塑料制品的注塑成型.ppt

第九章 塑料制品的注射成型,塑料制品的注射成型,注射成型就是将粒状或粉状塑料加入到注射机的料筒，经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞或螺杆快速而又连续的压力下，从料筒前端的喷嘴中以很高的压力和很快的速度注入到闭合的模具内。充满模腔的熔体在受压的情况下，经冷却（热塑性塑料）或加热（热固性塑料）固化后，开模得到与模具型腔相应的制品。,塑料制品的注射成型特点,间歇操作过程成型周期短生产效率高一次成型外形复杂、尺寸精确的制品成型适应性强，制品种类繁多容易实现 生产自动化，应用:几乎所有的热塑性塑料，多种热固性塑料，橡胶制品。,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,规格：注塑机规格：注射容量或注射容量/锁模力表示法。反映了注射机的加工能力。注射量：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注射量。锁模力：合模机构所能产生的最大模具闭紧力，反映了注射机成型制品面积的大小。,9.1 注塑机的基本结构,分类按塑料在料筒中的塑化方式分为两类：柱塞式和螺杆式 柱塞式：注射量一般60g以下，不适于热敏性，流动性差的塑料。按外形特征分为：立式，卧式，直角式等。按用途：热塑性塑料通用型，热固性塑料型，发泡型，排气型，高速型，多色，精密按合模机构：机械式，液压式，液压机械式,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,高速、精密和大型注射装置及低发泡注射方面有发展和应用,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,主要技术参数：包括注射、合模、综合性能等三个方面，如公称注射量、螺杆直径及有效长度、注射行程、注射压力、注射速度、塑化能力、合模力、开模力、开模合模速度、开模行程、模板尺寸、推出行程、推出力、空循环时间、机器的功率、体积和质量等。,9.1 注塑机的基本结构,注射机主要由注射系统、锁模系统、液压传动及电器控制系统、注射模具组成。,9.1 注塑机的基本结构,注射系统：使塑料均匀地塑化并达到流动状态在很高的压力和较快的速度下，通过螺杆或柱塞将熔体推挤注射入模。锁摸系统：实现模具的开闭动作，在成型时提供足够的夹紧力使模具锁紧，防止溢边，开模时推出模内制件。液压及电器控制系统：保证注射机在塑化、注射、固化成型各个工艺过程中按预定要求和动作程序准确有效地工作。目前常用的注射机一般是由油泵作压力来源，通过电器控制系统，可将高(低)压油经压力分配装置送往锁模系统，使模具开启和闭合退回，或送往注射系统使螺杆(或柱塞)前进或后退。模具：利用本身特定形状，使塑料(或聚合物)成型为具有定形状和尺寸的制品。,9.1 注塑机的基本结构,注射系统：料斗、料筒、螺杆(柱塞式注射机为柱塞和分流梭)喷嘴等。,料斗：设有计量装置，使加入料筒的塑料与从料筒注入模具的料量相等。料筒：柱塞式料筒较大，使塑料有足够的传热时间和传热面积。分流梭：使料分为薄层，塑料流体分流和收敛，缩短传热导程，产生剪切摩擦热，加强混合塑化，提高柱塞式注射机的生产效率及制品质量。,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,注射螺杆与挤出螺杆在结构上有如下区别：1)长径比较小，在10-15。压缩比较小，在2-2.5之间。2)均化段长度较短，但螺槽深度较深，可提高产量。加料段较长，约为螺杆长度的一半，提高塑化量。3)注射螺杆的头部呈尖头型，与喷嘴能很好的吻合。注射螺杆起预塑化和注射作用，是间歇操作过程，它对物料的塑化能力、操作时的压力稳定以及操作连续性等要求没有挤出螺杆那么严格。,9.1 注塑机的基本结构,挤出螺杆,9.1 注塑机的基本结构,注射螺杆,9.1 注塑机的基本结构,喷嘴：1)连接料筒和模具的通道。2)具有一定的射程。3)内径从入口至出口逐渐收敛。4）剪切塑化）结构与物料流动性有关。结构简单，阻力小，不出现流涎现象。可分为通用式，延伸式，弹簧针阀式。,9.1 注塑机的基本结构,通用式：结构简单，制造方便，无加热装置，压力损失小，应用：PE，PP，PS，PVC等通用塑料,延伸式：结构简单，制造方便，有加热装置，压力损失小，应用：PMMA，POM，PC，PSF等高黏度塑料,弹簧针阀式：自锁式喷嘴，结构复杂，制造困难，流程短，压力损失较大，应用：PA，PET等低黏度塑料,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,锁模系统：启闭模具系统的夹持力大小及其稳定性对注射制品的质量及其尺寸准确性都有很大的关系。,最常见的锁模系统：,9.1 注塑机的基本结构,液压传动与电器控制系统：,为保证注射机实现塑化、注射、固化成型各个工艺过程的预定要求和动作程序设置的动力和控制系统。包括：电动机、油泵、管道、各类阀件和其他液压元件及电器控制箱等。一般注射机以油泵为压力来源。现发展全电动注射机。,9.1 注塑机的基本结构,注射模具：浇注系统、成型部件和结构零件等三大部分组 成。浇注系统：塑料熔体从喷嘴进入型腔前的流道部分，包括主流道、分流道、冷料井和浇口等。成型部件：构成制品形状的部件，包括动模、定模、型腔、型芯和排气孔等。结构零件：构成模具的各种零件，包括导向柱、脱模装置、抽芯机构等。,9.1 注塑机的基本结构,9.1 注塑机的基本结构,注射模具：浇注系统、成型部件和结构零件等三大部分组 成。,9.2 注射机的工作过程,合模与锁紧：注射机的成型周期一般以合模为起点。低压快速合模，高压锁模。注射装置前移：使喷嘴和模具浇道口贴合。注射：注射螺杆或柱塞前移，以高速高压将料筒前部的熔体注入型腔，并从模具分型面排气。,9.2 注射机的工作过程,保压：补充熔体冷却收缩产生的缺料，直到浇口冻结。保证制品的致密性、尺寸精度和强度。制品冷却与预塑化：浇口冻结后，卸去保压压力，制品的继续冷却定型与螺杆的预塑化同时进行。,9.2 注射机的工作过程,注射装置的后退和开模顶出制品：注射装置的后退是防止喷嘴与冷模接触使喷嘴内的物料温度过低影响注射。冷却定型后开启模具顶出制品。,9.3 注射过程原理,热塑性塑料的注射过程包括加料、塑化、注射充模、冷却固化和脱模等工序，其中关键是塑化、流动和冷却。,9.3 注射过程原理,一、塑化过程：,塑化：使物料在料筒内受热达到充分熔融状态，且具有良好可塑性。,要求：塑化质量良好，塑化效率高塑化质量：熔体温度均匀性，组分均匀性，密度均匀性，黏度均匀性塑化效率（塑化能力）：单位时间内，料筒熔化塑料的质量,9.3 注射过程原理,料筒温度,加热时间,螺杆转速,背压,工艺条件,塑化质量和塑化效率取决于,塑料受热情况（料筒外加热）,受到剪切作用（剪切摩擦热，混合分散）,背压：螺杆后退时所受到的阻力。背压，螺杆后退慢，加热塑化时间长，摩擦热，熔体温度，塑化质量，塑化效率,9.3 注射过程原理,1.热均匀性：用加热效率E表示，E值高，有利于塑料的塑化。,T塑料实际达到的温度T0塑料初始温度Tw料筒内壁温度,9.3 注射过程原理,E值影响因素：增加料筒长度和传热面积，或延长塑料的受热时间和增大塑料的热扩散速率，可提高T值，从而提高E值。,-热传导系数热扩散速率C比热密度,9.3 注射过程原理,E值影响因素：料层厚度，E值提高。例如，柱塞式注射机料筒前端的分流梭。塑料温度分布也影响E值。E值不应小于0.8,9.3 注射过程原理,2.塑化能力：柱塞式注射机取决于加热料筒的塑化能力和注射成型周期。影响因素：停留时间，加热温度，塑料性质，传热面积，加热物料的体积。,qm-塑化能力，kg/hW-注射量，gt-一个注射周期，s,9.3 注射过程原理,9.3 注射过程原理,螺杆式注射机，由于剪切引起摩擦热，其温升值为：影响因素：螺杆直径D、转速n、螺槽深度H、塑料比热C、熔体粘度,剪切摩擦热使螺杆式注射机的加热效率提高，塑化质量和塑化效率提高。,9.3 注射过程原理,3.料温分布：,9.3 注射过程原理,二、注射充模过程：,塑化良好的塑料熔体，在柱塞或螺杆的推动下，由料筒前端经喷嘴和模具浇注系统进入并充满模腔的过程。,9.3 注射过程原理,1.注射成型周期（1）充模阶段（2）保压阶段（3）倒流阶段（4）冻结后的冷却阶段,注射成型周期：完成一次注射成型过程所需的时间。（该周期缩短，生产率提高）。,9.3 注射过程原理,注射充模过程中的温度变化和压力损失直接影响到注入模腔熔体的温度和压力。,温度变化,压力损失,喷嘴中,浇道中,料筒内,喷嘴中,浇道中,9.3 注射过程原理,2.熔体在喷嘴中的流动,假塑性幂律流体等温通过截面圆管的流动压力损失,压力损失：粘度、喷嘴长度L、体积流量qv,喷嘴直径，压力损失（尤其喷嘴直径影响最大）,9.3 注射过程原理,温度变化：剪切速率，黏度。压力损失通过内摩擦作用转化为热量，熔体流经喷嘴处的温升T主要由压力损失决定。喷嘴温度变化相关的工艺条件：注射压力，注射速度。,熔体密度Cp熔体定压比热容J热功当量,9.3 注射过程原理,3.塑料在模具浇注系统中的流动,温度和压力的变化与流过喷嘴类似，还与冷浇道系统和热浇道系统有关。,热浇道：影响温度和压力变化的因素与喷嘴相似，温度在粘流温度或熔点之上。冷浇道：形成冷凝料壳层，塑料热扩散系数，熔体温度，流速，壳层厚度，浇道截面积，壳层形成后具有保温作用。,9.3 注射过程原理,在尽量短的时间内有足够量的熔体充满模腔是充模过程的基本要求，即充模时应有较高的体积流率。体积流率与浇口面积有关。,浇口面积,体积流率,剪切速率黏度,体积流率,因此，浇口面积的增加有一个限值，多数情况下，减小浇口截面有利于体积流率的增加。,9.3 注射过程原理,高温熔体在低温模具中流动，熔体在该阶段的成型速率影响到聚合物的聚集态结构（取向和结晶），进而影响制品的质量,4.熔体在模腔的流动,9.3 注射过程原理,（1）熔体在典型模腔中的流动方式 与浇口的位置和模腔的形状和结构有关,9.3 注射过程原理,（2）熔体在模腔的流动类型,9.3 注射过程原理,影响喷射流的因素,浇口厚度制品厚度，易出现喷射流,塑料性质：结晶性低黏度塑料易出现喷射流（如PA，PET）,浇口形状和位置,工艺条件,注射压力注射速度熔体温度模具温度,防止喷射流的产生,9.3 注射过程原理,（3）熔体流的运动机理,1-初始阶段2-过渡阶段3-主阶段,充模时熔体前缘变化的各阶段,9.3 注射过程原理,（3）熔体流的运动机理,9.3 注射过程原理,（4）熔体充模流动长度充模过程中必须考虑的首要方面,充模流动长度,塑料的流动性和冷凝速度模腔厚度和宽度模温（对长度影响不大，主要影响凝固速度）注射压力料筒温度注射速度,工艺条件,9.3 注射过程原理,三、增密和保压过程：,1.增密过程（压实过程）,C点为压实阶段与保压阶段的切换点，该点的准确控制对注射制品的质量相当重要。,9.3 注射过程原理,2.保压过程：补偿因冷却收缩引起的缺料，该过程对制品的质量影响较大。工艺条件：保压压力，保压时间，模温,9.3 注射过程原理,四、倒流和冷却定型过程：,1.熔体的倒流,保压压力撤除后，若浇口未凝封，模腔内熔体倒流，浇口冻结点为凝封点E。保压时间越短，凝封点压力越低。（凝封压力高，凝封温度低，有利于降低模塑收缩率及提高制品尺寸精度）,9.3 注射过程原理,2.浇口冻结后的冷却,浇口凝封温度高，凝封压力低，则制品的密度小。凝封压力高，则制品的密度高，残余应力大，形成制品的内应力。凝封压力和温度可通过保压时间调节。,9.3 注射过程原理,制品脱模最佳条件,温度Tg残余压力Pr=0,制品在模内的最短冷却时间,热扩散系数制品壁厚模内熔体平均温度Ta模具温度Tb制品脱模温度Tc,9.4 注射成型工艺过程,注射成型工艺过程包括：成型前的准备，注射过程，制品的后处理。,9.4 注射成型工艺过程,一、成型前的准备：1.原料的预处理：配制，混合，造粒，着色，干燥。2.料筒的清洗：采取正确的操作步骤（掌握料筒内剩余料和新料的热稳定性、成型温度范围和各种塑料的相容性等技术资料）。3.嵌件的预热。4.脱模剂的选用（硬脂酸锌，液体石蜡，硅油等）。,9.4 注射成型工艺过程,二、注射过程：1.加料塑化 2.注射充模 3.保压 4.冷却 5.脱模,9.4 注射成型工艺过程,三、制品的后处理1.热处理（退火处理）：加速大分子的松弛过程，通过对结晶和取向等结构的影响，减小内应力，增加产品韧性，稳定尺寸退火温度：制件使用温度以上1020至热变形温度以下1020间选择和控制。退火热源或加热保温介质：红外线灯、鼓风烘箱以及热水、热油、热空气和液体石蜡等。,9.4 注射成型工艺过程,2.调湿处理：能在加热和保温条件下消除残余应力之外，还能促使制件在加热介质中达到吸湿平衡，以防它们在使用过程中不断吸水膨胀，长时间难以达到尺寸的稳定，发生尺寸变化。3.整修,9.5 注射成型工艺条件,注射成型最重要的工艺条件应该是足以影响塑化和注射充模质量的温度(料筒温度、喷嘴温度、模具温度)、压力(塑化背压、注射压力、保压压力)和相应的各个作用时间(注射时间、保压时间、冷却时间)以及注射周期等。影响温度、压力变化的预塑螺杆转速、加料量等也是必要的工艺条件。,9.5 注射成型工艺条件,1.温度：料筒温度，喷嘴温度塑料的塑化和流动模具温度塑料的成型,(1)料筒温度,料温对注射的影响：料温升高，熔体粘度下降，加工性改善，制品光洁度改善。料温过高，塑料热降解，制品性能下降。料温过低，模具内缺料，制品表面无光，有熔接痕，生产周期长。,9.5 注射成型工艺条件,料筒温度的选择：塑料的特性：料温:Tf（或Tm）Td 热敏性（PVC，POM），分子量分布宽，平均分子量低塑料，料筒温度低，反之，料筒温度较高。热敏性塑料，停留时间短。料筒各段温度分布：从料斗至喷嘴逐渐上升。对于Tf低，粘度高的塑料（PVC，PS，ABS），剪切摩擦热高，加料段温度低于Tf。对于Tm高，粘度较低的塑料（PA，HDPE），剪切摩擦热较小，加料段温度要高。,9.5 注射成型工艺条件,制品和模具的结构特点 制品壁薄，形状复杂，或带有嵌件的制品，料筒温度高；壁厚，反之（注射周期长，防止物料在料筒中停留时间长，热分解）塑料组成 玻璃纤维，填料，增塑剂,9.5 注射成型工艺条件,9.5 注射成型工艺条件,（2）喷嘴温度,塑料在注射时以高速度通过喷嘴的细孔，有一定的摩擦热产生，为防止塑料熔体在喷嘴可能发生“流涎现象”，通常喷嘴温度略低于料筒的最高温度。但喷嘴温度太低，会造成喷嘴堵塞加增大料流阻力，甚至会使喷嘴处的冷料在充模时带入模腔，影响制品的质量。喷嘴温度的选择还应考虑其他工艺条件对它的影响。喷嘴可通过“对空注射”观察调整。,9.5 注射成型工艺条件,（3）模具温度,模具温度决定了制品的冷却速度，影响充模流动行为，制品的机械性能和外观质量。冷却介质的温度TcTg为缓冷。,9.5 注射成型工艺条件,非结晶塑料：分子链刚性，粘度高，模温较高，如PC，PPO，反之，模温较低，注意低模温引起的充模不全。结晶型塑料：模温高低对结晶、取向结构及制品性能的影响？厚壁制品：模温不宜过低。模温高，成型周期延长，生产效率下降。,9.5 注射成型工艺条件,9.5 注射成型工艺条件,（1）螺杆转速、背压,螺杆转速提高，塑化质量提高或降低，塑化效率提高背压增加，排出空气，增加剪切和停留时间，塑化质量提高，塑化效率下降。注意背压对喷嘴流涎的影响螺杆长径比小，可增加背压,2.压力,9.5 注射成型工艺条件,9.5 注射成型工艺条件,2.注射压力、注射速度,选择注射压力大小的因素：塑料品种、制件的复杂程度、制件的壁厚、喷嘴的结构形式、模具浇口的尺寸以及注射机类型等，常取40200Mpa。,9.5 注射成型工艺条件,摩擦因数高，注射压力添加玻纤，填料，注射压力制品形状复杂，壁薄，形状和尺寸精度要求高，注射压力熔体温度低，模温低，应提高注射压力,9.5 注射成型工艺条件,流动比：指熔体自喷嘴出口处开始能够在模具中流至最远的距离与制件厚度的比值。不同的塑料具有不同的流动比范围，并受注射压力大小的影响。,9.5 注射成型工艺条件,9.5 注射成型工艺条件,9.5 注射成型工艺条件,注射速度,注射速度一般以单位时间内柱塞或短杆移动的距离(cms)或单位时间内注射塑料的体积或质量(M3s或gs)来表示。注射速度与注射压力密切相关。其他工艺条件和塑料品种一定时，注射压力越大，注射速度也就越快。,9.5 注射成型工艺条件,注射速度较高的优点：熔体流速较快，其温度维持在较高的水平，剪切速率具有较大值，熔体黏度较小，流动阻力相对降低，料流长度和模腔压力会因此增大，制件将比较密实和均匀，熔接痕强度有所提高，用多腔模生产出的制件尺寸误差也比较小。,注意防止喷射流的产生。,9.5 注射成型工艺条件,对于一定的模具：注射速度常由实 验确定，一般先低压慢速注射，然后则根据制品的成型情况来调整注射速度。通常对玻璃化温度高、粘度大的塑料，制品形状复杂，浇口尺寸小，流道长，薄壁制品的模具结构宜选用高速高压注射。,9.5 注射成型工艺条件,高压高速注射制品应进行退火处理很重要。,9.5 注射成型工艺条件,3.保压压力、保压温度、保压时间,9.5 注射成型工艺条件,聚合物比体积、温度、保压力之间关系分析：在较高的保压力或较低的温度条件下，可以使制件得到较小的比体积，即较大的密度，其中温度的影响可认为是塑料在低温下体积膨胀较小的结果。a、b两条虚线分别反应模腔中靠近浇口和远离浇口位置的比体积变化情况。很明显，塑料在靠近浇口的位置温度高、比体积大、密度小，冷却后的收缩也大，而在远离浇口的位置，情况则正好相反。,9.5 注射成型工艺条件,两图的差别：结晶的聚乙烯从高温到低温变化时曲线在100150左右具有一个明显的拐点，经此拐点之后，比体积在100一150左右急剧减小(聚苯乙烯无此现象)；在相同的保压力和温度范围下，聚乙烯的比体积变化幅度要比聚苯乙烯大得多。例如，在50250范围内，若取保压力为10MPa，则聚乙烯比体积的变化幅度约为30，而聚苯乙烯只有10左右；若取保压力为160 MPa，两者的比体积变化幅度又分别为22和3。,9.5 注射成型工艺条件,结论：保压力和温度对结晶聚合物的比体积或密度之影响比对非结晶聚合物的影响来得强烈，而且在100150左右，无论保压力大小如何，结晶聚合物的比体积都会迅速减小。所以生产中对制件密度要求较高时，同时需要选择合理的保压力和合理的温度条件，并且结晶聚合物的保压力和温度条件的控制尤其要严格一些。,9.5 注射成型工艺条件,9.5 注射成型工艺条件,4.注射成型周期（时间）,9.5 注射成型工艺条件,最重要的是注射时间和冷却时间,注射时间：包括流动充模时间和保压时间两部分。充模时间很短，一般约25s，大型和厚壁制品可达10s以上。保压时间依赖于料温、模温以及主流道和浇口的大小，在整个注射时间内所占的比例较大，约 20100s大型和厚制品可达25min，甚至更多；保压时间对制品尺寸的准确性有较大影 响，保压时间不够浇口未凝封，熔体会倒流，使模内压力下降，会使制品出现凹陷、缩孔 等现象。,9.5 注射成型工艺条件,冷却时间受熔体温度、模具温度、脱模温度和制件厚度等。（一般制件约取30 120s）,确定闭模冷却时间的原则：制件脱模时具有一定刚度，不得因温度过高翘曲和变形。在满足此原则的前提下，冷却时间应尽量短否则，以缩短成型周期、提高生产效率，冷却时间长对复杂制件会造成脱模困难。,作业：,1、为什么热稳定性差的塑料不宜采用细孔喷嘴高速注射充模？2、需要进行后处理的制品？3、简述螺杆转速和背压对塑化过程的影响。,