探究塑料注塑成型的实验方法

2.3.1 实验目的

（1）了解热塑性塑料注塑成型的基本原理。

（2）了解柱塞式注塑机和螺杆式注塑机结构上的区别，熟悉螺杆式注塑机各部件的功能。

（3）熟悉注塑成型的工艺过程及其操作方法。

（4）了解注塑成型的工艺参数对塑料制品性能和质量的影响。

2.3.2 实验原理

注射成型是塑料成型加工中一种重要的方法，应用十分广泛，除极少数几种热塑性塑料外，几乎所有的热塑性塑料及多种热固性塑料都可用此法成型。热塑性塑料的注射成型又称为注塑成型，它兼具注射和模塑的双重特性，通过注塑成型可得到各种形状并满足各种要求的模制品。注塑成型制品约占塑料制品总量的20％～30％。

通用的注塑方法是将聚合物组分的粒料或粉料加入到注塑机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用使物料得到均化和熔融，然后在注射机柱塞或移动螺杆的快速、高压、连续地推动下，以很大的流速通过料筒前面的喷嘴和模具的浇道系统将熔体注射到预先闭合好的低温模腔中，而充满型腔的熔体在受压情况下经过一段时间的冷却定型后，开模，将得到具有和型腔相同几何形状和尺寸精度的塑料制品。

注塑成型的一个模塑周期从几秒钟至几分钟不等，时间的长短取决于产品的大小、形状、厚度、注塑机的类型及所采用的塑料品种和工艺条件等因素。注塑成型的成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料模制品，并具有对成型各种塑料的适应性强、生产效率高、易于实现自动化生产等优点。

注塑成型所用的设备叫注塑机。按外形特征分类，注塑机可分为卧式注塑机、立式注塑机、角式注塑机（L型）、多模注塑机等；按塑化方式分类，注塑机可分为柱塞式和螺杆式两种。柱塞式注塑机发展最早且应用广泛，制造及操作工艺都比较简单。其是通过电阻加热器提供热量，主要依靠传导和对流作用对物料进行熔融塑化，再通过柱塞在料筒内的往复运动将熔融的物料向前端输送，并通过分流梭经喷嘴注射进模具。柱塞式注塑机不适合用来成型流动性差、热稳定性不高、注射量过大的塑料制品，这是因为塑料的导热性较差，塑化又主要依靠电阻加热提供热量，料筒里的物料内外层塑化往往不太均匀。螺杆式注塑机与柱塞式注塑机的主要区别在于料筒内以螺杆代替了柱塞，柱塞在料筒内只能做平推运动，而螺杆在料筒内既可旋转也可前后移动，旋转的螺杆不仅起到输送物料、传递压力的作用，而且具有较大的剪切力，物料在料筒内得到很好的塑化。所以，螺杆式注塑机较柱塞式注塑机的性能有很大的提升，目前螺杆式注塑机产量最大，应用范围也最广。

在结构上，注塑机主要由注射系统、锁模系统、模具三部分组成。其中，注射系统是注塑机最核心的部分，其作用是在规定的时间内将一定数量的物料加热塑化后，在一定的压力和速度下通过螺杆或柱塞将熔融物料注入模具型腔中。注射系统由塑化装置和动力传递装置组成，其中，塑化装置主要由加料装置、料筒、螺杆（或柱塞及分流梭）、喷嘴组成；动力传递装置则包括注射油缸、注射座移动油缸以及螺杆驱动装置（熔胶马达）。锁模系统的主要作用是安装模具、启闭并夹紧模具、制品脱模等，并在该装置内完成注射、保压、冷却定型以及顶出制品等工艺步骤。常见的锁模装置有三种类型，分别是机械式、液压式和液压-机械组合式。注塑模具是聚合物在注射成型过程中不可缺少的重要部件，其作用在于利用本身的特定形状，赋予聚合物形状和尺寸，给予强度和性能，使其成为有用的制品。由于塑料配方、制品的形状和结构、注塑机的类型等不同，模具的设计可谓千变万化，但其基本结构是相同的。通常情况下，注塑模具由定模和动模两部分组成，定模安装在注塑机的定模板上，动模安装在注塑机的动模板上，动模和定模闭合后构成浇注系统和型腔。注塑完成后，分开动模和定模即可取出塑料制品。模具的基本结构包括：

①标准模架：为了减少繁重的模具设计与制造工作量，注塑模具通常采用了标准模架结构，包括定位圈、定模座板、定模板、动模板、动模垫板、动模底座、推出固定板、推板、推杆、导柱等，这些都属于标准模架中的零部件，都可以从相关厂家订购。

②成型部件：由型芯和凹模组成，其中型芯形成制品的内表面形状，凹模形成制品的外表面形状。模具闭合后型芯和凹模构成了模具的型腔。根据工艺和制造的不同要求，有时型芯或凹模由若干拼块组成，有时做成整体，仅在易损坏、难加工的部位采用镶件。

③浇注系统：又叫做流道系统，它是将熔融物料由注塑机喷嘴引向型腔的一组进料通道，通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。浇注系统设计的好坏直接关系到塑料制品的成型质量和生产效率。

④导向机构：包括四根导向柱及对应的导向孔，有时还在动模和定模上分别设置互相吻合的内、外锥面来辅助定位。导向柱所在的动模安装在动模板上，导向孔所在的定模安装在定模板上，确保合模时导向柱对准导向孔，定模和动模能准确对中闭合。

⑤脱模机构：也即顶出机构，其作用就是将型腔中的成型制件及流道内的凝料推出或拉出。顶出机构由推杆、推出固定板、推板及主流道的拉料杆组成，其中推出固定板和推板用以夹持推杆。在推板中一般还固定有复位杆，用来在动模和定模合模时使推出机构复位。

⑥调温系统：为了满足注射工艺对模具温度的要求，用于对模具的温度进行调节。对于热塑性塑料用注塑模，主要是设计冷却系统使模具冷却。模具冷却的常用办法是在模具内开设冷却水通道，利用循环流动的冷却水带走模具的热量；而模具的加热除可利用冷却水通道通热水或蒸汽外，还可在模具内部和周围安装电加热元件。

⑦排气槽：当塑料熔体注入模具型腔时，在熔体中常常夹带有气体，若不及时排出，会造成制品上出现气孔、表面凹痕等瑕疵，甚至会引起制品局部烧焦、颜色变暗。通常的做法是在分型面处开设排气沟槽，用以将成型过程中的气体充分排除。对于一些小型塑件，由于排气量不大，可直接利用分型面之间的微小间隙排气，而不必专门开设排气沟槽。而有些模具的推杆或型芯与模具的配合间隙也可用来起排气作用，这样就不必另外开设排气沟槽。

⑧侧向抽芯机构：当塑料制品的侧面带有孔或凹槽（伏陷物）时，通常在模具中都需设置侧向分型（瓣合模）或侧向抽芯机构（可动式侧型芯）。常用的抽芯机构有斜导柱分型抽芯、弹簧分型抽芯、弯销分型抽芯、齿轮齿条抽芯等，且抽芯可借助于手动、机动、液动或气动等方式来实现。对于极少数塑料制品的伏陷物深度很浅或塑料质地较软，也可进行强制脱模，而不设置侧向抽芯机构。

2.3.3 仪器与原料

（1）仪器

本实验所用仪器有CWI-90BV注塑机（上海纪威机械工业有限公司生产，基本结构如图5所示）、成型模具、鼓风干燥箱。

（2）原料

本实验所用原料为PE、PP、PS等热塑性塑料颗粒。

图5 CWI-90BV注塑机基本结构

2.3.4 实验步骤

（1）准备工作

①原料准备：将塑料原料放入80℃的鼓风干燥箱中进行干燥，直至其含水率低于0.1％。

②模具的安装和调试：切断电源，将模具前后部分夹紧并固定在头板上，然后关闭安全门；开机，选择手动操作，按下“粗调模”键，使机器处于粗调模状态，这时机器所有动作的压力和流量会按预先设定的参数低压低速进行，以保护模具，保证设备安全；手动或自动调整好模厚，最后将模具后半部固定在二板上。

（2）注塑操作

①手动注塑

（ⅰ）关闭安全门，长按“闭模”键直到动模向前移动终止，闭合模具。

（ⅱ）点击“手动”按钮，设定熔胶筒各段温度；温度设定完毕后启动“电热”按钮，调试好对应注塑材料的每一段的温度。此时熔胶筒开始加热，控制面板主界面将显示加热后熔胶筒各段的实际温度值。

（ⅲ）当提示熔胶筒每一段的温度均达到设定值以后启动“马达”按钮，检查是否有余料以及喷嘴口是否干净后开始进行实验。

（ⅳ）将要注塑的粒料从右端的料斗口倒入，按控制面板上的“加料”键设置进料螺杆的长度以控制进料量，再点击“加料”开始自动加料，当螺杆到达指定位置时会自动停止。

（ⅴ）长按“座进”键，机筒随着机座朝向注射孔方向移动，直至机筒上的喷嘴和注射孔紧密贴合为止。

（ⅵ）长按“射出”键，直至螺杆位置变为零。此过程中，机筒内的熔体将依次通过注射孔、主流道、分流道、浇口进入模具的型腔中，直至型腔被密实充满。

（ⅶ）长按“座退”键将注座退出，喷嘴与注射孔分离。

（ⅷ）保持模具在闭合状态下保压3～5s（具体时长视注塑件而定）。

（ⅸ）长按“开模”键，模具打开，动模板带着动模退至设定位置。

（ⅹ）多次点击“托进”按钮，将注塑好的制件从模具中顶出。在顶出过程中，若有样品卡在模具上没有脱落，可打开安全门，手工取出制件。

②半自动注塑：将注塑机设定为半自动操作进行注塑实验，得到产品。

③全自动注塑：将注塑机设定为全自动操作进行注塑实验，得到产品。

（3）停机

①关掉料斗底部的进料闸，停止向机筒内加料，并继续射胶直至胶料全部射完；

②最后一次注塑结束后点击“手动”按钮，机器进入手动状态；

③按“马达”键，关停油泵电机；

④关闭设在机器电箱门上的总电源自动开关。

2.3.5 实验数据记录与处理

（1）注塑机规格(www.xing528.com)

注塑机生产厂家：

注塑机锁模力：________________________

注塑机最大注射量：________________________

（2）实验数据（见表9～表14）

表9 螺杆温度

表10 关模流程工艺参数

表11 开模流程工艺参数

表12 加料流程工艺参数

表13 注射流程工艺参数

表14 保压流程工艺参数

（3）样条外观质量（见表15）

表15 样条外观质量评判与原因分析

（4）成型收缩率

测量注塑模具型腔的单向长度L0以及注塑样品在室温下放置24h后的单向长度L1，按下式计算样品的成型收缩率：

收缩____________

（5）保压时间和冷却时间

保压时间：________________________ ；冷却时间：________________________

2.3.6 注意事项

（1）切勿使金属或其他硬件渗入料筒，不得将金属工具接触模具型腔。

（2）喷嘴阻塞时应取下清理，切忌用增加注塑压力的方法清除阻塞物。

（3）在料筒温度没达到规定要求时不得进行预塑或注塑操作。

（4）实验过程中切勿使身体的任何部位或任何物品处于机器活动的部件上或活动的部件间，严禁人体触动有关电器。

（5）在安装模具时请注意以下几点：

①模具注塑孔必须与射嘴孔同心。

②模具注塑孔必须大于射嘴孔。

③模具注塑孔圆弧必须大于或等于射嘴圆弧并贴合良好。

④动模、定模的模具方位应保持整体一致，不能有错位。

⑤安装模具的螺栓、压板、垫铁应适用、牢固，紧固模具的螺钉旋入模板内须有足够的深度，一般不小于螺钉直径的1.5倍。

⑥根据模具所需要的工艺参数选择适当的资料录入电脑，进行调试生产。调试步骤应循序渐进，即压力速度应由低到高逐步增加，操作方式应先手动再半自动，得出满意的产品后便可以进行自动生产。

2.3.7 思考题

（1）注塑成型的基本原理是什么？该工艺可否用于热固性塑料的成型？

（2）注塑机由哪几部分组成？一台注塑机的关键技术指标包括哪些？

（3）在选择料筒温度、注射速度、保压压力及冷却时间时应分别考虑哪些因素？

（4）哪些因素会影响注塑成型制品的质量？如何克服？

（5）操作注塑机时应注意哪些安全问题？

（6）注塑成型厚壁制品容易出现哪些质量问题？如何从工艺上予以改善？

（7）阐述注塑成型制品产生收缩的原因及影响制品收缩率的因素。

2.3.8 预习要求

（1）了解实验所用卧式注塑机的基本结构，列出该注塑机的主要技术参数。

（2）列出实验所用的原料及助剂，熟悉所用原料的物理特性及注塑成型工艺参数。

（3）了解实验过程中的注意事项，分析实验过程中可能存在的安全隐患。

（4）掌握注塑成型工作原理，了解影响注塑成型制品质量的因素及解决方法。

（5）了解注塑成型制品的应用范围。

2.3.9 附注

（1）注塑机检查调整

在使用注塑机前要进行例行检查，其流程如图6所示。

图6 机器使用前的例行检查流程

（2）一些常用塑料的注塑性能参数（见表16）

表16 一些常用塑料的注塑性能参数