聚合物成型加工原理及技术

Southwest university of science and technology

聚合物成型原理及成型

技术作业

注射成型技术及其进展

学院名称材料科学与工程

专业名称材料工程

学生姓名赵健

学号20013010028

指导教师彭碧辉

二〇一四年一月

注射成型技术及其进展

摘要：介绍了注射成型，主要的注射成型机及其运用原理，应用现状和主要

特点，重点介绍了注射成型技术的一些新特征及几种主要的注射成型新技术，分析并展望了注射成型技术的发展趋势。

关键词：注射成型；注射成型机；注射成型工艺；注射成型新技术

0 前言

注射成型是将注射机熔融的塑料，在柱塞或螺杆推力作用下进入模具，经过冷却获得制品的过程。塑料在注塑机加热料筒中塑化后，由柱塞或往复螺杆注射到闭合模具的模腔中形成制品的塑料加工方法。此法能加工外形复杂、尺寸精确或带嵌件的制品，生产效率高。【1】大多数热塑性塑料和某些热固性塑料（如酚醛塑料）均可用此法进行加工。用于注塑的物料须有良好流动性，才能充满模腔以得到制品。

注射成型与其它成型方法相比有一些明显优点：其一是可加工的塑料种类繁多,除聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯等极少数品种外,几乎所有的热塑性塑料( 通用塑料、纤维增强塑料、工程塑料)、热固性塑料和弹性体都能用这种方法方便地成型制品；其二是能一次成型外形复杂、尺寸精确可带有各种金属嵌件的塑料制品, 制品的大小由钟表齿轮到汽车保险杠,用注射成型生产塑料制品的品种之多和花样之繁是其它任何塑料成型方法都无法比拟的；其三是成型过程自动化程度高, 其成型过程的合模、加料、塑化、注射、开模和制品顶出等全部操作均由注射机自动完成。

注射成型作为高分子加工中重要的成型方法之一，已发展和运用得相当成熟，国民经济的各个领域都有广泛应用。统计结果表明，注射成型用塑料量约占整个塑料产量的35%，并有逐年增长的趋势，在国民经济的各个领域都有广泛应用。随着注射工艺、理论和设备的研究进展, 注射成型也已应用于部分热固性塑料、泡沫塑料、多色塑料、复合塑料以及增强塑料的成型中。注射成型总的发展趋势是向精密、节能、自动化、薄壁化和微型化发展。【2】

1 注射成型设备

1.1注射成型机

注射成型的主要设备是注射机，即注射成型机。注射机由注射装置、合模装置和注塑模具三部分组成。注塑机的规格有两种表示法：一种是每次最大注射体积或重量，另一种是最大合模力。注塑机其他主要参数为塑化能力、注塑速率和注射压力。

图1-1 注射机 （1）注射装置

注塑机的主要部分。将塑料加热塑化成流动状态，加压注射入模具。注射方式有柱塞式、预塑化式和往复螺杆式。后者具有塑化均匀、注射压力损失小、结构紧凑等优点，应用较广泛。

（2）合模装置

用以闭合模具的定模和动模，并实现模具开闭动作及顶出成品。

（3）注塑模具

简称注模。它由浇注系统、成型零件和结构零件所组成。①浇注系统是指自注射机喷嘴到型腔的塑料流动通道；②成型零件是指构成模具型腔的零件，由阴模、阳膜组成；③结构零件，包括导向、脱膜、抽芯、分型等各种零件。模具分为定模和动模两大部分，分别固定于合模装置之定板和动板上，动模随动板移动

而完成开闭动作。模具根据需要可加热或冷却。

图1-2 典型注射模具的基本结构

1.2主要的注射成型机

1.2.1注射压缩成型机

注射压缩成型是在将熔融树脂充模的过程中,进行压缩,以降低在注射成型中容易产生的分子取向,达到减少制品变形的成型方法。具体的过程是：首先将模具打开一定量，大小即为压缩行程量，再将熔融树脂注入模具型腔，在注射工序的时间内开始进一步合模,最终通过锁模力将尚未固化的型腔中的树脂压缩, 制得制品。

注射压缩的特征如下:

（1）可以实现小的锁模力、低的注射压力的薄壁成型。

（2）成型制品内部的内应力减小, 应变也小。

（3）成型制品的花纹的成型清晰度提高。

（4）因为模具内的流动阻力小, 可进行带有表皮的整体成型,这在以前的注射成型中是做不到的。

1.2.2无拉杆注射成型机

无拉杆注射成型机是一种无动定模板间拉杆的注射成型机,由著名的加拿大Eng el 公司首先开发成功。在登台亮相之初曾受到各方的非议,认为锁模力不够,但近5 年不仅获得承认,而且获得各种改进,在复合成型领域,如立式双工位嵌件注射成型、模内装饰注射成型机、多成分注射成型等, 在欧美确立了稳固的市场地位。

无拉杆注射成型机由于可以有效利用模板面积、便于更换模具和安装模具辅助部件,如用于管件生产时可以方便地安装抽芯油缸等,在市场开拓方面取得了进展,已经从中型注射成型机向着大吨位机型发展。【3】另外,也便于配置机械手,因此获得较快增长。

无拉杆注射成型机也用于薄壁注射成型机以及电动式注射成型机等,展现了无拉杆注射成型机的发展前景。

1.2.3微型成型机

微型成型是加工外形尺寸在1 mm 以下、重量在0. 0005 g( 0. 5 mg) 以下、具有必需精密度的微型结构零部件的方法。但是,事实上对于微型结构件的尺寸、重量和精度在世界上尚未有统一的定义,也有人认为外形尺寸要在0. 1 mm 以下的才能称为微型制品,也有人将这类成型机分成微型成型机与精密小型成型机两种的,前者主要用于医疗用的微型机械零部件,后者指锁模力在5 t 以上的小型成型机,主要用于钟表齿轮等微小制品的成型。【4】微型成型采用模具表面瞬时加热和型腔内脱气技术进行成型,模具表面加热采用介电加热,微型结构件的材料可以是塑料、金属和陶瓷等。

1.2.4预柱塞式注射成型机

预柱塞式注射成型机是指以使熔融树脂的PVT特性稳定为目的而在结构上将塑化部分和注射柱塞部分分开的注射成型机。

螺杆预柱塞式注射成型机作为螺杆往复式注射成型机的前身早就登过场了, 但因为结构复杂、材料高温滞留时间长( 易造成材料分解) 、材料换色不方便等, 被置换成目前的螺杆往复式注射成型机。【5】

各公司采用的各种方法,围绕熔融树脂的粘度和密度的尽可能均匀化以及逆流的防止,克服螺杆预柱塞式注射成型机的缺点,开发出了与原来的螺杆预柱塞式注射成型机几乎完全不同的新型螺杆预柱塞式注射成型机。

图1-3 预柱塞注射成型机结构示意

1.2.5电动式注射成型机

1983年,日精树脂工业公司率先开发成功电动式注射成型机,由于当时受到伺服电机的限制,再加之主要考虑节能,电动式注射成型机被限制在300t以下的小机型范围内,有人甚至认为电动式注射成型机仅适宜于小型机,用途也只限于成型各种棱镜。但是最近这一限制已被突破, Ube Machinery 公司日前开发了世界最大的电动式注射成型机,其锁模力高达1550t ,共采用了7台伺服电机。可以说,电动式注塑机正在掀起一股旋风,在日本国际塑料展览会和NPE 2000上展出的电动式注射成型机数量甚至超过了普通的注射成型机。【6】

电动式注射成型机之所以受到广泛关注是由于它具有如下的优点:

（1）成型周期短:各动作相对独立,可以利用伺服电机进行最佳化的开闭模控制,缩短了成型周期；

（2）节能:电动式注射成型机的电力消耗仅为液压式注射成型机的1/3左右, 而且越是大型注射成型机,节能越明显；

（3）易于控制:电动式注射成型机的可控好,所以稳定性高,即控制精度高；

（4）无污染:由于不使用操作油,电动式注射成型机不需要冷却操作油的设，节省了资源,无漏油、漏水现象,可以保持工作场地的清洁。

图1-4所示为电动式和液压式注射成型机成型周期的对比。

图1-4 电动式注射成型机缩短成型周期的概念

1.3注射成型工艺

1.3.1注射成型工艺流程

1.3.2注射成型的工艺特征

（1）所用主机为注射机；

（2）所用模具为注射模；

（3）制品形状为口大肚小的制品（见实物）与压制成型的制品相同；但与压制工艺相比，注射的制品精度更高，效率更快；因为是自动化生产；

（4）生产方式为周期性生产；

（5）适宜加工的原料为：大部分热塑性塑料。

2 注射成型技术进展

2.1注射成型技术的新特征

近年来,为了不断满足高分子制品向高度集成化、高度精密化、高产量等方面发展的要求,实现对制品材料的聚集态、相形态、组织形态等方面的控制,或实现对制品进行异质材料的复合,最大程度地发挥聚合物的特性,达到制品高性能的目的。【7】注射成型技术的发展主流一般以多种方式的组合为基础,具有如下技术特征:(1)以组合压缩或压制过程为特征的注射成型方法,如注射压缩成型、注射压制成型、表面贴合成型等;(2)以组合惰性气体为特征的注射成型方法, 如气辅注射成型、微孔泡沫塑料注射成型等;(3)以组合不同材料为特征的注射成型方法, 如镶嵌成型、夹心成型、多材质复合成型、多色复合成型等;(4)以组合取向或延伸过程为特征的注射成型方法, 如磁场成型、注拉吹成型、剪切场控制取向成型、推拉成型、层间正交成型等;(5)以组合混合混配为特征的注射成型方法, 如直接( 混配) 注射成型等;(6)以组成化学反应过程为特征的注射成型方法, 如反应注射成型、注射涂装成型等。

2.2注射成型新技术

2.2.1电磁动态塑化注射成型

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。【8】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。

2.2.2熔芯注射成型

当需用注射成型结构上难以脱模的塑件，如汽车输油管和进排气管等有复杂形状的空芯塑件时，一般是将它们分成两半成型，然后再拼合起来，致使塑件的密封性较差。随着这类塑件应用的日益广泛，人们将类似失蜡铸造的熔芯成型工艺引入注射成型，形成了所谓的熔芯注射成型方法。

熔芯注射成型的基本原理是先用低熔点合金铸造成可熔型芯，然后把可熔型芯作为嵌件放入模具中进行注射成型，冷却后把包含有型芯的制件从模腔中取出，再加热将型芯熔化。为缩短型芯熔出时间，减少塑件变形和收缩，一般采用油和感应线圈同时加热的方式，感应加热使可熔型芯从内向外熔化，油加热熔化残存在塑件内表面的合金表皮层。【9】

熔芯注射成型已发展成一专门的注射成型分支，实现批量生产的是伴随着汽车工业对高分子材料的需求而有所突破，尤其是汽车发动机的全塑多头集成进气管的应用。网球拍手柄是首先大批量生产的熔芯注射成型应用实例。其它的新的应用领域有汽车水泵、水泵推进轮、离心热水泵、航天器油泵等。

2.2.3气体辅助注射成型

气体辅助注射成型是自往复式螺杆注塑机问世以来,注射成型技术最重要的发展之一。它通过高压气体在注塑制件内部产生中空截面,利用气体保压,减少制品残余内应力,消除制品表面缩痕,减少用料,显示出传统注射成型无法比拟的熔体完全充填过程。气体辅助注射的工艺过程主要包括三个阶段:

起始阶段为熔体注射,把塑料熔体注入型腔,与传统注射成型相同,但使熔体只充满型腔的60%-95%,具体的注射量随产品而异。

第二阶段为气体注入,把高压惰性气体注入熔体芯部,熔体前沿在气体压力的驱动下继续向前流动,直至充满整个型腔。气辅注塑时熔体流动距离明显缩短, 熔体注射压力可以大为降低。气体可通过注气元件从主流道或直接由型腔进入制件。因气体具有始终选择阻力最小(高温、低粘) 的方向穿透的特性, 所以需要在模具内专门设计气体的通道。

第三阶段为气体保压, 使制件在保持气体压力的情况下冷却,进一步利用气体各向同性的传压特性在制件内部均匀地向外施压,并通过气体膨胀补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩(二次穿透),保证制品外表面紧贴模壁。

2.2.4夹芯注射成型

夹芯注射成型是在结构发泡成型技术的基础上发展起来的一种新的成型方法,它应用两个注射单元,先向模腔注射一种塑料熔体,而后再向模腔注入另一种塑料熔体,后一种塑料熔体完全被第一种塑料熔体包覆而形成芯层。利用夹芯注射成型技术可以制造皮层为硬质材料而芯层为发泡材料的厚壁塑件,通过不同材

料的组合可以获得特别性能的塑料。【2】

夹芯注射成型生产的制品可充分利用每一种材料的优势,作到物尽其用,与普通注射成型相比具有以下优点:

（1）较大的抗翘曲变形刚性；

（2）厚壁塑件表观质量好,无凹陷；

（3）芯层料采用两次料可降低成本；

（4）软、硬配料结合,可成形各种纹理塑件；

（5）外观光滑,不必专门修饰；

（6）可生产特别性能塑件。

为充分发挥夹芯注射成型的优势, 表层材料和芯层材料的选择应遵循: （1）两种材料必须有粘着力；

（2）两种材料膨胀和收缩系数要相近或几乎相等,否则会出现分层现象；

（3）表层和芯层材料的热稳定性及流动性要相近。

3 结论与展望

塑料注射成型技术曾经是汽车工业、电器电子零部件的基础技术,并推动这些行业的飞速发展,21世纪,塑料注射成型技术将成为信息通讯工业的重要支持。另外,注射成型技术也将为医疗医药、食品、建筑、农业等行业发挥作用。在需求行业的推动下,注射技术及注射成型机也将获得进一步的发展。【10】在传统注射成型技术基础上创新或揉合其它先进技术,利用“杂交优势”出新, 仍是注射成型技术发展的主流。新技术使制品用料更省, 性能更高。“水辅助注射成型”、“薄壁注射成型”金属粉末注射成型”等这些似乎尚有些陌生的术语, 已在企业得到应用。塑料成型加工技术的发展仍在继续, 其近期发展趋势是：

（1）为提高加工精度缩短制造周期, 在模具加工技术方面更广泛地应用仿形加工、数控加工等；

（2）由基本上不改变原有性能的保质成型加工向赋予塑料型新性能的变质性成型加工技术发展, 如发泡成型、借助电子束与化学交联机使热塑性塑料在成型过程中进行交联反应的交联挤出等；

（3）由单一性技术向组合性技术发展, 如注射一拉伸Ξ吹塑成型技术和挤出一模压一热成型技术等；

（4）广泛应用模具新材料。模具材料的选用直接影响到模具的加工成本、使用寿命以及塑料制品的成型质量等,因此, 国内外己开发出许多具有良好使用性能加工性能, 热处理变形小的新型塑料模具钢, 如预硬钢、新型淬火回火钢、马氏体时效钢、析出硬化钢和耐腐蚀钢, 经过试用, 均取得了较好的技术和经济效果；

（5）由常规条件下的成型技术向特殊条件下的成型技术发展, 如超高压和高真空条件下的塑料成型加工技术。【4】

参考文献：

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[2] 申长雨,陈静波,刘春太,李倩.工程塑料应用,1999,27(10):27-30.

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[5] 邢文.注射成型技术进展[J].现代塑料加工应用,2002,14(4):13-17.

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[7] 申长雨,李海梅,高峰.注射成型技术发展概况工程[J].塑料应用,2003,31(3):26-30.

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[10]吴智华.注射成型技术的发展动态.塑料包装，2001，11(4)：15-22.