塑料成型设备

15塑料成型设备15.1概述与金属材料相比，塑料受热更易熔融并具有比金属更好的可塑性；与橡胶相比，塑料的熔融温度更高，熔融后的流动性更好。因此，塑料本身的这些特点，近几十年来，塑料制品的发展速度是惊人的。塑料（合成树脂）的开发至今尚不到100年的时间，但它已成为人们现代生活不可缺少的制品原料。随着塑料原料的发展，塑料制品加工技术也日益发展。目前，最常见的塑料制品加工方法有注射成型法、挤出成型法、吹塑成型法等。一般来说，能将高分子聚合物树脂加工成型为塑料制品的设备都称为塑料成型设备。塑料成型设备主要是为塑料制品的加工成型服务的。要把塑料从原材料成型为制品的工艺过程繁多，这决定了塑料机械种类的多样性。塑料成型设备依据成型工艺的不同而不同，塑料成型设备主要有用于注射成型工艺的注射成型机，用于挤出成型的挤出成型机和用于中空吹塑成型的吹塑机等。15.2塑料注射成型机塑料注射成型（简称为注塑）是利用注射装置将注射机筒中已经熔化的热塑性或热固性塑料以高压、高速注入到闭合的成型磨具型腔中，经冷却固化定型后，制成与模具型腔的形状几乎完全一致的塑料制品。注射成型法是一种间歇式成型方法，也是塑料制品的主要成型方法之一。用注射成型方法成型的塑料制品，精度高、质量好。它可以成型形状复杂，结构、尺寸精确及带有嵌件的塑料制品。其对各种塑料的加工适应性强，因此被广泛地应用于家电、汽车、航空、仪表、国防、电信、医疗、建筑、日用品及农业等各个行业，用途极其广泛。完成塑料注射成型的机器是塑料注射成型机c简称为注塑机，，塑料注塑成型机是集机械、电气、液压于一体的塑料成型设备，具有生产效率高、产品的后加工量小、适应能力强等特点，因此注射成型方法和注射成型机得到了广泛的应用。全世界塑料原材料中的30%左右是用于注射成型，而注射成型机的年产量为塑料成型加工机械总产量的50%以上，在我国塑料注射成型机的年产量则约占整个塑料成型机械的40%。15.2.1塑料注射成型机的组成注射成型的基本过程是塑化、注射和定型。塑料的塑化是实现良好注射及保证成型制品质量的首要条件；为了满足成型要求，注射过程必须要保证有足够的注射压力和注射速度。由于注射压力高，相应地会在模腔中产生很高的压力，因此合模系统必须具有足够大的锁模力。从机械方面来说，注射系统和合模系统是注射成型机的关键。近年来，塑料注射成型机的发展与改进主要都体现在注射系统和合模系统上。因此，注射成型机必须具备以下基本功能：(1)对所加工的塑料物料能实现塑化、计量并把熔融物料压注入模具模腔的功能；(2)对成型模具能实现启闭和锁紧的功能；(3)对成型过程中所需的能量能实现转换、传递和控制的功能；(4)对成型过程及工艺条件可进行设定与调整的功能。针对以上基本功能，塑料注射成型机主要是由塑化注射系统、合模系统、液压传动系统和电气控制系统等部分所组成，如图15—l所示。(1)注射系统。注射系统的主要作用是使塑料物料均匀地塑化成为熔融状态的熔体，并以一定的注射压力和注射速度把一定量的塑料熔体注射人模具模腔中。因此，注射系统应具备塑化良好、计量精确的性能，在注射时对塑料熔体能够提供足够的注射压力和注射速度，并能提供充足的保压压力和保压时间。对于用得很普遍的螺杆式注射成型机的注射系统来说，其一般由塑化装置（机筒、螺杆和喷嘴等）、加料部件（上料系统、料斗等）、计量装置、螺杆驱动装置、加热冷却装置、注射座移动装置及行程限位装置等组成。(2)合模系统。合模系统（又称锁模系统）的作用是保证成型模具能灵活、准确、迅速、可靠而安全地进行启闭。注射时，由注射系统注射人模具模腔中的塑料熔体具有很高的压力，这就要求合模系统能够产生足够的合模力（锁模力），以保证模具模腔的严密闭合而塑料熔体不会向模腔外溢出。合模系统应具备可靠的启闭模具动作，启闭模具时要有缓冲作用，动模板的运行速度在闭模和开模时具有“慢一快一慢”的速度变化要求，以防止损坏模具和制品，并避免机器受到强烈的振动而产生噪声，达到安全运行并延长机器和模具使用寿命的目的。模板的最大启闭行程决定了注射成型机中能够安装模具的最大厚度，因而也决定了能生产注塑制品的最大厚度，因此模板行程应是可以调节的。模板必须具有足够的强度和刚度，以保证在注塑生产中不致因频繁受到各种压力的作用而引起变形，从而影响注塑制品的尺寸和形状精度。合模系统主要由动模板、定模板、拉杆、合模机构、制品顶出机构及安全防护机构等组成。(3)液压传动系统。液压传动系统的作用是保证注射成型机能按预定的工艺过程要求（如压力、速度、温度、时间等）和成型周期中的动作程序能准确有效地进行工作而设置的动力系统。液压传动系统主要由液压泵、液压马达、液压控制阀（压力控制阀）、流量控制阀及方向控制阀、液压辅助元件（液压管路、冷却器、过滤器、蓄能器、油箱等）等组成。(4)电气控制系统。电气控制系统与液压传动系统相互协调，完成注射成型机的各项预定动作。电气控制系统主要由电源、动作程序、加热检测元件和执行机构等单元组成。根据有无反馈作用还可以把控制系统分为开环控制和闭环控制；根据控制系统的类型，可分为恒值调节系统、程序控制系统、连续控制系统、数字控制系统等。15.2.2注射成型原理注射成型是在高压状态下将塑料熔体以高速注入到闭合的模具型腔内，经冷却定型后得到和模具型腔形状完全一致的塑料制品。注射成型必须满足两个必要条件：一是塑料必须以熔融状态注入到模具模腔；二是注入的塑料熔体必须具有足够的压力和流动速度以完全充满模具模腔。因此注射成型机必须具备塑料塑化、熔体注射和保压成型等基本功能。(1)塑化过程。在注射成型的塑化过程中，固体塑料（颗粒料或粉末料）通过转动的螺杆输送作用，不断地沿螺槽方向向前运动，经过加热、压实、螺杆螺纹的剪切混练等作用而升温转化为具有均匀的密度、黏度和组分及温度分布均匀的黏流态塑料熔体。固体材料塑化所需要的热量主要来自于外部机筒对塑料的加热和注射螺杆对塑料的摩擦剪切热等。在塑化过程中，塑料熔体的温度是否达到注射要求以及温度分布是否均匀等是衡量注射成型机塑化功能好坏的重要参数，而塑化能力则是指注射成型机在单位时间内所能提供的熔融塑料量的大小。固体塑料塑化为熔体后被不断转动的螺杆推至螺杆的头部并储存在机筒前端的存料区，存料区中的塑料熔体具有一定的压力，该熔体的压力作用在螺杆上推动螺杆克服各种阻力而后退。螺杆后退至一定距离后停止转动，存料区中的塑料熔体体积（称为注射量）被确定下来，塑化过程结束，进入注射过程。(2)注射过程。已塑化好的塑料熔体储存在机筒的存料区中，注射时，螺杆做轴向移动，在螺杆注射压力的作用下，塑料熔体以一定的速率流经安装在机筒前端的喷嘴、模具浇注系统等而注入模具的模腔中。(3)冷却定型过程。注入到模具模腔中的塑料熔体克服各种流动阻力而充满模腔，充满模腔的塑料熔体受到来自模腔的巨大压力，这种压力有驱使塑料熔体流回到机筒的趋势；由于模腔的冷却作用使塑料熔体产生冷却收缩，此时注射螺杆持续提供压力，保持塑料熔体充满模腔而不回流，并适当向模腔中补充塑料熔体以填补模腔中的收缩空间，直至塑料熔体逐渐冷却固化为制品。15.2.3注射成型工艺过程不同注射成型机的动作程序可以不完全一致，但其动作可大致归结为图15-2所示的基本程序。注塑过程从所要完成的工艺内容来看大致可以分为：预塑化、合模、注射装置前移、注射、保压、注射装置复位、制品冷却开模、制品顶出等动作所组成的周期性过程。(1)合模和锁紧。注射成型机的成型周期一般从模具开始闭合作为起点。在合模过程中，模具闭合的移动速度应是“慢一快一慢”的变化过程。慢速启动后，模具首先以较低的压力快速闭合，当动模板与定模板快要接近时，合模装置的动力系统在电气和液压系统的控制下，自动切换为低压（即低压试合模压力）低速，在确认动、定模板之间的模腔内无异物存在时，再切换成高压（即高压锁紧压力）将模具合紧。(2)注射装置前移和注射。当确认模具合紧并达到所要求的力学程序后，注射过程开始。如果注射成型机是采用退回塑化或塑化退回的预塑化方式，则注射装置前移，使喷嘴和模具的主流道衬套贴合。当喷嘴与模具完全贴合后，便可向注射液压缸通人压力油。使与液压缸活塞杆连接的螺杆以高压力和高速度向前移动进行注射，储存于螺杆头部（即存料区）的塑料熔体被压注入模腔中。此时螺杆头部作用于熔料上的压力即称为注射压力，又称次压力。如果注射速度是逐级变化的，即为多级注射速度，又称为多级注射。如果注射成型机是采用固定塑化的预塑化方式，因喷嘴始终与模具的主流道衬套贴合在一起，注射装置没有前移动作，因此当模具锁紧后便可直接进入注射过程。(3)保压。当塑料熔体被注射到模腔里后，由于温度较低的模壁（对于热塑性的注射来说）的冷却作用，使注入模腔内的塑料熔体产生冷却收缩。为了得到质量致密的制品，必须对塑料熔体保持一定的压力进行补缩，以填补塑料熔体在模腔中收缩的空间。此时，螺杆作用于塑料熔体上的压力称为保压压力，又称二次压力。保压压力在保压过程中，螺杆因补缩作用而会有少量的轴向位移。为了保证制品的质量，正确选择保压压力和保压的时间是关键。(4)制品冷却和预塑化。当保压进行到模腔内的熔料失去从浇口回流的可能性（即浇口封冻）时，模具的浇口封闭，再也没有熔体进入模腔，此时保压阶段便告结束，注射油缸的保压压力油即可卸去（此时合模液压缸内的高压也可撤除），使制品在模内冷却定型。此时，一方面是制品在模腔内继续冷却、固化定型（制品的冷却时间取决于制品的材料性能、厚度及模具的温度等因素）；另一方面机筒内的螺杆在液压马达（或电动机）所提供的驱动力的作用下开始转动，将来自料斗的塑料向前输送，并使其预塑化。在预塑化过程中，由于螺杆的输送作用，经塑化后的塑料熔体进入到机筒的存料区。由于螺杆头熔体的压力作用，迫使螺杆在转动的同时又发生后退，因此在预塑化阶段，螺杆一边转动又一边后退。螺杆在预塑时的后移量可以用来表示螺杆头部存料区熔体的体积大小（即一次注射量）。当螺杆后退到计量位置时，螺杆便停止转动，准备下一次注射。由于制品的冷却时间通常是与螺杆预塑化时间相重叠的，因此要求螺杆的预塑化时间应小于制品的冷却时间，以提高注塑机时生产效率。(5)注射装置后退和开模顶出制品。当选择塑化退回或退回塑化的预塑化方式时，在螺杆塑化计量结束后，必须使喷嘴与模具主流道的衬套分离，以保证喷嘴中的物料不至于因其长时间与主流道衬套接触而形成冷料，因此必须要求注射装置后退；若是选用固定塑化的方式，则注射装置不需要后退。通常机器有三种预塑化方式可供选择。模腔内的制品经过一定时间的冷却定型后合模装置便开启模具，并自动顶出制品。以上动作构成了塑料注射成型机的整个工作周期过程。15.2.4注射成型机的分类塑料注射成型机发展迅速，种类多且不断增加，所以其分类方法也比较多。塑料注射成型机主要由塑化注射系统和合模锁模系统两大部分组成。根据注射装置对塑料塑化方式的不同可坌塑柱塞式和螺杆式两大类，尤以螺杆式注射成型机最为常见。注射成型机的合模装置有各种不同的结构特征，根据合模装置的不同可分为机械式、液压式和液压机械式。根据注射装置的排列方式（注射机螺杆或柱塞的轴线与合模装置的运动轴线的排列方式）的不同可分为卧式注射成型机、立式注射成型机、角式注射成型机和多工位注射成型机，而其中卧式注射成型机较为常见。塑料注射成型方法的应用范围很广，为了满足各种注塑工艺的要求，按机器的特殊结构和用途还可分为热塑性通用型注射成型机、热固性塑料注射成型机、排气式注射成型机、发泡注射成型机、多组分注射成型机、鞋用注射成型机等。近年来还出现了许多新型注射成型机，如全电动注射成型机、气体辅助注射成型机、水（液）辅助注射成型机、BMC注射成型机和电磁动态注射成型机等。A按塑化方式分类(1)柱塞式注射成型机。柱塞式注射成型机的特点是对塑料起塑化作用的部件为柱塞和机筒，进入机筒中的塑料依靠机筒的加热软化并熔融为熔体，注射过程由柱塞完成。柱塞式注射成型机塑化塑料时，仅依靠机筒的传热使塑料熔化，由于缺少混合作用，机筒中的塑料熔体之间存在着较大的温差，塑料熔体温度分布很不均匀。图15