注塑成型理論和實踐——注塑工藝篇

前言

塑料加工行業包括很多，涉及的知識也很廣。其包括化工、模具、機械、設計、成型製造和現場管理等方面的知識。就塑料的加工方法也名目眾多，常見的有注塑成型、熱壓成型、延壓成型、吹塑成型、擠出成型、搪膠、發泡等。就單注塑成型來說隨着科學的不斷進步，也由單色注塑成型發展到多色注塑成型（又叫三明治注塑成型）；現在又有了氮氣輔助成型、水輔助程序以及用來加工熱固性塑料的液體注射成型也在國內應用廣泛。注塑成型已經成為當今塑料成型最主要的成型方法。着為我們注塑成型的技術或管理人員必須掌握或了解的知識主要有：塑料的物理性質、注塑機的構造和功用、模具的結構和相關的知識、輔助設備的功用、注塑成型的工藝知識包括產品缺陷的問題分析以及如何提高解決實際問題能力的提升。本書主要就是與注塑成型的工藝知識包括產品缺陷的問題分析以及如何提高解決實際問題能力的提升為主，融合我們多年的工作和學習的經驗而寫的一本學習培訓教材。

每當我們上機操作之前一定要了解所用材料有些什麼特性和材料的各項工藝參數範圍。包括材料的成型溫度、乾燥溫度、收速率、模具的溫度、熱變性溫度等材料的物理性質。而材料的物理性質又包括材料的機械性能（各種強度）、抗衝擊性、耐候性、耐疲勞性、耐溶劑性、防火級別、流動性等。

當然，影響材料強度的因素有很多。其中包括塑件的幾何形狀、負荷、外力條件、成型製程不合理導致的殘留應力和材料本身組合後的配向性。所謂的外力條件就是拉伸、壓縮、扭曲、撓曲、剪變等。

塑料隨着科技的不斷發展，現在有很多塑料都是為了達到材料的某種、多種特性或為了滿足產品的各種使用要求而用塑料添加劑來改變材料的特性。這樣就衍生了很多一系列的改性塑料。不管產品材料的如何更新換代，我們都可以向材料供應商了解到其材料的物理特性和工藝條件以及使用方法。

一、目錄

1.1塑料的定義：塑料是一種具有可塑性和不可塑性的天然或人造高分子有機化合物(樹脂)。塑料是指以有機合成樹脂為主要成分,加入或不加入其他配合材料(塑料添加劑)而構成的人造材料。它通常在加熱、加壓條件下可塑製成具有一定形狀的器件。所謂可塑性,是指象黏土那樣,加力就變形,而撤除外力之後不恢復原狀的性質。也就是所謂的可塑性塑料。所謂彈性(彈力),是指施加一定程度的力就變形,但撤去所施加的力則恢復原狀,這種性質叫彈性(例如:橡膠),具有彈性的物體叫做彈性體(如:鬆緊帶);塑料就是利用這種加熱時所產生的可塑性,加工成各種形狀的。也有在加熱、加壓條件下可塑製成具有一定形狀的器件。之後就無法重新塑化和再次成型的塑料，這就是所謂的熱固性塑料。

1.2塑料的合成：塑料是有機高分子材料中一種重要的分支，品種繁多、產量大、用途廣。塑料也是由低分子有機化合物(如:乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯、乙烯醇等)在一定條件下聚合而成的高分子有機化合物(聚合物).構成塑料的分子,由於分子量都有在10000以上的高分子,所以說塑料是高分子化合物(高聚物).一般塑料分子中都含有碳(C)原子和氫(H)原子,有的塑料分子結構中含有少量氧(O)、硫(S)原子.塑料的基本原料是低分子碳、氫化合物,它是從石油、天然氣或煤裂解物中提煉和合成出來的人造樹脂。下面我們就來討論塑料的分類。使我們更加容易認識它、掌握它和使用它。

1-2 塑料的分類

1.2.1按受熱成型時的狀況分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

熱塑性塑料就是這些樹脂的分子鏈都是線形或帶支鏈的結構，分子鏈之間沒有化學鍵產生。在受熱時會軟化或熔化成流動狀況，而冷卻時卻會變硬的一個物理變化過程。加熱時變軟乃至流動，冷卻時又變硬，而且這過程還是可逆的、可以反覆進行的塑料就是熱塑性塑料。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等都是熱塑性塑料。

熱固性塑料就是第一次受熱時可以軟化成流動狀況（或材料本身就是液體流動狀況），當受熱到一定程度和一定時間時會發生化學反應（或在催化劑的作用下受熱到一定程度和一定時間裡發生化學反應），產生交鏈固化而變硬。並且，這種變化的過程是不可逆轉。此後當再次受熱時又不能軟化成流動狀況的塑料就是熱固性塑料。通常人們就是利用第一次加熱時材料的塑化成流動狀況來充滿模具，並進行固化成型，得到具有所需要的形狀和所需要的尺寸的產品。熱固性塑料在樹脂固化前也是線型或帶支鏈的結構，固化後分子鏈之間形成化學鍵，成為網狀結構。不僅不能再熔化，有些在一般的在溶劑中也不能再熔解。酚醛、環氧樹脂、有機硅橡膠等都是熱固性塑料。

1.2.2 按樹脂合成時的反應類型分

按樹脂合成時的反應類型分，可將樹脂分為聚合型樹脂（通常也叫非結晶型樹脂）和結晶型樹脂。

1.2.2.1．聚合型樹脂（非結晶型樹脂）是由聚合反應製得。這種材料一般是打開不飽和雙鍵而形成，反應過程中無低分子產物釋出。聚苯乙烯、聚烯烴、聚甲醛、聚氯乙烯、丙烯烴等塑料都屬於聚合型（非結晶形）塑料。聚合型塑料大都是熱塑性塑料。樹脂大分子的排列成無順序排列。這種塑料由於樹脂分子鏈的結構特點或因熱力學的原因又或成型過程工藝條件範圍的限制，分子鏈不會產生有順序的或整齊堆砌形成結晶結構，而呈現無規則的隨機排列。在純樹脂狀態這種塑料是透明的。

1.2.2.2結晶型塑料是樹脂分子排列呈現出有順序、有規則的狀況。從熔融狀態到冷卻變為製品過程中樹脂的分子鏈能夠有序地緊密堆砌產生結晶結構。一般所謂的結晶性塑料有很大一部分都是半結晶的塑料。另外，結晶性塑料的結構只能存在於熱塑性的塑料中。

1.2.3 按性能和應用範圍分

按性能可將塑料分為通用塑料、工程塑料、特種塑料。

1.2.3.1 通用塑料

通用塑料是指生產量大、產量大、貨源廣、價格低、市和大量應用的塑料。

通用塑料一般具有良好的成型工藝特性，可以用多種工藝成型出多種途的製品。但不具有突出的綜合力學性能和耐熱性能。如果產品的結構要求比較高；產品的負荷壓力比較高；有特殊的力學要求或在高溫下工作的耐熱件就不適於用通用塑料來成型。但是，通用塑料也有很多優良的性能，。比如，其具有更加廣泛的用途和對加工成型沒有那麼高的工藝要求。聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料總稱為五大通用塑料。

1.2.3.2工程塑料

工程塑料是在指那些具有突出性能、耐熱性、優異耐化學試劑、耐溶劑性或在變化的環境條件下可保持良好絕緣的電氣性能。一般工程塑料可以用作需要負荷的結構

工程塑料一般可以作為承載結構件，升溫環境下的耐熱件和承載件，升溫條件、潮濕條件、大範圍的變頻條件下的介電製品和絕緣用品。工程塑料的生產批量小，價格也較昂貴，用途範圍相對狹窄，一般都是技某些特殊用途生產一定批量的材料。現有的工程塑料主要品種有聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、朋S、PET、PBT、聚礬、聚苯硫醚、氯化聚醚、聚酰亞胺、聚醚醚溺、氟塑料、超高分子量聚乙烯、環氧塑料和不飽和聚配等。
3．特種塑料

具有某種特殊功能，適於某種特殊用途的塑料，例如用於導電、壓電、熱電、導磁、感光、防輻射、光導纖維、液晶、高分子分離膜、專用於摩擦磨損用途等塑料。這種塑料又稱功能塑料。特種塑料的主要成分是樹脂，有些是專門合成的特種樹脂，但也有一些是採用上述通用塑料或工程塑料用樹脂經特殊處理或改性後獲得特殊性能的。

四、優點

塑料優點主要是：①密度小，比強度高，可代替木材、水泥、磚瓦等大量應用於建築材料。②耐化學腐蝕性優良,可製作化工設備。③電絕緣性和隔熱性好,用於製造電子元器件，可與陶瓷、橡膠相比。④摩擦係數小，耐磨性好，有消聲減震的作用，用其代替金屬製造的軸承和齒輪，可在無潤滑條件下高速運轉。⑤易加工成型，易於着色，採用不同的原料和不同的加工方法，可製得堅韌、剛硬、柔軟、輕盈、透明的各種製品，廣泛用於日常生活、包裝材料(見包裝用高分子材料)和農業生產用薄膜、管材和零配件。塑料在航空和軍事尖端工業中具有其他材料不能取代的作用：碳纖維增強塑料代替鋁、鈦合金可減輕飛機重量；耐瞬時高溫、耐輻射的塑料用於火箭、導彈、人造衛星、原子核反應堆等塑料根據用途可以分為日用塑料和工程塑料。所謂日用塑料，是指日常普遍採用的一些塑料，它生產量較大，價格較低。所謂工程塑料是指在工程上用的一些塑料，這些塑料一般有獨特的工程性質，如機械性能、電性能等，但由於生產成本較高，還不能被日常普遍採用。但是今日的工程塑料，明日就可能變成日用塑料，而有些雖然是工程塑料，但它一旦用在成品中，也不能完全脫離人們的日常生活，還有些塑料既作為工程塑料，又作為日用塑料。所以本書在第三章分述各種塑料時，重點講日用塑料，但也不能不涉及到工程塑料，既講一些普通的經典性的東西，也要花一些筆墨闡述一些新的、發展性的東西。

1-3常用塑料的性能

二、注塑成型基礎

2-1 塑料

塑料是加熱,加壓後，就能夠成型加工的高分子物質。塑料為天然樹脂與合成樹脂，一般指出由石油而成的合成樹脂。

塑料的特長之一為加熱後會變形，所以對於各種各樣的形狀能極易批量生產。

塑料大概分為有熱塑性樹脂與熱固化樹脂，大部分的產品用此兩種塑料來製造。

熱塑性樹脂的性質為加熱後溶化，在模具內進行冷卻，就會固化造成產品，再次加熱，也會溶化的性質。

熱固化樹脂的性質為雖然與熱塑性樹脂一樣加熱後溶化，但再次加熱後會固化，一旦形成為固化後，不再形成為溶化。

另外，最近開發出稱為“super engineering plastic”的與金屬同樣強度、抗熱抗擊的塑料及像皮膚一樣的很軟的塑料，利用於各種各樣的領域。

2-2 注塑成型

意味着把樹脂在加熱筒內進行加熱溶化，接着把它射到模具內，然後把溶化樹脂在模具內進行冷卻。通過此工程來製造產品。

2-3 進行注塑成型時所需的東西

1. 成型材料(樹脂)

2. 材料乾燥機(熱風式、除濕式、真空式)

3. 注塑成形機

4. 模具

5. 模具溫度調節器(媒體:水、油、加熱器)

6. 取出器

7. 粉碎機

8. 成形技術

2-4 注塑成形條件的5個因素

1. 溫度

2.

根據5個因素的配合，就會成立成形條件。

時間

3. 量(位置)

4. 速度

5. 壓力

只有5個因素總保持平衡，才能進行穩定成形。

溫度

材料乾燥、加熱筒溫度、樹脂溫度、模具溫度、製品取出溫度、室內溫度、執行油、冷卻水溫度

時間

材料乾燥時間、計量時間、填充時間、保壓時間、冷卻時間、周期

位置(量)

料斗內的材料放入量、注塑開始位置、注塑最前進位置、注塑結束位置、計量開始位置、減壓量、注塑量

速度

計量速度(螺桿轉動)、注塑速度、開鎖模速度、頂出速度、減壓速度

壓力

鎖模壓力、填充壓力、保壓壓力、計量負荷壓力、螺桿背壓力

2-5 成形條件

成形條件應該確認5個因素怎樣設定，得到怎樣結果，並確認成形製品在設定範圍及結果範圍內可以得到良品。

成形條件表上所需的東西

1. 應該明確記載設定值範圍及最終設定值。

2. 應該明確記載結果範圍及最終結果。

3. 應該明確記載產品的不具產生部位。

2 成形條件設定程序

2-1 成形條件設定之前

重要的是成形樹脂、產品、模具使用什麼樣的。

1. 確認樹脂特性。

多少溫度、多少時間、怎樣方法來進行乾燥

若干燥不足，不僅產生成形不良，而且產生產品的物性降低。

樹脂溫度在多少溫度範圍內能夠成形

要理解多少溫度時會溶化、多少溫度時分解。

模具溫度在多少溫度範圍內能夠成形

熱變形溫度為多少。

2. 什麼樣的製品(模具)

製品很厚還是很薄

可以判斷注塑時間、冷卻時間、樹脂溫度、模具溫度所需多少。

· 充填不足時能否脫模

可以判斷注塑速度、注塑壓力、樹脂量所需多少。

· 模具的溫度調整方法

確認用水溫調、油溫調還是加熱器溫調。

2-2 成形準備

① 樹脂乾燥

再次確認溫度、時間、方法。

② 模具安裝

確認模具的上下方向、頂桿的位置(根數、大小)，從固定側起對角擰緊。

③ 開鎖模(頂桿)動作的調整及確認

為了避免周期浪費以及速度與模具保護，請注意位置與壓力。

④ 模具溫調(升溫)

模具溫調方法應該每次用同一個方法來連接。另外，升溫之後，需要再次進行開鎖模的動作確認。

⑤ 加熱筒內的清洗

把加熱筒內的材料換成所要成形的材料時，請進行清洗。

所要使用的樹脂溶化溫度比上一次使用的樹脂高時，設定為所要使用的樹脂下限溫度。

成形溫度領域不同時，暫時換成雙方樹脂的成形溫度一致的穩定樹脂之後，再次進行清洗。

用熱流道模具時，開模後需要模具歧管內的清洗。

3 成形條件設定

關於溫度，變更設定值後不會馬上變化，所以根據樹脂數據、製品數據直接關聯溫度的數據，基本上固定設定值。

· 模具溫度

· 加熱筒溫度(包括料斗下面通水量)

· 螺桿轉動數→100r.p.m左右

· 螺桿背壓→油壓:5到10kg/cm2

(樹脂壓:50到150kg/cm2左右)

(1) 計量值設定

原則上從未填充的狀態開始進行成形。

○ 暫時條件設定

· 計量值(SM)少一些

· 減壓量(SD)為3到5左右

用閥門射嘴時不需要

· 保壓轉換位置為10mm(保壓與背壓同樣程度)

NC9300T在V-P設定

NC9000F·G在S5設定

· 注塑速度、注塑壓力的設定（基於同一個速度與2種壓力）

注塑速度＝V

注塑壓力 NC9300T在Pv設定

NC9000F·G在P1設定

· 保壓力 NC9300T在Pp設定

NC9000F·G在P2、P3設定

注塑畫面等設定為能顯示螺桿位置的狀態。

○ 在手動模式的狀態下把樹脂填充在模具內，螺桿不再前進時，馬上回到空擋狀態。

此時請確認螺桿前進到哪個位置。

○ 經過有一定的冷卻時間後，進行開模，邊查看成形品，邊按照圖表①進行操作。通過此些操作來設定計量值設定。

圖表①

成形品的狀態

螺桿位置

處理

充填不足

(未填充)

前進到5mm以下

增加計量值

停在5到10mm之間

增加保壓

停在10mm以上

增加速度、注塑壓力

毛刺、白化、裂痕

(過填充)

前進到5mm以下

減少速度、注塑壓力

停在5到10mm之間

減少保壓

停在10mm以上

減少計量值

○ 螺桿前進位置在5到7mm左右製造形狀好(不許未填充及毛刺)的成形品。

此時在成形品上產生外觀不良(澆口噴射痕、流痕)，也沒有問題。

○ 進入半自動模式

參考圖表②，暫時設定注塑時間、冷卻時間、進行半自動運轉。

○ 進入全自動模式

的確確認製品脫模，設定中間時間後，進行全自動運轉。

圖表②

成形品厚度

注塑時間

冷卻時間

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 根據樹脂及製品形狀不同，上圖僅為參考。

○ 把注塑壓力設定為99％(MAX)。

NC9300T在Pv設定，NC9000F·G在P1設定

為了下一個工程中確認速度條件幅度，就補償速度，所以設定為最大值。

注塑壓力設定值增加為每10％，按照圖表③變更條件，設定為99％。

圖表③

成形品狀態

產生情況

處理

毛刺

產生在充填過程中

減少V

產生在充填終期

減少P2、P3

n 如果沒產生毛刺等，為了把充填時間調整為同樣程度，就邊減少注塑速度，邊把注塑壓力設定為99％。

今後對於每個條件射頂進行成形品評價，只有了解條件幅度，才可以決定能夠實現穩定成形的最終設定值。

(2) 注塑速度設定

變更注塑速度嘸確認成形品的良品幅度，然後決定最終速度設定值。(相關於充填時間與製品重量)

① 注塑壓力(Pv或P1)＝99％ 保壓轉換位置(V-P或S5)＝10mm

固定為保壓力(Pp或P2、P3)

② 首先觀察外觀不良(毛刺、充填不足、流痕等)，以得到良品的條件為中心取樣5至10個數據。

③ 取樣數量基於N＝5算出總計。

④ 把所設定的數據換成圖表化。

⑤ 下圖來觀察，成形品的良品幅度(注塑速度)為40％至50％，充填時間為0.79sec至0.66sec，此幅度中間點設定45％。

如所產生的外觀不良在容許範圍內，也可以向安全側偏移，進行決定。

使用不許產生毛刺的模具時，只確認下限值。

成形品數據

速度設定(％)

充填時間(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) 注塑壓力(Pv或P1)(填充壓力)的設定

確認與(2)工程上所得到的注塑速度符合的注塑壓力(Pv或P1)後，決定能夠補償速度的壓力。

(相關於充填時間與注塑壓力設定值)

① 注塑速度(V)＝45％ 保壓轉換位置(V-P或S5)＝10mm

固定為保壓力(Pp或P2、P3)

② 注塑壓力(Pp或P2、P3)從99％下降，觀察充填時間與成形品的變化。

③ 取樣數量基於N＝5算出總計。

④ 把所設定的數據換成圖表化。

⑤ 下圖來觀察，為了得到45％的速度，注塑壓力就起碼需要55％，因此向安全側偏移後定為60％。

成形品數據

壓力設定(％)

充填時間(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) 保壓轉換位置(V-P或S5)設定

確認注塑壓力(Pv或P1)至保壓力(Pp或P2、P3)的轉換位置的良品幅度後，決定最終設定位置。

(相關於保壓轉換位置與製品重量)

① 注塑速度(V)＝45％ 注塑壓力(Pp或P1)＝60％

固定為保壓力(Pp或P2、P3)

② 暫時設定條件的10mm變更為±5至10，進行取樣。

③ 取樣數量基於N＝5算出總計。

④ 把所設定的數據換成圖表化。

⑤ 下圖來觀察，成形品的良品幅度為8.0mm至12.0mm，此幅度的中間點決定為10.0mm。

成形品數據

保壓轉換位置

充填時間(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) 保壓力(Pp或P2、P3)設定

變更保壓力(Pv或P2、P3)，確認成形品的良品幅度，然後決定最終設定值。

(相關於保壓力與製品重量)

① 注塑速度(V)＝45％、注塑壓力(Pp或P1)＝60％

保壓轉換位置(V-P或S5)固定為10.0mm

② 對於成形品的外觀與重量變更5至10的水平，進行取樣。

③ 取樣數量基於N＝5算出總計。

④ 把所設定的數據換成圖表化。

⑤ 下圖來觀察，成形品的良品幅度為30％至45％，此幅度的中間點為40％。

成形品數據

保壓設定(％)

終了位置(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) 注塑時間設定

一般對於把樹脂充填到模具時所要的時間(充填時間)與澆口固化所要的時間(保壓時間)來決定注塑時間。

① 注塑速度(V)＝45％、注塑壓力(Pv或P1)＝60％

保壓轉換位置(V-P或S5)＝10.0mm、保壓力(Pp或P2、P3)＝40％

② 相比與充填時間同樣的注塑時間延長每0.5秒，測量製品重量。

③ 取樣數量基於N＝5算出總計。

④ 把所設定的數據換成圖表化。

⑤ 下圖來觀察，雖然澆口固化需要5.0秒鐘，但向安全側偏移，因此設定為5.5sec。

成形品數據

注塑時間(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) 冷卻時間設定

冷卻時間設定對於模具內樹脂溫度下降到不會收到熱變形影響所需的時間。

在一般的情況下，冷卻時間對於從模具里被取出的成形品是否產生變形(尺寸等)來判斷。

① 冷卻時間作為暫時設定取幾種條件。

② 取樣數量基於N＝5，經過時間測量尺寸。

③ 根據尺寸測量的結果來決定冷卻時間。

(8) 最終條件幅度的確認

保壓轉換位置從暫時條件改變時，再次確認充填時間的下限值與上限值。

(9) 連續成形時的穩定度確認

進行100次左右的連續成形，利用注塑成形機的顯示功能來確認成形信息的穩定度。

定期取樣，測量製品重量，確認經過多少時間後維持穩定。

3 再次設定溫度關聯的條件

(1) 模具溫度

定期測定模具實際溫度，把它記下來。

根據情況需要再次設定數值。

(2) 加熱筒溫度

確認實測溫度對設定值是否有偏差。

① 噴嘴溫度變動時

進行自動調節，設定為最適合的控制定數。

② 後部溫度易降時

限制料斗下面(注塑台)的通水量，上升料斗下面的溫度補助厚度溫度。

(3) 螺桿轉動次數(VS)

大概設定為冷卻時間內結束的轉動次數。

如果螺桿轉動速度過快，就會產生過渡性剪切熱，引起於樹脂焦燒、分解，請注意。

(4) 螺桿背壓(PB)

作為螺桿後退的抗力加上螺桿背壓。

雖然為了提高塑化時的樹脂脫氣、攪拌效果及樹脂密度的穩定性，使用背壓，但如果壓力過高，只是塑化時間過長，由於剪切發熱，就會上升樹脂溫度，請注意。

(5) 減壓(SD)

用開射嘴時，為計量後的樹脂減壓而目的，而且作為最低限度的行程，把減壓速度變更為螺桿的後退速度程度，樹脂密度就能易穩定。

4 再次確認其他成形環境

(1) 模外冷卻

成形品的冷卻不只在模內，而且取出製品後下降到常溫之間，也作為模外冷卻進行冷卻。

取出製品之後，在一定的環境下進行冷卻，也很重要。如果模外冷卻環境變化，就會產生製品尺寸變化及變形。

(2) 粉碎

直澆口、流道等被粉碎後，能夠再次利用。但如果粒度不穩定，塑化狀態也不會穩定，失去成形條件的平衡，請注意。