注射充模和成型的优化过程

注射加工的流动充模和冷却成型是塑料物理状态变化的过程。

1.注射充模

注射液压缸以高压将塑料熔体经料筒前喷嘴和注射模的浇口与流道，输入制品成型的型腔。这个熔体的传输过程可分为流动充模、保压补缩和倒流三个阶段。

（1）流动充模 图3-34是注射成型的压力与时间的关系曲线，也是三个位置的塑料熔体的压力随时间的变化曲线。第1曲线表示螺杆头前熔料的压力变化，也是注射液压缸的活塞推力的压力变化。微电脑控制注射机，可以测定并显示该曲线。第2条曲线表示喷嘴出口处熔料的压力变化。第3条曲线表示注射模中浇口出口处熔料的压力变化。压力可用压力传感器测出。

要理解熔体压力在流动充模中的压力变化，必需了解到：塑料熔体是高黏度的流体，而且具有明显的弹性；塑料熔体的密度随压力变化；在进入成型型腔前的流程中，由于料筒、喷嘴、流道与浇口的阻力，不断消耗注射压力；在流动充模的熔体传输过程中，料筒和喷嘴有一定的加热温度，而进入模具后低温的流道壁面对熔体有冷却作用。因此，塑料熔体的流动充模过程，不但是假塑性非牛顿流体质量和动量的传输过程，又是熔体能量变化的过程。

1）注射压力曲线。图3-34中，t₀为螺杆开始推压熔体的时刻。在压力曲线1上，p_i1为螺杆的注射压力，t₂为熔体充满型腔的时刻，故时间段t₀～t₂为整个充模阶段。t₁为塑料熔体冲出浇口，进入成型模腔的时刻。t₀～t₁为流动前期。在流动前期，喷嘴口和流道中熔体的压力急剧上升，梯度很大。在t₁～t₂注射充模的后期，型腔内塑料熔体被充满，p_i2为切换的保压压力。控制t₂的保压切换时刻十分重要，过早切换会使制品的密度不足。

图3-34 注射成型的压力-时间曲线

1—注射压力曲线 2—喷嘴出口处熔料的压力曲线 3—注射模中浇口出口处熔料的压力曲线

2）喷嘴出口处熔料的压力曲线。图3-34中，在流动前期流道中熔体的压力，由A上升至B点。B点对应喷嘴出口的保压压力p_n2，显然，p_i1-p_n2为注射后期塑料熔体在料筒和喷嘴传输时的压力损失。而在模具内压力从p_n1升至p_n2。t₃是螺杆后撤时刻。此时压力曲线1上螺杆头的注射压力急剧降至零。在t₂～t₃的保压期间，塑料熔体在保压压力下补充给模具的制件型腔。螺杆一旦后撤，流道中熔体压力自C点迅即下落至H点。在此期间，流道中熔体压力和温度下降很快，而制件型腔内的熔体压力较高。如果浇口有足够大的流通截面，塑料熔体会倒流至流道中。

3）浇口出口处熔料的压力曲线。图3-34中，自t₁时刻熔体冲出浇口，压力在流动充模期间自D上升至E点。自E至F点，制件型腔内塑料得到压实和补缩。F点有螺杆后撤时的型腔压力p_g1。在时间t₁～t₄期间，熔料充填并压实了制件型腔，而塑料熔体温度在下降。t₄是截面狭窄的浇口中塑料冻结的时刻。自t₄起制件型腔成为密封容器，停止质量传递。p_g2是浇口冻结时刻的型腔中塑料的内压。从G点到I点，型腔内生产的注塑件，其内压和温度不断下降，形体冷却收缩。直到时间t₅，模具的分型面打开。

（2）保压补缩 在整个充模阶段结束后，螺杆不能立即退回。必须在前段位置保持一定压力，螺杆缓慢推进。塑料熔体有补给型腔的保压流动，此时螺杆前端压力称保压压力，俗称二次注射压力。与注射充模阶段对型腔压实不同，此时型腔内熔体温度已下降，黏度升高，只是低速流动。而压力的传递起主导作用，影响注塑件的质量。产生保压流动的原因是模具壁间附近的熔体因冷却而产生体积收缩。在浇口冻结之前，熔体在保压压力下，产生补缩的流动。此时在注射机的料筒内，螺杆前端应有一定量的熔体，经喷嘴和流道系统至型腔末端，能够传输质量和压力。

保压阶段的压力是影响模腔压力和补缩程度的主要因素。较高的保压压力提高了模腔的内压，补进了较多物料，增大了制品的密度，也提高了注塑件内密度分布的均匀性。同时，熔体压力增大和持续保持，可提高熔合缝的力学强度，也可提高塑料与金属嵌件的连接牢度。但是，由于保压压力和流动是在成型物的温度在不断下降时进行的，较高的压力会在制品中产生较大的残余应力和大分子取向。使制品在使用期内容易翘曲变形，甚至开裂。

在一定的保压压力下，延长保压时间能向型腔中补进更多些熔料。其效果与提高保压压力相似。如果浇口的截面较大，又保持较长的保压时间，模腔中塑料凝固之后浇口才冻结，模腔的内压将缓慢下降。这有利保证薄壁深腔的大型注塑件的质量。反之，保压时间不足，浇口又不能及时冻结，则物料会从模具型腔中倒流，型腔内压力会下降很快。

（3）倒流 如果模具内的浇口没有冻结就撤除保压压力，则塑料熔体在较高的模具型腔压力作用下发生倒流。倒流使模腔压力很快下降。倒流将持续到浇口冻结为止。浇口冻结以后才结束保压是注射生产操作的失误。浇口冻结后制品的密度不会变化了。因此，使用不同的保压时间，对注塑件进行称量，可寻觅合适的切换时间。浇口截面的大小和形状决定了冻结的时刻。注射模内采用针点式的小浇口，一般不会发生倒流。大型的注塑件，采用主流道型的大浇口，保压时间可长达1～1.5min。保压时间对制品的密度和尺寸的精度有较大的影响。曾发生倒流的注射成型制品的密度不足，其表面有凹陷，内部有真空泡等缺陷。

2.冷却定型

（1）压力与温度变化 成型周期中型腔内熔体压力p与温度T的关系，可画出图3-35所示的典型的压力和温度关系曲线。该图是将模腔压力周期图上的时间t₀t₁…t₄用型腔内熔体温度T₀、T₁、T₂、T₃、T₄替代，并将纵横坐标轴对调。

图3-35上曲线DE时段为浇口尚未冻结，但保压补料已结束，因此存在倒流而使型腔压力急剧下降。从浇口冻结点E开始，型腔内的塑料量不再改变，所以型腔压力与温度沿着直线a变化。倘若保压于D点结束时，浇口早已冻结封闭，则模腔内的压力与温度沿直线b变化。(www.xing528.com)

图3-35 型腔内熔体压力与温度关系曲线

浇口封闭后，型腔内压与温度的关系可用修正的状态方程描述。聚合物熔体密度ρ是温度和压力的函数。其表达式为

（p+π）（V-ω）=R′T（3-17a）

或

式中 p——型腔壁受到的压力（N/cm²）；

π——各种塑料内压力常数（N/cm²）；

V——塑料的比体积（cm³/g）；

T——熔体的热力学温度（K）；

ω——热力学温度为零时材料的体积容（cm³/g）；

R′——修正的摩尔气体常数[N·cm³/（cm²·g·K）]。

若干聚合物的状态参量见表3-27。

表3-27 若干聚合物的状态参量（π、ω和R′）

式（3-17a）中，π、ω、R′皆为常数。因此，该方程是以V为斜率的直线方程。浇口冻结后，型腔内塑料的压力与温度沿着一条等容线或等密度线变化。冻结点不同，型腔内的塑料量不同，等容线的斜率不同。但所有等容线都通过p-T图的原点。即p=-π，热力学温度T为零。

（2）固化脱模 根据图3-35可以合理确定模具打开的温度和压力的条件。首先，型腔内的注塑件应该冷固到具有足够的刚度和硬度。开模时的温度应低于塑料的热变形温度。脱模温度T_s太高，在制件脱模后还会有较大的无模具约束的收缩。制件变形后，有较大形状和尺寸误差。因此，开模温度范围在T_s和模具工作温度T_m之间。通常，脱模温度T_s高于工作温度T_m，约5～10℃。如果出现制件在脱模时刚性差而受到损伤，应降低模具工作温度T_m后再调整开模温度。

其次，开模时型腔内的残余压力不能高于某个+p_r值。太高会引起注塑件和凹模表面间过大的黏附力，使开模力增大。残余压力也不能小于某个负压值-p_r。否则易出现缩孔和凹陷，使制品收缩率过大，对型芯包得过紧，致使脱模困难。上述的两组温度与压力限制条件，拟定了开模的合理区域。凡浇口冻结后型腔内塑料冷却的等容线通过这一区域，都属于优质的注射工艺。