注射成型加工技术现状与发展趋势

注射成型加工技术现状与发展趋势摘要：注射成型技术作为聚合物制品的制备方法，主要用于热塑性塑料的成型，也可用于热固性塑料的成型。本文介绍了注射成型技术方法，回顾了注射成型技术的发展历史，阐述了注射成型技术现状设备和模具，并且展望了发展趋势。关键词：注射；加工技术设备；趋势PresentSituationandDevelopmentTrendofInjectionMoldingTechnologyZhangDi（SouthwestJiaotongUniversity,SchoolofMaterialScienceandEngineering18780169839)Abstract:Asapreparationofpolymerproducts,Injectionmoldingtechnologyisnotonlymainlyusedforthemoldingofthermoplastic,butalsobeusedforthermosettingplasticmolding.Thispaperhaveintroducedtheinjectionmoldingtechnology,reviewedthedevelopmenthistoryofinjectionmoldingtechnology,expoundedthestatusquooftechnology,andlookedforwardtothedevelopmenttrend.Keywords:injection;processingtechnology;trend0.前言注射成型是指有一定形状的模型，通过压力将融熔状态的胶体注入模腔而成型，工艺原理是：将固态的塑胶按照一定的熔点融化，通过注射机器的压力，用一定的速度注入模具内，模具通过水道冷却将塑胶固化而得到与设计模腔一样的产品。主要用于热塑性塑料的成型，也可用于热固性塑料的成型。塑料成型加工技术不仅随着高分子材料合成技术的提高、成型设备的革新、成型工艺的成熟而进步，而且随着计算机技术等在塑料成型加工领域的渗透而发展。注塑制品的产量占塑料制品总量的30%以上，在国民经济的各个领域都有广泛应用。但随着塑料制品应用得日益广泛，人们对塑料制品精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成型工艺已难以适应这种要求[1]。因而，在传统注射成型技术的基础上，又发展出了一些新的注射成型工艺，如气体辅助注射、多点进料注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等，以满足不同应用领域的需求[2]。1、注塑技术的发展历史注塑技术经历了移植、技术成熟、发展创新几个阶段。技术移植阶段，早期的塑料注射成型技术是从其它材料的加工方法中借鉴过来的，成型技术主要是移植改造，使粘弹性高的塑料熔体成型；技术成熟阶段要求塑料成型加工技术向更高的阶段发展。往复式螺杆注塑机、双螺杆挤出机的出现，使热敏性和高熔体粘度的热塑性、热固性塑料都能采用高效的成型技术生产出高质量的制品；发展创新阶段，随着科技的发展，控制技术、计算机技术的引人，促使塑料制品的生产过程从机械化、自动化进一步向连续化、程序化和自适应控制的方向发展。此阶段的塑料成型加工技术与前一时期相比，在可加工原材料的范围、制品的范围和制品质量等方面均有重大突破，不仅以往难以成型的热敏性、高熔体粘度的原料能方便地加工成制品，而且长纤维增强塑料、片状和团状模塑料也被用作高效成型技术的原材料[3-4]。2成型工艺及设备2.1共注射成型共注射成型使用两个或两个以上注射系统的注塑机，将不同品种或不同色泽的塑料同时或先后注人一个或几个模具位的成型方法，有多色多模的清色注射成型、多色单模的清色注射成型和多色单模的混色注射成型[5]。2.2多级注射成型同一品级材料的制品，由于浇注系统及各部位几何形状不同，对充模熔体的流动的要求也不同，否则就会影响熔体在这一部位的流变性能或高分子的结晶定向作用，以及制品的表观质量。这样，在一个注射成型过程中，螺杆向模具推进熔体时，要求实现在不同位置上有不同[6]。注射速率和不同注塑压力等工艺参数的控制，这种注射过程称为多级注射。多级注射成型的注塑机只要求对通用型注塑机的注射螺杆实施多级速度或注塑压力等的转换即可。多级注塑机用注射模的结构与普通的塑料注射模相同。2.3叠层式注射成型现用注塑机的锁模力与安装模具工作台的面积成正比，相应地，大吨位锁模力的注塑机可安装注射模的闭合高度也较大。在成型扁平形塑料件时，往往是塑料件的投影面积虽大，但所需的锁模力却很小。为了充分利用注塑机的锁模力，使用叠层式模具。这种模具中含有两层模腔，脱模时可从两个分型面处脱出塑料件。由于塑料件扁平，即使设计成两层模腔，模具的高度也不会超过注塑机允许的闭合高度。这种模具的另一优点是可以在一副模具中同时成型相配塑料件，以达到精密的配合。由于叠层式模具有两个分型面和两个顶出系统，因而必须在动模、中间流道板和定模之间设置联锁机构[7]。2.4动力熔融注射成型该成型系统由要成型的塑料和待成型的塑料件、动力熔融注塑机及注射模等组成。与一般注射成型系统的主要区别在于所用注塑机的不同。动力熔融注射成型主要靠注塑机螺杆高速旋转的机械剪切加热使物料瞬间熔融，和通用注射成型相比，物料受料筒热历程的影响小，并使物料在较低的温度下注射充填模腔，冷却定型后可得到的塑料件[8]。动力熔融注塑机用注射模的基本结构与普通的塑料注射模相同。2.5排气式注射成型排气注射成型系统与一般注射成型系统的主要区别在于排气注塑机。在注塑机的注射装置上设有特殊的排气设施，从而不需要对塑料单独进行预塑化前的干燥处理，便能注射充模、冷却定型。在排气注射成型工艺中，最重要的参数是料筒温度，特别是减压段的温度尤其需要严格控制。排气式注塑机用的注射模结构与一般注射模的结构基本相同，由于使用了排气注塑机，所以模具上可以不设排气槽[9]。2.6低压注射成型为了抑制塑料件在充填过程中形成的残余应力，将塑料件的变形限制在最小的范围内，以成型塑料件所需的最低压力进行充填，且使充填压力恒定，称为低压注射成型。这种成型工艺可以降低模腔内的熔料压力，熔料的压力分布也较均匀，使熔料流动的取向达到最小程度。低压注射成型的基本原理与一般注射成型相同，因而低压注射成型用的模具结构与普通注射模完全一样[10]。但由于用低压充填，有利于防止细小型芯的折断或损坏，提高模具的使用寿命。同时因对模具的磨损较小，对模具的温度控制和排气等要求也不高，因此可采用由锌一铝合金制造的简易注射模，以降低生产成本，适应多品种、小批量的生产需求。2.7装配注射成型装配注射成型技术是从原来的在模具中放入金属嵌件成型塑料件的基础上发展起来的。这样不仅耗费大量的人力，而且装配质量也不稳定，因此开发了将金属底板作为嵌件放在模具中一次成型所有塑料件的装配注射成型工艺。装配注射成型工艺的全自动注射装置一般包括带转台的注塑机、金属自动排列装置、安装金属件的卡盘、取出流道废料的卡盘、取出塑料件的卡盘、转台装置及塑料件与流道废料收集箱等。装配注射模的总体结构与一般注射模相同[11]。2.8层状注射成型层状注射成型是一种兼有共挤出成型和注射成型特点的成型工艺，能在复杂制件中任意地产生微刻度分层形态。该工艺同时实施两种不同的树脂注射，使其通过一个多级共挤模头，各股熔体在共挤模头中逐级分层，各层的厚度变薄而层数增加，最终进入注塑模腔叠加，保留通过上述过程获得的层状形态，即沿制品厚度方向两种树脂不是呈无序共混状态存在的，而是复合叠加在一起。因层状注射成型的制品是基于两种或多种材料形成层状结构，保留了各组分材料的特性，比传统共混料更能充分发挥材料性能，使其制品在阻隔气体渗透、耐溶剂、透明性方面具有突出优点[12]。图1层状注射原理随着微注射成型技术近年来的发展，在以下方面有所突破。研究了工艺参数对微特征复制性能的影响，并获得了一些一致性的结果；发现模具型腔粗糙度对微特征复制影响的一般规律，模具温度和熔体温度在一定程度上有重要的影响。3.注塑成型技术的新进展3.1热塑性塑料热流道注射成型热塑性塑料热流道注射成型又称无流道注射成型。成型时注射模的浇注系统始终处于熔融的热流道状态。塑料件脱模后，注系统不需脱模，并在下一成型周期与来自注塑机料筒的新料一起再注入型腔。所用的注塑机为通用型注塑机，但要配备精确的模具温度控制器。可用热流道模具成型的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯[13]。3.2热固性塑料注射成型热固性塑料的注射成型方法根据其成型方式、模具结构特点及原料特性可分为一般热固性注射成型、热固性塑料冷(温)流道注射成型、无流道注射成型、注压成型、反应注射成型、液体注射成型、模塑料注射成型等[14]。3.2.1注压成型注压成型是一种综合注塑和压塑两种成型工艺优点的新型生产技术，如果同时在模具中采用冷流道，则又称之为冷流道注压成型，它可以同时兼有三种成型工艺的优点。普通的热固性注塑机经过一定改造后便可进行注压成型[15]。适于注压成型的热固性塑料品种很多，如酚醛树脂。3.2.2反应注射成型反应注射成型实质是使能起反应的两种液料进行混合注射，并在模具中进行固化成型。因此，反应注射一般包括两组液料的供给系统、液料泵出、混合及注射系统。反应注塑机可认为是一种广义的混色注塑机。反应注射模属于热固性塑料注射模，其结构与一般热固性塑料注射模一样，但由于模腔中有显著的化学变化，故应对成型表面实施强化等特殊设计[16]。3.2.3液体注射成型将热固性树脂液体如低粘度的硅橡胶等从储存容器中泵混合的混合室进行混合，然后注人模腔，并经加热而固化成型。液态注塑机可认为是一种广义的混色注塑机[17]。液态注射模是一种与一般热固性塑料注射模基本相同的注射模。3.2.4模塑料注射成型模塑料注射成型根据模塑料的形状可分为团状模塑料注射成型和片状模塑料注射成型，是纤维增强热固性塑料的一种成型方法。模塑料注射成型与模压成型相比，成型压力低，固化时间短，模具设备费用低，制品性能更均匀，二次加工的费用低，自动化程度高。对于模塑料注射须注意流动路线、流道结构尺寸，考虑尽量小的阻力或死角，防止流动困难或出现积料。模塑料模具属于一种热固性塑料注射模[18]。3.3结构发泡注射成型结构发泡注射成型是把结构发泡塑料注人模腔，在模腔中发泡胀大而成为表层致密、内部呈微孔泡沫结构的塑料件。其工艺系统中有结构发泡塑料、结构发泡注塑机、结构发泡注射模等。结构发泡注射成型模包括高压法结构发泡注射模、低压法结构发泡注射模、双组分，注射法结构发泡注射模。此外，还发展了微孔泡沫塑料成型技术，其成型原理与结构发泡注塑一样，但微孔泡沫塑料气泡的尺寸较小，加工时既要成型大量的气泡核，又不能使气泡超过极限尺寸，控制难度大[19]。3.4气体辅助注射成型气体辅助注射成型是指向模腔中注人部分聚合物熔体后，紧接着通过喷嘴、流道将压缩空气注人熔体中形成气体夹芯制品，即表层是连续结实的实体，而芯部存在气体空间。这样的塑料件有高的强度质量比，在汽车、建材及日用品中有着诱人的发展前景气体辅助注射成型系统与一般注射成型系统的区别主要在于增设了压缩空气的流道和控制系统。气体辅助注射成型又可认为是一种双色单模的共注射成型的变型，也可认为是中空吹塑成型的变型。气体的压力、流量、体积是决定塑料件中气体夹芯方位、大小等的重要因素。另外模具结构和工艺参数如注射速率、熔料温度、模具温度、注塑压力、保压时间等也对气体夹芯产生重要影响。气体辅助注射成型模具的基本结构与一般注射成型模具相同[20]。图2气体辅助注射示意图3.5水辅助注射成型技术水辅助注射成型技术是由世界著名的德国塑料研究所开发成功的一种用水替代惰性气体进行成型加工的成型技术[21]。这项技术可成型厚壁截面、形状复杂的管状制品。4展望与评价在传统注射成型技术基础上创新或揉合其它先进技术，是注射成型技术发展的主流。新技术使制品用料更省，性能更高。塑料成型加工技术的发展仍在继续，其近期发展趋势是：由单一性技术向组合性技术发展，注射拉伸吹塑成型技术和挤出模压热成型技术等；由常规条件下的成型技术向特殊条件下的成