3.1 注射机的基本结构

掌握注射成型工艺要从了解注射机的基本结构开始。本节着重陈述注射机的塑化装置和合模装置。

3.1.1 注射成型

注射成型的工艺循环操作是使塑料材料物理形态转变而成型制件，也是注射机各装置部件动作和功能执行的过程，所以必须首先了解注射机的基本结构、分类和规格。

1.注射机的基本结构

（1）基本结构 塑料注射成型是由金属压铸模塑成型原理发展而来的。早在1982年就有了金属注射成型的工艺，并有了金属注射压铸机。20世纪初，已经有将琥珀和纤维素树脂熔化后，注射成型成简单的制品。直到1932年，有了料筒电加热、柱塞推进注射的塑化，在加热料筒内添加了鱼雷状的分流棱，提高了塑化能力，注射成型技术才有了较大发展。

而热固性塑料以粉剂为原料，放置在加料室内，用液压机加压，并对模具加热。物料熔化后经浇注系统进入型腔，固化交联后定型。制品有较高质量和尺寸精度。这称为传递模塑工艺，早在20世纪20年代已经推行，以后风行了几十年。

柱塞式塑化装置的塑料塑化质量差，每次塑化量有限，一般在60cm³以下。20世纪30年代的塑化装置，在加热料筒中用螺杆旋转剪切塑化，再用柱塞压力推进注射。首先在德国，直到1956年，才实现了往复运动的螺杆塑化并注射，传统的塑料注射机总体结构基本定型。热塑性塑料的注射成型工艺沿用至今。下面介绍这类移动螺杆式的注射机。

图3-1所示为卧式往复螺杆注射机。注射塑化装置在定模板8的右侧，而合模装置在左侧。电动机驱动装置和液压泵在机座里。图示注射机有注射液压缸、注射装置移动液压缸、合模液压缸，和螺杆旋转用液压旋转马达。还有液压控制系统的控制阀和油箱等装在机座内或在注射机的各个位置。电气控制装置有的在独立的控制柜里，有的安装在定模板前。

图3-1 往复螺杆注射机

1—合模液压缸 2—后模板 3—双曲肘 4—拉杆 5—动模板 6—装注射模空间 7—喷嘴 8—定模板 9—往复式螺杆 10—料筒 11—料斗 12—注射装置的导轨 13—注射液压缸 14—旋转液压马达 15—注射装置的牵引液压缸

（2）注射塑化装置 其作用是将塑料原料由料筒电加热，又经螺杆混合、均化和剪切加热，塑化成黏流态。再以很高的压力和速度注入模具型腔。注射装置主要由料斗、加料装置、电加热的料筒、旋转并移动的螺杆、注射喷嘴和计量装置等组成。

当液压马达驱动螺杆旋转时，固态塑料粒子被压缩、加热、剪切而熔化。熔融的塑料积聚在螺杆头的前面，迫使螺杆与注射液压缸的活塞后退；完成计量后，螺杆止转，塑化结束。在密闭模具中，注塑件的冷却固化时间比塑化时间长，要等到注射模打开，注塑件被顶出，重新闭合后，液压缸才能注射定量的塑料熔体。

整个注射装置在床身的导轨上。可由牵引液压缸往复拖动。在注射和保压时注射喷嘴紧压贴合在注射模的凹坑上。高压熔料经模具的主流道射入型腔。

（3）合模装置 由模板、拉杆、合模机构、制品顶出机构、调模机构和安全门等组成。

注射成型时，熔融塑料通常是以40～200MPa的高压注射。为了保持注射模紧密闭合，合模液压缸和机械肘杆机构，要提供足够的锁模力。合模装置不但启闭模具，还在开模运动的后期驱使模具的脱模机构推顶固化的注塑件。

合模装置的动模板牵引动模慢速开模，保证注塑件顺利脱离定模型腔。动模在运行途中应是快速移动，以压缩辅助时间。在开模运动的后期，在动模的脱模机构对注塑件的顶出运动时也应该减速，以保护注塑件不受脱模损伤。合模装置牵引动模闭模时，为避免与定模碰撞，应减速接近定模。

（4）液压系统 为了实现注射工艺过程中注射装置和合模装置的动作程序，对液压系统的执行液压缸和液压马达提供液压动力并进行控制。有液压泵及驱动电动机，有附设的管道、油箱和滤油器等。对压力油有压力调节、控制流量和流向的各种液压阀。这些液压控制阀又与电气控制系统连接。

（5）控制系统 对于液压油的温度、机筒的温度、模具温度、锁模力、注射压力和速率等几十个参数，在一定时间里要保持某一数值；还要保证注射周期内，螺杆、喷嘴和动模等功能零部件按照逻辑顺序在确定的时刻达到所要求的数值和方向。控制系统的直接目标是监控加工过程，以保证注塑件的质量。

2.注射成型循环过程

在注射成型循环的时间周期内，注射装置与合模装置相互协作，完成注射成型的动作程序，生产质量合格的注塑件。

（1）注射成型的循环动作

图3-2所示为螺杆式注射成型机的循环动作，可以分成四个阶段。

1）锁模与注射。模具被低压快速推进闭合。当动模将要合上定模时，动模低速行进；确认模腔内无异物时，自动切换成高压锁模。

模具锁紧后，注射装置前移，使喷嘴贴合模具。由注射液压缸以高速高压给力螺杆，将螺杆熔料注入模具的闭合型腔。

图3-2 螺杆式注射成型的循环动作过程

a）锁模与注射 b）保压与补缩 c）塑化与冷却 d）开模并顶出

2）保压与补缩。塑料熔体注入低温模腔后有较大收缩，应进行熔料补充，使制品密实；料筒内预留一定的熔料量，注射螺杆以高压少量地向前推挤；模具内浇口冻结时，应撤除保压压力。注塑件在密封的模腔中冷却固化。

3）塑化与冷却。制品冷却的同时，螺杆在液压马达驱动下转动，将来自料斗的粒料沿螺旋槽向前输送。粒料受料筒外加热和螺杆剪切热的共同作用逐渐软化，并最终完全熔融。由于螺杆头部熔体压力的作用，迫使螺杆转动时发生后退。注射液压缸可调节到25MPa以下的压力，阻挡螺杆的后退，这个阻力被称为背压。螺杆的后移量可折算成塑化后积存的熔体体积。当螺杆退回到一次注射所需的计量值时，由监测信号控制螺杆停止转动，完成了塑化。

4）开模并顶出。通常要求预塑时间少于注塑件的冷却时间。制品冷却定型后模具开启。在开启移动的后期，注射机合模装置上的顶杆或者液压缸活塞，驱使动模的脱模机构顶出注塑件。

图3-3 注射成型机工作循环周期

（2）注射成型周期 注射成型周期指完成一次注射成型工艺过程所需的时间。它包含着注射成型过程中所有的时间，直接关系到生产效率的高低。注射成型周期的时间组成如图3-3所示。图示冷却时间从保压结束到开模为止，被称为模具内的冷却时间。实际上模内注塑件，自熔体流动充满型腔后，即刻开始冷却。在开模后，在室温下的注塑件还会继续冷却。

注射机在加工结晶型塑料时，喷嘴不宜长时间同低温的模具接触。有时，注射机刚开始生产，需要用喷嘴来加热模具。在注射成型周期较长时，应减少喷嘴对模具的热传导。因此，注塑装置的支座应在每一循环中往复运动移动一次，称注射座的整体移动。由于注射座的移动和不移动，出现了三种塑化加料方式。

1）固定塑化。注射机在各个工作循环中，喷嘴始终同模具接触，也就是注射座固定。这种方式比较适合于加工温度较宽的无定形塑料，也称为固定加料方式。

2）塑化退回。整体退回是在螺杆塑化计量之后。这种方式用于开放式喷嘴并需要较高背压进行塑化的场合，以减轻喷嘴的流涎现象。对于料斗加料塑化是在喷嘴后退之前，故也称为前加料方式。

3）退回塑化。整体退回以后，才进行螺杆塑化计量。适合于加工结晶型塑料，也称为后加料方式。

3.注射机的分类和规格

伴随着注射工艺的发展，注射机向大型化、微型化、高速、高度自动化和专用化方向发展。

（1）注射机的种类 注射机的注射装置有柱塞式和螺杆式两种。柱塞式注射装置的塑化质量差；料筒内压力损失为注射压力的30%～50%；注射速度先慢后快；大多用于小注射量的立式注射机。螺杆式注射装置配有适用于各种塑料熔体的螺杆2～3根。有的配有新型螺杆，也已有专用的排气螺杆。注射装置的机座可以前后移动，按注射工艺要求实现固定加料、前加料或后加料。注射装置的喷嘴是与模具直接作用的部件。喷嘴的结构形式很多，可分成直通式和自锁式两类。始终敞开的直通式喷嘴，对于各种黏性物料，为适应各模具的型腔厚度和流程比，满足补缩等工艺，需要有多种结构形式。自锁式喷嘴的喷孔，除了注射和保压两个阶段打开外，其余时间是关闭的。喷嘴的外球面和孔径，必须与模具主流道杯上凹球坑和孔径相吻合。模具上的定位圈必须与注射机定模板的中心孔密配。

注射机的合模部件有液压机械式和全液压式两类。液压机械式是由液压缸的活塞杆驱动单曲肘或双曲肘机构，以曲肘机构实现运动特性和增力作用，且有自锁能力。其较小行程是定值，需要调模机构适应模具高度的小范围变化，并调整锁模力。它用于中小型注射机。大型注射机采用全液压合模装置，所需运动和力学特性由复杂的液压系统实现，其行程大且可调节。注射机的动模板可在任意位置停留，直接由油路压力获得锁模力。

尽管卧式注射机占大多数，但也有立式注射机在生产中应用。两者的区别对模具设计关系重大。例如关系到脱模机构和型腔板等零部件的自重、注塑件和浇道凝料的坠落或取出、嵌件的装固等。因此，要作不同的处理。

通用注射机按加工能力、注射装置和合模部件的结构及控制系统分类，见表3-1和图3-4。国产注射机主要技术参数可见表3-2、表3-3和表3-4。国外生产的注射机以合模力kN作为注射机规格的命名。这三个表可对照认识国外注射机的型号。

表3-1 按注射机成型能力分类

图3-4 注射机的分类

表3-2 国产注射机的合模力系列（JB/T 7267）

表3-3 国产注射机的理论注射体积系列（JB/T 7267）

表3-4 国产注射机的模具安装尺寸（JB/T 7267）（单位：mm）

随着现代电子技术发展，注射机控制系统升级换代较快。微型计算机或单板机控制的注射机已较常见。其控制系统由CPU、存储器、显示器等组成，并有初始化和调试、注射和模具动作、压力和速度控制、数字PID调节、油路和诊断等功能软件。注射机工艺参数控制精度高，制品质量及一致性好。电子计时精度0.1s之内，制品重量误差在0.2%以下。塑件尺寸误差在±0.03%～±0.05%以下。温度和压力精度在2～5℃和1×10⁵Pa之内。微机控制注射机可集中监控，也可显示和存储几十种工艺参数。采用比例电磁阀等液压元件，实现了连续平滑控制，避免了零部件的冲击，延长了使用寿命。而且控制系统工作可靠，配置了精密注射模后可实现高精度注塑件的注射。

（2）注射机的注射装置技术参数

1）螺杆直径：螺杆的外径尺寸（mm），以D表示；

2）螺杆有效长度：螺杆上有螺纹部分的长度（mm），以L表示；

3）螺杆长径比，L/D；

4）螺杆压缩比：螺杆加料段第一个螺槽容积V₂与计量段最末一螺槽容积V₁之比，V₂/V₁；

5）注射行程：螺杆注射移动最大距离，也即螺杆计量时后退最大距离（cm）；

6）理论注射体积：螺杆（或柱塞）头部截面积与最大注射行程的乘积（cm³）；

7）注射量：螺杆（或柱塞）一次注射PS的最大质量（g），或注射的最大容积（cm³）；

8）注射压力：注射时螺杆（或柱塞）头部给予塑料的最大压力（MPa，N/m²）；

9）注射速度：注射时螺杆（或柱塞）移动的最大速度（cm/s）；

10）注射时间：注射时螺杆（或柱塞）走完注射行程的最短时间（s）；

11）注射速率：单位时间内注射的理论容积，螺杆（或柱塞）截面积乘以螺杆（或柱塞）的最大速度（cm³/s）；

12）螺杆转速：物料塑化时螺杆最低与最高转速（r/min）；

13）塑化能力：单位时间内可塑化PS物料的最大质量（kg/h）；

14）螺杆转矩：物料塑化时驱动螺杆的最大转矩（N·m）；

15）螺杆驱动功率：物料塑化时驱动螺杆的最大功率（kW）；

16）喷嘴接触力：喷嘴与模具的最大接触力，即注射座推力（kN）；

17）喷嘴伸出量：喷嘴伸出前模板即模具安装面的长度（mm）；

18）料筒加热功率；料筒和喷嘴的加热总功率（kW）。

此外，还有料筒和喷嘴加热方式和加热分段、螺杆驱动方式、螺杆头和喷嘴结构、喷嘴孔径和球面半径等。

（3）注射机合模部件技术参数

1）锁模力：为克服塑料熔体胀模，给模具的最大锁模力（kN）；

2）成型面积：在一定的型腔压力下，与锁模力对应的在分型面上最大的型腔投影面积（cm²）；

3）开模力：模具具有的开启力（kN）；

4）开模行程：模具的动模可移动的最大距离（mm）；

5）开模（合模）速度：开模（合模）时动模板移动的最高速度（m/s）；

6）模板尺寸：定模板和动模板的安装平面的外形尺寸（mm）；

7）模具最大尺寸：注射机上能安装模具的最大外形尺寸（mm）；

8）模具最大（最小）厚度：注射机上能安装闭合模具的最大（最小）厚度（mm）；

9）模板最大（最小）开距：定模板与动模板之间的最大（最小）间距（mm）；

10）拉杆间距：注射机拉杆的水平方向和垂直方向内侧的间距（mm）；

11）顶出行程；顶出装置顶出时的最大位移（mm）；

12）顶出力：顶出装置顶出时的最大推力（kN）；

此外，还有合模方式和调模方式等。

（4）注射机整机的性能参数

1）泵电机的额定功率（kW）；

2）单耗：单位时间耗能（kW/h）；

3）空循环周期或空循环次数：注射机在不加入塑料时一次循环的最短时间或每小时循环次数；

4）料斗容量：料斗内储料的有效容积（dm³）；

5）油箱容量（m³）；

6）体积：整机外形长（m）×宽（m）×高（m）。

此外，模具温度控制装置，也称模具恒温器或调温箱，是精密注射不可少的附属装置。它可通过插入模具的热电偶，进行模具温度的检测。或者对进入模具的冷却水按设定的水温要求，进行加热或冷却，而且可保证冷却水的压力和流量。对动模和定模有两套模温控制系统尤其适用。

3.1.2 注射塑化装置

这里从技术参数和关键零部件两方面来认识塑化装置。

1.注射塑化装置的技术参数

（1）理论注射体积 理论注射体积是注射螺杆直径D_S（cm）的螺杆作最大的注射行程S_max（cm）推进时的容积。有

螺杆直径由注射机的系列决定，一般S_max=（4～5）D_S，因此有国产注射机的理论注射体积系列（JB/T 7267），见表3-3。

以塑料质量（g）计量的注射量是以聚苯乙烯熔料为注射物，对空注射的最大量，有一定的参考价值。注射成型生产时，各种塑料的实际注射量与塑料熔体密度、注射流程中的阻力和从螺杆头的回流等因素有关，很难从注射体积计算预测精确的注射量。

图3-5 注射系统的几何和物理状态图

1—喷嘴 2—注射装置 3—螺杆 4—料斗 5—注射液压缸 6—液压马达 7—止推轴承 8—模具的主流道 9—模具的流道 10—模具的浇口 p_m—型腔压力 p—注射压力 S—注射行程（螺杆行程） D—螺杆直径 M、n—液压马达输出转矩和转速 Q_o、p_o—液压系统供油的流量和油压 D_o—注射液压缸直径

（2）注射压力 注射压力是反映注射机的注射能力，并关系制品质量的重要技术参数。注射系统如图3-5所示。注射压力p（MPa）是由注射液压缸5通过注射螺杆提供的，与其建立的型腔压力p_m（MPa）有关。

1）注射压力p与型腔压力p_m的关系

式中 ∑Δp——模具的浇注系统的主流道、分流道和浇口的压力损失总和。

∑Δp与流道和浇口的截面形状和尺寸、各段长度以及塑料熔体的流变性能有关。

模具浇注系统的压力损失总和∑Δp应限制在35MPa范围内。型腔压力p_m见表3-13，按模具制品型腔的注射充填要求确定，应限制在50MPa范围内。

2）注射压力p与注射油压p_O的关系

式中 D_O、A_O——注射液压缸的直径（cm）、有效面积（cm²）；

D、A——螺杆的直径（cm）、作用面积（cm²）。

（3）注射速度 注射速度v（cm/s）是表示注射时螺杆移动的最大速度。它为螺杆注射行程S与注射时间t₁之比

塑化速率q（cm³/s）是表示单位时间内熔料从喷嘴射出的理论容量。即螺杆截面A与注射速度v的乘积。有

在注射生产时，调节注射液压缸的供油流量来获得合理的塑化速率和注射速度。现代高速注射的速度达到15～20 cm/s。表3-5列出了注射成型常用的塑化速率。表值也是设计普通注射机技术参数时的基本塑化速率。

表3-5 注射成型常用的塑化速率

（4）塑化能力 塑化能力是指注射装置在1h内所能塑化物料的能力（kg）。注射装置应能在注射周期的时间内，保证提供下次注射所需的足量的熔料。

塑化能力的计算，在常规的螺杆和工艺操作下，可使用挤出理论中螺杆均化段的熔体输送能力的公式计算。在注射机塑化时，螺杆承受的背压不高，压力流流率和漏流流率较低。将原公式中的这二项算式略去，用效率系数k加以修正。塑化的体积流率有下式

式中 Q——螺杆塑化的体积流率（cm³/s）；

k——塑化效率修正系数，0.85～0.9；

D——螺杆的直径（cm）；

h₃——螺杆均化段的螺旋槽深度（cm）；

n——螺杆的转速（r/s）；

θ——螺杆螺纹的升角（°）。

如果塑化能力G用质量单位（kg/h）表述，要用塑料熔体密度ρ_m换算，见表3-16。塑化能力有下式

式中 G——螺杆的塑化能力（kg/h）；

ρ_m——塑料熔体的密度（g/cm³）；

其余各参数同式（3-6）。

2.注射装置的关键零部件及驱动参数

（1）注射装置机座的导向和移动　注射座座落在与主轴线平行的导轨或双导杆上，与机筒的方向一致。如图3-6所示，通常有三种导向类型：双导杆与液压缸的活塞连在一起；双导杆与双液压缸各自导向和驱动；床身上导轨导向与液压缸驱动。

图3-6 注射装置的导向和驱动

a）双导向柱与液压缸的活塞连在一起 b）双导向柱与双液压缸 c）导轨导向与单液压缸

虽然注射座与喷嘴频繁高速移动，但运动平稳，表3-6给出了注射装置的运行速度。行进速度的变化无突变。表3-7列出了喷嘴与模具浇口套之间的接触压力。该压力足以防止高压熔体的泄漏喷射。

表3-6 注射装置的运行速度

表3-7 喷嘴与模具浇口套之间的接触压力

图3-7 电动机驱动的螺杆旋转系统简图

1—料筒 2—料斗 3—螺杆 4—花键 5—齿轮箱 6—离合器 7—电动机 8—计量装置 9—注射液压缸 10—注射座 11—注射座回转装置 12—注射座移动液压缸

（2）螺杆旋转驱动系统

1）螺杆旋转的方式。常见的螺杆旋转的驱动方式有三种。图3-7所示为传统的电动机驱动的螺杆旋转系统。常用三相异步电动机，传动经离合器、减速变速齿轮箱，用可滑移的花键，套在螺杆的后轴段。现今已有用变频器控制电动机的转速，并对螺杆转动采取制动和避免反转的措施。

液压马达的结构与液压泵相似，但它是把液压能量转化成机械转矩与转动。通常使用转速缓慢的径向活塞的液压马达，其特征是运转平稳。图3-5是单液压缸轴线式的液压马达螺杆旋转装置。螺杆、注射液压缸和液压马达三者在一条轴线上排列。如果让注射液压缸的活塞跟螺杆一起转动，对液压缸活塞的密封要求高，还增加了螺杆旋转的阻力，因此没有实用价值。图3-5的系统上装有止推轴承，液压缸活塞并不转动。装有轴承的线式注射装置有两种结构。一种是将液压马达装固在注射座上，即与料筒连在一起。另一种是液压马达装在活塞的外伸套上。由于液压马达很轻，它可随着螺杆和活塞一起进退。故称为随动式单液压缸的液压马达螺杆旋转装置，其机械结构复杂而应用不多。

图3-8 双液压缸的螺杆与液压马达的直接连接系统

1—喷嘴 2—螺杆 3—机筒 4—进料口 5—注射液压缸 6—液压马达 7—轴承

图3-8所示为双液压缸的螺杆与液压马达的直接联接。两个注射液压缸平行放置在料筒的两侧。液压马达和螺杆直接连接在一起，并随螺杆和活塞杆作轴向往复运动，见图3-9。这种螺杆旋转和移动方式，螺杆、活塞杆和液压马达三者的连接关系简便，注射装置的总长度短，成为液压马达驱动的主要形式。

2）螺杆的转矩和转速。热塑性塑料塑化所需能量，最高可达60%是螺杆旋转的剪切热供给的。螺杆的驱动转矩T和转动速度n使物料得到有效的剪切、混合和输送。热塑性塑料和热固性塑料所需的转矩如图3-10所示。加工橡胶所需的转矩T大体上等于加工热塑性塑料所需转矩。塑化热固性塑料所需转矩在直线1和2之间。加工硬质聚氯乙烯、聚碳酸酯和丙烯酸类塑料需要较高的转矩，有沿直线2的T值。聚乙烯和聚苯乙烯所需的转矩较低，为沿直线3的T值。其余的热塑性塑料所需转矩在在直线2和3之间。

常用螺杆的圆周速度v来讨论合适转速n，然后计算驱动螺杆所需的功率N=T·n。螺杆的圆周速度v有三种状态。

图3-9 双液压缸的液压马达直接驱动的注射装置

1—机筒 2—进料口 3—螺杆 4—注射液压缸 5—导柱 6—液压马达

图3-10 长径比为20的螺杆塑化所需转矩

直线1和2之间，塑化热固性塑料；直线2和3之间，塑化热塑性塑料；直线2，加工HPVC和PC等；直线3，加工PE、PP和PS等

低黏度的热塑性塑料，如PE、PP和PS等，要求有较高塑化速率，螺杆应有较高的圆周速度（v=1.0～1.5m/s）。加工工程塑料时的常规圆周速度v=1.2～1.4m/s。加工热固性塑料和橡胶需要较低的圆周速度（v=0.05～0.2m/s）。

（3）螺杆 注射机的螺杆是从挤出机螺杆演化而来。螺杆塑化和输送塑料物料的理论已经相当成熟。并发展了多种新型螺杆。

1）标准螺杆。螺杆通过对螺旋槽中的物料进行输送和混合，在电热机筒与材料之间进行热传递；另一部分是螺杆转动时，由机械能转化产生的剪切热和摩擦热。与柱塞式注射机相比较，螺杆式注射机的熔融速率明显提高。柱塞式注射机只能用于直径小于20mm的机筒。常规螺杆通常分为三段，如图3-11所示。从料斗始，有进料段L₁、压缩段L₂和计量段L₃。常规螺杆的长径比（L/D）为20∶1。螺杆太短则不能获得恰当的塑料塑化质量。长螺杆的长径比（L/D）为（22∶1）～（24∶1），会使塑化时间太长，将导致一些热敏性塑料降解。它们只用于高速注射成型。注射机的螺杆在料筒中往复注射和塑化，受到轴向注射压力。而挤出机的螺杆是连续旋转塑化，因此可以有较大的长径比，常容许长径比（L/D）为25∶1。

图3-11 加工热塑性塑料的常规螺杆

L₁—进料段 L₂—压缩段 L₃—计量段 α—螺棱后角（25°～30°） S—螺距，=D　θ—螺旋升角，=17.8° e—轴向螺棱宽

螺杆直径决定了注射量和塑化能力。注射螺杆直径D与往复行程之比常取3左右。但此喂料行程超过直径D的3倍后，塑料熔体的均化质量受到影响。螺杆直径大，相应的注射液压缸直径也增大。行程过长会使螺杆的有效长度缩短太多，影响塑化均匀性。

图3-11列出了螺杆的几何参量。进料段L₁又称输送段或加料段。螺槽深度h₁深，提高了物料的供应量，但削弱了螺杆根部的强度。注射机螺杆在后退运动中接受料斗的供料，它应有足够的输送长度，一般L₁=（9～10）D。压缩段L₂又称塑化段。物料在锥形的螺槽空间中受到压缩。塑料不断地从固态转变为黏流态。合适长度和几何参量h₁的收缩量，要与该种塑料塑化所需的物理压缩比相当。对于结晶型塑料件，例如PE、PP和PA等，物理压缩比为3～4，应使用压缩段较短的突变螺杆，压缩段L₂=（5%～15%）L。对于无定形塑料，例如ABS和PS等，物理压缩比较小（1.6～2.5），应使压缩段L₂=（20%～30%）L，是适应性较强的通用型螺杆。表3-8列出了这种通用型的热塑性塑料常规螺杆的主要尺寸。对黏度高的塑料，例如HPVC等，用压缩段渐变的螺杆，L₂=50%L。计量段L₃又称均化段或熔融段。与挤出螺杆相比，其计量段相应要缩短些。

表3-8 热塑性塑料常规螺杆的主要尺寸

要求螺杆的输送、混合和均化的效果要好。对普通塑料要求塑化产量高，螺杆的圆周速度为0.4～1.5m/s。对有一般混合要求的物料，圆周速度为0.1～0.3m/s。对各种塑料材料，例如加工硬质聚氯乙烯、加工热固性塑料或加工橡胶弹性体等，都有专门设计和制造的螺杆。它们有不同的螺杆几何参量。对高效混合要求物料，要在压缩段的末段设置剪切单元，在计量段中设置混合单元。

2）加工热固性塑料的螺杆。在低温下螺杆塑化的热固性塑料所需能量，最高可占90%是由螺杆旋转的剪切热和摩擦热提供的。为防止在螺槽中热固性塑料因过度的剪切热，引发化学反应而固化，与常规的加工热塑性塑料的螺杆相比，具有较浅的螺槽深度，而且加工热固性塑料螺杆的长度较短，长径比仅为（12∶1）～（15∶1）。计量螺槽深度与进料螺槽深度之比为（1∶1）～（1∶1.3），也就是计量段与进料段的螺槽深度接近或者相等。但它的螺棱宽度较大，大约为e=0.15～0.2D，以阻止注射时物料的回流，也使螺杆在料筒中旋转稳定，减少磨损。加工热固性塑料螺杆的主要尺寸见表3-9。

表3-9 加工热固性塑料螺杆的主要尺寸

图3-12 加工热固性塑料的塑化装置

1—喷嘴 2—料筒头连接套 3—加热夹套 4—料筒 5—螺杆 6—加料口 7—进料凹槽

图3-12所示为加工热固性塑料的塑化装置。不带止回阀的热固性塑料螺杆，其头顶部的锥角60°～90°。它与喷嘴孔之间的间隙，最大取0.5mm。加工湿聚酯和酚醛树脂要用止回阀。

3）螺杆的材料和处理。注射螺杆承受塑化时的转矩和注射的高压，受到塑料材料的腐蚀和磨损。螺杆在加料段的螺旋槽根部，常见的损坏是疲劳断裂。长期加工聚氯乙烯物料、添加矿物填料和阻燃剂的塑料，加工玻璃纤维增强塑料的螺杆，会有严重的腐蚀和磨损。渗氮钢38CrMnAl是最常用的螺杆钢种。螺杆经渗氮处理，渗氮层厚0.5～0.8mm，硬度达65～70HRC，表面粗糙度优于Ra=0.8μm。近年来，螺杆表面用离子渗氮，离子渗氮层厚0.4mm。用碳化钨或钨铬钴等合金硬化表面，具有更高的防护能力。

注射机的料筒也有同样的抗腐蚀和耐磨损的要求，也用渗氮钢38CrMnAl制造，内表面经渗氮处理，硬度不低于65HRC。近年来，双金属料筒得到应用。它用新型合金浇铸料筒的里衬，厚度达1.5～2mm。

（4）螺杆头 螺杆前端面上有螺纹孔，可将所需的螺杆头拧接起来。常规的螺杆头应为尖头锥。其锥角应该与料筒头或喷嘴的锥孔相配。这是为了减少注射流动阻力，防止螺杆头部产生滞料。图3-13是锥角α=20°～30°的螺杆头，用于注射高黏度或热敏性的塑料，例如加工硬质HPVC。其中一种是带有螺棱的螺杆头。

图3-13 加工高黏度或热敏性塑料的螺杆头带有螺棱的螺杆头，螺距S′=（0.5～1）S

最高的注射压力产生于螺杆头前端。在注射和保压推进中，防止注射熔料的倒流很有必要的结构。同时也提高了塑化计量的精度。在注射工程中，在螺杆头上专门加装止回阀。图3-14是滑动式止逆环螺杆的结构。当螺杆旋转塑化时，来自螺槽的熔料，在输送的压力下顶开了止逆环，如图3-14下半剖视所示。熔料经螺杆头上的通道，进入螺杆头的前端。在此空间里熔料增多并被计量。它克服液压缸的背压，迫使螺杆后移。当螺杆在前推时，高压熔料将止逆环滑移至止推垫，两者贴合密封，阻止熔料倒流。这种止逆环式的止回阀，适合中、低黏度的塑料。

图3-14 止逆环螺杆头的结构

1—螺纹联接的喷嘴 2—螺杆头 3—料筒头 4—滑动环 5—喷嘴的密封面 6—料筒的密封面 7—凹槽通道 8—止推垫 9—螺杆

有销钉和钢珠等多种止逆阀的螺杆头，要求注射操作时，能快速关闭密封，有效地防止倒流；在塑化时有足够通道输送熔料，且通道畅通无死角；要求设计合理，而且制造精良。

（5）喷嘴 喷嘴是联接塑化装载和注射模具输送塑料熔体的通道，在塑化时应能阻止熔料从喷嘴中流出。喷嘴可分成两大类，一类是敞开式的喷嘴。在注射保压完成后，无论是喷嘴保持与模具接触还是退返，它依靠塑料自身相变而固化或半固化闭合。闭合效果取决于各种塑料的固化温度和结晶温度；取决于喷嘴温度控制和结构等因素。也与螺杆塑化时的背压有关。另一类是可机械闭合的阀式喷嘴，可防止熔体从喷嘴口流涎和拉丝，可减少冷料积聚。

图3-15 三种常用的敞开式喷嘴

a）PVC喷嘴 b）延长型喷嘴 c）小孔型喷嘴

1）敞开式喷嘴。图3-15所示为三种常用的依靠热力闭合的敞开式喷嘴。图3-15a所示为PVC喷嘴。它结构简单，压力损失小，补缩效果好，但容易形成“冷料”与“流涎”现象，主要用于加工厚壁注塑件和热敏性的高黏度塑料。图3-15b所示为延长型喷嘴。它延长了喷嘴口的长度，可给喷嘴外部加热，补缩好、射程远，但有“流涎”现象，用于加工厚壁制品和高黏度塑料。图3-15c所示为小孔型喷嘴。喷嘴孔内可贮存较多熔料，也可给喷嘴外部加热，不易形成冷凝料。其口径小而射程远，“流涎”现象较少见，主要用于加工低黏度物料，和注射成型薄壁和形状复杂的制品。

2）阀式喷嘴。这里介绍的四种阀式喷嘴有四种。弹簧针式自闭喷嘴和接触滑动式自闭喷嘴如图3-16和图3-17所示，是依靠注射循环过程自动闭合和开启阀芯。由于喷嘴口的通道阻力大，会有额外的剪切生热。另两种是液压驱动的可控制的阀芯，分别是轴向顶针和横向销钉启闭喷嘴，如图3-18和图3-19所示。可控喷嘴的长度加大，结构复杂，需设置驱动液压缸。该液压缸的控制连接注射机的控制程序。它们对各种喷嘴所适用的塑料见表3-10。发泡注射成型时不用敞开式喷嘴，推荐使用液压驱动的可控阀式喷嘴。

图3-16 弹簧针式自闭喷嘴

1—喷嘴头 2—阀针 3—阀座 4—弹簧 5—料筒

图3-16为弹簧针式自闭喷嘴。喷嘴的注射通道曲折狭窄，有较大的阻力和节流作用，使注射熔体的剪切升温。必须有足够的注射压力才能克服弹簧力，开启阀针。一般避免将弹簧装在喷嘴里，以减少剪切效应。图3-17是接触滑动式自闭喷嘴。喷嘴里有个滑动的密封阀芯。当喷嘴靠上注射模的浇口套时，在接触力作用下打开通道，进行注射和补缩。当注射装置后退时，该阀芯在熔体压力下关闭喷嘴。由于喷嘴没有外加热，温度控制差。

图3-17 接触滑动式自闭喷嘴

a）喷嘴在接触压力下开启 b）喷嘴在熔体压力下关闭

图3-19 液压驱动的可控横向销钉喷嘴

a）销钉被推拉启闭 b）销钉被转位启闭

图3-18 液压驱动的可控轴向顶针喷嘴

1—喷嘴头 2—顶针 3—阀座 4—喷嘴体 5—液压缸驱动杆

图3-18所示可控轴向顶针喷嘴用液压缸驱动启闭，使用方便，锁闭可靠，压力损失小，计量准确。图3-19所示液压驱动的可控横向销钉喷嘴中，图3-17a是将销钉推拉，图3-17b是将销钉转动，都必须保证销钉的定位正确，才能保证喷嘴内流动通道截面一致。

表3-10 推荐各种喷嘴所适用的塑料

（续）

注：●—推荐；○—可行；——不可行。

3）喷嘴口径。喷嘴头制成球形，其曲率半径小于注射模上凹坑的半径才能贴合。该部位接触压力高，有频繁的碰撞，又有很大的温度变化，是塑料熔体反喷和流涎等事故的多发段。喷嘴的口径应与螺杆的直径D成比例。对于低黏度塑料，喷嘴的口径为螺杆的直径的1/15～1/10；对于高黏度塑料，喷嘴的口径是（1/15～1/20）D。表3-11为国内喷嘴口径设计情况。表3-12是欧洲的喷嘴球头和口径设计。

表3-11 国内喷嘴口径设计情况（单位：mm）

表3-12 欧洲的喷嘴球头和口径设计

3.1.3 合模装置

合模装置上安装着注射模具，在每个注射周期里给予动模以启闭行程，保证在熔体注射时把模具锁紧，并在开模时顶出成型制品。因此，合模装置的结构和机械动作，关系到注塑件生产的效率和质量。

1.合模装置的特性

认识合模装置的力学和运动特性，区别液压-机械式和全液压式的特征，是掌握和控制注射机的关键。要求动模板在启闭行程中快速行进；又要在开模和闭模时低速分离和接触，在开模的最后，顶出脱模注塑件时又要是慢速。

（1）合模机构的分类 合模装置按工作原理分，主要有液压-机械式和全液压式两大类型，如图3-20所示，主要由模板、拉杆、合模机构、顶出机构、调模机构及其他附属装置所组成。图3-20a是单缸直压式的合模装置，可用于移动模板速度低和合模力小场合。增大液压缸直径能提高合模力，但需要很大的进油流量，才能维持原有的移模速度。单缸直压式的合模装置不能兼顾合模力和移模速度。图3-20b是单曲肘的液压驱动的合模装置。单曲肘机构对于合模液压缸作用力的增力倍数不高，但动模板有较大的工作行程。

图3-20 合模装置的基本类型

a）全液压式 b）液压-机械式

1—前模板 2—注射模 3—动模板 4—移模液压缸 5—肘杆机构 6—拉杆 7—后模板 8—合模液压缸

全液压式与液压-机械式合模机构各自的特点简述如下：

1）全液压式合模机构的动模板行进，慢快慢的变速是通过复杂的液压系统控制的；而液压-机械式机构对合模力有增力作用。肘杆机构本身让动模板运动有变速性能，因而它的液压系统可较简单。

2）全液压式合模机构的动模板行程大，而且可方便地调整其大小；而液压-机械式机构的工作行程是一定的，而且较短。

3）为容纳不同的注射模的高度，液压-机械式合模装置有复杂的调整动模板位置的机构；全液压式合模机构安装注射模容易。

4）全液压式合模机构获得的较大锁模力来自液压力，其锁模力大小可显示并可调节；液压-机械式机构的锁模力，由调模机构调节拉杆-模具系统的弹性变形获得，调节其大小很困难，但有自锁功能，在失去液压动力时保持锁模力。

5）全液压式机构的开模力是锁模力的（10～15）%；但液压-机械式合模装置有较大的开模力。

6）全液压式合模机构有较长的使用寿命；液压-机械式机构的制造精度和注射模的精度对寿命的影响大。

7）大中型注射机采用全液压式合模装置较多；注射量500cm³以下的注射机大都是液压-机械式合模装置。

（2）合模力和锁模力　合模力（clamping force，P_cm）是合模运动和终结时，动模板对注射模的驱动紧闭力；锁模力（locking force，P_cm）是注射模合模后，高压熔体注入模腔时动模板对注射模的锁紧力。一般两者通用，作为表征注射机规格的主要参数。锁模力P_cm（kN）应能克服由于模腔压力p_m（MPa）形成的胀模力，构成合模装置沿轴向的力平衡。模腔压力p_m是塑料熔体注入模具型腔瞬时的压力，它与熔体流程有关，一般是指模腔在分型面上的平均压力。表3-13为不同制品和物料条件下的模腔压力p_m。若A为塑料制品在分型面上的投影面积，（mm²，cm²），其表达方式为

P_cm≥p_m·A （3-8）

表3-13 不同制品和物料条件下的模腔压力pm

合模装置要保证注射模在注射时有足够的锁模力，在熔体的压力下不产生开缝和溢料现象。同时又影响注射机的注射量和模板最大成型面积。表3-14为在一定的型腔压力下，与注射量对应的在分型面上最大的型腔投影面积。

表3-14 注射量对应的最大成型面积

（3）开合模速度 在整个动模板行程中，要求速度可变。在合模时由快至慢，在开模时由慢到快再至慢。图3-21a所示为液压式开闭模过程中，由液压系统控制的动模板合模力P_cm和移模速度v_m的变化；图3-21b所示为液压-机械式开闭模过程中，由于肘杆机构增力作用使动模板合模力和移模速度的变化。

为了缩短成型周期，动模板移动速度呈提高的发展趋势：我国标准规定为≥24m/min；国外注射机一般为30～35m/min；高速可达40～50m/min。液压-机械型注射机的肘杆机构可以获得较快的开合模速度，是全液压合模机构的1.4～1.8倍；最高速已达70～90m/min；慢速时在2.4～3.6m/min范围内。

（4）装模空间 注射机上装模空间与注射模设计的关系密切。在模具设计的初始阶段，应确定注射机的型号及其装模的各参数。

1）模板尺寸和拉杆的间距如图3-22所示，动模板上模板尺寸（H×V）和拉杆间距（H₀×V₀），应能保证安装该注射机相对应注射量的注射模。表3-4列示了国产注射机的模具安装尺寸（JB/T 7267）。通常，模板面积大约是拉杆间有效面积的2.5倍。

2）模具厚度。对于一定公称注射量的某型号注射机，其合模装置有相应的成型面积，也对应模架的安装面积。模具的闭合高度H变化也有限制。模具最大厚度（H_max）和最小厚度（H_min）是注射机上能安装闭合模具的最大（最小）厚度。模具高度H应该大于H_min和小于H_max，否则，闭合模具不能实现所需的锁模力。

3）模板间距。对于全液压型注射装置，动模板的行程S是可调整的。如图3-23所示，模板间距L是指动模板与前模板之间的最大运动距离。最大模板间距L等于活塞运动的最大开模行程S和模具最大厚度H_max之和。为使成型注射件在脱模后能顺利落下，最大模板间距L一般为成型制品高度的3～4倍。全液压型注射装置允许注射模有较大闭合高度H，也能适应闭合高度有较大的变动范围ΔL。

图3-21 动模板开闭过程中合模力P_cm和移模速度υ_m的变化

a）全液压式 b）液压-机械式

图3-22 模板尺寸和拉杆的间距

图3-23 全液压型注射装置的模板间距

1—动模板 2—动模型芯 3—塑料制品 4—定模 5—前模板

对于液压-机械型注射装置，动模板的行程S是固定的。行程S不小于模具最大厚度H_max或注塑件最大高度的2倍。最大模板间距L_max等于动模板的行程S加上调模机构的调节距离ΔL。这个调节距离ΔL就是H_max与H_min之差。

2.液压-机械合模装置

液压-机械合模装置利用各种形式的肘杆机构。液压驱动使拉杆-模具合模机构形成弹性变形量。合模力大小取决于肘杆变形的初始位置角的大小，而与锁紧后的液压力无关。肘杆机构有增力作用，移模速度快而且变速平稳，压缩合模的刚度高于液压式。注射时胀模小，锁模可靠。液压-机械合模必须有调模机构。调模机构的作用是调节动模板与前模板间距，以适合不同模具的要求，同时也对合模力大小进行调节。液压-机械式开模时所用的顶出机构，都为固定在注射机上的圆顶杆。其塑料制品的顶出力和速度，取决于开模力和移模速度。

（1）单曲肘合模 单曲肘合模的工作原理如图3-24所示。压力油进入液压缸上部，活塞下移，将肘杆推动模板移合至定模。此时，肘杆并未成平直排列，有初始位置角α和β，见图3-24a。合模液压缸继续进油升压，拉杆被拉伸，两肘杆如图3-24b所示成一直线，肘杆、模板和模具受压缩，位置角α和β趋于零。此并列的合模机构产生的协调弹性变形量为ΔL_p。由此对模具的预紧压力，即为合模力为P_cm。

图3-24 单曲肘合模的工作原理

a）接触碰合 b）预紧闭合

模具合紧后所有受力构件遵守胡克定律，拉杆的弹性变形量

也即

式中 L_p——拉杆的有效长度；

A_p——拉杆的截面积；

ΔL_p——拉杆的弹性变形量；

Z——拉杆数；

E——拉杆的弹性模量；

C_p——拉杆的刚度，。

肘杆机构对液压缸推力有放大特性，故称为增力机构，用放大倍数M表达

式中 P_cm——肘杆机构的合模力；

P_o——液压缸活塞的推力。

为了得到大的合模力，必须有大的初始角，对应有较大的模具闭合高度。但是继续增大初始角，也就是模具实际高度超过了模具最大厚度H_max，由于活塞的推力不够，肘杆机构不能伸直。通常，单曲肘的初始位置角α=6°～7°对应H_max时，具有最大有效推力。

图3-25所示为单曲肘合模装置。它的移模液压缸在注射机的床身中。动模板有两块，中间有螺旋副调模机构，调整两块动模板之间的间距，对应模具高度获得肘杆的初始位置角α和β。由于单曲肘截面承受的推力有限，此合模装置适合于合模力100t（注射量125g）以下的小型注射成型机。

图3-25 单曲肘合模装置

1—前模板 2—拉杆 3—动模板 4—调模机构 5—顶出机构 6—单曲肘机构 7—后模板 8—移模液压缸

（2）双曲肘合模 图3-26所示为对称排列双曲肘合模装置。其优点是增力放大倍数大，提高了合模力，并且对动模板的载荷均匀。但双曲肘结构比单曲肘复杂，移模行程较短，适合于中小型注射机成型机。图3-26所示调模机构是通过调节前肘杆长度，实现模具厚度与合模力的调节。肘杆上装有正、反螺纹的调节螺母。在调节长螺母外侧，还有两个锁紧螺母。图3-26所示顶出机构，顶出杆固装在动模板的中央的位置。动模后移时停靠脱模机构，将注塑件从动模型芯上顶出。

图3-26 双曲肘合模装置

1—移模液压缸 2—后模板 3—双曲肘机构 4—调模机构 5—顶出机构 6—顶出杆 7—动模板 8—拉杆 9—前模板

3.液压合模装置

全液压注射装置的力学和运动特性是靠液压系统液压缸的结构配合液压阀控制压力和流量实现的。液压合模装置的动模板行程可以用机械-电气开关调节。此方法简便，但安全和可靠性差。有行程可调的特殊液压缸，用机械结构限制活塞移动位置。单缸直压式的合模装置要实现足够大的合模力，快速和变速移动模板是有困难的。

中大型注射机上可专门设置顶出液压缸实现塑料制品的脱模顶出。液压顶出可以满足注塑件脱模的位置、速度、脱模力、行程和二次顶出的要求，且可以自行复位，适应自动化生产；但结构复杂，脱模力不如机械顶出大。许多注射机同时设有液压和机械两种顶出机构。一般是机械顶杆设在模板两侧，而液压顶出设在动模板中央位置。为了适应不同制品的顶出距离，顶出液压缸的行程或机械顶出杆的位置必须可以调节。

（1）单缸直压式 图3-20a所示是液压式合模装置的基本形式。它是依靠液压驱动单个液压缸活塞直接实现对模具的启闭与锁紧。其合模力为

式中 P_cm——液压缸活塞的合模力（kN）；

p_O——液压油的压力（MPa）；

D_O——合模液压缸的直径（cm）。

移模速度

式中 v_m——动模板移模速度（m/min）；

Q——液压油的流量（L/min）；

A——合模液压缸活塞的截面面积（cm²）。

单缸直压式合模装置只用于移模速度低、合模力又小的注射成型机。单缸直压式的液压缸活塞增大，势必要很大的液压油流量才能提高移模速度，难以兼顾移模速度和合模力这两方面。因此，下面介绍两种液压式合模装置，即中小型注射机上的增压式合模装置和中大型注射机常用充液增速式合模装置。

（2）增压式 增压式合模装置采用小直径液压缸来提高合模速度，再通过提高液压油压力实现大的合模力，如图3-27所示。合模时，压力油首先进入合模液压缸。由于液压缸直径D较小，可以有一定的合模速度。合模后，液压油转向进入增压液压缸。增压液压缸活塞一端直径D_O大于另一端直径d_O。合模液压缸中工作液的压力提高，从而提高了锁模力。其移模速度由进入合模液压缸的流量Q和活塞面积A决定。

移模速度

合模力

式中，p为增压后合模液压缸内的液压；为增压液压缸活塞两端直径比。

增压式的两液压缸对密封的要求较高，使工作液压油压的升高受到限制。一般可增油压至20～32MPa，最高可增至20～32MPa。而合模液压缸的活塞直径缩小也受到限制，故移模速度不够快。

（3）充液增速式 图3-28所示为充液增速式合模装置的示意图。它以小直径液压缸用做高速移模，以大直径液压缸保证取得大的合模力。

图3-27 增压式合模装置

1—动模板 2—拉杆 3—前模板 4—合模液压缸 5—增压液压缸

图3-28 充液增速式合模装置示意图

1—前模板 2—拉杆 3—动模板 4—移模液压缸 5—合模液压缸 6—充液油箱 7—液控单向阀 A—压力油接口

合模时，压力油首先进入小直径移模液压缸，实现快速移模。与此同时，合模液压缸活塞随模板一起运动，使合模液压缸内形成负压。液控单向阀打开，充液油箱内大量工作油充入合模液压缸。当动模板行进至模具闭合时，合模液压缸左端A口接通压力油，充液的液控单向阀关闭。此时，合模液压缸的大活塞在压力油作用下，获得锁模力。

此外，一些大型注射机还必须缩短合模液压缸长度，减小液压油的吞吐量。有多种特种液压式合模装置，请参见有关专著。