第4章 塑料注塑成型工艺

第4章塑料注塑成型工艺4.1注射工艺参数选择试模目的之一是为正式生产寻找最佳的成型工艺条件，因此试模的工艺选择应该严格遵守注射工艺规程，按正常的生产条件试模，这样才会使模具中存在的问题得到充分暴露，试模结果对修模才有指导作用。工艺参数选择主要是温度、压力和时间的选择。首次选择各个工艺参数时可以根据经验值、一般成型理论提供的参考值或设计时的CAE模拟软件的给定值。4.1.1温度注射成型过程需要控制的有料筒温度、模具温度、喷嘴温度等。料筒和喷嘴温度决定熔体温度。料筒温度的分布原则时从加料口到喷嘴由低到高的，这样能使塑料逐步塑化。料筒温度的选择与塑料特性的关系最大。每一种塑料有不同的流动温度（ft）或熔点（mt），对非结晶塑料，料筒末端最高温度应高于ft；对结晶型塑料，料筒末端最高温度应高于mt，但它们都必须低于各自的分解温度dt，即料筒末端最高温度范围在()fmt～dt之间。对于()fmt～dt区间狭窄或热敏性易分解的塑料，料筒最高温度应偏低，比()fmt稍高即可；反之，对于()fmt～dt区间较宽或热稳定性较好的塑料，则可高些，即比()fmt高的多，因为这样有利于成型和提高生产效率。喷嘴温度通常应略低于料筒的最高温度，这样可以防止熔体在喷嘴处“流涎”，对热敏性塑料还可以避免喷嘴处因高速摩擦热带来过度的温升而导致分解现象。此外，料筒和喷嘴的温度选择，还应考虑高聚物的平均分子量及其分布，塑料配方的组成、制品的形状及其厚薄、注射机的种类，以及其他工艺条件等因素，综合考虑，以便确定最佳的数值。模具温度对制品的外观质量内在的性能影响很大，同时也影响注射成型的劳动效率。热塑性塑料注射时，模具温度应低于料温，它是冷却定型过程。模具温度的高低取决于塑料的特性（结晶与否）、制品的结构于尺寸、制品性能要求以及其他工艺条件。无定型塑料熔体注入模腔后，不发生相转变，主要影响熔体粘度，影响充模速度。在顺利充模情况下，模温低可提高生产率。但对那些高粘度塑料，应采用较高模温，这样可调整制品冷却速率，以防止制品内外层温差过大而产生的凹痕、内应力和裂纹等缺陷。结晶型塑料注入模腔后，随着温度下降会出现结晶，结晶速度和结晶构型又决定于模温。模温高、冷却慢，结晶度大，结晶完善，制品硬度大；反之，则结晶度低，制品较柔韧。某些结晶型塑料如聚烯烃类，其玻璃化温度较低，不宜采用高模温，因为会出现后结晶现象，从而引起制品的后收缩和性能变化。厚壁塑件的内外冷却速度应尽可能一致，以防止因内外温差过大造成内应力及凹痕和缝隙，所以模温要高些。4.1.2压力注射过程的压力包括塑料塑化压力和注射压力，它们关系到塑料的塑化和模塑成型的质量。塑化压力即背压。采用螺杆式注射机成型时，螺杆转动后退加料时熔体在螺杆头部所收到的压力称塑化压力，其大小可以通过液压系统中的溢流阀来调整。注射过程塑化压力的大小是随螺杆的设计、注射机的种类及塑料的特性的不同而异的。如果这些情况和螺杆的转速都不变，若增大塑化压力会提高熔体的温度，但会减小塑化的能力，塑料塑化比较充分，熔体密度增大、有利于低分子的排除和提高塑化质量。塑化压力的高低还与喷嘴种类及注射成型时加料的方式有关。一般操作中，塑化压力的大小应在保证制品质量的前提下越低越好，其具体数值随塑料品种而异。注射压力即熔体注射入模的压力，以柱塞或螺杆头部对熔体塑料所施加的压力表示。200DpPD式中P为注射压力（MPa）；0P为注射机油缸压力（MPa）；0D为注射机油缸内径（cm）；D为注射机柱塞（螺杆）外径（cm）。注射压力所起的作用是克服塑料熔体从料筒向模具型腔的流动阻力，排除塑料中的气体并使之压实，给熔体充模以一定的速度。注射压力的大小于塑料性能、制品及模型的结构、注射机的形式以及其他注射工艺条件等有关。塑料的摩擦系数及熔体粘度越大、制品壁薄和模型复杂等，料流阻力就越大，所需注射压力就越大；柱塞式注射机内熔体流动压力损失比螺杆式注射机大，所需注射压力也大；若注射料温低些，则提高注射压力可改善充模过程。一般而言，注射压力为70～140MPa，粘度高、制品薄壁、流长比及精度高且形状复杂的注射，压力可达140MPa以上。注射速度于注射压力是相辅相成的，通常用单位时间内柱塞或螺杆移动的距离（cm/s）表示。速度主要影响熔体在模腔内的流动行为，并影响模腔内压、温度及制品的性能。通常随注射速度增大，熔体在浇注系统和模腔内流速增加，熔体受到强烈的剪切作用，温度升高，粘度降低，模腔压力大，制品各部分的熔接线强度提高、收缩率下降；但制品易单轴取向、内应力增大，因此制品应进行热处理。生产上要求注射速度中等，不能太大，应控制在层流状态，熔体入模呈铺展流动；若速度过大，料流为湍流，熔体入模为喷射流动，这样易将空气带入到制品中，形成气泡、银纹，严重时因模内高温高压还会引起塑料局部烧伤甚至分解。基于特定的模具，注射速度通常是经试验确定的，在成型时调整到满意的程度。一般对粘度高、刚硬性大的塑料和壁薄，长流程的制品等应采用较高的速度。4.1.3时间完成一次注射模塑过程所需时间又称成型周期。热塑性塑料注射成型周期包括一下几部分时间：充模时间、保压时间、闭模冷却时间和其他时间如开模、脱模、闭模等时间。其中保压时间和闭模冷却时间是总的冷却时间。成型周期直接影响劳动生产率和设备利用率，在保证制品质量前提下，应尽量缩短周期中各段时间。在整个周期中，注射时间和冷却时间都很重要。注射速度越快，充模时间越短。对于高粘度、刚性大、冷却快的塑料宜采用快速注射。充模时间一般在3～5s。保压时间视制品形状、复杂程度及模具冷却性能而不同，一般是20～120s，特厚的制品可达5～10min，形状很简单的几秒即可。保压时间对制品尺寸的准确性有影响，时间过长制品内应力增大，通常是保压到浇口处塑料冻结时为止。冷却时间主要取决于制品的厚度、塑料的比热容和结晶性能。冷却终点应以制品脱模时不变形为宜。一般来说，塑料的玻璃化温度高的及结晶型塑料的冷却时间较短。冷却时间过长不仅会降低生长率，而且对复杂制品会造成脱模困难，严重时会影响制品质量。冷却时间通常时30～120s。其他时间与生产过程是否连续化、自动化有关，在保证生产顺利进行和安全以及制品的质量前提下，各个环节的时间应尽量缩短[26]。4.2常用热塑性塑料成形特性和成形条件几种常用热塑性塑料成形特性和成形条件见表4-1和表4-2。表4-1常用热塑性塑料成形特性塑料名称成形特性聚苯乙烯（PS）1．无定形料，吸湿性小，不易分解，热膨胀系数大，易产生内应力，性脆易裂；2．流动性较好，溢边值0.03mm左右；喷嘴可用直通式或自锁式；3．塑件壁厚应均匀，最好不带嵌件，如有嵌件应预热，各面应圆弧连接，不许有缺口、尖角；4．宜用高料温、高模温和低注射压力，延长注射时间有利于降低内应力，防止缩孔、变形（尤其对厚壁塑件），但料温过高易出现银丝，料温过低或脱模剂多则透明性差；5．可采用各种形式浇口，浇口与塑件应圆弧连接，以免去除浇口时损坏塑件；脱模斜度宜取2°以上，推出应均匀以防止脱模不良发生开裂、变形。低压聚乙烯（PE）1．结晶料，吸湿性小，可能发生熔融破裂，与有机溶剂接触可发生开裂；2．流动性极好，溢边值0.02mm左右，流动性对压力变化敏感；3．收缩率范围和收缩值大，方向性明显，易变形翘曲；4．宜用高压注射，料温均匀，填充速度应快，保压充分；冷却速度宜慢，模具应设冷料穴；加热时间长则发生分解、烧伤；5．不宜用直接浇口，以防收缩不匀，内应力增大；注意选择浇口位置，防止产生缩孔和变形；6．质软易脱模，塑件有浅的侧凹槽时可强行脱模。硬质聚氯乙烯（PVC）1．无定形料，吸湿性小，但为了提高流动性、防止发生气泡则宜先干燥；2．流动性差，极易分解，特别在高温下与钢、铜金属接触更易分解，分解温度为200℃，分解时有腐蚀和刺激性气体产生；3．成形温度范围小，必须严格控制料温；4．用螺杆式注射机和直通喷嘴，孔径宜大，以防止死角滞料，滞料必须及时处理清除；5．模具浇注系统应粗短，浇口截面宜大，不得有死角；模具材料宜选用不锈钢或表面实施化学镀镍。聚丙烯（PP）1．结晶性料，吸湿性小，可能发生熔融破裂，长期与热金属接触易发生分解；2．流动性极好，溢边值0.02mm左右；3．收缩率范围和收缩值大，易发生缩孔、凹痕、变形，方向性强；4．冷却速度快浇注系统和冷却系统应缓慢散热；注意控制成形温度，料温低方向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50℃以下塑件不光泽，易产生熔接不良、流痕，90℃以上时易发生翘曲、变形；5．塑件壁厚须均匀，避免缺口、尖角，以防应力集中。聚碳酸酯（PC）1．无定形料，热稳定性好，成形温度范围宽；吸湿性小，但对水敏感，需干燥处理；2．流动性差，溢边值0.06mm左右；流动性对温度变化敏感；3．成形收缩率小，易发生熔融开裂和应力集中，应严格控制成形条件，塑件宜退火处理；4．冷却速度快，浇注系统以短、粗为原则，宜设冷料穴，浇口宜取大，模具宜加热；模具应用耐磨钢并淬火；5．塑件壁厚不宜取厚，须均匀，避免缺口、尖角和金属嵌件，以防应力集中；聚甲醛（POM）1．结晶性料，熔融范围窄，熔融和凝固快，吸湿性小，可不经干燥处理；2．流动性中等，溢边值0.04mm左右；料温稍低于熔融温度即发生结晶化，流动性下降；3．极易分解，分解温度为240℃，分解时有刺激性和腐蚀性气体产生，应选用大直径的直通式喷嘴和螺杆式注射机；4．模具浇注系统对料流的阻力要小，进料口宜取厚，要尽量避免死角积料，模具应加热，模具应选用耐磨、耐腐蚀材料，并淬火；5．摩擦系数低，弹性好，塑件浅侧凹槽可强行脱模，塑件表面可带有皱纹花样，但易产生表面缺陷，如毛斑、褶皱、熔接痕、缩孔和凹痕等缺陷。苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚体（ABS）1．无定形料，吸湿性强，必须充分干燥，表面要求光泽的塑件须长时间预热干燥；2．流动性中等，溢边值0.04mm左右；3．宜取高料温、高模温，但料温过高易分解（分解温度≥250℃）；4．模具浇注系统对料流阻力要小；浇口处外观不良，易发生熔接痕；应注意选择浇口位置、形式；推出力过大，塑件表面易出现“白色”痕迹，脱模斜度宜取2°以上。表4-2成形条件塑料名称PSPEPVCPPPCPOMABS密度(g/cm3)1.04-1.060.94-0.961.380.9-0.911.18-1.201.41-1.431.03-1.07缩水率(%)0.6-0.81.5-3.60.6-1.51.0-2.50.5-0.81.2-3.00.3-0.8烘料温度(℃)60-7570-8070-9080-100110-12080-10080-85时间(h)21-24-61-28-123-52-3料筒温度（℃）前段170-190170-200170-190200-220240-285180-190180-200中段--165-180180-200230-280170-180165-180后段140-160140-160160-170160-180210-240160-170150-170喷嘴温度（℃）----240-250170-180170-180模具温度(℃)32-6560-7030-6080-9090-110①90-120①50-80注射压力（MPa）60-11060-10080-13070-10080-13080-13060-100成形时间（s）注射15-4515-6015-6020-6020-9020-9020-90高压0-30-30-50-30-50-50-5冷却15-6015-6015-6020-9020-9020-6020-120总周期40-12040-13040-13050-16040-19050-16050-2204.3试模缺陷、原因与对策因为影响注射成型的因素错综复杂，因此必须全面分析、综合考虑。分析缺陷时，首先分析归纳工艺参数变化与塑件质量的关系，排除成型工艺因素带来的影响。按照试模经验或根据表4-4，依次找到可能由注射机、塑件或原料引起的缺陷，并采取相应的措施。继续试制塑件，此时的缺陷就可能是由模具引起的