應(yīng)選用較高的機(jī)筒溫度 反之 對(duì)于厚壁制件 簡(jiǎn)單制件及無(wú)嵌件制件 均可選用較低的機(jī)筒溫度 為了避免成型物料在機(jī)筒中過(guò)熱降解 除應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)筒最高溫度之外 還必須控制物料或熔體在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間 這對(duì)熱敏性塑料尤為重要 通常 機(jī)筒溫度提高以后 都要適當(dāng)縮短物料或熔體在機(jī)筒中的停留時(shí)間 為了避免流涎現(xiàn)象 噴嘴溫度可略低于機(jī)筒最高溫度 但不能太低 否則會(huì)使熔體發(fā)生早凝 其結(jié)果不是堵塞噴嘴孔 便是將冷料帶人模腔 最終導(dǎo)致成型缺陷 判斷料溫是否合適 可采用對(duì)空注射法觀察 或直接觀察制件質(zhì)量好壞 對(duì)空注射時(shí) 如果料流均勻 光滑 無(wú)泡 色澤均勻 則說(shuō)明料溫合適 如料流毛糙 有銀絲或變色現(xiàn)象 則說(shuō)明料溫不合適 2 模具溫度 模具溫度 指和制件接觸的模腔表壁溫度 模溫直接影響熔體的充模流動(dòng)行為 制件的冷卻速度和成型后的制件性能等 模溫選擇的意義 模溫選擇得合理 分布均勻 可有效改善熔體的充模流動(dòng)性能 制件的外觀質(zhì)量及一些主要的物理和力學(xué)性能 模溫波動(dòng)幅度較小 會(huì)促使制件收縮趨于均勻 防止脫模后發(fā)生較大的翹曲變形 提高模溫 可改善熔體在模內(nèi)的流動(dòng)性 增強(qiáng)制件的密度和結(jié)晶度及減小充模壓力和制件中的壓力 但制件的冷卻時(shí)間 收縮率和脫模后的翹曲變形將延長(zhǎng)或增大 且生產(chǎn)率也會(huì)因冷卻時(shí)間延長(zhǎng)而下降 適當(dāng)提高模溫 制件的表面粗糙度值也會(huì)隨之減小 降低模溫 能縮短冷卻時(shí)間和提高生產(chǎn)率 但溫度過(guò)低 熔體在模內(nèi)的流動(dòng)性能會(huì)變差 制件產(chǎn)生較大的應(yīng)力或明顯的熔接痕等缺陷 模溫怎樣控制 依靠通入其內(nèi)部的冷卻或加熱介質(zhì)控制 要求不嚴(yán)時(shí) 可空氣冷卻而不用通人任何介質(zhì) 其具體數(shù)值是決定制品冷卻速度的關(guān)鍵 冷卻速度分 緩冷 M cmax 中速冷卻 M g 和急冷 M g 三種方式 各種塑料適用的模溫選擇或控制的原則 為了保證制件具有較高的形狀和尺寸精度 避免制件脫模時(shí)被頂穿或脫模后發(fā)生較大的翹曲變形 模溫必須低于塑料的熱變形溫度 見(jiàn)表4 10 為了改變聚碳酸酯 聚砜和聚苯醚等高黏度塑料的流動(dòng)和充模性能 并力求使它們獲得致密的組織結(jié)構(gòu) 需要采用較高的模具溫度 反之 對(duì)于黏度較小的聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯和聚酰胺等塑料 可采用較低的模溫 這樣可縮短冷卻時(shí)間 提高生產(chǎn)效率 對(duì)于厚制件 因充模和冷卻時(shí)間較長(zhǎng) 若模溫過(guò)低 易使制件內(nèi)部產(chǎn)生真空泡和較大的應(yīng)力 不宜采用較低的模具溫度 為了縮短成型周期 確定模具溫度時(shí)可采用兩種方法 a 把模溫取得盡可能低 以加快冷卻速度縮短冷卻時(shí)間 b 使模溫保持在比熱變形溫度稍低的狀態(tài)下 以求在較高的溫度下將制品脫模 而后由其自然冷卻 這樣做也可以縮短制品在模內(nèi)的冷卻時(shí)間 具體采用何種方法 需要根據(jù)塑料品種和制件的復(fù)雜程度確定 二 壓力 包括 注射壓力 保壓力和背壓力 注射壓力 與注射速度相輔相成 對(duì)塑料熔體的流動(dòng)和充模具有決定性作用 保壓力 和保壓時(shí)間密切相關(guān) 主要影響模腔壓力以及最終的成型質(zhì)量 背壓力 與螺桿轉(zhuǎn)速有關(guān) 大小影響物料的塑化過(guò)程 塑化效果 和塑化能力 1 注射壓力與注射速度 1 注射壓力 什么是注射壓力 指螺桿 或柱塞 軸向移動(dòng)時(shí) 其頭部對(duì)塑料熔體施加的壓力 注射壓力作用 在注射成型過(guò)程中主要用來(lái)克服熔體在整個(gè)注射成型系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力 對(duì)熔體起一定程度的壓實(shí)作用 注射壓力損失包括 動(dòng)壓損失和靜壓損失 動(dòng)壓損失 消耗在噴嘴 流道 澆口和模腔對(duì)熔體的流動(dòng)阻力以及塑料熔體自身內(nèi)部的黏性摩擦方面 與熔體溫度及體積流量成正比 受各段料流通道的長(zhǎng)度 截面尺寸及熔體的流變學(xué)性質(zhì)影響 靜壓損失 消耗在注射和保壓補(bǔ)縮流動(dòng)方面 與熔體溫度 模具溫度和噴嘴壓力有關(guān) 注射壓力選擇過(guò)低 注射成型過(guò)程中因其壓力損失過(guò)大而導(dǎo)致模腔壓力不足 熔體將很難充滿模腔 注射壓力選擇得過(guò)大 雖可使壓力損失相對(duì)減小 但卻可能出現(xiàn)漲模 溢料等不良現(xiàn)象 引起較大的壓力波動(dòng) 生產(chǎn)操作難于穩(wěn)定控制 還容易使機(jī)器出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象 注射壓力對(duì)熔體的流動(dòng) 充模及制件質(zhì)量的影響 注射壓力很大且澆口又較小時(shí) 熔體在模腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生噴射流動(dòng) 料流先沖擊模腔表壁而后才擴(kuò)散 很容易在制件中形成氣泡和銀絲 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)因摩擦熱過(guò)大燒傷制件 因此 注射壓力選擇要適中 在可能的情況下盡量把注射壓力選擇得大一些 這樣有助于提高充模速度及料流長(zhǎng)度 還可能使制件的熔接痕強(qiáng)度提高 收縮率減小 注意 注射壓力增大之后 制件中的應(yīng)力也可能隨之增大 這將影響制件脫模后的形狀與尺寸的穩(wěn)定性 注射壓力不太高且澆口尺寸又較大時(shí) 熔體充模流動(dòng)比較平穩(wěn) 這時(shí)因模溫比熔體溫度低 對(duì)熔體有冷卻作用 容易使熔體在澆口附近的模腔處形成堆積 料流長(zhǎng)度會(huì)因此而減短 導(dǎo)致模腔難于充滿 選擇注射壓力大小的因素 塑料品種 制件的復(fù)雜程度 制件的壁厚 噴嘴的結(jié)構(gòu)形式 模具澆口的尺寸以及注射機(jī)類型等 常取40 200Mpa 對(duì)于玻璃化溫度和熔體黏度較高的塑料 宜用較大的注射壓力 對(duì)于尺寸較大 形狀復(fù)雜的制品或薄壁制件 因模具中的流動(dòng)阻力較大 也需用較大的注射壓力 熔體溫度較低時(shí) 注射壓力應(yīng)適當(dāng)增大一些 選擇 控制注射壓力的原則 對(duì)于流動(dòng)性好的塑料及形狀簡(jiǎn)單的厚壁制件 注射壓力可小于70MPa 對(duì)于黏度不高的塑料 如聚苯乙烯等 且其制品形狀不太復(fù)雜以及精度要求一般時(shí) 注射壓力可取70 100MPa 對(duì)于高 中黏度的塑料 如改性聚苯乙烯 聚碳酸酯等 且對(duì)其制件精度有一定要求 但制品形狀不太復(fù)雜時(shí) 注射壓力可取100一140MPa 對(duì)于高黏度塑料 如聚甲基丙烯酯甲酯 聚苯醚 聚砜等 且其制件壁厚小 流程長(zhǎng) 形狀復(fù)雜以及精度要求較高時(shí) 注射壓力可取140 180MPa 對(duì)于優(yōu)質(zhì) 精密 微型制件 注射壓力可取180 250MPa 甚至更高 注射速度的表示方法 注射時(shí)塑料熔體的體積流量qv 注射螺桿 或柱塞 的軸向位移速度vi 其數(shù)值可通過(guò)注射機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整 表達(dá)式如下 2 注射速度 注射壓力還與制件的流動(dòng)比有關(guān) 流動(dòng)比 指熔體自噴嘴出口處開(kāi)始能夠在模具中流至最遠(yuǎn)的距離與制件厚度的比值 不同的塑料具有不同的流動(dòng)比范圍 并受注射壓力大小的影響 表4 12 如實(shí)際設(shè)計(jì)的模具流動(dòng)比大于表中數(shù)值 而注射壓力又小于表中數(shù)值 制品難于成型 4 11 式中qv 體積流量 cm3 s pi 注射壓力 Pa pM 模腔壓力 Pa W 流道截面的最大尺寸 寬度 cm H 流道截面的最小尺寸 高度 cm L 流道長(zhǎng)度 cm K 熔體在工作溫度和許用剪切速率下的稠度系數(shù) Pa s n 熔體的非牛頓指數(shù) 4 12 式中D 螺桿的基本直徑 上兩式可知 注射速度與注射壓力密切相關(guān) 其他工藝條件和塑料品種一定時(shí) 注射壓力越大 注射速度也就越快 注射速度較高的優(yōu)點(diǎn) 熔體流速較快 其溫度維持在較高的水平 剪切速率具有較大值 熔體黏度較小 流動(dòng)阻力相對(duì)降低 料流長(zhǎng)度和模腔壓力會(huì)因此增大 制件將比較密實(shí)和均勻 熔接痕強(qiáng)度有所提高 用多腔模生產(chǎn)出的制件尺寸誤差也比較小 注射速度過(guò)大的缺點(diǎn) 與注射壓力過(guò)大一樣 在模腔內(nèi)引起噴射流動(dòng) 導(dǎo)致制件質(zhì)量變差 另外 高速注射時(shí)如排氣不良 模腔內(nèi)的空氣將受到嚴(yán)重的壓縮 不僅使高速流動(dòng)的熔體流速減慢 還因壓縮氣體放熱灼傷制件或產(chǎn)生熱降解 綜上所述 注射速度選擇不宜過(guò)高 也不宜過(guò)低 過(guò)低時(shí)制件表層冷卻快 對(duì)繼續(xù)充模不利 容易造成制品缺料 分層和明顯的熔接痕等缺陷 vi常用15 20cm s 對(duì)于厚度和尺寸都很大的制件 vi可用8 12cm s 生產(chǎn)中的實(shí)際確定注射速度的做法 先采用慢速低壓注射 然后根據(jù)注射出的制件調(diào)整注射速度 使之達(dá)到合理的數(shù)值 如生產(chǎn)批量較大 需要縮短成型周期 調(diào)整過(guò)程中可將注射速度盡量朝數(shù)值較高的方向調(diào)整 但須保證制件質(zhì)量不能因注射速度過(guò)快而變差 應(yīng)盡量采用高速注射的有 熔體黏度高 熱敏性強(qiáng)的塑料 成型冷卻速度快的塑料 大型薄壁 精密制件 流程長(zhǎng)的制件 纖維增強(qiáng)塑料 其余不要采用過(guò)快的注射速度 選擇或控制注射速度時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn) 對(duì)于大 中型注射機(jī) 可對(duì)注射速度采用分段控制 其控制規(guī)律可參考圖4 24 螺桿式注射機(jī)比柱塞式注射機(jī)可提供較大的注射速度 需要采用高速高壓成型的情況下 如流道長(zhǎng) 澆口小 制件形狀復(fù)雜和薄壁制品等 應(yīng)盡量采用螺桿式注射機(jī) 否則難保證成型質(zhì)量 在注射成型的保壓補(bǔ)縮階段 為了對(duì)模腔內(nèi)的塑料熔體進(jìn)行壓實(shí)以及為了維持向模腔內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)料流動(dòng)所需要的注射壓力叫做保壓力 什么是保壓力 2 保壓力和保壓時(shí)間 什么是保壓時(shí)間 保壓力持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短叫做保壓時(shí)間 1 保壓力和保壓時(shí)間對(duì)模腔壓力的影響 圖4 25 曲線l 采用的保壓力和保壓時(shí)間合理 模腔壓力變化正常 能取得良好的充模質(zhì)量 曲線2 注射壓力和保壓力切換時(shí) 注射機(jī)動(dòng)作響應(yīng)過(guò)慢 熔體過(guò)量充填模腔 分型面被漲開(kāi)溢料 導(dǎo)致模腔壓力產(chǎn)生不正常的快速下降 反而造成制件密度減小 缺料 凹陷及力學(xué)性能變差等不良現(xiàn)象 曲線3與曲線2的情況相反 即注射時(shí)間過(guò)短 熔體不能充滿模腔 保壓時(shí)模腔壓力曲線的水平部分較低 曲線4表示保壓時(shí)間不足 保壓力撤除過(guò)早 澆口尚未凍結(jié) 于是熔體將會(huì)產(chǎn)生倒流 模腔壓力在就猛然下降 無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常補(bǔ)縮功能 制件內(nèi)部可能出現(xiàn)真空泡和凹陷等不良現(xiàn)象 曲線5表示保壓時(shí)間足夠 但采用的保壓力太低 因此保壓力不能充分傳遞給模腔中的熔體 故模腔壓力也會(huì)出現(xiàn)不正常的迅速下降現(xiàn)象 使得保壓流動(dòng)不能有效地補(bǔ)縮 從而造成一些不正常的成型缺陷 2 保壓力 保壓時(shí)間對(duì)制件密度和收縮的影響 非結(jié)晶聚合物比體積 溫度 保壓力之間關(guān)系分析 在較高的保壓力或較低的溫度條件下 可以使制件得到較小的比體積 即較大的密度 其中溫度的影響可認(rèn)為是塑料在低溫下體積膨脹較小的結(jié)果 a b兩條虛線分別反應(yīng)模腔中靠近澆口和遠(yuǎn)離澆口位置的比體積變化情況 很明顯 塑料在靠近澆口的位置溫度高 比體積大 密度小 冷卻后的收縮也大 而在遠(yuǎn)離澆口的位置 情況則正好相反 結(jié)晶聚合物的比體積 溫度和保壓力之間的關(guān)系曲線 各條曲線的變化總趨勢(shì) 與圖4 26有些相似 即在較高的保壓力與較低的溫度條件下 可使制件得到較小的比體積或較大的密度 上兩圖的差別 結(jié)晶的聚乙烯從高溫到低溫變化時(shí)比體積 溫度曲線在100 150 左右具有一個(gè)明顯的拐點(diǎn) 經(jīng)此拐點(diǎn)之后 比體積在100一150 左右急劇減小 聚苯乙烯無(wú)此現(xiàn)象 在相同的保壓力和溫度范圍下 聚乙烯的比體積變化幅度要比聚苯乙烯大得多 例如 在50 250 范圍內(nèi) 若取保壓力為10MPa 則聚乙烯比體積的變化幅度約為30 而聚苯乙烯只有10 左右 若取保壓力為160MPa 兩者的比體積變化幅度又分別為22 和3 結(jié)論 保壓力和溫度對(duì)結(jié)晶聚合物的比體積或密度之影響比對(duì)非結(jié)晶聚合物的影響來(lái)得強(qiáng)烈 而且在100 150 左右 無(wú)論保壓力大小如何 結(jié)晶聚合物的比體積都會(huì)迅速減小 所以生產(chǎn)中對(duì)制件密度要求較高時(shí) 同時(shí)需要選擇合理的保壓力和合理的溫度條件 并且結(jié)晶聚合物的保壓力和溫度條件的控制尤其要嚴(yán)格一些 保壓時(shí)間與制件密度之間的關(guān)系 在保壓階段初期 隨著保壓時(shí)間延長(zhǎng) 制件的體積質(zhì)量迅速增大 但是當(dāng)保壓時(shí)間達(dá)到一定數(shù)值 ts 后 制件的體積質(zhì)量就會(huì)停止增長(zhǎng) 這意味著為了提高制件密度 必須有一段保壓時(shí)間 但保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 除了浪費(fèi)注射機(jī)能量之外 對(duì)于提高制件密度已無(wú)效用 所以生產(chǎn)中應(yīng)能對(duì)保壓時(shí)間恰當(dāng)?shù)乜刂圃谝粋€(gè)最佳值 保壓時(shí)間對(duì)制件成型收縮率的影響 保壓時(shí)間長(zhǎng)收縮率小 結(jié)合聚合物狀態(tài)方程可以認(rèn)為保壓力大 保壓時(shí)間充分時(shí) 澆口凍結(jié)溫度低 即冷凍時(shí)間晚 補(bǔ)縮作用強(qiáng) 有助于減小制件收縮 3 保壓力和保壓時(shí)間的選擇與控制 保壓力大小取決于模具對(duì)熔體的靜水壓力 并與制件的形狀 壁厚有關(guān) 對(duì)于厚壁制件 保壓力的選擇比較復(fù)雜 因?yàn)楸毫Υ?容易加強(qiáng)大分子取向 制件出現(xiàn)較為明顯的各向異性 只能根據(jù)制件使用要求靈活處理保壓力的選擇與控制問(wèn)題 大致規(guī)律是保壓力與注射壓力相等時(shí) 制件的收縮率可減小 批量產(chǎn)品中的尺寸波動(dòng)小 然而會(huì)使制件出現(xiàn)較大的應(yīng)力 對(duì)形狀復(fù)雜和薄壁的制件 為了保證成型質(zhì)量 采用的注射壓力往往比較大 故保壓力可稍低于注射壓力 保壓時(shí)間 取20 120s 與料溫 模溫 制件壁厚以及模具的流道和澆口大小有關(guān) 保壓時(shí)間應(yīng)在保壓力和注射溫度條件確定以后 根據(jù)制件的使用要求試驗(yàn)確定 具體方法 先用較短的保壓時(shí)間成型制件 脫模后檢測(cè)制件的質(zhì)量 然后逐次延長(zhǎng)保壓時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn) 直到發(fā)現(xiàn)制件質(zhì)量達(dá)到制件的使用要求或不再隨保壓時(shí)間延長(zhǎng)而比容增大 或增大幅度很小 時(shí)為止 然后就以此時(shí)的保壓時(shí)間作為最佳值選取 3 背壓力與螺桿轉(zhuǎn)速 1 背壓力 塑化壓力 背壓力 指螺桿在預(yù)塑成型物料時(shí) 其前端匯集的熔體對(duì)它所產(chǎn)生的反壓力 簡(jiǎn)稱背壓 背壓對(duì)注射成型的影響主要體現(xiàn)在螺桿對(duì)物料的塑化效果及塑化能力方面 故有時(shí)也叫做塑化壓力 增大背壓可驅(qū)除物料中的空氣提高熔體密實(shí)程度 增大熔體內(nèi)的壓力 螺桿后退速度減小 塑化時(shí)的剪切作用加強(qiáng) 摩擦熱量增多 熔體溫度上升 塑化效果提高 圖4 30 為背壓對(duì)熔體溫度影響的實(shí)驗(yàn)曲線 背壓大小 與塑料品種 噴嘴種類和加料方式有關(guān) 并受螺桿轉(zhuǎn)速影響 其數(shù)值的設(shè)定與控制需通過(guò)調(diào)節(jié)注射油缸上的背壓表實(shí)現(xiàn) 表壓與背壓的關(guān)系為 4 13 由經(jīng)驗(yàn)得 背壓的使用范圍約為3 4 27 5MPa 下限值適用于大多數(shù)塑料 尤其是熱敏性塑料 注意 增大背壓雖可提高塑化效果 但背壓增大后如不相應(yīng)提高螺桿轉(zhuǎn)速 則熔體在螺桿計(jì)量段螺槽中將會(huì)產(chǎn)生較大的逆流和漏流 使塑化能力下降 背壓和塑化能力的關(guān)系 可參考式 4 5 進(jìn)行分析 實(shí)際中經(jīng)常需把背壓的大小與螺桿轉(zhuǎn)速綜合考慮 選擇或控制背壓時(shí)注意事項(xiàng) 采用直通式噴嘴和后加料方式背壓高時(shí)容易發(fā)生流涎現(xiàn)象 應(yīng)使用較小的背壓 采用閥式噴嘴和前加料方式時(shí) 背壓可取大一些 熱敏性塑料 如硬聚氯乙烯 聚甲醛等 為防止塑化時(shí)剪切摩擦熱過(guò)大引起熱降解 背壓應(yīng)盡量取小值 對(duì)于高黏度塑料 如聚碳酸酯 聚砜 聚苯醚等 若背壓大時(shí) 為了保證塑化能力 常會(huì)使螺桿傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載 也不宜使用較大的背壓 增大背壓雖可提高塑化效果 但因螺桿后退速度減慢 塑化時(shí)間或成型周期將會(huì)延長(zhǎng) 因此 在可能的條件下 應(yīng)盡量使用較小的背壓 但是過(guò)小的背壓有時(shí)會(huì)使空氣進(jìn)入螺桿前端 注射后的制品將會(huì)因此出現(xiàn)黑褐色云狀條紋及細(xì)小的氣泡 對(duì)此必須加以避