注射制模

注射制模 （injection molding）是一种生产由热塑性塑料或热固性塑料所构成的部件的过程。注射成型就是将塑料（一般为粒料）在注射成型机的料筒内加热熔化，当呈流动状态时．在柱塞或螺杆加压下，熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快速度注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间冷却定型后，开启模具即得制品。这种成型方法是一种间歇操作过程。它包括两个主要部分，一个注射装置和夹紧装置。注塑机中的模具可以固定在水平或垂直位置。大多数机器是水平方向的，但垂直机器用于一些特殊应用，此过程类似铸造，材料被注入到一个被加热的桶，混合（由固态熔化成粘稠的液态）后被挤进铸模。材料可以在铸模（型腔）中冷却和凝固成铸模的形状。通常是由工业设计者或者工程师完成产品设计，注塑用铸模是由铸模制造者（或模具制造者）所制造，通常是以钢或铝一类的金属制成，而所期望的部件的外形特征由精密机械加工而成的型腔来形成。塑胶射出成型能制作的物品广泛，举凡生活用品、汽车零件、医疗器材、电子产品、婴幼玩具等等都是制造的范围。可使用的材料与应用范围广，因为钢模可以制作复杂、高精度、多样的成品，但相对的开模成本也高，因此通常会提高产量来分摊模具成本。

## 历史

在1868年，海雅特开发了一种他命名为赛璐璐的塑料。虽然赛璐璐已经于1851年由亚历山大・帕克斯发明，但海雅特改善它，使它能够被加工为成品形状。海雅特同他的兄弟艾赛亚于1872年，注册了第一部柱塞式注射机的专利权。这个机比现代使用的机器相对简单。它运行起来基本地像一个巨大的皮下注射器针头。这个巨大的针头（扩散筒）通过一个加热的圆筒注射塑料到模具里。

在第二次世界大战期间，注射机生产了大量价格低廉的塑料产品。

1946年，美国发明家詹姆斯沃森亨德利建造了第一个注塑机，这使得更精确地控制注射速度和质量控制成为了可能。注塑机使材料在注射前混合，使彩色或再生塑料可被彻底与原生材料混合。1951年美国研制出第一台螺杆式注塑机，它并没有申请专利，至今仍被使用。

## 设备

### 机器

#### 注塑成型机的分类

注射成型机按外形特征可分为立式、卧式、直角式、旋转式和偏心式等多种，目前以卧式最为常用。按照工程塑料在料筒中熔融塑化的方式来分，常用的有柱塞式和螺杆式两种。柱塞式注射机由于存在塑化能力较低，塑化不易均匀，注射压力损耗大，注射速度较低等缺点，近年来很少发展。目前应用最广泛的是往复螺杆式注射机。

#### 模具

利用本身特定形状，使塑料(或聚合物)成型为具有一定形状和尺寸的制品的工具称模具。模具的作用在于：在塑料的成型加工过程中，赋予塑料以形状，给予强度和性能，完成成型设备所不能完成的工作，使它成为有用的型材(或制品)。

对下同的成型方法，采用原理和结构特点各不相同的模具；按照成型加工方法把根具分为：压制模具(压模)、压铸模(传递成型模)、中空吹塑模具、真空或压力成型模具、挤出模具(机头)及注射模具等。其中最主要的是挤出模具及注射模具。用于注射成型的模具，出于制品结构、成型设备及原材料性质的不同，其具体结构可以千变万化，然而其基本结构都是一致的。注射模具主要由浇注系统、成型零件和结构零件三大部分所组成；浇注系统是指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、浇口等。成型零件系指构成制品形状的各种零件；包括动、定模型腔、型芯、排气孔等。结构零件，是指构成模具结构的各种零件；包括执行导向、脱模、袖芯、分型等动作的各种零件。

## 影响的材料特性

### 成型试验

最佳的品质和生产的射出成型，相关参数设置严重影响成本。

- 保压，以防止缩痕，持续时间应用的基础上保压压力，越厚的一部分，保压时间越长。反之越薄越短。
- 冷却时间，一旦开始注射阶段已完成。熔化塑料的温度越高冷却时间越长，越厚的部分产生的冷却时间越长。

## 注射成型工艺条件

注射成型最重要的工艺条件是影响塑化、流动和冷却的温度、压力和相应的各个作用时间等。

### 温度

注射成型过程中需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度等。前两种温度主要影响塑料的塑化和流动，而后一种温度主要是影响塑料的流动和冷却。

#### 料筒温度

料筒温度的选择一般应保证物料塑化良好，能顺利实现注射又不会引起塑料分解。影响料筒温度的主要因素有：不同种类塑料的特性、塑料制品的厚薄及形状以及注射成型机的类型。

#### 喷嘴温度

喷嘴温度通常要略低于料筒最高温度，这是为了防止熔料在直通式喷嘴发生流延现象。但是，喷嘴温度也不能过低，否则将会造成填充压力增加，或无法射出。

## 注射系统

注射系统是注塑机的主要部分，其作用是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，通过螺杆或柱塞的推挤注射入模。注射系统包括：加料装置、料简、螺杆(或柱塞及分流梭及喷嘴等部件。

### 加料装置

注塑机上设有加料斗，常为倒圆锥形或锥形，其容量可供注塑机1—2小时之用。很多注塑机的加料装置中有计量器，以便定量或定重加料；有的还有加热或干燥装置。

### 料筒

与挤出机的料筒相似，但内壁要求尽可能光滑，呈流线型，避免缝陕、死角或不平整处；各部分机械配合要精密。料筒大小决定于注塑机最大注射量。柱塞式注塑机的料筒容量常为最大注射量的4—8倍；螺杆式注塑机因有螺杆在料筒内对塑料进行搅拌和推挤作用，传热效率高，混合塑化效果好，因而料筒容量一般仅为最大注射量的2—3倍。料筒外部有加热元件，可分段加热，通过热电偶显示温度，并通过感温元件控制温度。

### 分流梭和柱塞

都是柱塞式注射机料筒内的主要部件。分流梭是装在料筒靠前端的中心部分，形状似鱼雷的金属部件。其种类很多，下图所示为常见的一种。其表面常有4—8个呈流线型的凹槽，槽深随注射机容量而变化，一船约为2—10毫米，分流梭上有几条凸出筋；将其支承于料简上，起定位和传热作用。

#### 分流梭的作用

分流梭的作用是将料筒内流经此处的塑料分成薄层，使塑料产生分流和收敛流动；以缩短传热导程，加快热传递，有利于减少和避免接近料筒壁面处塑料过热引起的热分解现象。同时塑料熔体分流后，在分流梭表面流速增加，剪切速率加大，从而产生较大的摩擦热，使料温升高．粘度下降．塑料得到进一步混合和塑化，这就有效地提高了柱塞式注塑机的生产率和制品的质量。

螺杆式注塑机通常不需分流梭，因螺杆的均化段已具上述效果。

### 螺杆

它的作用是送料、压实、塑化、传压。当螺杆在料筒内旋转时，将从料斗来的塑料卷入，并逐步将其压实。排气和塑化，熔化塑料不断由螺杆推向前端。并逐渐积存在顶部与喷嘴之间，螺杆本身受熔体的压力而缓慢后退，当积存熔体达到一次注射量时，螺杆停止转动，传递液压或机械力将熔体注射入模。螺杆的形式和结构与挤出机螺杆相似。

但注射螺杆的长径比L／D较小，约在10一15之间，压缩比较小，约为2—2．53，与挤出机螺杆比较．注射螺杆的均化段长度较短，螺槽较深(约深15—25％)；但螺杆加料段长度则校长；同时螺杆头部呈尖头形(挤出螺杆为圆头或鱼雷头形)。与挤出螺杆的作用相比，注射螺杆只起预塑化和注射两个作用，对塑化能力、压力稳定以及操作连续性和稳定性等的要求没有挤出机螺杆那么严格。同时注射螺杆既可旋转又能前后移动，从而能完成对塑料的塑化、混合和注射作用。推动螺杆或柱塞对熔融塑料施加的压力主要来源于液压力或机械力，由于液压传动平稳、保压好和可调节压力等优点，故绝大多数注射机都采用液压传动。

### 喷嘴

喷嘴是连接料筒和模具的重要桥梁，主要作用是注射时引导塑料从料筒进入模具，并具有一定射程。所以喷嘴的内径一般都是自进口逐渐向出口收敛，以便与模具紧密接触。由于喷嘴内径不大，当塑料流过时速度增大，剪切速率增加，能进一步混合塑化。

## 射出过程、控制参数

### 射出周期

在成型周期区分5个主要步骤：

整个程序中的一开始塑料注入模具到塑料完成品称为注塑周期。

1.模具合起。(合模)

2.然后注入塑料到模腔充满后，保压保持用以弥补材料收缩。(填充)

3.螺杆旋转，让塑料填充到待注室至满载，让螺杆退至后段已准备下一次注入模具所需塑料的量。(保压/计量)

4.一旦塑料完成品充分冷却。（冷却）。

5.模具打开即可顶出塑料完成品。(顶出)

### 时间函数

所花费的时间，使产品采用注射成型计算：

模具打开 /关闭时间（2M）

- 注射时间（T）

- 冷却时间（C）

- 顶出时间（E）

其中要找出T是要：

模具尺寸（V）/ 流动率（R）

总共时间 = 2M + T + C + E T = V/R

V = 模腔尺寸 (in3)

R = 物质流率 (in3/min)

### 公差和表面

隐藏的成本要素，射出成型制品不可能跟机械加工制品一样，虽然大多数人都意识到这一点，但还是常常被要求到无法达成的标准，或使模具成本效益变低，致使生产困难。成型误差有一个指定的容许值，对差的参数，如尺寸、重量、形状或角度等，以最大限度地控制在设定的公差通常有最低和最高限额的厚度。

模具类型｜通常（英寸）｜可能（英寸）

热塑性｜±0.008｜±0.002

热固性｜±0.008｜±0.002

### 润滑

润滑除了是机器关节运作顺畅的保证，同时也具备防锈的功能。

### 冷却

在注射制模中由于是要将塑料加热变为可塑状态，所以在注射装置部分中设有待注压筒（加热器）和加热装置，通常在一部压机中需要考虑冷却的部分大致是以下四方面：

1.模具模冷却：模具必须进行冷却，以便为生产得以进行。由于水相当廉价，所以水是作为初级冷却剂来冷却模具，水可以通过引导模具缩短快速冷却时间。通常较冷模具更有效，因为这样可以有更快的生产周期时间。但是，这不一定是正确的，因为部分材料太冷反而有反效果。

2.料栓冷却：由于加热装置使待注射筒变热，因热之传导关系，会引起与待注压筒相连接料栓变热，使在这里之塑料融结。为了防止热之传导，在靠近料栓附近设有冷却装置。

3.油的冷却：油是压机中液压传动的介质。在不断的传压过程中渐渐的变热，这个热的结果会使啷筒中防漏油胶圈容易损坏，若温升过高更会引起啷筒各构件膨胀得厉害，因而使压机之效率降低，所以在每部压机中均设有油的冷却装置。

4.柱塞的冷却：在一些较大容量的压机中，柱塞是要冷却的，因为柱塞是直接将冷的塑料推到热的待注压筒中，若长期工作中也会引起温度升高，若不冷却则有可能将推入压筒的塑料拖带回来而在料栓附近融结。故此又须冷却。

### 加热温度要求

在这个过程中所需的温度取决于注塑物品，不同材料之间使用，需求取决于“物质的比重，熔点，导热系数，零件尺寸和成型率。下表将提到有关最常用的材料。

材料｜比重｜熔点 (°C)

环氧树脂｜1.12 to 1.24｜120

酚醛树脂｜1.34 to 1.95｜120

尼龙｜1.01 to 1.15｜194 to 265

聚乙烯｜0.91 to 0.965｜110 to 117

聚苯乙烯｜1.04 to 1.07｜170

## 添加剂

添加剂有很多种，有润滑剂、氧化防止剂、热稳定剂、强化剂等等。部分原料必须加入添加剂才能做的出塑胶成品。

## 塑胶射出成品的缺陷与补救

大部分问题的原因及对策大多数与周期的稳定有关。

成型上缺点，有些发生在机器性能、模具设计或是原料特性本身外，大部分问题可靠调整来解决。有些缺点及原因仅限于某些原因，有些缺点是同一原因之过与不及。

- 《塑胶物性入门》，陈世春 译，复汉出版社
- 《注射成型塑料制品的生产》，刘大林 译，大孚出版社