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聚合物成型加工技术 （模具和装备） PROCESSING TECHNOLOGIES OF POLYMERIC MATERIALS (MOULD AND EQUIPMENT) 注射成型工艺与注射模设计（上） 西南交通大学材料科学与工程学院 注射成型原理 注射成型工艺 注射成型的工艺参数 4.1 4.2 4.3 4 注射成型原理及工艺特性 4.1 注射成型原理 一般的注射设备可以分为 柱塞式注射机 和 螺杆式注射机 两种。 1柱塞式注射机注射成型原理 4.1 注射成型原理 2螺杆式注射机注射成型原理 4.2 注射成型工艺 注射成型工艺包括 成型前的准备 、 注射过程 和 塑件的后处理 。 1.成型前的准备 2.注射过程 注射过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个阶段。 （ 1）加料：加原料到 注射机料斗 的过程； （ 2）塑化：在料筒内由 固态转变成熔体 的过程； （ 3）注射 注射过程可分为充模、保压、倒流、浇口冻结后的冷 却和脱模等几个阶段。 1）充模：熔体 充满型腔 的过程； 2）保压：补充型腔中的 收缩 需要； 3）倒流：与 保压时间 有关； 4）浇口冻结后冷却：塑件在型腔内继续 冷却 、 硬化 和 定型 ； 5）脱模： 推出 机构将塑件推出模外。 4.2 注射成型工艺 3. 塑件的后处理 （ 1）退火处理 目的：消除塑件成型后的 残余应力 ； 方法：将塑件在 定温的加热介质 中 保温一段时间 的过程。 （ 2）调湿处理 目的：调整 塑件的含水量 ，以稳定塑件 尺寸 ； 方法：使塑件在 加热介质 中达到 吸湿平衡 。 4.3 注射成型工艺参数 1. 温度 （ 1）料筒温度 料筒最适合的温度范围： （或 ） 。 料筒的温度分布一般采用前高后低的原则，即料筒的加料口 （后段）处温度最低，喷嘴处的温度最高。 料筒后段温度应比中段、前段温度低 。 （ 2）喷嘴温度 喷嘴温度一般略低于料筒的最高温度。 （ 3）模具温度 为了使塑料成型和顺利脱模，模具的温度应低于塑料的玻璃 化温度 或工业上常用的热变形温度。 注射成型工艺重要参数包括 温度 、 压力 和 时间 。 4.3 注射成型工艺参数 2. 压力 （ 1）塑化压力（螺杆背压） 塑化压力 是指采用螺杆式注射机注射时，螺杆头部熔料在螺杆转动时 所受到的压力。 塑化压力应越低越好，一般为 6 20 MPa。 （ 2）注射压力 注射压力 是指柱塞或螺杆轴向移动时其头部对塑料熔体所施加的压力。 一般在 40 130 MPa 之间。 注射压力的 作用 是克服塑料熔体从料筒流向型腔的流动阻力，给予熔 体一定的充型速率以便充满模具型腔。 （ 3）保压压力 型腔充满后，继续对模内熔料施加的压力称为 保压压力 。 保压压力的作用 是使熔料在压力下固化，并在收缩时进行补缩，从而 获得健全的塑件。 保压压力 等于或小于 注射时所用的注射压力。 4.3 注射成型工艺参数 3. 时间 完成一次注射成型过程所需的时间称 成型周期 。 它包括合模时间、注射时间、保压时间、模内冷却时间和其他时间等。 （ 1）合模时间 合模时间是指注射之前模具闭合的时间。 （ 2）注射时间 注射时间是指注射开始到塑料熔体充满模具型腔的时间（柱塞或螺杆前进 时间）。 在生产中，小型塑件注射时间一般为 ，大型塑件注射时间可达 几十秒。 （ 3）保压时间 保压时间是指型腔充满后继续施加压力的时间（柱塞或螺杆停留在前进位 置的时间），一般为 ，特厚塑件可高达 。 4.3 注射成型工艺参数 3. 时间 （ 4）模内冷却时间 模内冷却时间是指塑件保压结束至开模以前所需的时间（柱塞后撤或 螺杆转动后退的时间均在其中）。 冷却时间一般为 。 （） 其他时间 其他时间是指开模、脱模、喷涂脱模剂、安放嵌件等时间。 4.3 注射成型工艺参数 注射模的分类及结构组成 注射模的典型结构 注射模与注射机 5.1 5.2 5.3 5 注射模基本结构与注射机 注射成型机的基本结构 Clamping Mold Plate Barrel Screw Motor Hopper Driving Unit Mold Control Panel Control Unit 5.1.1 注射模具的分类 1、按注射模具的典型结构特征分 单分型面注射模具、双分型面注射模具、斜导柱（弯销、斜导槽， 斜滑块、齿轮齿条）侧向分型与抽芯注射模具、带有活动镶件的注 射模具、定模带有推出装置的注射模具和自动卸螺纹注射模具 2、按浇注系统的结构形式分 普通流道注射模具、热流道注射模具 3、按注射模具所用注射机的类型分 卧式注射机用的模具、立式注射机用的模具、角式注射机用的模具 4、按塑料的性质分 热塑性塑料注射模具、热固性塑料注射模 5、按注射成型技术分 低发泡注射模、精密注射模、气体辅助注射成型注射模、双色注射 模、多色注射模等 5.1 注射模的分类及结构组成 5.1.2 注射模具的结构组成 注射模具由 动模 和 定模 两部分组成； 定模部分安装在注射机的 固定模板 上； 动模部分安装在注射机的 移动模板 上。 原理： 在注射成型过程中，动模随注射机上的合模系统运动，同 时动模部分与定模部分由 导柱 导向而闭合构成 浇注系统 和 型腔 ， 塑料熔体从注射机喷嘴流经模具浇注系统进入型腔。冷却后开模 时，动模与定模分离，取出塑件。 结构组成： 成型部分、浇注系统、导向机构、侧向分型与抽芯机构、推出机 构、温度调节系统、排气系统、支承零部件 5.1 注射模的分类及结构组成 5.1 注射模的分类及结构组成 5.1.2 注射模具的结构组成 结构组成：成型部分、浇注系统、导向机构、侧向分型与抽芯机 构、推出机构、温度调节系统、排气系统、支承零部件 1. 成型部分 成型部分是指与塑件直接接触、成型塑件内表面和外表面的模具 部分。 凸模（型芯）形成塑件的内表面形状，凹模（型腔）形成塑件的 外表面形状。 2. 浇注系统 浇注系统是熔融塑料在压力作用下充填模具型腔的通道（熔融塑 料从注射机喷嘴进入模具型腔所流经的通道）。 浇注系统由主流道、分流道、浇口及冷料穴等组成。 3. 导向机构 导向机构分为动模与定模之间的导向和推出机构的导向。 4. 侧向分型与侧向抽芯机构 5.1 注射模的分类及结构组成 5.1.2 注射模具的结构组成 5. 推出机构 推出机构是将成型后的塑件从模具中推出的装置。 推出机构由推杆、复位杆、推杆固定板、推板、主流道拉料杆、推 板导柱和推板导套等组成。 6. 温度调节系统 7. 排气系统 为了将型腔中的空气及注射成型过程中塑料本身挥发出来的气体排 出模外，必须开设排气系统。 排气系统通常是在分型面上有目的地开设几条排气沟槽。 8. 支承零部件 用来安装固定或支承成型零部件以及前述各部分机构的零部件均称 为支承零部件。 5.1 注射模的分类及结构组成 5.2.1 单分型面注射模（二板式注射模） （ 1）工作原理 5.2 注射模的典型结构 5.2.1 单分型面注射模（二板式注射模） （ 2）设计注意事项 1）分流道位置的选择 注意： 如果开设在动、定模分型面的两侧的分型面上，必须注意 合模时的对中拼合。 2）塑件的留模方式 3）拉料杆的设置 4）导柱的设置 5）推杆的复位 5.2 注射模的典型结构 5.2.2 双分型面注射模（三板式注射模） （ 1）工作原理 5.2 注射模的典型结构 5.2.2 双分型面注射模（三板式注射模） （ 2）设计注意事项 1）浇口的设计 点浇口直径只有 0.5 1.5 mm，故 对于大型塑件或 流动性差的塑料不宜采用点浇口。 2） 导柱的设置及导柱的长度 在定模一侧一定要设置导柱，动模部 分就可以不设置导柱。如果是推件板推出机构，动模部分也一定要设 置导柱。 （ 3）双分型面注射模的分型形式 必须采取顺序定距分型机构，即定模部分先分开一定距离，然后主分 型面分型。 A 分型面分型距离为： s s（ ） 在分型机构中，弹簧应至少 个，高度应一致，并对称布置于分型面 上模板的四周。 定距拉板一般采用 块，对称布置于模具两侧。 5.2 注射模的典型结构 5.2.2 双分型面注射模（三板式注射模） 5.2 注射模的典型结构 5.2.2 双分型面注射模（三板式注射模） 5.2 注射模的典型结构 5.2.2 双分型面注射模（三板式注射模） 5.2 注射模的典型结构 5.2.3 斜导柱侧向分型与抽芯注射模 5.2 注射模的典型结构 5.2.4 斜滑块侧向分型与抽芯注射模 5.2 注射模的典型结构 5.2.5 带有活动镶件的注射模 5.2 注射模的典型结构 5.2.5 带有活动镶件的注射模 5.2 注射模的典型结构 设计注意事项 1）活动镶件在模具中应有可靠的 定位，它与安装孔之间一般有 3 5 mm H8 f8的配合，其余长度应设计 成 3 5 的斜面以保证配合间隙； 2）开模时将活动镶件推出模外后， 为下一次安放活动镶件，推杆必须预 先复位。 3）弹簧一般为 个，安装在复位杆 上。 4）活动镶件放在模具中容易滑落的 位置（如立式注射机的上模或受冲击 振动较大的卧式注射机的动模一侧） 时，活动镶件插入时应有弹性连接装 置加以稳定，以免合模时镶件落下或 移位造成塑件报废或模具损坏。 5.2.6 角式注射机用注射模 5.2 注射模的典型结构 5.3 注射模与注射机 5.3.1 注射机的分类 注射机分卧式注射成型机、立式注射成型机、角式注射成型机 和多模注射机等几种。 （ 1）卧式注射机 卧式注射机的注射装置和合模装置的轴线呈一线并水平排列。 5.3 注射模与注射机 5.3.1 注射机的分类 （ 2）立式注射机 注射装置与合模装置的轴线呈一线并与水平方向垂直 排列。 （ 3）角式注射机 角式注射机一般为柱塞式注射机，它的注射装置和合 模装置的轴线相互垂直排列。 5.3 注射模与注射机 5.3.1 注射机的分类 （ 4）多模注射机 5.3 注射模与注射机 5.3.2 注射成型机型号规格的表示法 注射机型号标准表示法主要有 注射量、合模力、注射量与合模力 同 时表示等三种方法。 （ 1）注射量表示法 XS-ZY-60、 XS-ZY-125、 XS-ZY-500、 XS-ZY-1000等 其 中 XS 塑料成型机械、 Z 注射成型、 Y 螺杆式（预塑式 ）、 30、 125等数字 注射机的最大注射量（ cm3或 g）。 （ 2） 合模力表示法 合模力表示法是用注射机最大合模力（ kN）来表示注射机规 格的方法。 （ 3） 合模力与注射量表示法 合模力与注射量表示法是目前国际上通用的表示方法，是用注 射量为分子、合模力为分母表示设备的规格。 XZ 63 50 型注射机， X 表示塑料机械， Z 表示注射机， 63/50 表示注射容量为 63cm3 ，合模力为 50 10 kN。 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 1. 型腔数量的确定和校核 1）按注射机的额定塑化速率确定型腔的数量 n nm +m1 KMT 3600 式中 K 注射机最大注射量的利用系数，一般取 0.8； M 注射机的额定塑化量（ g/h 或 cm3/h）； T 成型周期（ s）； m1 浇注系统所需塑料质量或体积（ g或 cm3）； m 单个塑件的质量或体积（ g或 cm3）； n 型腔数量。 2）按注射机的额定锁模力确定型腔的数量 n p （ n A+ Aj ） Fp 式 中 Fp 注射机的额定锁模力（ N）； A 单个塑件在模具分型面上的投影面积（ mm2）； Aj 浇注系统在模具分型面上的投影面积（ mm2）； p 塑料熔体对型腔的成型压力（ MPa），其大小一般是注射 压力的 80。 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 2. 最大注射量的校核 n m + mj Km n 式中 m n 注射机允许的最大注射量， g或 cm3。 3. 锁模力的校核 P ( n A+ A1) FP 注：型腔内的压力约为注射机注射压力的 80%左右，通常为 2040 MPa。 4. 注射压力的校核 注射压力的校核是核定注射机的额定注射压力是否大于成型时所需的注射 压力。 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 5. 模具与注射机安装部分相关尺寸的校核 （ 1）浇口套球面尺寸 SR=SR1+12 mm D=d+0.51 mm （ 2）定位圈尺寸 外径尺寸必须与注射机的定位孔尺寸相匹配。 间隙配合。 模具的定位圈外径尺寸应比注射机固定模板上 的定位孔尺寸小 0.2 mm以下。 （ 3）模具的最大、最小厚度 Hmin H Hmax 式中 H 模具厚度（ mm）； Hmin 注射机允许的最小模厚，即动、定模之间的最小开距（ mm）； Hmax 注射机允许的最大模厚（ mm）。 （ 4） 安装螺孔尺寸 用螺钉直接固定模具时，模具固定板与注射机模板上的螺孔应完全吻合； 用压板固定模具时，只要在需放压板的外侧附近有螺孔就可以。 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 6. 开模行程的校核 （ 1）注射机的最大开模行程与模具厚度无关的校核 I. 对于单分型面注射模 S H1 H2（ 5 10） mm 式中 S 注射机最大开模行程 H1 推出距离（脱模距离） （ mm）； H2 包括浇注系统凝料在内 的塑件高度（ mm）。 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 6. 开模行程的校核 （ 1）注射机的最大开模行程与模具厚度无关 II. 对于双分型面注射模 S max H1 H2 a（ 5 10） mm 式中 a 取出浇注系统凝料必须的长 度（ mm）。 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 6. 开模行程的校核 （ 2）注射机的最大开模行程与模具厚度有关的校核 I. 对于单分型面注射模 S Hm H1 H2（ 5 10） mm II. 对于双分型面注射模 S Hm H1 H2 a（ 5 10） mm （ 3） 具有侧向抽芯时的最大开模行程 设完成抽芯动作的开模距离为 Hc I. 当 Hc H1 H2时，用 Hc代替前述各校核式中的 H1 H2； II. 当 Hc H1 H2时， Hc对开模行程没有影响，仍用上述各公式 进行校核。 5.3 注射模与注射机 5.3 注射模与注射机 5.3.3 注射机有关工艺参数的校核 7. 推出装置的校核 1）中心顶出杆机械顶出 如卧式 XS-Z-60、直角式 SYS-45等型号 注射机； 2）两侧双顶杆机械顶出 如卧式 XS-Z-30、 XS-ZY-125等型号注射 机； 3）中心顶出杆液压顶出与两侧顶出杆机械顶出联合作用 如卧式 XS-ZY-250、 XS-ZY-500等型号注射机； 4）中心顶杆液压顶出与其他开模辅助油缸联合作用 如 XS-ZY- 1000注射机。 分型面及其选择 普通浇注系统设计 热流道浇注系统 6.1 6.2 6.3 6 分型面的选择与浇注系统设计 排气系统的设计 6.4 6.1 分型面及其选择 6.1.1 塑料制件在模具中的位置 1. 型腔数目的确定 单型腔模具 ：一次注射只能生产一件塑料产品的模具。 多型腔模具 ：如果一副模具一次注射能生产两件或两件以上的塑 料产品，则这样的模具称为多型腔模具。 确定方法： （ 1）按注射机的最大注射量确定型腔的数目 （ 2）按注射机的额定锁模力确定型腔数目 （ 3）按塑件的精度要求确定型腔数目 （ 4）根据生产经济性确定型腔数目 njkm mn m njF pAn pA 160C NYtn X=Xm+Xj=nC1+C2+NYt/60n 令 dX/dn=0 2. 塑件在模具中的位置 单型腔模具 6.1 分型面及其选择 2. 塑件在模具中的位置 多型腔模具的型腔排布形式 6.1 分型面及其选择 6.1 分型面及其选择 6.1.2 分型面的选择 1. 分型面的形式 6.1 分型面及其选择 2. 分型面的设计原则 （ 1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处； （ 2）分型面的选择应有利于塑件顺利脱模； 6.1 分型面及其选择 2. 分型面的设计原则 （ 3）分型面的选择应保证塑件的尺寸精度和表面质量； 6.1 分型面及其选择 2. 分型面的设计原则 （ 4）分型面的选择应有利于模具的加工； 6.1 分型面及其选择 2. 分型面的设计原则 （ 5）分型面的选择应有利于排气 6.2 普通浇注系统设计 6.2.1 普通浇注系统的组成及设计原则 （ 1）普通浇注系统的组成 浇注系统 是指模具中由注射机喷嘴到型腔之间的进料通道。 普通浇注系统由 主流道、分流道、浇口和冷料穴 四部分组成。 6.2 普通浇注系统设计 6.2.1 普通浇注系统的组成及设计原则 （ 2） 普通浇注系统的设计原则 a.了解塑料的成型性能 b.尽量避免或减少产生熔接痕 c.有利于型腔中气体的排出 d.防止型芯的变形和嵌件的位移 e.尽量采用较短的流程充满型腔 f. 流动距离比的校核 6.2.2 主流道设计 主流道 是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具浇 口套接触处开始到分流道为止的塑料熔体的流 动通道。 1）在卧式或立式注射机上使用的模具中，主流 道垂直于分型面，主流道设计成圆锥形，锥角 为 2 6 ，表面粗糙度 Ra 0.8 m； 2）主流道对接触设计成半球形凹坑，凹坑深度 常取 3 5 mm 其半径 SR=SR1+(1 2) mm D=d+(0.5 1) mm 6.2 普通浇注系统设计 6.2.2 主流道设计 3）设计浇口套 6.2 普通浇注系统设计 6.2 普通浇注系统设计 6.2.3 分流道设计 分流道 是指主流道末端与浇口之间的一段塑料熔体的流动通道。 分流道的 作用 是改变熔体流向，使其以平稳的流态均衡地分配到 各个型腔。 （ 1）分流道的形状及尺寸 6.2 普通浇注系统设计 （ 2）分流道的长度 （ 3）分流道在分型面上的布置形式 分流道的布置形式分为 平衡式和非平衡 式 。 设置布置形式应遵循两个 原则 ： 一是排列应尽量紧凑，缩小模板尺寸； 另外尽量使流程短，对称布置，使胀模 力的中心与注射机锁模力的中心一致。 （ 4）分流道的表面粗糙度 分流道的表面粗糙度 Ra一般取 1.6 m 左右。 6.2 普通浇注系统设计 6.2.4 浇口的设计 浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道，它是浇注系统的 关键部分。 按浇口截面尺寸大小的结构特点，浇口可分为 限制性浇口 和 非限制性 浇口 两大类。 限制性浇口的 作用 : 提高剪切速率， 降低黏度 ，获得理想的流动状态，从而迅速均衡地 充满型腔。 对于多型腔模具，调节浇口的尺寸，还可以使非 平衡布置 的型腔达 到同时进料的目的，提高塑件的均一质量。 限制性浇口还起着较早固化，防止型腔中熔体 倒流 的作用。 非限制性浇口是整个浇注系统中截面尺寸最大的部位，它主要对中大 型筒类、壳类塑件型腔起 引料 和进料后的 施压 作用。 6.2 普通浇注系统设计 按浇口的结构形式和特点，常用的浇口可分成以下几种形式： 1. 直接浇口（主流道型浇口） 6.2 普通浇注系统设计 2. 侧浇口 6.2 普通浇注系统设计 侧浇口有两种变异的形式，即 扇形浇口和平缝浇口 6.2 普通浇注系统设计 3. 环形浇口 6.2 普通浇注系统设计 4. 轮辐式浇口 6.2 普通浇注系统设计 5. 点浇口（针点浇口或菱形浇口） 6.2 普通浇注系统设计 6. 潜伏浇口（剪切浇口） 6.2 普通浇注系统设计 7. 爪形浇口 6.2 普通浇注系统设计 6.2 普通浇注系统设计 6.2.5 浇口位置选择与浇注系统的平衡 1. 浇口位置选择 尽量缩短流动距离； 避免熔体破裂现象引起塑件的缺陷； 浇口应开设在塑件壁厚处； 考虑分子定向的影响； 减少熔接痕提高熔接强度； 6.2 普通浇注系统设计 2. 浇注系统的平衡 若根据某种需要设计成型腔非平衡式布置的形式，则需要通过 调节浇口尺 寸 ，使各浇口的流量及成型工艺条件达到一致，这就是浇注系统的平衡， 亦称浇口的平衡。 相同塑件多型腔成型的 BGV值： 不同塑件多型腔成型的 BGV值： 一般浇口截面通常采用矩形或圆形点浇口 g a r b g baa bb g b r a g a A L LW B G V W B G V A L L g rg ABG V LL gr: 0.07 0.09AA 6.2 普通浇注系统设计 2. 浇注系统的平衡 矩形浇口的截面宽度 b为其厚度 t的 3倍，即 b=3t，各浇口长度为相等。 在实际的注射模设计与生产中，常采用 试模 的方法来达到浇口的平衡。 （ 1）将各浇口的长度、宽度和厚度加工成对应相等的尺寸。 （ 2）试模后检验各个型腔的塑件质量，特别要检验一下晚充满的型腔其塑件是 否出现因补缩不足所产生的缺陷。 （ 3）将晚充满塑件有补缩不足缺陷型腔的浇口宽度略微修大。 （ 4）用同样的工艺方法重复上述步骤直至塑件质量满意为止。 6.2 普通浇注系统设计 6.2.6 冷料穴和拉料杆的设计 6.3 热流道浇注系统 热流道浇注系统亦称 无流道浇注系统 。 热流道浇注系统成型塑件时，要求 塑件原材料的性能有较强的 适应性 ： （） 热稳定性好 （） 对压力敏感 （） 固化温度和热变形温度较高 （） 比热容小 （） 导热性能好 6.3 热流道浇注系统 热流道可以分为 绝热流道和加热流道 两种。 6.3.1 绝热流道 1. 单型腔绝热流道（井式喷嘴流道、绝热主流道） 6.3 热流道浇注系统 6.3.1 绝热流道 2.多型腔绝热流道（绝热分流道） 6.3 热流道浇注系统 6.3.2 加热流道 加热流道是指在流道内或流道附近设置 加热器 ，利用加热的方法使 注射机喷嘴到浇口之间的浇注系统处于高温状态，让浇注系统内的 塑料在成型过程中一直保持熔融状态，保证注射成型的正常进行。 1.单型腔加热流道 6.3 热流道浇注系统 2. 多型腔加热流道 根据对分流道加热方法的不同，多型腔加热流道可分为 外加热 式 和 内加热式 。 (1) 外加热式加热流道 6.3 热流道浇注系统 2. 多型腔加热流道 (2) 内加热式加热流道 6.3 热流道浇注系统 3. 阀式浇口热流道 6.4 排气系统的设计 注射模通常采用以下 三种方式 排气： （ 1）利用配合间隙排气； （ 2）在分型面上开设排气槽； （ 3）利用排气塞排气。 Thanks For Your Attention! Southwest Jiaotong University, Chengdu, China March 24-April 28, 2015