1.2 注射成型基础知识

注射成型又称注射模塑或注射，是塑料加工中重要的成型方法之一，其技术已发展得相当成熟，并且应用非常普遍。注射产品已占塑件总量的30%以上，在国民经济的许多领域有着广泛的应用。

1.2.1 塑件的工艺性

塑件的设计不仅要满足使用要求，而且要符合塑料的成型工艺特点，同时还要尽量使模具结构简单化。在进行塑件结构工艺性设计时，必须在保证塑件的使用性能、物理性能与力学性能、电气性能、耐化学腐蚀性能和耐热性能的前提下，尽量选用价廉且成型性能又好的塑料。同时还应该力求塑件结构简单、壁厚均匀，而且成型方便。在设计塑件时应同时考虑模具的总体结构合理，使模具型腔易于制造，模具的抽芯和推出机构简单。塑件形状应有利于模具的分型、排气、补缩和冷却。

总之，塑件的设计主要内容包括塑件的选材、尺寸和精度、表面粗糙度、塑件形状、壁厚、脱模斜度、圆角、加强筋、支撑面、孔、螺纹、齿轮、嵌件、飞边、文字与符号及塑件表面彩饰等。

1. 塑件的选材

塑件的选材主要注意以下这些方面。

①塑料的力学性能：如强度、刚性、韧性、弹性、弯曲性能、冲击性能，以及对应力的敏感性。

②塑料的物理性能：如对使用环境温度变化的适应性、光学特性、绝热或电气绝缘的程度、精加工和外观的完美程度等。

③塑料的化学性能：如对接触物（水、溶剂、油、药品）的耐蚀性、卫生程度，以及使用上的安全性等。

④必要的精度：如收缩率的大小及各向收缩率的差异。

⑤成型工艺性：如塑料的流动性、结晶性、热敏性等。

常用塑料的性能与用途见表1-1。

表1-1 常用塑料的性能与用途

2. 塑件的尺寸和精度

（1）塑件的尺寸

塑件的总体尺寸受到塑料流动性的限制。在一定的设备和工艺条件下，流动性好的塑料可以成型较大尺寸的塑件；反之成型出的塑件尺寸就较小。此外，塑件外形尺寸还受到成型设备的限制，如注射成型的塑件尺寸要受到注塑机的注射量、锁模力和模板尺寸的限制；压缩及压注成型的塑件尺寸要受到压力机吨位及工作台面尺寸的限制。通常，只要能满足塑件的使用要求，应将塑件设计的紧凑一些、尺寸小一些，以节约能源和模具制造成本。

（2）塑件的精度

影响塑件的精度的因素很多，如模具制造精度及其使用后的磨损程度，塑料收缩率的波动，成型工艺条件的变化，塑件的形状，脱模斜度及成型后的尺寸变化等。表1-2列出了影响塑件精度的直接和间接原因。

表1-2 影响塑件精度的直接和间接原因

一般在生产过程中，为了降低模具的加工难度和模具的生产成本，在满足塑料使用要求的前提下尽可能地把塑件尺寸精度设计得低一些。

3. 塑件的表面质量

塑件的表面质量包括表面粗糙度和外观质量等。塑件表面粗糙度的高低主要与模具型腔内各成型表面的粗糙度有关。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低1～2级。

一般来说，原材料的质量、成型工艺（各种参数的设定、控制等人为因素）和模具的表面粗糙度等都会影响到塑件的表面粗糙度，而尤其以型腔壁上的表面粗糙度影响最大。因此，模具的型腔壁表面粗糙度实际上成为塑件表面粗糙度的决定性因素。另外，对于透明塑件，特别是光学元件，要求凹模与型芯两者有相同的表面粗糙度。

表1-3列出了模具表面粗糙度对注射件表面粗糙度的影响情况。

表1-3 模具表面粗糙度对注射件表面粗糙度的影响情况

注：表中Rz为10点断面不平整高度的平均算术绝对偏差的总值。

塑料的外观质量是指塑件成型后表明的缺陷状态，如常见的缺料、溢料、飞边、气孔、熔接痕、斑纹、银纹、凹陷、翘曲与收缩，以及尺寸不稳定等。这些缺陷主要是由塑料成型时原材料的选择、塑料成型工艺条件、模具总体结构设计等多种因素造成的，具体原因将在本章1.3节中进行详细介绍。

1.2.2 注射成型过程对塑件质量的影响

注射成型过程包括成型前的准备、注射过程和塑件的后处理共三个主要的阶段，各个阶段又可细分为多个小的阶段，如图1-4所示。

1. 成型前的准备

为了使注射成型顺利进行，保证塑件质量，一般在注射之前要进行原料预处理、清洗料筒、预热嵌件和选择脱模剂等准备工作。

①原料的预处理包括原料的检验、着色和预热干燥等过程。

②料筒的清洗：生产中如需要改变塑料品种、更换物料、调换颜色，或发现成型过程中出现了热分解或降解反应，均应对注塑机的料筒进行清洗。通常，柱塞式料筒存料量大，必须将料筒拆卸清洗。对于螺杆式料筒，可采用对空注射法清洗。最近研制成功了一种料筒清洗剂，是一种粒状无色高分子热弹性材料，100℃时具有橡胶特性，但不熔融或黏结，将它通过料筒，可以像软塞一样把料筒内的残料带出，这种清洗剂主要适用于成型温度为180～280℃时的各种热塑性塑料及中小型注塑机。

③嵌件的预热：当嵌件为金属时，由于金属与塑料的膨胀与收缩率相差较大，所以，要对嵌件进行预热，以避免嵌件周围塑料层强度下降而出现裂纹缺陷，但对于小嵌件易在模内被塑料熔体加热，可不预热。预热的温度以不损坏金属嵌件表面镀（锌或铬）层为限，一般为110～130℃。对无表面镀层的铝合金或铜嵌件，其预热温度可达150℃。

④脱模剂的选用：为了便于脱模，生产中常使用脱模剂。常用的脱模剂有三种：硬脂酸锌、液态石蜡和硅油。硬脂酸锌除尼龙塑料外，其余塑料均可使用；液态石蜡作为尼龙类塑料脱模剂效果较好；硅油的使用效果好，但价格贵，而且使用时要与甲苯等有机溶剂配成共溶液，涂抹型腔后待有机溶剂挥发后才能显示硅油的润滑效果。

近年来，生产中流行使用的雾化脱模剂实际上就是硅油脱模剂。其主要成分是聚二甲基硅氧烷（硅油）加适量助剂，再充入雾化剂（氟利昂或丙烷等）。此外，脱模剂还可直接混合粒料中使用，如在料中混入0.01%～0.05%白油（液态石蜡），效果很好。

2. 注射过程

完整的注射过程包括加料、塑化、注射、保压、冷却和脱模等几个步骤。螺杆式注塑机在各个阶段成型工艺顺序如图1-5所示。

注射成型中的塑化、注射、保压、冷却和脱模等工艺过程的原理如下。

（1）塑化、计量阶段

1）塑化

塑化即塑料熔融，是指塑料在料筒中经加热达到黏流状态并具有良好可塑性的全过程。塑化之后熔体内的组分、密度、黏度和温度分布都较均匀，才能保证塑料熔体在下一注射充型过程中具有良好的流动性。

2）计量

计量是指能够保证注塑机通过柱塞或螺杆，将塑化好的熔体定温、定压、定量地输出（注射）料筒所进行的准备动作，这些动作均需注塑机控制柱塞或螺杆在塑化过程中完成。计量动作的准确性不仅与注塑机控制系统的精度有关，而且还直接受料筒（塑化室）和螺杆的几何要素及其加工质量影响。很显然，计量精度越高，能够获得高精度塑件的可能性越大，因此，在注射成型生产中应十分重视计量的作用。

3）塑化效果和塑化能力

塑化效果指物料转变成熔体之后的均化程度。塑化能力指注塑机在单位时间内能够塑化的物料质量或体积。塑化效果的好坏及塑化能力的大小均与物料受热方式和注塑机结构有关。对于柱塞式注塑机，物料在料筒内只能接受柱塞的推挤力，几乎不受剪切作用，塑化所用的热量，主要从外部装有加热装置的高温料筒上获取。

对于螺杆式注塑机，螺杆在料筒内的旋转会对物料起到强烈的搅拌和剪切作用，导致物料之间进行剧烈摩擦，并因此而产生很大热量，故物料塑化时的热量可同时来源于高温料筒和自身产生出的摩擦热，也可以只凭摩擦热单独供给。通常，前面一种情况称为普通螺杆塑化，后面一种情况称为动力熔融。

很显然，在动力熔融条件下，强烈的搅拌与剪切作用不仅有利于熔体中各组分混合均化，而且还避免了波动的料筒温度对熔体温度的影响，故也有利于熔体的黏度均化和温度分布均化，因此，能够得到良好的塑化效果。

与此相反，柱塞式注塑机塑化物料时，既不能产生搅拌和剪切的混合作用，又受料筒温度波动的影响，故熔体的组分、黏度和温度分布的均化程度都比较低。所以，其塑化效果既不如动力熔融，也不如介于中间状态的部分依靠料筒热量的普通螺杆塑化。

（2）注射充型

柱塞或螺杆从料筒内的计量位置开始，通过注射油缸和活塞施加高压，将塑化好的塑料熔体经过料筒前端的喷嘴和模具中的浇注系统快速进入封闭型腔的过程称为注射充型。注射充型又可细分为流动充型、保压补缩和倒流三个阶段。在注射过程中压力随时间呈非线性变化。图1-6所示为在一个注射成型周期内用压力传感器测得的压力随时间变化的曲线图。曲线1是料筒计量室中注射压力随时间变化的曲线。曲线2是喷嘴末端的压力曲线。曲线3是型腔始端（浇口处）的压力曲线。曲线4是型腔末端的压力曲线。

1）流动充型阶段

A段是塑料熔体在注射压力作用下从料筒计量室流入型腔始端的时间。在AB时间段熔体充满型腔。此时注射压力p1迅速达到最大值，喷嘴压力也达到一定的动态压力p2。充模时间（tB-tA）是注射成型过程中最重要的参数。因为熔体在型腔内流动时的剪切速率和造成聚合物分子取向的程度都取决于这一时间。型腔始端压力与末端压力之差（pB-pB1）取决于熔体型腔内的流动阻力。型腔充满后，型腔压力迅速增加并达到最大值。图1-6中型腔始端的最大压力为pC，末端的最大压力为pC1。喷嘴压力迅速增加并接近注射压力p1。BC时间段是熔体的压实阶段。在压实阶段约占塑件质量15%的熔体被压到型腔内。此时熔体进入型腔的速度已经很慢。

2）保压补缩阶段

CD时间段是保压阶段。在这一阶段中熔体仍处于螺杆所提供的注射压力之下，熔体会继续流入型腔内以弥补熔体因冷却收缩而产生的空隙。此时熔体的流动速度更慢，螺杆只有微小的补缩位移。在保压阶段熔体随着模具的冷却，密度增大而逐渐成型。

3）倒流阶段

保压结束后，螺杆回程（下一周期的预塑开始），喷嘴压力迅速下降至零。塑料熔体在此时刻仍会具有一定的流动性。在型腔压力的作用下，熔体可能从型腔向浇注系统倒流，导致型腔压力从pD降为pE。在E时刻熔体在浇口处凝固，倒流过程封断。浇口尺寸越小，封断越快。pE称为封断压力。pE和此时相对应的熔体温度对塑件的性能有很大影响。

1—熔体；2—模具型腔

（3）冷却定型阶段

EF时间段为冷却定型阶段，在模具冷却系统的作用下塑件逐渐冷却到具有一定的刚度和强度时脱模。脱模时塑件内的残余压力为零。若残余压力过大，会造成塑件开裂、损伤和卡模等弊病。图1-7所示为一个注射周期中塑料熔体和模具温度随时间变化的曲线。

从图1-7可见，随着型腔压力迅速升高熔体温度上升至某一最高值，然后随着保压阶段的开始，熔体温度下降。当熔体注入型腔时，型腔的表面温度升高，然后在冷却系统的作用下温度逐渐降低。因此，型腔的表面温度在两个极限值之间变化，最低极限值出现在塑件脱模时，最高极限值出现在熔体充满时。熔体与模具之间的温差对于塑件所需的冷却时间和塑件表面质量有很大的影响，因此，模具的冷却系统的设计十分重要。

一般来讲，脱模温度不宜太高，否则，塑件脱模后不仅会产生较大的收缩，而且还容易在脱模后发生热变形。当然，受模具温度限制，脱模温度也不能太低。因此，合适的脱模温度应在塑料的热变形温度和模具温度之间。

正常脱模时，型腔压力和外界压力的差值不要太大，否则容易使塑件脱模后在内部产生较大的残余应力，导致塑件在以后的使用过程中发生形状尺寸变化或产生其他缺陷。一般来讲，保压时间较长时，型腔压力下降慢，则开启模具时可能产生爆鸣现象，塑件脱模时容易被刮伤或破裂；反之，未进行保压或保压时间较短时，型腔压力下降快，倒流严重，型腔压力甚至可能下降到比外界压力要低的水平，塑件将会因此产生凹陷或真空泡。鉴于以上情况，生产中应尽量调整好保压时间，使脱模时的残余应力接近或等于零，以保证塑件具有良好质量。

塑件在成型过程中，由于塑化不均匀或由于塑料在型腔中的结晶、定向，以及冷却不均匀而造成塑件各部分收缩不一致，或因其他原因使塑件内部不可避免地存在一些内应力而导致在使用过程中变形或开裂。因此，应该设法消除掉。消除的方法有退火处理和调湿处理。

1.2.3 注射成型工艺条件对塑件质量的影响

在塑料成型过程中，工艺条件的选择和控制是保证成型顺利进行和塑件质量的关键因素之一。主要的工艺条件是影响塑化流动和冷却的温度、压力和相应的各个作用时间。

1. 温度

在注射成型中需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度。前两种影响塑料的塑化流动；后一种温度主要影响充型和冷却。

（1）料筒温度

为了保证塑料熔体的正常流动而又不使塑料发生变质分解，料筒最合适的温度范围应高于Tf（Tm），但也必须低于塑料的分解温度Td，即为Tf（Tm）～Td。对于Tf（Tm）～Td区间狭窄的塑料（如硬质聚氯乙烯），料筒温度应控制稍低些，即比Tf（Tm）稍高一点；而对于Tf（Tm）～Td区域较宽的塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯），料筒温度可控制得高一些，即比Tf（Tm）高得多。

此外，料筒温度的选择还与诸多因素有关。凡平均分子质量偏高、分子质量分布较窄的塑料及用玻璃纤维增强塑料或采用柱塞式注射的塑料，以及当塑件壁厚较小时，都应选择较高的料筒温度，反之亦然。

料筒的温度分布一般遵循前高后低的原则，即从料斗一侧（后端）起至喷嘴（前端）止，是逐步升高的。但当塑料含水量较多时也可提高后端温度。由于螺杆式注塑机中的塑料受到螺杆剪切摩擦生热而有利于塑化，故可将料筒前端温度稍低于中段，以防塑料发生过热分解。塑料的加工温度主要由注塑机料筒的温度决定。而料温又对成型条件及塑件的物理性能有较大的影响，如图1-8所示。

（2）喷嘴温度

为防止熔体在喷嘴处产生“流涎”现象，通常将喷嘴温度控制在略低于料筒的最高温度，即大致与料筒中段温度相同。

一般地说，在生产上鉴别料筒与喷嘴温度是否合理，常以低压、低速对空注射，当喷出料流刚劲有力，不带泡、不卷曲、光亮且连续时即视为合适。

（3）模具温度

模具温度对塑料熔体的流动性、塑件的内在性能和外观质量影响很大。模具必须保持一定温度，这主要由通入定温的冷却介质来控制，也有靠熔体入模后的自然升温和自然散热达到热平衡而保持一定模温的。通常是根据不同塑料成型时所需要的模具温度，确定是否设置冷却或加热系统。

对于结晶型塑料，模具温度直接影响塑件的结晶度和结晶构型，可以采用较高的模具温度。因为当模温较高时，冷却速率小，结晶速率大。此外，模具温度高时也有利于分子的松弛过程，分子定向效应小。如图1-9所示，对结晶型塑料，其模具温度可控制在玻璃化温度与最大结晶速度的相应温度之间。

对于非结晶型塑料，当熔融黏度较低或中等时（如聚苯乙烯、醋酸纤维素等），模具温度常偏低；而对于熔融黏度偏高的非结晶型塑料（如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等），则必须采用较高的模温。当所需模温大于80℃时，应设置加热装置。

模具温度对塑料某些成型性能的影响如图1-10所示。

2. 压力

注射成型过程需要控制的压力有塑化压力、注塑压力、保压压力和型腔压力四种，它们直接影响塑料的塑化和塑件质量。

（1）塑化压力

塑化压力又称背压，是指螺杆式注射成型时，螺杆头部熔体在螺杆转动后退时所受到的阻力。由于它所代表的是塑料塑化过程中所承受的压力，故又称塑化压力。它的大小是靠调节排油阀改变排油速度来控制的。背压不能太低，否则螺杆后退速度加快，从料斗进入料筒的塑料密度小、空气量大而降低塑化效果；背压也不宜太高，否则螺杆后退时阻力增大，受螺杆推动的塑料热效应增高，不但会恶化塑化效果，而且还延长预塑化时间，容易使喷嘴处产生流涎现象。所以，通常在保证塑件质量的前提下，背压一般不大于2MPa。

（2）注塑压力

注塑压力是指柱塞或螺杆顶部对塑料熔体所施加的压力。其作用是克服熔体流动充型过程中的流动阻力；使熔体具有一定的充型速率；对熔体进行压实。注塑压力的大小取决于注塑机的类型、塑料的品种、模具结构、模具温度、塑件的壁厚及流程的大小等，尤其是浇注系统的结构和尺寸。为了保证塑件的质量，对注塑速率有一定要求，而注塑速率与注塑压力有直接关系。

在同样条件下，高压注塑时，注塑速率高，反之，低压注塑时则注塑速率低。对于熔体黏度高的塑料，其注塑压力应比黏度低的塑料高；对薄壁、面积大、形状复杂及成型时熔体流程长的塑件，注塑压力也应该高；对于面积小、结构简单、浇口尺寸较大的，注塑压力可以较低；对于柱塞式注塑机，因料筒内压力损失较大，故注塑压力应比螺杆式注塑机的高；料筒温度高、模具温度高的，注塑压力也可以较低。总之，注射压力的大小取决于塑料品种、注塑机类型、模具的浇注系统状况、模具温度、塑件复杂程度和壁厚，以及流程的大小等诸多因素，很难具体确定，一般要经试模后才能确定，其大致的影响趋势如图1-11所示。其常用的注射压力为70～150MPa。

（3）保压压力

型腔充满后，注塑压力的作用在于对模内熔体的压实，此时的注塑压力又称保压压力。在生产中，保压压力等于或小于注射时所用的注塑压力。如果注射时和保压时的压力相等，则往往可以使塑件的收缩率减小，并且尺寸稳定性及力学性能较好。缺点是会造成脱模时的残余压力过大，使塑件脱模困难，因此，保压压力应适当。

（4）型腔压力

型腔压力是注塑压力在经过注塑机喷嘴、模具的流道、浇口等的压力损失后，作用在型腔单位面积上的压力。一般型腔压力是注塑压力的0.3～0.65倍，大约为20～40MPa。

3. 注塑速度

注塑速度主要影响熔体在型腔内的流动行为。通常随着注塑速度的增大，熔体流速增加，剪切作用加强，熔体黏度降低，熔体温度因剪切发热而升高，所以有利于充型。塑件各部分塑料熔体的熔接处的熔接强度也得以增加。但是，由于注塑速度增大可能使熔体从层流状态变为湍流状态，严重时会引起熔体在模内喷射而造成模内空气无法排出。这部分空气在高压下被压缩迅速升温，会引起塑件局部烧焦或分解。

在实际生产中，注塑速度通常是经过实验来确定的。一般先以低压慢速注射，然后根据塑件的成型情况而调整注塑速度。注塑速度对塑料某些性能的影响，如图1-12所示。

4. 成型周期

完成一次注射成型工艺过程所需的时间称为成型（或生产）周期。它是决定注射成型生产率及塑件质量的一项重要因素。它包括以下几部分：

注射成型周期时序图如图1-13所示，它反映了各时间段内模具各部分的状态与动作过程。

成型周期直接影响生产效率和设备利用率，应在保证产品质量的前提下，尽量缩短成型、冷却过程，从图1-13可以看出，在整个成型周期中，注射时间和冷却时间是基本组成部分，注射时间和冷却时间的多少对塑件的质量有决定性影响。注射时间中的充型时间不长，一般不超过10s；保压时间较长，一般为20～120s（特厚塑件可达5～10min），通常以塑料塑件收缩率最小为保压时间的最佳值。

冷却时间主要决定于塑料塑件的壁厚、模具温度、塑料的热性能和结晶性能。冷却时间的长短应以保证塑件脱模时不引起变形为原则，一般为30～120s。此外，在成型过程中应尽可能缩短开模、脱模等的时间，以提高生产率。