注射塑化设备的优化设计

这里从技术参数和关键零部件两方面来认识塑化装置。

1.注射塑化装置的技术参数

（1）理论注射体积 理论注射体积是注射螺杆直径D_S（cm）的螺杆作最大的注射行程S_max（cm）推进时的容积。有

螺杆直径由注射机的系列决定，一般S_max=（4～5）D_S，因此有国产注射机的理论注射体积系列（JB/T 7267），见表3-3。

以塑料质量（g）计量的注射量是以聚苯乙烯熔料为注射物，对空注射的最大量，有一定的参考价值。注射成型生产时，各种塑料的实际注射量与塑料熔体密度、注射流程中的阻力和从螺杆头的回流等因素有关，很难从注射体积计算预测精确的注射量。

图3-5 注射系统的几何和物理状态图

1—喷嘴 2—注射装置 3—螺杆 4—料斗 5—注射液压缸 6—液压马达 7—止推轴承 8—模具的主流道 9—模具的流道 10—模具的浇口 p_m—型腔压力 p—注射压力 S—注射行程（螺杆行程） D—螺杆直径 M、n—液压马达输出转矩和转速 Q_o、p_o—液压系统供油的流量和油压 D_o—注射液压缸直径

（2）注射压力 注射压力是反映注射机的注射能力，并关系制品质量的重要技术参数。注射系统如图3-5所示。注射压力p（MPa）是由注射液压缸5通过注射螺杆提供的，与其建立的型腔压力p_m（MPa）有关。

1）注射压力p与型腔压力p_m的关系

式中 ∑Δp——模具的浇注系统的主流道、分流道和浇口的压力损失总和。

∑Δp与流道和浇口的截面形状和尺寸、各段长度以及塑料熔体的流变性能有关。

模具浇注系统的压力损失总和∑Δp应限制在35MPa范围内。型腔压力p_m见表3-13，按模具制品型腔的注射充填要求确定，应限制在50MPa范围内。

2）注射压力p与注射油压p_O的关系

式中 D_O、A_O——注射液压缸的直径（cm）、有效面积（cm²）；

D、A——螺杆的直径（cm）、作用面积（cm²）。

（3）注射速度 注射速度v（cm/s）是表示注射时螺杆移动的最大速度。它为螺杆注射行程S与注射时间t₁之比

塑化速率q（cm³/s）是表示单位时间内熔料从喷嘴射出的理论容量。即螺杆截面A与注射速度v的乘积。有

在注射生产时，调节注射液压缸的供油流量来获得合理的塑化速率和注射速度。现代高速注射的速度达到15～20 cm/s。表3-5列出了注射成型常用的塑化速率。表值也是设计普通注射机技术参数时的基本塑化速率。

表3-5 注射成型常用的塑化速率

（4）塑化能力 塑化能力是指注射装置在1h内所能塑化物料的能力（kg）。注射装置应能在注射周期的时间内，保证提供下次注射所需的足量的熔料。

塑化能力的计算，在常规的螺杆和工艺操作下，可使用挤出理论中螺杆均化段的熔体输送能力的公式计算。在注射机塑化时，螺杆承受的背压不高，压力流流率和漏流流率较低。将原公式中的这二项算式略去，用效率系数k加以修正。塑化的体积流率有下式

式中 Q——螺杆塑化的体积流率（cm³/s）；

k——塑化效率修正系数，0.85～0.9；

D——螺杆的直径（cm）；

h₃——螺杆均化段的螺旋槽深度（cm）；

n——螺杆的转速（r/s）；

θ——螺杆螺纹的升角（°）。

如果塑化能力G用质量单位（kg/h）表述，要用塑料熔体密度ρ_m换算，见表3-16。塑化能力有下式

式中 G——螺杆的塑化能力（kg/h）；

ρ_m——塑料熔体的密度（g/cm³）；

其余各参数同式（3-6）。

2.注射装置的关键零部件及驱动参数

（1）注射装置机座的导向和移动　注射座座落在与主轴线平行的导轨或双导杆上，与机筒的方向一致。如图3-6所示，通常有三种导向类型：双导杆与液压缸的活塞连在一起；双导杆与双液压缸各自导向和驱动；床身上导轨导向与液压缸驱动。

图3-6 注射装置的导向和驱动

a）双导向柱与液压缸的活塞连在一起 b）双导向柱与双液压缸 c）导轨导向与单液压缸

虽然注射座与喷嘴频繁高速移动，但运动平稳，表3-6给出了注射装置的运行速度。行进速度的变化无突变。表3-7列出了喷嘴与模具浇口套之间的接触压力。该压力足以防止高压熔体的泄漏喷射。

表3-6 注射装置的运行速度

表3-7 喷嘴与模具浇口套之间的接触压力

图3-7 电动机驱动的螺杆旋转系统简图

1—料筒 2—料斗 3—螺杆 4—花键 5—齿轮箱 6—离合器 7—电动机 8—计量装置 9—注射液压缸 10—注射座 11—注射座回转装置 12—注射座移动液压缸

（2）螺杆旋转驱动系统

1）螺杆旋转的方式。常见的螺杆旋转的驱动方式有三种。图3-7所示为传统的电动机驱动的螺杆旋转系统。常用三相异步电动机，传动经离合器、减速变速齿轮箱，用可滑移的花键，套在螺杆的后轴段。现今已有用变频器控制电动机的转速，并对螺杆转动采取制动和避免反转的措施。

液压马达的结构与液压泵相似，但它是把液压能量转化成机械转矩与转动。通常使用转速缓慢的径向活塞的液压马达，其特征是运转平稳。图3-5是单液压缸轴线式的液压马达螺杆旋转装置。螺杆、注射液压缸和液压马达三者在一条轴线上排列。如果让注射液压缸的活塞跟螺杆一起转动，对液压缸活塞的密封要求高，还增加了螺杆旋转的阻力，因此没有实用价值。图3-5的系统上装有止推轴承，液压缸活塞并不转动。装有轴承的线式注射装置有两种结构。一种是将液压马达装固在注射座上，即与料筒连在一起。另一种是液压马达装在活塞的外伸套上。由于液压马达很轻，它可随着螺杆和活塞一起进退。故称为随动式单液压缸的液压马达螺杆旋转装置，其机械结构复杂而应用不多。

图3-8 双液压缸的螺杆与液压马达的直接连接系统

1—喷嘴 2—螺杆 3—机筒 4—进料口 5—注射液压缸 6—液压马达 7—轴承

图3-8所示为双液压缸的螺杆与液压马达的直接联接。两个注射液压缸平行放置在料筒的两侧。液压马达和螺杆直接连接在一起，并随螺杆和活塞杆作轴向往复运动，见图3-9。这种螺杆旋转和移动方式，螺杆、活塞杆和液压马达三者的连接关系简便，注射装置的总长度短，成为液压马达驱动的主要形式。

2）螺杆的转矩和转速。热塑性塑料塑化所需能量，最高可达60%是螺杆旋转的剪切热供给的。螺杆的驱动转矩T和转动速度n使物料得到有效的剪切、混合和输送。热塑性塑料和热固性塑料所需的转矩如图3-10所示。加工橡胶所需的转矩T大体上等于加工热塑性塑料所需转矩。塑化热固性塑料所需转矩在直线1和2之间。加工硬质聚氯乙烯、聚碳酸酯和丙烯酸类塑料需要较高的转矩，有沿直线2的T值。聚乙烯和聚苯乙烯所需的转矩较低，为沿直线3的T值。其余的热塑性塑料所需转矩在在直线2和3之间。

常用螺杆的圆周速度v来讨论合适转速n，然后计算驱动螺杆所需的功率N=T·n。螺杆的圆周速度v有三种状态。

图3-9 双液压缸的液压马达直接驱动的注射装置(www.xing528.com)

1—机筒 2—进料口 3—螺杆 4—注射液压缸 5—导柱 6—液压马达

图3-10 长径比为20的螺杆塑化所需转矩

直线1和2之间，塑化热固性塑料；直线2和3之间，塑化热塑性塑料；直线2，加工HPVC和PC等；直线3，加工PE、PP和PS等

低黏度的热塑性塑料，如PE、PP和PS等，要求有较高塑化速率，螺杆应有较高的圆周速度（v=1.0～1.5m/s）。加工工程塑料时的常规圆周速度v=1.2～1.4m/s。加工热固性塑料和橡胶需要较低的圆周速度（v=0.05～0.2m/s）。

（3）螺杆 注射机的螺杆是从挤出机螺杆演化而来。螺杆塑化和输送塑料物料的理论已经相当成熟。并发展了多种新型螺杆。

1）标准螺杆。螺杆通过对螺旋槽中的物料进行输送和混合，在电热机筒与材料之间进行热传递；另一部分是螺杆转动时，由机械能转化产生的剪切热和摩擦热。与柱塞式注射机相比较，螺杆式注射机的熔融速率明显提高。柱塞式注射机只能用于直径小于20mm的机筒。常规螺杆通常分为三段，如图3-11所示。从料斗始，有进料段L₁、压缩段L₂和计量段L₃。常规螺杆的长径比（L/D）为20∶1。螺杆太短则不能获得恰当的塑料塑化质量。长螺杆的长径比（L/D）为（22∶1）～（24∶1），会使塑化时间太长，将导致一些热敏性塑料降解。它们只用于高速注射成型。注射机的螺杆在料筒中往复注射和塑化，受到轴向注射压力。而挤出机的螺杆是连续旋转塑化，因此可以有较大的长径比，常容许长径比（L/D）为25∶1。

图3-11 加工热塑性塑料的常规螺杆

L₁—进料段 L₂—压缩段 L₃—计量段 α—螺棱后角（25°～30°） S—螺距，=D　θ—螺旋升角，=17.8° e—轴向螺棱宽

螺杆直径决定了注射量和塑化能力。注射螺杆直径D与往复行程之比常取3左右。但此喂料行程超过直径D的3倍后，塑料熔体的均化质量受到影响。螺杆直径大，相应的注射液压缸直径也增大。行程过长会使螺杆的有效长度缩短太多，影响塑化均匀性。

图3-11列出了螺杆的几何参量。进料段L₁又称输送段或加料段。螺槽深度h₁深，提高了物料的供应量，但削弱了螺杆根部的强度。注射机螺杆在后退运动中接受料斗的供料，它应有足够的输送长度，一般L₁=（9～10）D。压缩段L₂又称塑化段。物料在锥形的螺槽空间中受到压缩。塑料不断地从固态转变为黏流态。合适长度和几何参量h₁的收缩量，要与该种塑料塑化所需的物理压缩比相当。对于结晶型塑料件，例如PE、PP和PA等，物理压缩比为3～4，应使用压缩段较短的突变螺杆，压缩段L₂=（5%～15%）L。对于无定形塑料，例如ABS和PS等，物理压缩比较小（1.6～2.5），应使压缩段L₂=（20%～30%）L，是适应性较强的通用型螺杆。表3-8列出了这种通用型的热塑性塑料常规螺杆的主要尺寸。对黏度高的塑料，例如HPVC等，用压缩段渐变的螺杆，L₂=50%L。计量段L₃又称均化段或熔融段。与挤出螺杆相比，其计量段相应要缩短些。

表3-8 热塑性塑料常规螺杆的主要尺寸

要求螺杆的输送、混合和均化的效果要好。对普通塑料要求塑化产量高，螺杆的圆周速度为0.4～1.5m/s。对有一般混合要求的物料，圆周速度为0.1～0.3m/s。对各种塑料材料，例如加工硬质聚氯乙烯、加工热固性塑料或加工橡胶弹性体等，都有专门设计和制造的螺杆。它们有不同的螺杆几何参量。对高效混合要求物料，要在压缩段的末段设置剪切单元，在计量段中设置混合单元。

2）加工热固性塑料的螺杆。在低温下螺杆塑化的热固性塑料所需能量，最高可占90%是由螺杆旋转的剪切热和摩擦热提供的。为防止在螺槽中热固性塑料因过度的剪切热，引发化学反应而固化，与常规的加工热塑性塑料的螺杆相比，具有较浅的螺槽深度，而且加工热固性塑料螺杆的长度较短，长径比仅为（12∶1）～（15∶1）。计量螺槽深度与进料螺槽深度之比为（1∶1）～（1∶1.3），也就是计量段与进料段的螺槽深度接近或者相等。但它的螺棱宽度较大，大约为e=0.15～0.2D，以阻止注射时物料的回流，也使螺杆在料筒中旋转稳定，减少磨损。加工热固性塑料螺杆的主要尺寸见表3-9。

表3-9 加工热固性塑料螺杆的主要尺寸

图3-12 加工热固性塑料的塑化装置

1—喷嘴 2—料筒头连接套 3—加热夹套 4—料筒 5—螺杆 6—加料口 7—进料凹槽

图3-12所示为加工热固性塑料的塑化装置。不带止回阀的热固性塑料螺杆，其头顶部的锥角60°～90°。它与喷嘴孔之间的间隙，最大取0.5mm。加工湿聚酯和酚醛树脂要用止回阀。

3）螺杆的材料和处理。注射螺杆承受塑化时的转矩和注射的高压，受到塑料材料的腐蚀和磨损。螺杆在加料段的螺旋槽根部，常见的损坏是疲劳断裂。长期加工聚氯乙烯物料、添加矿物填料和阻燃剂的塑料，加工玻璃纤维增强塑料的螺杆，会有严重的腐蚀和磨损。渗氮钢38CrMnAl是最常用的螺杆钢种。螺杆经渗氮处理，渗氮层厚0.5～0.8mm，硬度达65～70HRC，表面粗糙度优于Ra=0.8μm。近年来，螺杆表面用离子渗氮，离子渗氮层厚0.4mm。用碳化钨或钨铬钴等合金硬化表面，具有更高的防护能力。

注射机的料筒也有同样的抗腐蚀和耐磨损的要求，也用渗氮钢38CrMnAl制造，内表面经渗氮处理，硬度不低于65HRC。近年来，双金属料筒得到应用。它用新型合金浇铸料筒的里衬，厚度达1.5～2mm。

（4）螺杆头 螺杆前端面上有螺纹孔，可将所需的螺杆头拧接起来。常规的螺杆头应为尖头锥。其锥角应该与料筒头或喷嘴的锥孔相配。这是为了减少注射流动阻力，防止螺杆头部产生滞料。图3-13是锥角α=20°～30°的螺杆头，用于注射高黏度或热敏性的塑料，例如加工硬质HPVC。其中一种是带有螺棱的螺杆头。

图3-13 加工高黏度或热敏性塑料的螺杆头带有螺棱的螺杆头，螺距S′=（0.5～1）S

最高的注射压力产生于螺杆头前端。在注射和保压推进中，防止注射熔料的倒流很有必要的结构。同时也提高了塑化计量的精度。在注射工程中，在螺杆头上专门加装止回阀。图3-14是滑动式止逆环螺杆的结构。当螺杆旋转塑化时，来自螺槽的熔料，在输送的压力下顶开了止逆环，如图3-14下半剖视所示。熔料经螺杆头上的通道，进入螺杆头的前端。在此空间里熔料增多并被计量。它克服液压缸的背压，迫使螺杆后移。当螺杆在前推时，高压熔料将止逆环滑移至止推垫，两者贴合密封，阻止熔料倒流。这种止逆环式的止回阀，适合中、低黏度的塑料。

图3-14 止逆环螺杆头的结构

1—螺纹联接的喷嘴 2—螺杆头 3—料筒头 4—滑动环 5—喷嘴的密封面 6—料筒的密封面 7—凹槽通道 8—止推垫 9—螺杆

有销钉和钢珠等多种止逆阀的螺杆头，要求注射操作时，能快速关闭密封，有效地防止倒流；在塑化时有足够通道输送熔料，且通道畅通无死角；要求设计合理，而且制造精良。

（5）喷嘴 喷嘴是联接塑化装载和注射模具输送塑料熔体的通道，在塑化时应能阻止熔料从喷嘴中流出。喷嘴可分成两大类，一类是敞开式的喷嘴。在注射保压完成后，无论是喷嘴保持与模具接触还是退返，它依靠塑料自身相变而固化或半固化闭合。闭合效果取决于各种塑料的固化温度和结晶温度；取决于喷嘴温度控制和结构等因素。也与螺杆塑化时的背压有关。另一类是可机械闭合的阀式喷嘴，可防止熔体从喷嘴口流涎和拉丝，可减少冷料积聚。

图3-15 三种常用的敞开式喷嘴

a）PVC喷嘴 b）延长型喷嘴 c）小孔型喷嘴

1）敞开式喷嘴。图3-15所示为三种常用的依靠热力闭合的敞开式喷嘴。图3-15a所示为PVC喷嘴。它结构简单，压力损失小，补缩效果好，但容易形成“冷料”与“流涎”现象，主要用于加工厚壁注塑件和热敏性的高黏度塑料。图3-15b所示为延长型喷嘴。它延长了喷嘴口的长度，可给喷嘴外部加热，补缩好、射程远，但有“流涎”现象，用于加工厚壁制品和高黏度塑料。图3-15c所示为小孔型喷嘴。喷嘴孔内可贮存较多熔料，也可给喷嘴外部加热，不易形成冷凝料。其口径小而射程远，“流涎”现象较少见，主要用于加工低黏度物料，和注射成型薄壁和形状复杂的制品。

2）阀式喷嘴。这里介绍的四种阀式喷嘴有四种。弹簧针式自闭喷嘴和接触滑动式自闭喷嘴如图3-16和图3-17所示，是依靠注射循环过程自动闭合和开启阀芯。由于喷嘴口的通道阻力大，会有额外的剪切生热。另两种是液压驱动的可控制的阀芯，分别是轴向顶针和横向销钉启闭喷嘴，如图3-18和图3-19所示。可控喷嘴的长度加大，结构复杂，需设置驱动液压缸。该液压缸的控制连接注射机的控制程序。它们对各种喷嘴所适用的塑料见表3-10。发泡注射成型时不用敞开式喷嘴，推荐使用液压驱动的可控阀式喷嘴。

图3-16 弹簧针式自闭喷嘴

1—喷嘴头 2—阀针 3—阀座 4—弹簧 5—料筒

图3-16为弹簧针式自闭喷嘴。喷嘴的注射通道曲折狭窄，有较大的阻力和节流作用，使注射熔体的剪切升温。必须有足够的注射压力才能克服弹簧力，开启阀针。一般避免将弹簧装在喷嘴里，以减少剪切效应。图3-17是接触滑动式自闭喷嘴。喷嘴里有个滑动的密封阀芯。当喷嘴靠上注射模的浇口套时，在接触力作用下打开通道，进行注射和补缩。当注射装置后退时，该阀芯在熔体压力下关闭喷嘴。由于喷嘴没有外加热，温度控制差。

图3-17 接触滑动式自闭喷嘴

a）喷嘴在接触压力下开启 b）喷嘴在熔体压力下关闭

图3-19 液压驱动的可控横向销钉喷嘴

a）销钉被推拉启闭 b）销钉被转位启闭

图3-18 液压驱动的可控轴向顶针喷嘴

1—喷嘴头 2—顶针 3—阀座 4—喷嘴体 5—液压缸驱动杆

图3-18所示可控轴向顶针喷嘴用液压缸驱动启闭，使用方便，锁闭可靠，压力损失小，计量准确。图3-19所示液压驱动的可控横向销钉喷嘴中，图3-17a是将销钉推拉，图3-17b是将销钉转动，都必须保证销钉的定位正确，才能保证喷嘴内流动通道截面一致。

表3-10 推荐各种喷嘴所适用的塑料

（续）

注：●—推荐；○—可行；——不可行。

3）喷嘴口径。喷嘴头制成球形，其曲率半径小于注射模上凹坑的半径才能贴合。该部位接触压力高，有频繁的碰撞，又有很大的温度变化，是塑料熔体反喷和流涎等事故的多发段。喷嘴的口径应与螺杆的直径D成比例。对于低黏度塑料，喷嘴的口径为螺杆的直径的1/15～1/10；对于高黏度塑料，喷嘴的口径是（1/15～1/20）D。表3-11为国内喷嘴口径设计情况。表3-12是欧洲的喷嘴球头和口径设计。

表3-11 国内喷嘴口径设计情况（单位：mm）

表3-12 欧洲的喷嘴球头和口径设计