干货！注塑机的基本原理分析

鲁智深

注塑机的基本原理

塑料注射成型过程是一个循环过程，完成一次循环即完成一次注塑循环周期，每一周期主要包括：定量加料、熔融塑化、施压注射、充模冷却和启模取件等动作。取出塑件后再闭模，进行下一个循环。每完成一次注塑循环周期，注塑机的注射装置和合模装置就分别完成一个工作循环，即注射装置和合模装置的各运动部件均按预定的顺序依次动作一次。



完成注塑成型需要经过三个阶段：塑化、注射和定型。

1)塑化阶段。
塑料原料从料斗落入料筒，被转动的螺杆向前输送。在料筒内，塑料一方面接收料筒外部的加热升温，另一方面又因螺槽容积的逐渐减小而被压实，同时螺杆在料筒内旋转时会对塑料产生强烈的搅拌和剪切作用，导致塑料之间以及塑料与料筒和螺杆之间发生剧烈的摩擦，产生大量热量，使塑料在被推动前移的同时逐渐塑化成熔融态。由于螺杆头部背压的作用，螺杆在旋转的同时还有后退动作，以便将塑化好的熔体储存在料筒的顶端供注射使用。螺杆后退行程由一次成型制品所需注射料量决定。

2)注射阶段。
当螺杆停止旋转和后退时，合模部分开始工作使模具闭合，继而注射装置前移，使注射喷嘴与模具浇道口贴合，注射油缸活塞推动螺杆迅速前移，按成型工艺所要求的注射压力和速度把熔融塑料注入模具型腔内。为了防止注入模腔的熔料回流以及补充因制品冷却定型而收缩所需的少量熔料，注射完成后的螺杆仍需对熔料保持一定的压力，即所谓保压，直至浇口处的熔料冷却定型为止。

3)定型阶段。
模腔内的熔料冷却后，由粘流态恢复到玻璃态。当模腔内制品完全冷却定型后，合模机构打开，模具开启，在顶出机构的辅助作用下，制品脱模，完成注射成型全过程。

注塑机的结构组成

一台通用注塑机主要包括注射系统、合模系统、液压控制系统三部分。

1. 注射系统
注射系统的作用是在一定时间内将一定量的塑料均匀塑化成熔融状态，以足够压力和速度注射到模腔中，注射完毕后能对模腔中的熔料进行保压和补料。它主要由塑化部件（包括喷嘴、料筒和螺杆）、料斗（包括烘干装置）、螺杆传动装置、注射装置和注射座及注射座移动油缸组成。



注塑机用螺杆的几何形状和尺寸，螺杆是注射装置的重要零件，主要参数如下：
1、直径与行程。最大注射量由螺杆的直径与最大行程决定，行程与直径之比一般取3~5。如果比值过大，行程过长，则螺杆工作部分长度就会缩小，影响物料塑化质量。反之，螺杆的行程小，为了保证注射量就要增大螺杆和油缸直径，增大了功率消耗。

2. 合模系统

合模装置应满足下列要求：

1)有足够的锁模力，保证模具在熔料的压力作用下，不会有溢料现象。
2)有足够的模板面积、模板行程和模板间距，以适应不同外形尺寸塑料制品的成型要求。
3)模板的运行速度应满足闭模时先快后慢，开模时先慢后快再慢，以防止合模时模具的碰撞，实现塑料制品的平稳脱模。
4)模板要有足够的强度，保证在模塑过程中不致因频繁受压而引起变形或损坏，影响制品尺寸的稳定和注塑机寿命。

合模装置主要由合模机构、调模机构、顶出机构、前后固定模板、移动模板及拉杆、油缸等组成。

1)合模机构。
按照实现锁模力的方式不同，合模装置的结构形式常用的有液压式和液压-机械式两种。

a)液压式合模装置
单缸直动式液压合模装置目前主要应用于微型注塑机上。合模油缸主要功能是利用油缸中的油压推动和锁紧模板。前后模板由拉杆支撑经螺母紧固，保证移动模板在拉杆上前后移动工作。



1.合模油缸；2. 后固定模板；3.移动模板；4.拉杆；5.模具；6.前固定模板；7.拉杆螺母

液压式合模装置的特点如下：

模板间距大，模具厚度变化范围大。
锁模力大小的调节可以通过调节油压来实现，锁模力的大小可以直接读出，操作方便。
移动模板可以在行程范围内任意位置停留，因此调节模板间距十分方便。
零件能自润滑，磨损小。}对锁模力大的注塑机，要求大的合模油缸及高的油压，这对液压系统密封、制造不利。
液压系统管路多，保证无渗漏是困难的，所以锁模力的稳定性差，从而影响制品质量。

液压-机械式
可以用较小的油缸推力，通过用连杆机构的放大，得到较大的锁模力。提高了合模速度，节省功率消耗。目前常用的有单曲肘和双曲肘液压-机械合模装置。

液压-机械式合模装置的特点如下：
有增力作用，可以减少功率消耗。
有自锁作用，即使撤除油压，锁模力也不会消失，模具闭锁稳定、可靠。
模板移动速度是变化的，合模时由快到慢，开模时先慢后快再慢，使启闭模比较平稳，避免了模具接触时的冲击，碰撞。
肘杆机构易磨损，要求有高的刚性和耐磨性。
模具厚度变化时，需调整动模板和定模板间距，所以调模比较麻烦。
锁模力必须用专业仪器测得，不好调整。

2)调模机构
调模机构是为实现模具厚度的变化而设置的，主要针对液压-机械式合模装置，由于动模板行程不能调节，为适应不同厚度模具的要求，必须设置调模机构，包括：螺纹肘杆调距。 移动合模油缸位置调距。 拉杆螺母调距。移动模板间连接大螺母调距。

3)顶出机构
顶出机构是为顶出模腔内的塑料制品而设置的，因此应当具备足够的顶出力和行程，一般分为机械顶出、液压顶出和气动顶出三种形式。

3. 液压控制系统
由动力系统、执行系统、控制系统、辅助系统及传动介质油组成。动力系统主要是为系统提供液压油，包括电机、泵组等部件。



       注塑机的基本参数是设计、制造、购置和使用注塑机的依据，包括注射、合模和综合性能三个方面。

1. 理论注射量
注射量在一定程度上反映了注塑机的加工能力，标志着所能生产的塑料制品的最大质量，一般有理论注射容积和注射质量两种表示方法。

1) 理论注射容积
注塑机对空注射时，螺杆或柱塞作一次最大注射行程时所射出的熔料体积，以cm3表示。理论注射容积 VL的计算公式为：

式中： VL ― 理论注射容积，cm3；
            D   ― 螺杆（或柱塞）直径，cm
            S   ― 螺杆（或柱塞）最大注射行程，cm
在注射过程中，一方面熔料的密度会随温度和压力的变化而变化，另一方面在压力的作用下会有少量的熔料回流，并且在保压时需要对熔料因冷却而产生的收缩量进行补充，所以实际注射量要小于理论注射量。用射出系数进行修正。射出系数通常在0.7-0.9 范围内选取。
式中：VS ― 实际注射容量，cm3；α  ― 射出系数。

2) 理论注射质量
注塑机对空注射时，螺杆或柱塞作一次最大注射行程时所射出的聚苯乙烯（PS）熔料的最大质量，以克(g)表示。当塑料制品的材料有别于PS时，注射量要按以下公式进行换算：

式中   ρ―该塑料的密度，g / cm3；
          M―以PS 塑料表示的注塑量，g。
例如，PP的密度是0.909/cm3，某注塑机的标准注射量参数为288g，因此用此机生产PP制品时的注射量应为

根据实际生产经验，塑料制品的总质量（制品质量与浇口系统质量之和）最好控制在注射量的85％以内，对非结晶塑料可取大值，而对于高黏度的塑料则宜取小值。

2．注射压力
注射熔料时，为了克服熔料流经喷嘴、浇道和模具型腔时的流动阻力，螺杆（或柱塞）必须对熔料施以足够大的压力，这种压力就称为注射压力。注射压力的计算公式如下：

式中：P  ― 注射压力，MPa ;  D0 ― 注射油缸内径，cm ;
           D  ― 螺杆（或柱塞）外径，cm ;
           P0 ― 注塑机工作时的油路压力，MPa。

3. 注射速率
注射速率是指单位时间内从喷嘴射出的熔料量。下式表示：

式中：qz ― 注射速率，cm3；
           Vs ― 实际注射容量，cm3；
            tz ― 注射时间，s；
           D ― 料筒内径，cm；
           vz ― 注射速度，cm / s。
注射速度 vz 是单位时间内螺杆或柱塞移动距离，下式表示：

式中：S ― 螺杆（或柱塞）最大注射行程，cm ;tz ― 注射时间，s。

注射量与注塑速率、注塑时间的关系

注射速率的大小会直接影响制品的质量和生产效率。注射速率低，注射速度慢，注射时间长，熔料充满模腔困难，制品易产生冷接缝、密度不均、内应力大等质量问题；速率过高，速度过快，物料流经喷嘴等处时易产生大量的摩擦热，使物料烧焦、变色或降解；同时高速注射时，模内的气体往往来不及排出，夹杂在物料中影响制品的表观质量，产生银纹、气泡。

因此注射速率应根据塑料的性能、制品的形状、工艺条件及模具的特点等情况来选择。



4．塑化能力     
塑化能力是指单位时间内塑化装置所能塑化的物料量（通常以标准聚苯乙烯为基准）。注塑机的塑化装置应当在规定时间内，保证能够提供足够量的塑化均匀的熔料。塑化装置要与注塑机的成型周期配合，如果塑化能力高而空循环时间过长，则不能发挥塑化装置的能力；反之，则会加长成型周期。所以塑化能力的高低会影响到生产效率的高低。提高螺杆转速、增加驱动功率、改进螺杆的结构都可提高塑化能力。

5. 锁模力   
它是合模机构锁模后，熔料注入模腔时，模板对模具形成的最终锁紧力。锁模力在很大程度上也反映了注塑机加工制品能力的大小。所以绝大多数生产厂家也把它作为表征注塑机规格的参数。

式中：F ― 锁模力， T;
         α ― 安全系数，一般取1.1~1.6 ;
         P ― 模腔压力， MPa ;
         A ― 制品在分型面上的投影面积，cm2。



6. 合模装置的基本尺寸
1) 模板尺寸及拉杆间距



2) 模板最大间距

模板最大间距是模具开启后，移动模板与固定模板之间的最大距离(包括调模行程在内) 。模板最大间距限制了注塑机所能加工制品的最大高度。
           L = S + hmax
式中：L ― 模板最大间距，mm；
          S ― 开模行程，mm；
          hmax ― 最大模具厚度，mm。  

3) 开模行程
      指动模板能够移动的最大距离，一般与成型制品所用模具厚度有关。为了制件能顺利取出，移动模板行程要大于制件最大高度的2倍。为了缩短一次制品的循环时间、减少机器磨损和动力消耗，应尽量调整模板行程短一些。



4) 模具最大厚度和最小厚度
模具最大厚度hmax和最小厚度hmin是指动模板闭合后，达到规定的锁模力时，移动模板和固定模板之间的最大和最小距离。注塑机的最大模厚和最小模厚也称容模量，代表了注塑机能容纳的模具厚度。

如果模具厚度小于最小模厚hmin，装配模具时要增加模厚调整块，否则不能实现正常的锁模力甚至会损坏零件。若模具厚度大于最大模厚 hmax，模具安装后不能正常合模，无法达到规定的锁模力，注塑机也就无法工作。最大模厚和最小模厚之差即为调模装置的最大可调行程。

5) 顶出力和顶出行程
有效的顶出力及顶出行程才能使成型的产品最后顺利地从模具中分离，应根据产品的外形和模具的结构进行选择，一般机器的最大顶出行程是固定的。仁兴SP108A型注塑机顶出行程为74mm。

多色注射成型是用两个或两个以上注射单元的注射机，将不同颜色或不同品种的塑料，同时或先后注入模具内的成型方法，多色注射机与普通注塑机最大的差别在于注射装置和活动模板的设计。目前主要有双清色注塑机和混色注塑机。

1．双清色注塑机。
双清色注塑机是由两个注射装置、一个公用合模装置和双色模具组成的，可制得内、外层明显分色的塑料制品。

2．混色注塑机。
混色注塑机的注射装置由两个注射料筒和一个公用喷嘴所组成，可通过液压系统调整两个注射装置熔料进入模具的先后次序和注塑塑料的比例，可得到具有自然过渡色彩的混色制品。喷嘴内的混合比由注射行程、注射速度和注射时间差来控制。

要想得到高质量的制品，除应用随形介质通路外，关键是要提高模具型腔表面温度，普通的模温机的使用虽然可以得到高质量的制品，但由于模具温度较高，制品冷却时间较大，对于尺寸较大的制品尤其如此，造成注塑生产效率较低。近年来模具制造业逐渐应用的快速热冷注塑模具温度控制机将可以有效地解决这一问题。

快速热冷注塑模具温度控制机可以通过高温介质(例如蒸汽、水或导热油)将模腔表面温度快速升到树脂的热成型温度以上，从而实现快速注塑和填充，实现无冷却成形和获得高光亮外观和韧性、强度都非常好的塑件，克服扭曲变形、表面凹陷、熔接痕、波纹等不良现象；成型完成后，通过切换阀门，引入冷却介质，又可使模具温度迅速降低，大幅缩短注塑周期。