注塑成型工藝

注塑成型工藝是指將熔融的原料通過加壓、注入、冷卻、脫離等操作製作一定形狀的半成品件的工藝過程。 塑件的注塑成型工藝過程主要包括合模-——填充——(氣輔，水輔)保壓——冷卻——開模——脫模等6個階段。

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目錄

工藝流程

注塑成型工藝過程主要包括合模-——填充——保壓——冷卻——開模——脫模等6個階段。這6個階段直接決定着製品的成型質量，而且這6個階段是一個完整的連續過程。本章着重介紹填充、保壓、冷卻、脫模四個階段。 填充階段 填充是整個注塑循環過程中的第一步，時間從模具閉合開始注塑算起，到模具型腔填充到大約95%為止。理論上，填充時間越短，成型效率越高；但是在實際生產中，成型時間（或注塑速度）要受到很多條件的制約。 高速填充。高速填充時剪切率較高，塑料由於剪切變稀的作用而存在粘度下降的情形，使整體流動阻力降低；局部的粘滯加熱影響也會使固化層厚度變薄。因此在流動控制階段，填充行為往往取決於待填充的體積大小。即在流動控制階段，由於高速填充，熔體的剪切變稀效果往往很大，而薄壁的冷卻作用並不明顯，於是速率的效用占了上風。 低速填充。熱傳導控制低速填充時，剪切率較低，局部粘度較高，流動阻力較大。由於熱塑料補充速率較慢，流動較為緩慢，使熱傳導效應較為明顯，熱量迅速為冷模壁帶走。加上較少量的粘滯加熱現象，固化層厚度較厚，又進一步增加壁部較薄處的流動阻力。 由於噴泉流動的原因，在流動波前面的塑料高分子鏈排向幾乎平行流動波前。因此兩股塑料熔膠在交匯時，接觸面的高分子鏈互相平行；加上兩股熔膠性質各異（在模腔中滯留時間不同，溫度、壓力也不同），造成熔膠交匯區域在微觀上結構強度較差。在光線下將零件擺放適當的角度用肉眼觀察，可以發現有明顯的接合線產生，這就是熔接痕的形成機理。熔接痕不僅影響塑件外觀，而且其微觀結構鬆散，易造成應力集中，從而使得該部分的強度降低而發生斷裂。 一般而言，在高溫區產生熔接的熔接痕強度較佳。因為高溫情形下，高分子鏈活動性相對較好，可以互相穿透纏繞，此外高溫度區域兩股熔體的溫度較為接近，熔體的熱性質幾乎相同，增加了熔接區域的強度；反之在低溫區域，熔接強度較差。 保壓階段 保壓階段的作用是持續施加壓力，壓實熔體，增加塑料密度（增密），以補償塑料的收縮行為。在保壓過程中，由於模腔中已經填滿塑料，背壓較高。在保壓壓實過程中，注塑機螺杆僅能慢慢地向前作微小移動，塑料的流動速度也較為緩慢，這時的流動稱作保壓流動。由於在保壓階段，塑料受模壁冷卻固化加快，熔體粘度增加也很快，因此模具型腔內的阻力很大。在保壓的後期，材料密度持續增大，塑件也逐漸成型，保壓階段要一直持續到澆口固化封口為止，此時保壓階段的模腔壓力達到最高值。 在保壓階段，由於壓力相當高，塑料呈現部分可壓縮特性。在壓力較高區域，塑料較為密實，密度較高；在壓力較低區域，塑料較為疏鬆，密度較低，因此造成密度分布隨位置及時間發生變化。保壓過程中塑料流速極低，流動不再起主導作用；壓力為影響保壓過程的主要因素。保壓過程中塑料已經充滿模腔，此時逐漸固化的熔體作為傳遞壓力的介質。模腔中的壓力藉助塑料傳遞至模壁表面，有撐開模具的趨勢，因此需要適當的鎖模力進行鎖模。漲模力在正常情形下會微微將模具撐開，對於模具的排氣具有幫助作用；但若漲模力過大，易造成成型品毛邊、溢料，甚至撐開模具。因此在選擇注塑機時，應選擇具有足夠大鎖模力的注塑機，以防止漲模現象並能有效進行保壓。 在新的注塑環境條件下，我們需考慮一些新的注塑工藝，比如說氣輔成型，水輔成型，發泡注塑等 冷卻階段 在注塑成型模具中，冷卻系統的設計非常重要。這是因為成型塑料製品只有冷卻固化到一定剛性，脫模後才能避免塑料製品因受到外力而產生變形。由於冷卻時間占整個成型周期約70%～80%，因此設計良好的冷卻系統可以大幅縮短成型時間，提高注塑生產率，降低成本。設計不當的冷卻系統會使成型時間拉長，增加成本；冷卻不均勻更會進一步造成塑料製品的翹曲變形。 根據實驗，由熔體進入模具的熱量大體分兩部分散發，一部分有5%經輻射、對流傳遞到大氣中，其餘95%從熔體傳導到模具。塑料製品在模具中由於冷卻水管的作用，熱量由模腔中的塑料通過熱傳導經模架傳至冷卻水管，再通過熱對流被冷卻液帶走。少數未被冷卻水帶走的熱量則繼續在模具中傳導，至接觸外界後散溢於空氣中。 注塑成型的成型周期由合模時間、充填時間、保壓時間、冷卻時間及脫模時間組成。其中以冷卻時間所占比重最大，大約為70%～80%。因此冷卻時間將直接影響塑料製品成型周期長短及產量大小。脫模階段塑料製品溫度應冷卻至低於塑料製品的熱變形溫度，以防止塑料製品因殘餘應力導致的鬆弛現象或脫模外力所造成的翹曲及變形。 影響製品冷卻速率的因素有： 塑料製品設計方面。主要是塑料製品壁厚。製品厚度越大，冷卻時間越長。一般而言，冷卻時間約與塑料製品厚度的平方成正比，或是與最大流道直徑的1.6次方成正比。即塑料製品厚度加倍，冷卻時間增加4倍。 模具材料及其冷卻方式。模具材料，包括模具型芯、型腔材料以及模架材料對冷卻速度的影響很大。模具材料熱傳導係數越高，單位時間內將熱量從塑料傳遞而出的效果越佳，冷卻時間也越短。 冷卻水管配置方式。冷卻水管越靠近模腔，管徑越大，數目越多，冷卻效果越佳，冷卻時間越短。 冷卻液流量。冷卻水流量越大（一般以達到紊流為佳），冷卻水以熱對流方式帶走熱量的效果也越好。 冷卻液的性質。冷卻液的粘度及熱傳導係數也會影響到模具的熱傳導效果。冷卻液粘度越低，熱傳導係數越高，溫度越低，冷卻效果越佳。 塑料選擇。塑料的是指塑料將熱量從熱的地方向冷的地方傳導速度的量度。塑料熱傳導係數越高，代表熱傳導效果越佳，或是塑料比熱低，溫度容易發生變化，因此熱量容易散逸，熱傳導效果較佳，所需冷卻時間較短。 加工參數設定。料溫越高，模溫越高，頂出溫度越低，所需冷卻時間越長。 冷卻系統的設計規則: 所設計的冷卻通道要保證冷卻效果均勻而迅速。 設計冷卻系統的目的在於維持模具適當而有效率的冷卻。冷卻孔應使用標準尺寸，以方便加工與組裝。 設計冷卻系統時，模具設計者必須根據塑件的壁厚與體積決定下列設計參數——冷卻孔的位置與尺寸、孔的長度、孔的種類、孔的配置與連接以及冷卻液的流動速率與傳熱性質。 脫模階段 脫模是一個注塑成型循環中的最後一個環節。雖然製品已經冷固成型，但脫模還是對製品的質量有很重要的影響，脫模方式不當，可能會導致產品在脫模時受力不均，頂出時引起產品變形等缺陷。脫模的方式主要有兩種：頂杆脫模和脫料板脫模。設計模具時要根據產品的結構特點選擇合適的脫模方式，以保證產品質量。 對於選用頂杆脫模的模具，頂杆的設置應儘量均勻，並且位置應選在脫模阻力最大以及塑件強度和剛度最大的地方，以免塑件變形損壞。 而脫料板則一般用於深腔薄壁容器以及不允許有推杆痕跡的透明製品的脫模，這種機構的特點是脫模力大且均勻，運動平穩，無明顯的遺留痕跡。

工藝參數

注塑壓力 注塑壓力是由注塑系統的液壓系統提供的。液壓缸的壓力通過注塑機螺杆傳遞到塑料熔體上，塑料熔體在壓力的推動下，經注塑機的噴嘴進入模具的豎流道（對於部分模具來說也是主流道）、主流道、分流道，並經澆口進入模具型腔，這個過程即為注塑過程，或者稱之為填充過程。壓力的存在是為了克服熔體流動過程中的阻力，或者反過來說，流動過程中存在的阻力需要注塑機的壓力來抵消，以保證填充過程順利進行。 在注塑過程中，注塑機噴嘴處的壓力最高，以克服熔體全程中的流動阻力。其後，壓力沿着流動長度往熔體最前端波前處逐步降低，如果模腔內部排氣良好，則熔體前端最後的壓力就是大氣壓。 影響熔體填充壓力的因素很多，概括起來有3類：（1）材料因素，如塑料的類型、粘度等；（2）結構性因素，如澆注系統的類型、數目和位置，模具的型腔形狀以及製品的厚度等；（3）成型的工藝要素。 注塑時間 這裡所說的注塑時間是指塑料熔體充滿型腔所需要的時間，不包括模具開、合等輔助時間。儘管注塑時間很短，對於成型周期的影響也很小，但是注塑時間的調整對於澆口、流道和型腔的壓力控制有着很大作用。合理的注塑時間有助於熔體理想填充，而且對於提高製品的表面質量以及減小尺寸公差有着非常重要的意義。 注塑時間要遠遠低於冷卻時間，大約為冷卻時間的1/10～1/15，這個規律可以作為預測塑件全部成型時間的依據。在作模流分析時，只有當熔體完全是由螺杆旋轉推動注滿型腔的情況下，分析結果中的注塑時間才等於工藝條件中設定的注塑時間。如果在型腔充滿前發生螺杆的保壓切換，那麼分析結果將大於工藝條件的設定。 注塑溫度 注塑溫度是影響注塑壓力的重要因素。注塑機料筒有5～6個加熱段，每種原料都有其合適的加工溫度（詳細的加工溫度可以參閱材料供應商提供的數據）。注塑溫度必須控制在一定的範圍內。溫度太低，熔料塑化不良，影響成型件的質量，增加工藝難度；溫度太高，原料容易分解。在實際的注塑成型過程中，注塑溫度往往比料筒溫度高，高出的數值與注塑速率和材料的性能有關，最高可達30℃。這是由於熔料通過注料口時受到剪切而產生很高的熱量造成的。在作模流分析時可以通過兩種方式來補償這種差值，一種是設法測量熔料對空注塑時的溫度，另一種是建模時將射嘴也包含進去。 保壓壓力與時間 在注塑過程將近結束時，螺杆停止旋轉，只是向前推進，此時注塑進入保壓階段。保壓過程中注塑機的噴嘴不斷向型腔補料，以填充由於製件收縮而空出的容積。如果型腔充滿後不進行保壓，製件大約會收縮25%左右，特別是筋處由於收縮過大而形成收縮痕跡。保壓壓力一般為充填最大壓力的85%左右，當然要根據實際情況來確定。 背壓 背壓是指螺杆反轉後退儲料時所需要克服的壓力。採用高背壓有利於色料的分散和塑料的融化，但卻同時延長了螺杆回縮時間，降低了塑料纖維的長度，增加了注塑機的壓力，因此背壓應該低一些，一般不超過注塑壓力的20%。注塑泡沫塑料時，背壓應該比氣體形成的壓力高，否則螺杆會被推出料筒。有些注塑機可以將背壓編程，以補償熔化期間螺杆長度的縮減，這樣會降低輸入熱量，令溫度下降。不過由於這種變化的結果難以估計，故不易對機器作出相應的調整。