注塑成型理论和实践——注塑工艺篇

前言

塑料加工行业包括很多，涉及的知识也很广。其包括化工、模具、机械、设计、成型制造和现场管理等方面的知识。就塑料的加工方法也名目众多，常见的有注塑成型、热压成型、延压成型、吹塑成型、挤出成型、搪胶、发泡等。就单注塑成型来说随着科学的不断进步，也由单色注塑成型发展到多色注塑成型（又叫三明治注塑成型）；现在又有了氮气辅助成型、水辅助程序以及用来加工热固性塑料的液体注射成型也在国内应用广泛。注塑成型已经成为当今塑料成型最主要的成型方法。着为我们注塑成型的技术或管理人员必须掌握或了解的知识主要有：塑料的物理性质、注塑机的构造和功用、模具的结构和相关的知识、辅助设备的功用、注塑成型的工艺知识包括产品缺陷的问题分析以及如何提高解决实际问题能力的提升。本书主要就是与注塑成型的工艺知识包括产品缺陷的问题分析以及如何提高解决实际问题能力的提升为主，融合我们多年的工作和学习的经验而写的一本学习培训教材。

每当我们上机操作之前一定要了解所用材料有些什么特性和材料的各项工艺参数范围。包括材料的成型温度、干燥温度、收速率、模具的温度、热变性温度等材料的物理性质。而材料的物理性质又包括材料的机械性能（各种强度）、抗冲击性、耐候性、耐疲劳性、耐溶剂性、防火级别、流动性等。

当然，影响材料强度的因素有很多。其中包括塑件的几何形状、负荷、外力条件、成型制程不合理导致的残留应力和材料本身组合后的配向性。所谓的外力条件就是拉伸、压缩、扭曲、挠曲、剪变等。

塑料随着科技的不断发展，现在有很多塑料都是为了达到材料的某种、多种特性或为了满足产品的各种使用要求而用塑料添加剂来改变材料的特性。这样就衍生了很多一系列的改性塑料。不管产品材料的如何更新换代，我们都可以向材料供应商了解到其材料的物理特性和工艺条件以及使用方法。

一、目录

1.1塑料的定义：塑料是一种具有可塑性和不可塑性的天然或人造高分子有机化合物(树脂)。塑料是指以有机合成树脂为主要成分,加入或不加入其他配合材料(塑料添加剂)而构成的人造材料。它通常在加热、加压条件下可塑制成具有一定形状的器件。所谓可塑性,是指象黏土那样,加力就变形,而撤除外力之后不恢复原状的性质。也就是所谓的可塑性塑料。所谓弹性(弹力),是指施加一定程度的力就变形,但撤去所施加的力则恢复原状,这种性质叫弹性(例如:橡胶),具有弹性的物体叫做弹性体(如:松紧带);塑料就是利用这种加热时所产生的可塑性,加工成各种形状的。也有在加热、加压条件下可塑制成具有一定形状的器件。之后就无法重新塑化和再次成型的塑料，这就是所谓的热固性塑料。

1.2塑料的合成：塑料是有机高分子材料中一种重要的分支，品种繁多、产量大、用途广。塑料也是由低分子有机化合物(如:乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯、乙烯醇等)在一定条件下聚合而成的高分子有机化合物(聚合物).构成塑料的分子,由于分子量都有在10000以上的高分子,所以说塑料是高分子化合物(高聚物).一般塑料分子中都含有碳(C)原子和氢(H)原子,有的塑料分子结构中含有少量氧(O)、硫(S)原子.塑料的基本原料是低分子碳、氢化合物,它是从石油、天然气或煤裂解物中提炼和合成出来的人造树脂。下面我们就来讨论塑料的分类。使我们更加容易认识它、掌握它和使用它。

1-2 塑料的分类

1.2.1按受热成型时的状况分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料就是这些树脂的分子链都是线形或带支链的结构，分子链之间没有化学键产生。在受热时会软化或熔化成流动状况，而冷却时却会变硬的一个物理变化过程。加热时变软乃至流动，冷却时又变硬，而且这过程还是可逆的、可以反复进行的塑料就是热塑性塑料。如聚苯烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS等都是热塑性塑料。

热固性塑料就是第一次受热时可以软化成流动状况（或材料本身就是液体流动状况），当受热到一定程度和一定时间时会发生化学反应（或在催化剂的作用下受热到一定程度和一定时间里发生化学反应），产生交链固化而变硬。并且，这种变化的过程是不可逆转。此后当再次受热时又不能软化成流动状况的塑料就是热固性塑料。通常人们就是利用第一次加热时材料的塑化成流动状况来充满模具，并进行固化成型，得到具有所需要的形状和所需要的尺寸的产品。热固性塑料在树脂固化前也是线型或带支链的结构，固化后分子链之间形成化学键，成为网状结构。不仅不能再熔化，有些在一般的在溶剂中也不能再熔解。酚醛、环氧树脂、有机硅橡胶等都是热固性塑料。

1.2.2 按树脂合成时的反应类型分

按树脂合成时的反应类型分，可将树脂分为聚合型树脂（通常也叫非结晶型树脂）和结晶型树脂。

1.2.2.1．聚合型树脂（非结晶型树脂）是由聚合反应制得。这种材料一般是打开不饱和双键而形成，反应过程中无低分子产物释出。聚苯乙烯、聚烯烃、聚甲醛、聚氯乙烯、丙烯烃等塑料都属于聚合型（非结晶形）塑料。聚合型塑料大都是热塑性塑料。树脂大分子的排列成无顺序排列。这种塑料由于树脂分子链的结构特点或因热力学的原因又或成型过程工艺条件范围的限制，分子链不会产生有顺序的或整齐堆砌形成结晶结构，而呈现无规则的随机排列。在纯树脂状态这种塑料是透明的。

1.2.2.2结晶型塑料是树脂分子排列呈现出有顺序、有规则的状况。从熔融状态到冷却变为制品过程中树脂的分子链能够有序地紧密堆砌产生结晶结构。一般所谓的结晶性塑料有很大一部分都是半结晶的塑料。另外，结晶性塑料的结构只能存在于热塑性的塑料中。

1.2.3 按性能和应用范围分

按性能可将塑料分为通用塑料、工程塑料、特种塑料。

1.2.3.1 通用塑料

通用塑料是指生产量大、产量大、货源广、价格低、市和大量应用的塑料。

通用塑料一般具有良好的成型工艺特性，可以用多种工艺成型出多种途的制品。但不具有突出的综合力学性能和耐热性能。如果产品的结构要求比较高；产品的负荷压力比较高；有特殊的力学要求或在高温下工作的耐热件就不适于用通用塑料来成型。但是，通用塑料也有很多优良的性能，。比如，其具有更加广泛的用途和对加工成型没有那么高的工艺要求。聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料总称为五大通用塑料。

1.2.3.2工程塑料

工程塑料是在指那些具有突出性能、耐热性、优异耐化学试剂、耐溶剂性或在变化的环境条件下可保持良好绝缘的电气性能。一般工程塑料可以用作需要负荷的结构

工程塑料一般可以作为承载结构件，升温环境下的耐热件和承载件，升温条件、潮湿条件、大范围的变频条件下的介电制品和绝缘用品。工程塑料的生产批量小，价格也较昂贵，用途范围相对狭窄，一般都是技某些特殊用途生产一定批量的材料。现有的工程塑料主要品种有聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、朋S、PET、PBT、聚矾、聚苯硫醚、氯化聚醚、聚酰亚胺、聚醚醚溺、氟塑料、超高分子量聚乙烯、环氧塑料和不饱和聚配等。
3．特种塑料

具有某种特殊功能，适于某种特殊用途的塑料，例如用于导电、压电、热电、导磁、感光、防辐射、光导纤维、液晶、高分子分离膜、专用于摩擦磨损用途等塑料。这种塑料又称功能塑料。特种塑料的主要成分是树脂，有些是专门合成的特种树脂，但也有一些是采用上述通用塑料或工程塑料用树脂经特殊处理或改性后获得特殊性能的。

四、优点

塑料优点主要是：①密度小，比强度高，可代替木材、水泥、砖瓦等大量应用于建筑材料。②耐化学腐蚀性优良,可制作化工设备。③电绝缘性和隔热性好,用于制造电子元器件，可与陶瓷、橡胶相比。④摩擦系数小，耐磨性好，有消声减震的作用，用其代替金属制造的轴承和齿轮，可在无润滑条件下高速运转。⑤易加工成型，易于着色，采用不同的原料和不同的加工方法，可制得坚韧、刚硬、柔软、轻盈、透明的各种制品，广泛用于日常生活、包装材料(见包装用高分子材料)和农业生产用薄膜、管材和零配件。塑料在航空和军事尖端工业中具有其他材料不能取代的作用：碳纤维增强塑料代替铝、钛合金可减轻飞机重量；耐瞬时高温、耐辐射的塑料用于火箭、导弹、人造卫星、原子核反应堆等塑料根据用途可以分为日用塑料和工程塑料。所谓日用塑料，是指日常普遍采用的一些塑料，它生产量较大，价格较低。所谓工程塑料是指在工程上用的一些塑料，这些塑料一般有独特的工程性质，如机械性能、电性能等，但由于生产成本较高，还不能被日常普遍采用。但是今日的工程塑料，明日就可能变成日用塑料，而有些虽然是工程塑料，但它一旦用在成品中，也不能完全脱离人们的日常生活，还有些塑料既作为工程塑料，又作为日用塑料。所以本书在第三章分述各种塑料时，重点讲日用塑料，但也不能不涉及到工程塑料，既讲一些普通的经典性的东西，也要花一些笔墨阐述一些新的、发展性的东西。

1-3常用塑料的性能

二、注塑成型基础

2-1 塑料

塑料是加热,加压后，就能够成型加工的高分子物质。塑料为天然树脂与合成树脂，一般指出由石油而成的合成树脂。

塑料的特长之一为加热后会变形，所以对于各种各样的形状能极易批量生产。

塑料大概分为有热塑性树脂与热固化树脂，大部分的产品用此两种塑料来制造。

热塑性树脂的性质为加热后溶化，在模具内进行冷却，就会固化造成产品，再次加热，也会溶化的性质。

热固化树脂的性质为虽然与热塑性树脂一样加热后溶化，但再次加热后会固化，一旦形成为固化后，不再形成为溶化。

另外，最近开发出称为“super engineering plastic”的与金属同样强度、抗热抗击的塑料及像皮肤一样的很软的塑料，利用于各种各样的领域。

2-2 注塑成型

意味着把树脂在加热筒内进行加热溶化，接着把它射到模具内，然后把溶化树脂在模具内进行冷却。通过此工程来制造产品。

2-3 进行注塑成型时所需的东西

1. 成型材料(树脂)

2. 材料干燥机(热风式、除湿式、真空式)

3. 注塑成形机

4. 模具

5. 模具温度调节器(媒体:水、油、加热器)

6. 取出器

7. 粉碎机

8. 成形技术

2-4 注塑成形条件的5个因素

1. 温度

2.

根据5个因素的配合，就会成立成形条件。

时间

3. 量(位置)

4. 速度

5. 压力

只有5个因素总保持平衡，才能进行稳定成形。

温度

材料干燥、加热筒温度、树脂温度、模具温度、制品取出温度、室内温度、执行油、冷却水温度

时间

材料干燥时间、计量时间、填充时间、保压时间、冷却时间、周期

位置(量)

料斗内的材料放入量、注塑开始位置、注塑最前进位置、注塑结束位置、计量开始位置、减压量、注塑量

速度

计量速度(螺杆转动)、注塑速度、开锁模速度、顶出速度、减压速度

压力

锁模压力、填充压力、保压压力、计量负荷压力、螺杆背压力

2-5 成形条件

成形条件应该确认5个因素怎样设定，得到怎样结果，并确认成形制品在设定范围及结果范围内可以得到良品。

成形条件表上所需的东西

1. 应该明确记载设定值范围及最终设定值。

2. 应该明确记载结果范围及最终结果。

3. 应该明确记载产品的不具产生部位。

2 成形条件设定程序

2-1 成形条件设定之前

重要的是成形树脂、产品、模具使用什么样的。

1. 确认树脂特性。

多少温度、多少时间、怎样方法来进行干燥

若干燥不足，不仅产生成形不良，而且产生产品的物性降低。

树脂温度在多少温度范围内能够成形

要理解多少温度时会溶化、多少温度时分解。

模具温度在多少温度范围内能够成形

热变形温度为多少。

2. 什么样的制品(模具)

制品很厚还是很薄

可以判断注塑时间、冷却时间、树脂温度、模具温度所需多少。

· 充填不足时能否脱模

可以判断注塑速度、注塑压力、树脂量所需多少。

· 模具的温度调整方法

确认用水温调、油温调还是加热器温调。

2-2 成形准备

① 树脂干燥

再次确认温度、时间、方法。

② 模具安装

确认模具的上下方向、顶杆的位置(根数、大小)，从固定侧起对角拧紧。

③ 开锁模(顶杆)动作的调整及确认

为了避免周期浪费以及速度与模具保护，请注意位置与压力。

④ 模具温调(升温)

模具温调方法应该每次用同一个方法来连接。另外，升温之后，需要再次进行开锁模的动作确认。

⑤ 加热筒内的清洗

把加热筒内的材料换成所要成形的材料时，请进行清洗。

所要使用的树脂溶化温度比上一次使用的树脂高时，设定为所要使用的树脂下限温度。

成形温度领域不同时，暂时换成双方树脂的成形温度一致的稳定树脂之后，再次进行清洗。

用热流道模具时，开模后需要模具歧管内的清洗。

3 成形条件设定

关于温度，变更设定值后不会马上变化，所以根据树脂数据、制品数据直接关联温度的数据，基本上固定设定值。

· 模具温度

· 加热筒温度(包括料斗下面通水量)

· 螺杆转动数→100r.p.m左右

· 螺杆背压→油压:5到10kg/cm2

(树脂压:50到150kg/cm2左右)

(1) 计量值设定

原则上从未填充的状态开始进行成形。

○ 暂时条件设定

· 计量值(SM)少一些

· 减压量(SD)为3到5左右

用阀门射嘴时不需要

· 保压转换位置为10mm(保压与背压同样程度)

NC9300T在V-P设定

NC9000F·G在S5设定

· 注塑速度、注塑压力的设定（基于同一个速度与2种压力）

注塑速度＝V

注塑压力 NC9300T在Pv设定

NC9000F·G在P1设定

· 保压力 NC9300T在Pp设定

NC9000F·G在P2、P3设定

注塑画面等设定为能显示螺杆位置的状态。

○ 在手动模式的状态下把树脂填充在模具内，螺杆不再前进时，马上回到空挡状态。

此时请确认螺杆前进到哪个位置。

○ 经过有一定的冷却时间后，进行开模，边查看成形品，边按照图表①进行操作。通过此些操作来设定计量值设定。

图表①

成形品的状态

螺杆位置

处理

充填不足

(未填充)

前进到5mm以下

增加计量值

停在5到10mm之间

增加保压

停在10mm以上

增加速度、注塑压力

毛刺、白化、裂痕

(过填充)

前进到5mm以下

减少速度、注塑压力

停在5到10mm之间

减少保压

停在10mm以上

减少计量值

○ 螺杆前进位置在5到7mm左右制造形状好(不许未填充及毛刺)的成形品。

此时在成形品上产生外观不良(浇口喷射痕、流痕)，也没有问题。

○ 进入半自动模式

参考图表②，暂时设定注塑时间、冷却时间、进行半自动运转。

○ 进入全自动模式

的确确认制品脱模，设定中间时间后，进行全自动运转。

图表②

成形品厚度

注塑时间

冷却时间

1mm以下

5.0 sec

10.0 sec

5mm以下

15.0 sec

20.0到30.0sec

5mm以上

30.0 sec

40sec以上

n 根据树脂及制品形状不同，上图仅为参考。

○ 把注塑压力设定为99％(MAX)。

NC9300T在Pv设定，NC9000F·G在P1设定

为了下一个工程中确认速度条件幅度，就补偿速度，所以设定为最大值。

注塑压力设定值增加为每10％，按照图表③变更条件，设定为99％。

图表③

成形品状态

产生情况

处理

毛刺

产生在充填过程中

减少V

产生在充填终期

减少P2、P3

n 如果没产生毛刺等，为了把充填时间调整为同样程度，就边减少注塑速度，边把注塑压力设定为99％。

今后对于每个条件射顶进行成形品评价，只有了解条件幅度，才可以决定能够实现稳定成形的最终设定值。

(2) 注塑速度设定

变更注塑速度呒确认成形品的良品幅度，然后决定最终速度设定值。(相关于充填时间与制品重量)

① 注塑压力(Pv或P1)＝99％ 保压转换位置(V-P或S5)＝10mm

固定为保压力(Pp或P2、P3)

② 首先观察外观不良(毛刺、充填不足、流痕等)，以得到良品的条件为中心取样5至10个数据。

③ 取样数量基于N＝5算出总计。

④ 把所设定的数据换成图表化。

⑤ 下图来观察，成形品的良品幅度(注塑速度)为40％至50％，充填时间为0.79sec至0.66sec，此幅度中间点设定45％。

如所产生的外观不良在容许范围内，也可以向安全侧偏移，进行决定。

使用不许产生毛刺的模具时，只确认下限值。

成形品数据

速度设定(％)

充填时间(sec)

成形品重量(g)

30

1.2

30.18

35

1

30.56

40

0.79

30.8

45

0.73

30.99

50

0.66

31.2

55

0.61

31.3

60

0.57

31.89

(3) 注塑压力(Pv或P1)(填充压力)的设定

确认与(2)工程上所得到的注塑速度符合的注塑压力(Pv或P1)后，决定能够补偿速度的压力。

(相关于充填时间与注塑压力设定值)

① 注塑速度(V)＝45％ 保压转换位置(V-P或S5)＝10mm

固定为保压力(Pp或P2、P3)

② 注塑压力(Pp或P2、P3)从99％下降，观察充填时间与成形品的变化。

③ 取样数量基于N＝5算出总计。

④ 把所设定的数据换成图表化。

⑤ 下图来观察，为了得到45％的速度，注塑压力就起码需要55％，因此向安全侧偏移后定为60％。

成形品数据

压力设定(％)

充填时间(sec)

成形品重量(g)

35

1.58

29.8

40

1.2

30.18

45

0.98

30.5

50

0.82

30.8

55

0.73

30.99

60

0.73

31.05

65

0.73

31.02

(4) 保压转换位置(V-P或S5)设定

确认注塑压力(Pv或P1)至保压力(Pp或P2、P3)的转换位置的良品幅度后，决定最终设定位置。

(相关于保压转换位置与制品重量)

① 注塑速度(V)＝45％ 注塑压力(Pp或P1)＝60％

固定为保压力(Pp或P2、P3)

② 暂时设定条件的10mm变更为±5至10，进行取样。

③ 取样数量基于N＝5算出总计。

④ 把所设定的数据换成图表化。

⑤ 下图来观察，成形品的良品幅度为8.0mm至12.0mm，此幅度的中间点决定为10.0mm。

成形品数据

保压转换位置

充填时间(sec)

成形品重量(g)

7

0.78

31.35

8

0.75

31.15

9

0.74

31.08

10

0.73

31

11

0.72

30.8

12

0.71

30.6

13

0.7

30.35

(5) 保压力(Pp或P2、P3)设定

变更保压力(Pv或P2、P3)，确认成形品的良品幅度，然后决定最终设定值。

(相关于保压力与制品重量)

① 注塑速度(V)＝45％、注塑压力(Pp或P1)＝60％

保压转换位置(V-P或S5)固定为10.0mm

② 对于成形品的外观与重量变更5至10的水平，进行取样。

③ 取样数量基于N＝5算出总计。

④ 把所设定的数据换成图表化。

⑤ 下图来观察，成形品的良品幅度为30％至45％，此幅度的中间点为40％。

成形品数据

保压设定(％)

终了位置(mm)

成形品重量(g)

20

7.6

30.05

25

7.2

30.56

30

6.8

30.85

35

6.5

31.05

40

6.2

31.15

45

5.9

31.25

50

5.5

31.32

(6) 注塑时间设定

一般对于把树脂充填到模具时所要的时间(充填时间)与浇口固化所要的时间(保压时间)来决定注塑时间。

① 注塑速度(V)＝45％、注塑压力(Pv或P1)＝60％

保压转换位置(V-P或S5)＝10.0mm、保压力(Pp或P2、P3)＝40％

② 相比与充填时间同样的注塑时间延长每0.5秒，测量制品重量。

③ 取样数量基于N＝5算出总计。

④ 把所设定的数据换成图表化。

⑤ 下图来观察，虽然浇口固化需要5.0秒钟，但向安全侧偏移，因此设定为5.5sec。

成形品数据

注塑时间(sec)

成形品重量(g)

0.5

10.5

1

26.5

1.5

27.3

2

28.05

2.5

29.05

3

29.9

3.5

30.2

4

30.45

4.5

30.8

5

31.05

5.5

31.07

6

31.05

6.5

31.04

(7) 冷却时间设定

冷却时间设定对于模具内树脂温度下降到不会收到热变形影响所需的时间。

在一般的情况下，冷却时间对于从模具里被取出的成形品是否产生变形(尺寸等)来判断。

① 冷却时间作为暂时设定取几种条件。

② 取样数量基于N＝5，经过时间测量尺寸。

③ 根据尺寸测量的结果来决定冷却时间。

(8) 最终条件幅度的确认

保压转换位置从暂时条件改变时，再次确认充填时间的下限值与上限值。

(9) 连续成形时的稳定度确认

进行100次左右的连续成形，利用注塑成形机的显示功能来确认成形信息的稳定度。

定期取样，测量制品重量，确认经过多少时间后维持稳定。

3 再次设定温度关联的条件

(1) 模具温度

定期测定模具实际温度，把它记下来。

根据情况需要再次设定数值。

(2) 加热筒温度

确认实测温度对设定值是否有偏差。

① 喷嘴温度变动时

进行自动调节，设定为最适合的控制定数。

② 后部温度易降时

限制料斗下面(注塑台)的通水量，上升料斗下面的温度补助厚度温度。

(3) 螺杆转动次数(VS)

大概设定为冷却时间内结束的转动次数。

如果螺杆转动速度过快，就会产生过渡性剪切热，引起于树脂焦烧、分解，请注意。

(4) 螺杆背压(PB)

作为螺杆后退的抗力加上螺杆背压。

虽然为了提高塑化时的树脂脱气、搅拌效果及树脂密度的稳定性，使用背压，但如果压力过高，只是塑化时间过长，由于剪切发热，就会上升树脂温度，请注意。

(5) 减压(SD)

用开射嘴时，为计量后的树脂减压而目的，而且作为最低限度的行程，把减压速度变更为螺杆的后退速度程度，树脂密度就能易稳定。

4 再次确认其他成形环境

(1) 模外冷却

成形品的冷却不只在模内，而且取出制品后下降到常温之间，也作为模外冷却进行冷却。

取出制品之后，在一定的环境下进行冷却，也很重要。如果模外冷却环境变化，就会产生制品尺寸变化及变形。

(2) 粉碎

直浇口、流道等被粉碎后，能够再次利用。但如果粒度不稳定，塑化状态也不会稳定，失去成形条件的平衡，请注意。