1.2 注射成型基礎知識

注射成型又稱注射模或注射，是塑件加工中重要的成型方法之一，其技術已發展得相當成熟，并且應用非常普遍。注射產品已占塑件總量的30%以上，在國民經濟的許多領域有著廣泛的應用。

1.2.1 塑件的工藝性

塑件的設計不僅要滿足使用要求，而且要符合塑料的成型工藝特點，同時要盡量使模具結構簡單化。在進行塑件結構工藝性設計時，必須在保證塑件的使用性能、物理性能與力學性能、電氣性能、耐化學腐蝕性能和耐熱性能的前提下，盡量選用價廉且成型性能好的塑料。此外，還應該力求塑件結構簡單、壁厚均勻，而且成型方便。在設計塑件時應同時考慮模具總體結構的合理性，使模具型腔易于制造，模具的抽芯和推出機構簡單。塑件形狀應有利于模具的分型、排氣、補縮和冷卻。

總之，塑件設計的主要內容包括塑件的選材、尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形狀、壁厚、脫模斜度、圓角、加強筋、支撐面、孔、螺紋、齒輪、嵌件、飛邊、文字與符號及塑件表面彩飾等。

1．塑件的選材

塑件的選材主要注意以下幾方面。

（1）塑料的力學性能，如強度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、抗沖擊性能，以及對應力的敏感性。

（2）塑料的物理性能，如對使用環境溫度變化的適應性、光學特性、絕熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀的完美程度等。

（3）塑料的化學性能，如對接觸物（水、溶劑、油、藥品）的耐蝕性、衛生程度，以及使用上的安全性等。

（4）必要的精度，如收縮率的大小及各向收縮率的差異。

（5）成型工藝性，如塑料的流動性、結晶性、熱敏性等。

常用塑料的性能與用途如表1-1所示。

2．塑件的尺寸和精度

1）塑件的尺寸

塑件的總體尺寸受到塑料流動性的限制。在一定的設備和工藝條件下，流動性好的塑料可以成型出較大尺寸的塑件；反之，成型出的塑件尺寸就較小。此外，塑件外形尺寸還受到成型設備的限制，如注射成型的塑件尺寸要受到注塑機的注射量、鎖模力和模板尺寸的限制；壓縮及壓注成型的塑件尺寸要受到壓力機噸位及工作臺面尺寸的限制。通常，只要能滿足塑件的使用要求，可以將塑件設計得緊湊一些、尺寸小一些，以節約能源和模具制造成本。

2）塑件的精度

影響塑件精度的因素很多，如模具制造精度及其使用后的磨損程度，塑料收縮率的波動，成型工藝條件的變化，塑件的形狀、脫模斜度及成型后的尺寸變化等。表1-2列出了影響塑件精度的直接和間接原因。

一般在生產過程中，為了降低模具的加工難度和模具的生產成本，應在滿足塑料使用要求的前提下盡可能地把塑件尺寸精度設計得低一些。

3．塑件的表面質量

塑件的表面質量包括表面粗糙度和外觀質量等。塑件表面粗糙度的高低主要與模具型腔內各成型表面的粗糙度有關。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低1～2級。

一般來說，原材料的質量、成型工藝（各種參數的設定、控制等人為因素）和模具的表面粗糙度等都會影響塑件的表面粗糙度，尤其以型腔壁上的表面粗糙度影響最大。因此，模具的型腔壁表面粗糙度實際上成了塑件表面粗糙度的決定性因素。另外，對于透明塑件，特別是光學元件，要求凹模與型芯兩者有相同的表面粗糙度。

表1-3列出了模具表面粗糙度對注射件表面粗糙度的影響情況。

塑料的外觀質量是指塑件成型后的表觀缺陷狀態，如常見的缺料、溢料、飛邊、氣孔、熔接痕、斑紋、銀紋、凹陷、翹曲與收縮、尺寸不穩定等。這些缺陷主要是由塑料成型時原材料的選擇、塑料成型工藝條件、模具總體結構設計等多種因素造成的，具體原因將在本章1.3節中進行詳細介紹。

1.2.2 注射成型過程對塑件質量的影響

注射成型過程包括成型前的準備、注射過程和塑件的后處理三個主要的階段，各個階段又可細分為多個小的階段。注射成型工藝過程如圖1-4所示。

1．成型前的準備

為了使注射成型順利進行，保證塑件質量，一般在注射之前要進行原料預處理、清洗料筒、預熱嵌件和選擇脫模劑等準備工作。

（1）原料的預處理包括原料的檢驗、著色和預熱干燥等過程。

（2）料筒的清洗。生產中如需要改變塑料品種、更換物料、調換顏色，或發現成型過程中出現了熱分解或降解反應，均應對注塑機的料筒進行清洗。通常，柱塞式料筒存料量大，必須將料筒拆卸清洗。對于螺桿式料筒，可采用對空注射法清洗。

最近研制成功了一種料筒清洗劑，它是一種粒狀、無色、高分子、熱彈性材料，100℃時具有橡膠特性，但不熔融或黏結。將它通過料筒，可以像軟塞一樣把料筒內的殘料帶出。這種清洗劑主要適用于成型溫度為180～280℃的各種熱塑性塑料及中小型注塑機。

（3）嵌件的預熱。當嵌件為金屬時，由于金屬與塑料的膨脹與收縮率相差較大，所以要對嵌件進行預熱，以避免嵌件周圍塑料層強度下降而出現裂紋缺陷，但小嵌件易在模內被塑料熔體加熱，可不預熱。預熱的溫度以不損壞金屬嵌件表面鍍（鋅或鉻）層作為判斷標準，一般為110～130℃。對無表面鍍層的鋁合金或銅嵌件，其預熱溫度可達150℃。

（4）脫模劑的選用。為了便于脫模，生產中常使用脫模劑。常用的脫模劑有三種：硬脂酸鋅、液態石蠟和硅油。硬脂酸鋅除尼龍塑料外，其余塑料均可使用；液態石蠟作為尼龍類塑料脫模劑效果較好；硅油的使用效果好，但價格貴，而且使用時要與甲苯等有機溶劑配成混合溶液，涂抹型腔后待有機溶劑揮發后才能顯示出硅油的潤滑效果。

近年來，生產中流行的霧化脫模劑實際上就是硅油脫模劑。其主要成分是聚二甲基硅氧烷（硅油），加適量助劑，再充入霧化劑（氟利昂或丙烷等）。此外，脫模劑還可直接混合在粒料中使用，如在料中混入0.01%～0.05%白油（液態石蠟），脫模效果很好。

2．注射過程

完整的注射過程包括加料、塑化、注射、保壓、冷卻和脫模等步驟。螺桿式注塑機在各個階段的成型工藝順序如圖1-5所示。

注射成型中的塑化、注射、保壓、冷卻和脫模等工藝過程的原理如下。

1）塑化、計量階段

（1）塑化。

塑化即塑料熔融，是指塑料在料筒中經加熱達到黏流狀態并具有良好可塑性的全過程。塑化之后熔體內的組分、密度、黏度和溫度分布都較均勻，才能保證塑料熔體在注射充型階段具有良好的流動性。

（2）計量。

計量是指能夠保證注塑機通過柱塞或螺桿，將塑化好的熔體定溫、定壓、定量地輸出（注射）料筒所進行的準備動作，這些動作均需注塑機控制柱塞或螺桿在塑化過程中完成。計量動作的準確性不僅與注塑機控制系統的精度有關，還直接受料筒（塑化室）和螺桿的幾何要素及其加工質量的影響。顯然，計量精度越高，獲得高精度塑件的可能性越大，因此在注射成型過程中應十分重視計量的作用。

（3）塑化效果和塑化能力。

塑化效果是指物料轉變成熔體之后的均化程度。塑化能力是指注塑機在單位時間內能夠塑化的物料質量或體積。塑化效果的好壞及塑化能力的大小均與物料受熱方式和注塑機結構有關。對于柱塞式注塑機，物料在料筒內只能接受柱塞的推擠力，幾乎不受剪切作用，塑化所用的熱量主要從外部裝有加熱裝置的高溫料筒上獲取。

對于螺桿式注塑機，螺桿在料筒內的旋轉會對物料起到強烈的攪拌和剪切作用，導致物料之間劇烈摩擦，從而產生很大的熱量，故物料塑化時的熱量可同時來源于高溫料筒和自身產生的摩擦熱，也可以只憑摩擦熱單獨供給。通常，前面一種情況稱為普通螺桿塑化，后面一種情況稱為動力熔融。

顯然，在動力熔融條件下，強烈的攪拌與剪切作用不僅有利于熔體中各組分混合均化，還避免了波動的料筒溫度對熔體溫度的影響，更有利于熔體的黏度均化和溫度分布均化，得到良好的塑化效果。

與此相反，柱塞式注塑機塑化物料時，既不能產生攪拌和剪切的混合作用，又受料筒溫度波動的影響，故熔體的組分、黏度和溫度分布的均化程度都比較低。因此，其塑化效果既不如動力熔融，也不如介于中間狀態的部分依靠料筒熱量的普通螺桿塑化。

2）注射充型階段

柱塞或螺桿從料筒內的計量位置開始，通過注射油缸和活塞施加高壓，將塑化好的塑料熔體經過料筒前端的噴嘴和模具中的澆注系統快速進入封閉型腔的過程稱為注射充型。注射充型又可細分為流動充型、保壓補縮和倒流三個階段。在注射過程中壓力隨時間呈非線性變化。

圖1-6所示為在一個注射成型周期內用壓力傳感器測得的壓力隨時間變化的曲線圖。曲線1是料筒計量室中注射壓力隨時間變化的曲線。曲線2是噴嘴末端的壓力曲線。曲線3是型腔始端（澆口處）的壓力曲線。曲線4是型腔末端的壓力曲線。

（1）流動充型階段。

AB時間段是塑料熔體在注射壓力作用下從料筒計量室流入型腔始端的時間。在AB時間段，熔體充滿型腔。此時注射壓力p1迅速達到最大值（見曲線1），噴嘴壓力也達到一定的動態壓力p2（見曲線2）。

充模時間（tB-tA）是注射成型過程中最重要的參數，因為熔體在型腔內流動時的剪切速率和造成聚合物分子取向的程度都取決于這一時間。

型腔始端壓力與末端壓力之差（pB-pB1）取決于熔體型腔內的流動阻力。型腔充滿后，型腔壓力迅速增加并達到最大值。圖1-6中型腔始端的最大壓力為pC（見曲線3），末端的最大壓力為pC1（見曲線4）。

噴嘴壓力迅速增加并接近注射壓力p1（見曲線2）。BC時間段是熔體的壓實階段。在壓實階段約占塑件質量15%的熔體被壓到型腔內。此時，熔體進入型腔的速度已經很慢了。

（2）保壓補縮階段。

CD時間段是保壓補縮階段。在這一階段中熔體仍處于螺桿所提供的注射壓力之下，熔體會繼續流入型腔內以彌補熔體因冷卻收縮而產生的空隙。此時熔體的流動速度更慢，螺桿只有微小的補縮位移。在保壓階段熔體隨著模具的冷卻，密度增大而逐漸成型。

（3）倒流階段。

保壓結束后，螺桿回程（下一周期的預塑開始），噴嘴壓力迅速下降至零（見曲線2）。塑料熔體在此時仍具有一定的流動性。在型腔壓力的作用下，熔體可能從型腔向澆注系統倒流，導致型腔壓力從pD降為pE。

在tE時刻熔體在澆口處凝固，倒流過程封斷。澆口尺寸越小，封斷越快。pE稱為封斷壓力。pE和此時相對應的熔體溫度對塑件的性能有很大影響。

3）冷卻定型階段

EF時間段為冷卻定型階段，在模具冷卻系統的作用下塑件逐漸冷卻到具有一定的剛度和強度時脫模。脫模時塑件內的殘余壓力為零。若殘余壓力過大，會出現塑件開裂、損傷和卡模等情況。圖1-7所示為一個注射周期中塑料熔體和模具溫度隨時間變化的曲線。

由圖1-7可知，隨著型腔壓力的迅速增大，熔體溫度上升至某一最高值，然后隨著保壓階段的開始，熔體溫度下降。當熔體注入型腔時，型腔的表面溫度升高，然后在冷卻系統的作用下溫度逐漸降低。因此，型腔的表面溫度在兩個極限值之間變化，最低極限值出現在塑件脫模時，最高極限值出現在熔體充滿時。熔體與模具之間的溫差對塑件所需的冷卻時間和塑件表面質量有很大的影響，因此模具冷卻系統的設計十分重要。

一般來說，脫模溫度不宜太高，否則，塑件脫模后不僅會產生較大的收縮，還容易在脫模后發生熱變形。當然，受模具溫度限制，脫模溫度也不能太低。因此，合適的脫模溫度應在塑料的熱變形溫度和模具溫度之間。

正常脫模時，型腔壓力和外界壓力的差值不要太大，否則容易使塑件脫模后在內部產生較大的殘余應力，導致塑件在以后的使用過程中發生形狀、尺寸變化或產生其他缺陷。一般來說，保壓時間較長，型腔壓力下降慢，開啟模具時可能產生爆鳴現象，塑件脫模時容易被刮傷或破裂；反之，未進行保壓或保壓時間較短，型腔壓力下降快，倒流嚴重，型腔壓力甚至可能下降到低于外界壓力的水平，塑件將會因此產生凹陷或真空泡。鑒于以上情況，生產中應盡量調整好保壓時間，使塑件脫模時的殘余應力接近或等于零，以保證塑件具有良好的質量。

塑件在成型過程中，塑化不均勻或塑料在型腔中的結晶、定向及冷卻不均勻會造成塑件各部分收縮不一致，或因其他原因使塑件內部不可避免地存在一些內應力而導致在使用過程中變形或開裂。因此，應該設法消除內應力。消除內應力的方法有退火處理和調濕處理。

1.2.3 注射成型工藝條件對塑件質量的影響

在注射成型過程中，工藝條件的選擇和控制是保證成型順利進行和塑件質量的關鍵因素之一。主要的工藝條件是影響塑化流動和冷卻的溫度、壓力和相應的各個作用時間。

1．溫度

在注射成型中需要控制的溫度有料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度。前兩種溫度影響塑料的塑化流動；后一種溫度主要影響充型和冷卻。

1）料筒溫度

為了保證塑料熔體的正常流動而又不使塑料發生變質分解，料筒最合適的溫度范圍應高于Tf（Tm），但必須低于塑料的分解溫度Td，即Tf（Tm）～Td。對于Tf（Tm）～Td狹窄的塑料（如硬質聚氯乙烯），料筒溫度應控制得稍低些，即比Tf（Tm）稍高一點；而對于Tf（Tm）～Td較寬的塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯），料筒溫度可控制得高一些，即比Tf（Tm）高得多。

此外，料筒溫度的選擇還與諸多因素有關。平均分子質量偏高、分子質量分布較窄的塑料、用玻璃纖維增強的塑料或采用柱塞式注射的塑料以及塑件壁厚較小時，都應選擇較高的料筒溫度，反之亦然。

料筒的溫度分布一般遵循前高后低的原則，即從料斗一側（后端）起至噴嘴（前端）止，是逐步升高的。但當塑料含水量較高時也可提高后端溫度。由于螺桿式注塑機中的塑料受到螺桿剪切摩擦生熱而有利于塑化，故可使料筒前端溫度稍低于中段溫度，以防塑料發生過熱分解。塑料的加工溫度主要由注塑機料筒的溫度決定。而料溫又對成型條件及塑件的物理性能有較大的影響，如圖1-8所示。

2）噴嘴溫度

為防止熔體在噴嘴處產生“流涎”現象，通常將噴嘴溫度控制在略低于料筒的最高溫度，即大致與料筒中段溫度相同。

一般來說，在生產上鑒別料筒與噴嘴溫度是否合理，常以低壓、低速對空注射，當噴出的料剛勁有力、不帶泡、不卷曲、光亮且連續時即視為合適。

3）模具溫度

模具溫度對塑料熔體的流動性、塑件的內在性能和外觀質量影響很大。模具必須保持一定溫度，這主要由通入定溫的冷卻介質來控制，也有靠熔體入模后的自然升溫和自然散熱達到熱平衡而保持一定模溫的。通常根據不同塑料成型時所需要的模具溫度，確定是否設置冷卻或加熱系統。

對于結晶型塑料，模具溫度直接影響塑件的結晶度和結晶構型，可以采用較高的模具溫度。因為當模溫較高時，冷卻速率小，結晶速率大。此外，模具溫度高時也有利于分子的松弛過程，分子定向效應小。結晶速度與溫度的關系如圖1-9所示。對于結晶型塑料，其模具溫度可控制在玻璃化溫度與最大結晶速度的相應溫度之間。

對于非結晶型塑料，當熔融黏度較低或中等時（如聚苯乙烯、乙酸纖維素等），模具溫度常偏低；而對于熔融黏度偏高的非結晶型塑料（如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等），則必須采用較高的模溫。當所需模溫大于80℃時，應設置加熱裝置。

模具溫度對塑料某些成型性能的影響如圖1-10所示。

2．壓力

注射成型過程需要控制的壓力有塑化壓力、注塑壓力、保壓壓力和型腔壓力四種，它們直接影響塑料的塑化和塑件質量。

1）塑化壓力

塑化壓力又稱背壓，是指螺桿式注射成型時，螺桿頭部熔體在螺桿轉動后退時所受到的阻力。由于它所代表的是塑料塑化過程中所承受的壓力，因此稱為塑化壓力。它的大小是靠調節排油閥改變排油速度來控制的。背壓不能太小，否則螺桿后退速度加快，從料斗進入料筒的塑料密度小、空氣量大而降低塑化效果；背壓也不宜太大，否則螺桿后退時阻力增大，受螺桿推動的塑料熱效應增高，不但會惡化塑化效果，而且會延長預塑化時間，容易使噴嘴處產生流涎現象。所以，通常在保證塑件質量的前提下，背壓一般不大于2MPa。

2）注塑壓力

注塑壓力是指柱塞或螺桿頂部對塑料熔體所施加的壓力。其作用是克服熔體流動充型過程中的流動阻力；使熔體具有一定的充型速率；對熔體進行壓實。注塑壓力的大小取決于注塑機的類型、塑料的品種、模具結構、模具溫度、塑件的壁厚及流程的大小等，尤其是澆注系統的結構和尺寸。為了保證塑件的質量，對注塑速率有一定要求，而注塑速率與注塑壓力有直接關系。

在同樣條件下，注塑壓力大時，注塑速率高；反之，注塑壓力小時注塑速率低。對于熔體黏度高的塑料，其注塑壓力應比黏度低的塑料大；對于壁薄、面積大、形狀復雜及成型時熔體流程長的塑件，注塑壓力也應該大；對于面積小、結構簡單、澆口尺寸較大的塑件，注塑壓力可以較小；對于柱塞式注塑機，因料筒內壓力損失較大，故注塑壓力應比螺桿式注塑機的大；對于料筒溫度高、模具溫度高的，注塑壓力也可以較小。

總之，注塑壓力的大小取決于塑料品種、注塑機類型、模具的澆注系統狀況、模具溫度、塑件復雜程度和壁厚及流程的長短等諸多因素，很難具體確定，一般要經試模后才能確定。注塑壓力對塑料成型性能的影響如圖1-11所示。其常用的注塑壓力為70～150MPa。

3）保壓壓力

型腔充滿后，注塑壓力的作用在于對模內熔體的壓實，此時的注塑壓力又稱保壓壓力。在生產中，保壓壓力等于或小于注射時所用的注塑壓力。如果注射時和保壓時的壓力相等，則往往可以使塑件的收縮率減小，并且尺寸穩定性及力學性能較好。其缺點是會造成脫模時的殘余壓力過大，使塑件脫模困難。因此，保壓壓力應適當。

4）型腔壓力

型腔壓力是注塑壓力在經過注塑機噴嘴、模具流道、澆口等的壓力損失后，作用在型腔單位面積上的壓力。一般型腔壓力是注塑壓力的30%～65%，為20～40MPa。

3．注塑速度

注塑速度主要影響熔體在型腔內的流動行為。通常隨著注塑速度的增大，熔體流速增加，剪切作用加強，熔體黏度降低，熔體溫度因剪切發熱而升高，所以有利于充型。塑件各部分塑料熔體的熔接處的熔接強度也得以增加。但是，注塑速度增大可能使熔體從層流狀態變為湍流狀態，嚴重時會引起熔體在模內噴射而造成模內空氣無法排出。這部分空氣在高壓下被壓縮而迅速升溫，會引起塑件局部燒焦或分解。

在實際生產中，注塑速度通常是通過實驗來確定的。一般先以低壓慢速注射，然后根據塑件的成型情況去調整注塑速度。注塑速度對塑料成型性能的影響如圖1-12所示。

4．成型周期

完成一次注射成型過程所需的時間稱為成型（或生產）周期。它是決定注射成型生產率及塑件質量的一項重要因素。它包括以下幾個部分：

注射成型周期時序圖如圖1-13所示，它反映了各時間段內模具各部分的狀態與動作過程。

成型周期直接影響生產效率和設備利用率，應在保證產品質量的前提下，盡量縮短成型、冷卻過程。從圖1-13中可以看出，在整個成型周期中，注射時間和冷卻時間是基本組成部分，注射時間和冷卻時間的多少對塑件的質量有決定性影響。注射時間中的充型時間不長，一般不超過10s；保壓時間較長，一般為20～120s（特厚塑件可達5～10min），通常以塑料塑件收縮率最小值為保壓時間的最佳值。

冷卻時間主要決定于塑料塑件的壁厚、模具溫度、塑料的熱性能和結晶性能。冷卻時間的長短應以保證塑件脫模時不引起變形為原則，一般為30～120s。此外，在成型過程中應盡可能縮短開模、脫模等的時間，以提高生產率。