1、第四章 注塑成型工藝 4.1 注射成型原理、特點及應用 4.1.1 注射成型原理 4.1.2 注射成型的特點及應用 4.2 注射機與注射成型系統 4.2.1 注射機的分類 4.2.2 注射機規格及主要技術參數 4.2.3 注射機的注射系統 4.2.4 注射機的合模系統 第四章 注塑成型工藝 4.3 注射成型工藝 4.3.1 注射成型的生產工藝流程 4.3.2 注射成型工藝參數4.1 注塑成型原理、特點及應用4.1.1 注塑成型原理 以柱塞式注射機為例，注射成型原理如圖4-1所示。首先將粒狀或粉狀塑料從注射機的料斗送入配有加熱裝置的機筒中進行加熱熔融塑化，使之成為粘流態熔體，然后在注射機柱塞的高

2、壓推動下，以很高的流速通過機筒前端的噴嘴注入溫度較低的閉合型腔中，經過一段時間的保壓冷卻定型后，開模分型即可從型腔（成型塑件的閉合空間）中脫出具有一定形狀和尺寸的塑件制件（塑件），這樣便完成了一個成型周期。4.1.2 注塑成型的特點及應用 注塑成型具有對塑料品種適應性強，可一次成型形狀復雜、尺寸精確、帶有金屬或非金屬嵌件的塑料制件，生產效率高，易于實現自動化等優點，是熱塑性塑料成型的一種重要方法。 注塑成型工藝發展很快，除了熱塑性塑料注射成型以外，一些熱固性塑料也可以成功地用于注塑成型，且具有效率高、產品質量穩定的特點；低反泡塑料（密度為0.2-0.9g/cm3）的注塑成型可以生產緩沖、隔聲、

3、隔熱等性能優良的塑料制件；雙色或多色注射成型可以生產多種顏色、美觀適用的塑料商品。此外，應用熱流道注射成型工藝在獲得大型塑件、降低或消除澆注系統凝料等方面具有明顯優點。注射成型還是獲得中空塑料制品型坯的重要工藝方法。 4.2 注射機遇注射成型系統 注射機是注射成型生產的關鍵設備，注射成型系統是指注射機內直接用于成型動作的注射系統、合模系統以及安裝在注射機上的模具。4.2.1 注射機的分類 1. 按規格大小分類按注射機裝置分類 （1）注塞式 其工作原理見4.1 節 ，這種設備（圖4-1）結構簡單，塑料融化所需的熱量主要依靠機筒3外部的加熱器5以熱傳導方式提供，由于塑料導熱性差且機筒壁較厚，同時它

4、在機筒中的運動狀態似層狀流動，從而形成了塑料的外層（靠近機筒內壁）與內層之間存在著較大的溫差，導致塑化均勻性差。雖然機筒內設置了分流錐4，增加了塑化效果，但塑化均勻性仍教差，且物料滯留嚴重、壓力損失大，所需注射壓力約為 螺桿式的2-3倍，只適合于小型零件的成型。 （2） 螺桿式 螺桿式注射機以加熱筒和螺桿等實現成型物料的塑化及注射，如圖4-2所示。其合模、注射、保壓、冷卻及脫模過程與柱塞式注射機相同，不同的是，螺桿具有塑化及注射兩種功能。螺桿旋轉產生強烈的攪拌混合與剪切作用，塑化均勻，物料滯留少，壓力損失小，成型塑件的殘余應力較小，設備結構簡單，是目前應用較廣的機種。（3） 螺桿預塑式 螺桿預

5、塑式注射機以一套機筒和螺桿進行塑化，另一套機筒和柱塞進行注射，如圖4-3所示。這類注射機塑化均勻，計量準確，壓力損失小，適合精密成型但物料滯留大，結構復雜。按外形結構特征分類 （1）臥式注射機 臥式注射機是注射機產品中最基本、最普通的形式，其結構特征是成型物料的注射系統與合模機構的軸線重合并與地面平行(圖4-2)。其優點是機身較低、穩定。加料、操作及維修比較方便，且制品推出脫模后可自動墜落，易于實現機械化或自動化，但存在模具拆裝不方便、安裝嵌件麻煩以及占地面積大等缺點。（2）立式注射機 此注射機的結構特征是注射系統與合模機構的軸線重合并與地面垂直，如圖4-4a所示。該結構具有占地面積小、模具拆

6、裝較方便、安裝嵌件容易、料斗中的物料能均勻地進入機筒等優點。但制品推出脫模后需要人工取出，不易實現機械化或自動化操作。另外，還有機身高、不穩定、加料不方便、對廠房高度有一定要求等缺點。目前，這類注塑機主要用于生產60cm3 以下的多嵌件制品，其結構也多為柱塞式，塑化效果不佳。（3） 直角式注射機 此注射機的結構特征是合模機構與注射系統的軸線相互垂直。使用和安裝特點介于前面兩類注射機之間，特別適用于生產形狀不對稱的塑件和使用側澆口的模具。目前國內使用較多的直角注射機為沿水平方向合模，沿垂直方向注射，如圖4-4b所示，合模機構采用絲杠傳動，使用普遍。圖4-4c為水平方向注射，沿垂直方向合模的直角式

7、注射機，用得較少。 此外還有偏心式注塑機、雙機筒注射機、雙色或多色注射機、雙模系統注射機等。4.2.2 注射機規格及主要技術參數 目前，注射機的規格通常用注射容量（即注射能力）與鎖模力的大小來表征。 注射機機筒內的柱塞或螺桿在一次注射行程中說能注射出的塑料的理論體積，稱為注射容量，是表征注射機能力的主參數。按照國際標準規定，注塑機規格中標稱的注射量，需要用定壓條件（注射壓力為100MPa）下的數值表示。注射機在其工作過程中，鎖緊閉合型腔防止熔體向外溢出的力稱為鎖模力。鎖模力的大小與注射機允許的成型面積有關。 國產SZ系列塑料注射機的型號編制標注方法如圖4-5所示。4.2.3 注射機的注射系統

8、注射系統是注射機工作是直接與成型物料和熔體接觸的零部件，其主要作用是使固體成型物料均勻地塑化成熔體，并以足夠的壓力和速度將熔體注入模具型腔。注射系統包括加料裝置、機筒、柱塞及分流錐（柱塞式注射機）、螺桿（螺桿式注射機）和噴嘴。 （1）加料裝置 也成為料斗，通常為倒圓錐形或方錐形金屬容器，安裝在注射機的較高部位并與機筒相連。 （2）機筒 即成型物料的塑化室，主要用來加熱熔融物料。 （3）柱塞及分流錐 柱塞及分流錐是安裝在柱塞式注射機筒內的注射和塑化零部件。柱塞在機筒內做往復直線運動，推擠和壓縮塑料熔體通過噴嘴注入模具。分流錐是安裝在機筒前端中心部位的一個分流部件，如圖4-6所示。 其工作原理為：

9、熔料在經過分流錐時，被分劈成薄層，并產生收斂流動，以此縮短了機筒對物料的傳熱距離，提高了傳熱效果；同時物料在分流錐與機筒的間隙中產生加速運動，剪切作用增強，從而 生成一定量的摩擦熱。兩方面共同作用提高了物料的塑化與均衡效果。 設置分流錐后，可以縮短物料塑化時 間，改善塑料熔體的流動性能和塑件的成 型質量，同時使生產效率有所提高。 （4）螺桿 是螺桿式注射機的重要部件，通過螺桿在機筒內的旋轉和軸向移動，實現對成型物料的塑化和注射動作。 （5）噴嘴 安裝在機筒前部，其內部的噴孔是連接機筒和模具的通道，起引導塑料熔體從機筒進入模具的作用。4.2.4 注塑機的合模系統 合模系統的作用一是實現模具的開合

10、動作，二是注射時鎖緊模具，三是開模時推出模內塑件。 注塑成型對合模系統最基本的要求是：合模時為模具提供可靠的鎖模力，以免模具在塑料熔體的壓力作用下沿分型面脹開，使制品產生分邊，影響精度。 目前，注射機上使用的合模系統結構可大體分為液壓式和液壓機械式兩大類。 （1）液壓式 一般采用大直徑活塞和液壓缸進行模具的開合動作。優點是運動機構簡單，能夠適應不同模具的閉合高度，隨時都可達到最大壓力并保壓；缺點是鎖模力大時液壓缸體積龐大，能 量消耗大，系統的剛性較差。 （2）液壓機械式 以液壓力驅動曲肘連桿機構進行開合模動作，具有自鎖功能（圖4-2）。 鎖模剛性大，產品不易出飛邊；模具的開合時間比較短，并有緩

11、沖作用，可以獲得較佳的合模運動方式；但結構復雜，機械部分容易磨損，需要經常保養。4.3 注射成型工藝4.3.1 注射成型的生產工藝流程 注射成型的生產工藝流程如圖4-7所示，按其先后順序包括：成型前的準備、 注射過程、塑件后處理等，下面分別討論。 1.成型前的準備 為使注射過程順利進行和保證塑料制件質量，一般在注射之前要進行一些必要的準備工作。如對原料的外觀（如色澤、顆粒大小及均勻度）與工藝性能（流動性、熱穩定性、收縮性）進行檢驗和測定，判 斷原料的各項性能與要求的參數是否相符；對原料的各項性能與要求的參數是否相符；對原料進行染色；進行含水量檢測，對于某些易吸濕的塑料（如聚酰胺、ABS等）進行

12、充分干燥，以防產品表面出現銀絲、斑紋、氣泡和降解等缺陷；成型不同種類塑料前或發現塑料中有分解現象時，應對機筒進行清洗；在成型帶有嵌件的塑件時，應對嵌件進行預熱，以防嵌件周圍的塑料因應力而開裂；對脫模困難的塑件，應選好脫模劑。由于注射原料的種類、形態、塑件的結構、有無嵌件以及使用要求的不同，各種塑件成型前的準備工作也不完全一樣。2.注射過程注射過程 注射過程一般包括加料、塑化、注射充型和脫模幾個步驟。（1）加料 由于注射成型是一個間歇的生產過程，因而需定量加料以保證操作穩定、塑料塑化均勻，最終獲得良好的塑件。加料過多、受熱時間過長等容易引起物料的熱降解，并增加注射機的功率損耗；加料過少，機筒內缺

13、少傳壓介質 ，型腔中塑料熔體壓力降低，難于補縮（即補壓），容易引起塑件出現收縮、凹陷、空洞等缺陷。（2）塑化 對機筒中的塑料進行加熱，使其由固態（顆粒狀或粉狀）轉變成粘流態并具有良好可塑性的過程稱為塑化。決定塑化質量的主要因素是物料的受熱情況和所受到的剪切作用。通過機筒對物料加熱，使聚合物分子松弛，由固體向液體轉變，一定的溫度是塑料得以形變、熔融和塑化的必要條件；螺桿的剪切作用能在塑料中產生更多的摩擦熱， 加速了塑料的塑化，同時還強化了塑料的混合效果，使其擴展到聚合物分子的水平（而不僅是靜態的熔融），它使塑料熔體的溫度分布、物料組成和分子形態都發生了改變，并趨于更加均勻。因而螺桿式注射機的塑化

14、效果比柱塞式注射機好得多。 總之，對塑料塑化的要求是：塑料熔體在進入型腔之前要充分塑化，既要達到規定的成型溫度，又要熔體溫度均勻一致，還要使熱分解物的含量達到最小值，并能提供足夠的熔融塑料以保證 生產的連續進行。這些要求與塑料的特性、工藝條件的控制及注射機塑化裝置的結構等密切相關。 （3）注射充型 注射充型指用柱塞或螺桿推動塑化后的塑料熔體快速充滿模具型腔，并使熔體在壓力下冷卻凝固定型的過程。注射過程可分為充模、保壓、倒流和澆口凍結后的冷卻等幾個階段。如圖4-8所示為一個注射成型周期內注射成型系統不同部位的壓力隨時間變化的曲線圖。 曲線1是機筒計量室中注射壓力隨時間變化的曲線；曲線2是噴嘴末端

15、的壓力變化曲線；曲線3是型腔始端（澆口處）的壓力曲線；曲線4是型腔末端的壓力變化曲線。 1）充模。 注射機柱塞或螺桿向前推進，使機筒前端塑化好的熔體經過噴嘴及模具澆注系統快速進入并填滿閉合型腔，這一階段稱為充模。其中tA-tB時間段熔體充滿型腔，注射壓力迅速達到最大值p1，噴嘴壓力也達到一定的動態壓力p2。充型時間tA-tB是注射成型過程中最重要的參數，因為熔體在型腔內流動時 的剪切速率及聚合物分子的取向程度都取決于此。型腔始端壓力與末端壓力之差（ pB pB1）取決于型腔內熔體的流動阻力。 型腔充滿后，壓力迅速增加并達到最大值。型腔始端的最大壓力為pC,末端的最大壓力為pC1。噴嘴壓力迅速增

16、加并接近注射壓力p1。t B-tC是熔體的壓實階段，約占制品重量15%的熔體被壓到型腔內。 2)保壓。t C-t D是保壓階段。柱塞或螺桿繼續保持施壓狀態，迫使澆口附近的熔體不斷流入型腔，以補充因熔體冷卻收縮而引起的型腔壓力下降與產生的空間，從而能夠形成形狀完整而致密的塑件。此階段熔體的流動速度更慢，柱塞或螺桿只有微小的補縮位移。3)倒流。 柱塞或螺桿回程時（及撤除保壓力以后）噴嘴壓力迅速下降至零，此時型腔內熔體會朝著澆口和流道進行反方向流動，這種現象稱為倒流 。很明顯，整個倒流過程將從注射壓力撤除開始，至澆口處熔體凍結（簡稱澆口凍結）時 為止（時間tD -tE）。其型腔壓力從pD降為pE。倒

17、流會使塑件產生收縮、變形及質地疏松等缺陷。引起倒流的原因是注射壓力撤除后，型腔壓力大于流道壓力，且熔體仍具有一定的流動性。如果保壓時間足夠長，撤除注射壓力時澆口已經凍結，則倒流現象就不會發生。澆口尺寸越小，凍結越快。但澆口凍結過快，會影響補縮，從而降低制品性能。當噴嘴帶有止回閥時，也不會出現倒流。 4）冷卻定型。冷卻定型從澆口凍結開始，到制品脫模為止（時間tE -tF）。澆口凍結后，就不需要繼續保壓，因此可退回柱塞或螺桿，卸除機筒內塑料的壓力，并加入新料重新塑化；同時型腔中的熔體在密閉狀態下由于模具的冷卻作用固化為塑件。脫模時制品內的壓力pF稱為殘余壓力。若殘余壓力過大，會造成制品變形、損壞和

18、卡模等弊病，過小會使制品表面凹陷，內部有真空泡。實際上冷卻過程從塑料注入型腔起就開始了，它包括從充模、保壓直到脫模前的這一段時間。 (4)脫模 當塑件冷卻到一定溫度即可開模，在推土機構的作用下將塑件脫出膜外。 3.塑件后處理 塑料制品脫模后，常需要進行適當的后處理來改善制品的性能和提高其尺寸穩定性。其主要方法有退火和調濕處理。 （1） 退火處理 由于塑件在機筒內塑化不均勻或在型腔內冷卻收縮不均勻，其塑件會產生內應力。該應力可以通過退火處理消除，方法是將注射塑件在定 溫的液體介質（如水、礦物油、甘油、乙二醇和液狀石蠟等）或熱空氣循環烘箱中靜置一段時間，然后緩慢冷卻：這在生產厚壁或帶有金屬嵌件的塑

19、料時尤為重要。退火溫度的下限為塑件使用溫度以上10-20 C，上限為塑料的熱變形溫度以下10-20 C。退火處理的時間取決于塑料品種、加熱介質溫度、塑件的形狀和成型條件。退火處理后冷卻速度不能太快，以避免重新產生內應力。 退火處理的實質是松弛聚合物中凍結的分子鏈，消除內應力以及提高結晶度，穩定結晶結構。若制品的使用要求不高，則不必進行退火處理。 （2）調濕處理 聚酰胺等塑料制品在高溫下與空氣接觸會氧化變色，或吸收水分膨脹而降低精度。調濕處理的目的是使制件的顏色、性能以及尺寸得到穩定。方法是將剛脫模的塑件放在熱水中，以隔絕空氣，防止對塑件的氧化，加快吸濕平衡。調濕處理的溫度一般為100-120

20、C，時間隨塑料的種類、塑件的形狀、厚度及結晶度大小而異。 4.3.2注射成型工藝參數 合理的注射成型工藝應力求得到塑化良好的塑料熔體，并順利地將其注射到型腔中去，在控制條件下冷卻定型，使塑件達到所要求的質量。注射成型的主要工藝參數是塑化流動和冷卻時的溫度、壓力以及各階段的作用時間。 1.溫度 注射成型時的溫度條件包括料溫、模溫和脫模溫度，料溫影響塑化和注射充模，模溫影響充模與冷卻定型，而脫模溫度則影響脫模質量。 （1）料溫 料溫包括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，后者稱為注射溫度。一般來講，合適的料溫有利于塑化并會降低熔體粘度、流動阻力或注射壓力損失，使熔體在模內的流

21、動和充模狀況得以改善（流速增大、充模時間縮短），塑件的性能也可得到提高。料溫太低時不利于塑化，熔體粘度也比較大，故流動與成型比較困難，成型后的制品容易出現熔接痕跡、表面無光澤和缺料等缺陷。 料溫過高則容易引起熱降解，導致制品的物理和力學性能變差。料溫對成型條件及制品物理力學性能的影響如圖4-9所示。 料溫主要取決于機筒和噴嘴的溫度。機筒溫度的選擇應保證塑料塑化良好，能順利實現注射，又不引起塑料分解。機筒溫度應根據塑料的熱性能確定，部分塑料適用的機筒和噴嘴溫度見表4-2。為了保證熔體塑化良好又不分解，機筒的溫度分布應遵循前高后低的原則，即從料斗一側（后段）至噴嘴（前段）溫度逐步升高。對非結晶型塑

22、料而言，機筒前端最高溫度應高于流動溫度，而結晶型塑料應高于熔點，但都必須低于塑料的分解溫度。此外，還應控制塑料熔體在機筒中的停留時間，停留時間過長也會引起熔體的逐步分 解。 采用不同類型的注射機，塑料在機筒內的塑化過程不同，因此機筒溫度的選擇也不同。柱塞式注射機的機筒溫度應選高些，以使塑料內外層加熱塑化均勻。螺桿式注射機由于螺桿旋轉攪動，使物料在高剪切作用下自身摩擦生熱，因此機筒溫度可選擇低一些。 選擇機筒溫度還應結合塑件及模具結構特點。薄壁塑件的型腔較狹窄，熔體流動阻力大，冷卻快，因此機筒溫度應選擇高一些，以便提高塑料的流動性，達到順利充模的目的。而對于厚壁塑件，機筒溫度可低一些。 噴嘴溫度

23、通常略低于機筒最高溫度，過高會出現流延現象，但噴嘴溫度過低則造成熔體冷凝堵塞噴嘴，或在型腔中流入冷凝料。 機筒和噴嘴溫度的選擇還與其他工藝條件有關。例如選用較低的注射壓力時，為保證塑料流動，應適當提高機筒溫度；反之，機筒溫度偏低就需要較高的注射壓力。 （2）模具溫度 模具溫度指和制品接觸的型腔表壁溫度。它對熔體的流動性與塑件的內在和外觀質量影響很大。模具溫度越低，冷卻速度越快，熔體溫度降低得越迅速，造成熔體粘度增大、壓力損失增加，嚴重時會引起充模不足。隨著模具溫度的增加，熔體流動性增加，所需充模壓力減小，制品表面質量提高，但由于冷卻時間增長，生產效率會下降，同時制品的成型收縮率增大，精度降低。

24、合理的、分布均勻的模具溫度，可以有效地改善熔體的充模流動性能、塑件的外觀質量及物理力學性能，還會 會使塑件收縮均勻，翹曲變形小。 模具溫度的高低取決于塑料結晶性、塑件的尺寸和結構、性能要求以及其他工藝條件（熔體溫度、注射速度及注射壓力、成型周期等）。 對于非結晶型材料，模具溫度對其成型性能和塑件性能的影響如圖4-10所示，可知溫度對塑件力學的影響較小。在保證順利充模的前提下，采用較低的模具溫度可縮短冷卻時間提高生產效率。 對于結晶型材料，模具溫度較高時會減小冷卻速率，利于結晶，故能提高制品的密度或結晶度。同時制品中聚合物大分子過程較快，分子取向作用和內應力都會降低。模具溫度可控制在玻璃化溫度T

25、g與最大結晶溫度T vmax 之間如圖4-11所示。 （3）脫模溫度 只有當熔體在模具內冷凝獲得要求的形狀和足夠的強度是才能脫模為保證脫模是不變形，一般應使塑件的脫模溫度低于塑件的熱變形溫度。 2.壓力 （1）塑化壓力 塑化壓力是指采用螺桿式注射機時，塑料塑化過程中所能承受的壓力。 塑化壓力的大小應根據塑料品種而定，對于熱敏性塑料，塑化壓力應低些，以防止塑料塑料過熱分解；對熱穩 定性高的塑料，塑化壓力高時不會有分解的危險；對熔體粘度大的塑料，背壓過高容易使螺桿傳動系統超載；對于粘度很低的塑料，塑化壓力要低些，否則因熔體倒流使塑化效率將大為降低。 2）注射壓力 注射壓力是指注射時柱塞或螺桿對塑料

26、熔體所施加的壓力，一般在40-130MPa之間。其作用是克服塑料熔體從機筒流向型腔的流動阻力，使熔體具有一定的充模速率和對熔體進行壓實等。選擇注射壓力時，首先應考慮注射機所允許的注射壓力，并在其額定范圍內調整制品所需要的注射壓力。注射壓力過低時會 導致型腔壓力不足，不能實現充模和保壓補縮；注射壓力過大，不僅會造成制品變形，甚至系統過載。部分塑料的注射壓力見表4-5. 注射壓力的大小取決于塑料品種、注射機類型、模具結構、塑件形狀尺寸和表面質量及其他工藝條件，尤其是澆注系統的結構和尺寸。為了保證塑件的質量，對注射速率有一定要求，而注射速率與注射壓力有直接關系。在同樣條件下，注射壓力越高，注射速率也

27、越高。對于熔體粘度高的塑料，其注射壓力應比粘度低的塑料高；熔體與模具間的摩擦因數越高，注射壓力應越高；對壁薄、面積大、形狀復雜及成型時熔體流程長的塑件，注射壓力也應提高，而塑件結構簡單，澆口尺寸較大時，注射壓 力可以偏低；對于柱塞式注射機，因機筒內壓力損失較大，其注射壓力應比螺桿式注射機的高；機筒溫度和模具溫度較高時，注射壓力可以較低。注射壓力對塑料成型性能的影響如圖4-12所示。由于影響注射壓力大小的因素較多，一般要經過試模才能確定。 型腔充滿后，注射壓力將主要用于對模內熔體的壓實，或稱保壓。在生產中，保壓壓力可等于注射壓力或適當降低。保壓壓力高，可得到密度較高、尺寸收縮小、力學性能較好的塑件，但塑件脫模困難，脫模后的殘余應力較大，因此，保壓壓力應適當。 實際上，直接影響塑件質量