塑料注塑及性能表征大型工艺实验讲义编者袁象恺李长江宋刚东华大学材料学院2005年12月
塑料注塑及性能表征 大型工艺实验讲义 编者 袁象恺 李长江 宋刚 东华大学材料学院 2005 年 12 月
一、实验目的1概述注塑成型（InjectionMolding）是聚合物加工中的重要方法之一，将固态物料在注塑机的料筒中加热塑化，并由注塑系统将熔体在高压下注入模具中成型，冷却（对塑料）或硫化（对橡胶）后取出制品这就是注塑成型过程。用这种方法可在高生产效率下制出各类形状复杂、高质量、高精密度的制品。注塑成型的特点：能一次成型出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制品；对各种塑料加工的适应性强，几乎能加工所有的热塑性塑料和某些热固性塑料，包括通用塑料（如PE、PP、PVC、PS等）、工程塑料（如ABS、尼龙等）等，以及复合材料（如玻纤增强PP玻纤增强尼龙66等）；生产效率高；易于实现自动化；所成型的制件经过很少修饰或不修饰就可满足使用要求；还能生产加填料改型的某些制品。注塑用的设备主要是注塑机。注塑机将塑料均匀塑化，并以足够的压力和速度将一定量的熔料注射到模具的型腔之中，制出合格的注塑件。2通过本实验达到的目的1.了解塑料注塑成型的设备和特点2.了解不同塑料注塑粒料的注塑性能3.学会注塑机的正确操作方法4.对注塑制品进行性能测试和表征1
1 一、实验目的 1 概述 注塑成型（Injection Molding）是聚合物加工中的重要方法之一， 将固态物料在注塑机的料筒中加热塑化，并由注塑系统将熔体在高压 下注入模具中成型，冷却（对塑料）或硫化（对橡胶）后取出制品， 这就是注塑成型过程。用这种方法可在高生产效率下制出各类形状复 杂、高质量、高精密度的制品。 注塑成型的特点：能一次成型出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件 的塑料制品；对各种塑料加工的适应性强，几乎能加工所有的热塑性 塑料和某些热固性塑料，包括通用塑料（如 PE、PP、PVC、PS 等）、 工程塑料（如 ABS、尼龙等）等，以及复合材料（如玻纤增强 PP、 玻纤增强尼龙 66 等）；生产效率高；易于实现自动化；所成型的制件 经过很少修饰或不修饰就可满足使用要求；还能生产加填料改型的某 些制品。 注塑用的设备主要是注塑机。注塑机将塑料均匀塑化，并以足够 的压力和速度将一定量的熔料注射到模具的型腔之中，制出合格的注 塑件。 2 通过本实验达到的目的 1． 了解塑料注塑成型的设备和特点 2． 了解不同塑料注塑粒料的注塑性能 3． 学会注塑机的正确操作方法 4． 对注塑制品进行性能测试和表征
二、实验原理1注射机的结构组成一台通用注射机主要包括注射装置、合模装置、液压传动系统和电器控制系统、检测安保装置等。如图1所示。液压系统锁模系统模具系统注射系统控制系统图1注塑机的基本组成部分加热套料管头配台套眼料槽樱料料管头进料袋穴图2料筒的结构图1）注射装置（射胶系统）：主要由塑化部件（螺杆、料筒和喷嘴组成）以及料斗、计量装置、传动装置、注射和移动油缸等组成。主要作用是将塑料均匀塑化，并以足够的压力和速度将一定量的熔料注射到模具的型腔之中。2）模具、合模装置（锁模系统）：主要由前后固定模板、移动模板、连接前后固定模板用的拉杆、合模油缸、移动油缸、连杆机构、调模2
2 二、实验原理 1 注射机的结构组成 一台通用注射机主要包括注射装置、合模装置、液压传动系统和电器 控制系统、检测安保装置等。如图 1 所示。 图 1 注塑机的基本组成部分 图 2 料筒的结构图 1）注射装置（射胶系统）：主要由塑化部件（螺杆、料筒和喷嘴组成） 以及料斗、计量装置、传动装置、注射和移动油缸等组成。主要作用 是将塑料均匀塑化，并以足够的压力和速度将一定量的熔料注射到模 具的型腔之中。 2）模具、合模装置（锁模系统）：主要由前后固定模板、移动模板、 连接前后固定模板用的拉杆、合模油缸、移动油缸、连杆机构、调模
装置以及制品顶出装置等组成。主要作用是实现模具的启闭，在注射时保证成型模具可靠的合紧，以及脱出制品。3）液压系统和电器控制系统：液压系统由各种液压元件和回路及其它附属设备组成。电器控制系统则主要由各种电器和仪表等组成。作用是保证注射机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间）和动作程序准确有效的工作。液压系统和电器控制系统有机的组织在一起，对注射机提供动力和实现控制。4）检测安保装置：是人机安全的保护屏障。通过检测油温、料温、系统超载和设备故障以及特设的机电联锁安全装置，达到人机安全运行。包括安全门、行程开关、机械器件组成的机电安全装置和由热电偶、电子尺、溢流阀与控制电脑构成的自动报警系统。2注射机的分类注射机的发展很快，类型日益增多，而分类方法很不一致1）按机器外形特征分类：立式注射机、卧式注射机、角式注射机和多模注射机。2）按机器的传动方式分为：液压式和机械式。3）按塑化方式和注射方式分类：①柱塞式注射机：通过柱塞依次将落入料筒的颗粒状塑料推向料筒前端的塑化室，依靠料筒外加热器提供的热量使塑料塑化，而后成粘流态的塑料被柱塞注射到模腔中去。n
3 装置以及制品顶出装置等组成。主要作用是实现模具的启闭，在注射 时保证成型模具可靠的合紧，以及脱出制品。 3）液压系统和电器控制系统：液压系统由各种液压元件和回路及其 它附属设备组成。电器控制系统则主要由各种电器和仪表等组成。作 用是保证注射机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间） 和动作程序准确有效的工作。液压系统和电器控制系统有机的组织在 一起，对注射机提供动力和实现控制。 4）检测安保装置：是人机安全的保护屏障。通过检测油温、料温、系 统超载和设备故障以及特设的机电联锁安全装置，达到人机安全运行。 包括安全门、行程开关、机械器件组成的机电安全装置和由热电偶、 电子尺、溢流阀与控制电脑构成的自动报警系统。 2 注射机的分类 注射机的发展很快，类型日益增多，而分类方法很不一致。 1) 按机器外形特征分类：立式注射机、卧式注射机、角式注射机和多 模注射机。 2) 按机器的传动方式分为：液压式和机械式。 3) 按塑化方式和注射方式分类： ①柱塞式注射机：通过柱塞依次将落入料筒的颗粒状塑料推向 料筒前端的塑化室，依靠料筒外加热器提供的热量使塑料塑化，而后， 成粘流态的塑料被柱塞注射到模腔中去
料斗模具带式加热器加热缸冷却水鱼雷液压缸喷嘴图3注塞式注射机②螺杆式注射机：其物料的熔融塑化以及注射都是由螺杆完成的。它是目前产量最大使用最广泛的注射机。（本试验采用此种注射机：卧式螺杆注射机）固定板动板喷嘴模具料斗加热圈人E螺杆料筒储料生流道图4螺杆式注射机③螺杆塑化柱塞注射式注射机：其塑料的塑化靠螺杆进行，塑化好的塑料通过一个止回阀进入第二个料筒简，熔料在柱塞的作用下被注射到模具型腔中去。N
4 图 3 注塞式注射机 ②螺杆式注射机：其物料的熔融塑化以及注射都是由螺杆完成 的。它是目前产量最大使用最广泛的注射机。（本试验采用此种注射 机：卧式螺杆注射机） 图 4 螺杆式注射机 ③螺杆塑化柱塞注射式注射机：其塑料的塑化靠螺杆进行，塑 化好的塑料通过一个止回阀进入第二个料筒，熔料在柱塞的作用下被 注射到模具型腔中去
1-螺杆；2-机筒：3-单向阀：4-喷嘴：5-柱赛图5螺杆塑化柱赛注射式注塑机的工作结构示意图4）通用注射机和新型专用注射机：我们把加工一般塑料和一般制品的注射机称为通用注射机；新型专用注射机：如玻璃纤维增强塑料注射机、发泡塑料注射机、热固性塑料注射机等。3注射成型工艺过程各种注射机完成注射成型的动作程序可能不完全相同，但其成型的基本过程还是相同的。以螺杆式注射机为例加以说明：从料斗落入料筒中的塑料，随着螺杆的转动沿着螺杆向前输送。在这一输送过程中，物料被逐渐压实，物料中的气体由加料口排除。在料筒外加热和螺杆剪切热的作用下，物料实现其物理状态的变化最后成粘流态，并建立起一定的压力。当螺杆头部的熔料压力达到能克服注射油缸活塞退回时的阻力（所谓背压）时，螺杆便开始向后退进行所谓计量。与此同时料筒前段和螺杆头部熔料逐渐增多，当达到所需要的注射量时（即螺干退回到一定位置时）计量装置撞击限位升关，螺杆即停止转动和后退。到此预塑完毕。同时，合模油缸中的压力油推动合模机构动作，移动模板使模具15
5 1-螺杆；2-机筒；3-单向阀；4-喷嘴；5-柱赛 图 5 螺杆塑化柱赛注射式注塑机的工作结构示意图 4) 通用注射机和新型专用注射机：我们把加工一般塑料和一般制品 的注射机称为通用注射机；新型专用注射机：如玻璃纤维增强塑料注 射机、发泡塑料注射机、热固性塑料注射机等。 3 注射成型工艺过程 各种注射机完成注射成型的动作程序可能不完全相同，但其成型 的基本过程还是相同的。以螺杆式注射机为例加以说明： 从料斗落入料筒中的塑料，随着螺杆的转动沿着螺杆向前输送。 在这一输送过程中，物料被逐渐压实，物料中的气体由加料口排除。 在料筒外加热和螺杆剪切热的作用下，物料实现其物理状态的变化， 最后成粘流态，并建立起一定的压力。当螺杆头部的熔料压力达到能 克服注射油缸活塞退回时的阻力（所谓背压）时，螺杆便开始向后退， 进行所谓计量。与此同时料筒前段和螺杆头部熔料逐渐增多，当达到 所需要的注射量时（即螺干退回到一定位置时）计量装置撞击限位开 关，螺杆即停止转动和后退。到此预塑完毕。 同时，合模油缸中的压力油推动合模机构动作，移动模板使模具
闭合。继而，注射座前移，注射油缸充入压力油，使油缸活塞带动螺杆按要求的压力和速度将熔料注入到模腔内。当熔料充满模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力，即所谓进行保压，以防止模腔中熔料的反流，并向模腔内补充因制品冷却收缩所需的物料。模腔中的熔料经过冷却，由粘流态恢复到玻璃态，从而定型，获得一定的尺寸精度和表面光洁度。当完全冷却定型后，模具打开，在顶出机构的作用下，将制件脱出，从而完成一个注射成型过程。按习惯，我们把一个注射成型过程称之为一个工作循环，而该循环由合模算起，依次为注射、保压、螺杆预塑和制品冷却、开模、顶出制品、合模。为了明了这一注射成型过程，我们用方块图表示如下一顶出合开一圈一图一模制品模/机螺杆预塑图6注射成型过程的工作循环4注射机的基本参数注射机的主要参数有公称注射量、注射压力、注射速率、塑化能力、锁模力、合模装置的基本尺寸、开合模速度、空循环时间等。1）公称注射量：指在对空注射的条件下，注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量。注射量一般有两种表示方法：一种是以聚苯乙烯为标准，用注射出熔料的重量（单位g）表示，另一种是用注射出熔料的容积（单位cm3）表示。我国注射机系列标准采用后一种表示方法。系列标准规定有30、60、125、250、350、500、100、200、3000、4000、6000、8000、12000、16000、24000、6
6 闭合。继而，注射座前移，注射油缸充入压力油，使油缸活塞带动螺 杆按要求的压力和速度将熔料注入到模腔内。当熔料充满模腔后，螺 杆仍对熔料保持一定的压力，即所谓进行保压，以防止模腔中熔料的 反流，并向模腔内补充因制品冷却收缩所需的物料。模腔中的熔料经 过冷却，由粘流态恢复到玻璃态，从而定型，获得一定的尺寸精度和 表面光洁度。当完全冷却定型后，模具打开，在顶出机构的作用下， 将制件脱出，从而完成一个注射成型过程。 按习惯，我们把一个注射成型过程称之为一个工作循环，而该循 环由合模算起，依次为注射、保压、螺杆预塑和制品冷却、开模、顶 出制品、合模。为了明了这一注射成型过程，我们用方块图表示如下： 图 6 注射成型过程的工作循环 4 注射机的基本参数 注射机的主要参数有公称注射量、注射压力、注射速率、塑化能 力、锁模力、合模装置的基本尺寸、开合模速度、空循环时间等。 1) 公称注射量：指在对空注射的条件下，注射螺杆或柱塞做一次最大 注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量。注射量一般有两种表 示方法：一种是以聚苯乙烯为标准，用注射出熔料的重量（单位 g） 表示，另一种是用注射出熔料的容积（单位 cm3）表示。我国注射机 系列标准采用后一种表示方法。系列标准规定有 30、60、125、250、 350、500、100、200、3000、4000、6000、8000、12000、16000、24000
32000、48000、64000cm3等规格的注射机。如XS-Zy-500即表示工程注射量为500cm3的螺杆式（y）塑料（S）注射成型（X）机。2）注射压力：为了克服熔料流经喷嘴、浇道和型腔时的流动阻力，螺杆（或柱塞）对熔料必须施加足够的压力，我们将这种压力称为注射压力。注射压力的大小与流动阻力、制品的形状、塑料的性能、塑化方式、塑化温度、模具温度以及制品精度等因素有关。注射压力的选取很重要。注射压力过高，制品可能产生毛边，脱模困难，影响制品光洁度，使制品产生较大的内应力，甚至成为废品，同时还会影响到注射装置及传动系统的设计。注射压力过低，则易产生物料充不满模腔，甚至根本不能成型等现象。3）注射速率（注射时间、注射速度）：注射时，为了使熔料及时充满型腔，除了必须有足够的注射压力外，熔料还必须有一定的流动速度。描写这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度。注射速率或注射速度或注射时间的选定很重要，直接影响到制品的质量和生产率。注射速率过低（注射时间过长）制品易形成冷接缝不易充满复杂的模腔。合理的提高注射速率，能缩短生产周期，减少制品尺寸公差，能在较低的模温下顺利地获得优良制品，特别是在成型薄壁、长流程制品及低发泡制品时采用高的注射速率，能获得优良制品。因此有提高注射速率的趋势。4）塑化能力：塑化能力是指单位时间内所能塑化的物料量。注射机的塑化装置应该在规定的时间内保证能够提供足够量的塑化均匀的熔料。由挤出理论可知，提高螺杆转速、增大驱动功率、改进螺杆的结
7 32000、48000、64000cm3等规格的注射机。如 XS-Zy-500 即表示工程 注射量为 500 cm3的螺杆式（y）塑料（S）注射成型（X）机。 2) 注射压力：为了克服熔料流经喷嘴、浇道和型腔时的流动阻力，螺 杆（或柱塞）对熔料必须施加足够的压力，我们将这种压力称为注射 压力。注射压力的大小与流动阻力、制品的形状、塑料的性能、塑化 方式、塑化温度、模具温度以及制品精度等因素有关。 注射压力的选取很重要。注射压力过高，制品可能产生毛边，脱 模困难，影响制品光洁度，使制品产生较大的内应力，甚至成为废品， 同时还会影响到注射装置及传动系统的设计。注射压力过低，则易产 生物料充不满模腔，甚至根本不能成型等现象。 3) 注射速率（注射时间、注射速度）：注射时，为了使熔料及时充满 型腔，除了必须有足够的注射压力外，熔料还必须有一定的流动速度。 描写这一参数的为注射速率或注射时间或注射速度。 注射速率或注射速度或注射时间的选定很重要，直接影响到制品 的质量和生产率。注射速率过低（注射时间过长）制品易形成冷接缝， 不易充满复杂的模腔。合理的提高注射速率，能缩短生产周期，减少 制品尺寸公差，能在较低的模温下顺利地获得优良制品，特别是在成 型薄壁、长流程制品及低发泡制品时采用高的注射速率，能获得优良 制品。因此有提高注射速率的趋势。 4) 塑化能力：塑化能力是指单位时间内所能塑化的物料量。注射机的 塑化装置应该在规定的时间内保证能够提供足够量的塑化均匀的熔 料。由挤出理论可知，提高螺杆转速、增大驱动功率、改进螺杆的结
构形式等都可以提高塑化能力和改进塑化质量。5）锁模力：锁模力是指注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力。在此力的作用下，模具不应被熔融的塑料所顶开。锁模力同公称注射量一样，也在一定程度上反映出机器所能塑制制品的大小，是一个重要参数，所以有的国家采用最大锁模力作为注射机的规格标称。6）合模装置的基本尺寸：合模装置的基本尺寸包括模板尺寸、拉杆空间、模板间最大开距、动模板的行程，模具最大厚度与最小厚度等。这些参数规定了机器所加工制品使用的模具尺寸范围，，亦是衡量合模装置好坏的参数。7）开合模速度：为使模具闭合时平稳以及开模、顶出时不使塑料制件损坏，要求模板慢行，但模板又不能在全行程中都慢速运行，这样会降低生产率。因此在每一个成型周期中，模板的运行速度是变化的。即在合模时从快到慢，开模时则由漫到快再到慢。8）空循环时间：指在没有塑化、注射保压、冷却、取出制品等动作的情况下，完成一次循环所需要的时间（秒）。它有合模、注射座前进和后退、开模以及动作间的切换时间所组成。空循环时间是表征机器综合性能的参数，它反映了注射机机械结构的好坏、动作灵敏度，液压系统以及电气系统性能的优劣(如灵敏度、重复性、稳定性等)，也是衡量注射机生产能力的指标。三、实验设备（装置）和样品1设备本次大实验所用设备是：四缸全液压注塑机JPH80，其主要技术80
8 构形式等都可以提高塑化能力和改进塑化质量。 5) 锁模力：锁模力是指注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹 紧力。在此力的作用下，模具不应被熔融的塑料所顶开。锁模力同公 称注射量一样，也在一定程度上反映出机器所能塑制制品的大小，是 一个重要参数，所以有的国家采用最大锁模力作为注射机的规格标称。 6) 合模装置的基本尺寸：合模装置的基本尺寸包括模板尺寸、拉杆空 间、模板间最大开距、动模板的行程，模具最大厚度与最小厚度等。 这些参数规定了机器所加工制品使用的模具尺寸范围，亦是衡量合 模装置好坏的参数。 7) 开合模速度：为使模具闭合时平稳以及开模、顶出时不使塑料制件 损坏，要求模板慢行，但模板又不能在全行程中都慢速运行，这样会 降低生产率。因此在每一个成型周期中，模板的运行速度是变化的。 即在合模时从快到慢，开模时则由漫到快再到慢。 8) 空循环时间：指在没有塑化、注射保压、冷却、取出制品等动作的 情况下，完成一次循环所需要的时间（秒）。它有合模、注射座前进 和后退、开模以及动作间的切换时间所组成。 空循环时间是表征机器综合性能的参数，它反映了注射机机械结 构的好坏、动作灵敏度，液压系统以及电气系统性能的优劣(如灵敏 度、重复性、稳定性等)，也是衡量注射机生产能力的指标。 三、实验设备（装置）和样品 1 设备 本次大实验所用设备是：四缸全液压注塑机 JPH80，其主要技术
参数如下：表1四缸全液压注塑机JPH80要技术参数型号JPG80锁模系统射胶系统锁模力kN800B螺杆编号拉杆内距mm360x30536螺杆直径mm锁模行程440mm20最大开距600螺杆场径比mmcm3125理论射胶容积最小模厚160mmG112最大射胶量kN28油压顶出力(PS硬胶）Oz4顶针行程80mmMPa154射胶压力其它注射速率80Lg/s油箱容量18011塑化能力g/skw11油泵马达螺杆最大转速r/min200电热量kw6.8机器尺寸3.35x1.1x1.7m机器重量kg3000该注塑机由常设通用的五部分组成：射胶系统（注射装置）、锁模系统（合模装置）、液压系统、电器控制系统、检测安保装置。注塑机结构示意图如下：注航系技电脑换作箱EH10-330型形装业模视系统超热肤LS出DO电气系统蒸料理急停开失机架洗惠电机系线武地振订诚系线图7全液压式JPH系列注塑机结构示意图2样品9
9 参数如下： 表 1 四缸全液压注塑机 JPH80 要技术参数 型号 JPG80 射胶系统 螺杆编号 B 螺杆直径 mm 36 螺杆场径比 20 理论射胶容积 cm3 125 最大射胶量 （PS 硬胶） G 112 OZ 4 射胶压力 MPa 154 注射速率 g/s 80 塑化能力 g/s 11 螺杆最大转速 r/min 200 该注塑机由常设通用的五部分组成：射胶系统（注射装置）、锁 模系统（合模装置）、液压系统、电器控制系统、检测安保装置。 注塑机结构示意图如下： 图 7 全液压式 JPH 系列注塑机结构示意图 2 样品 锁模系统 锁模力 kN 800 拉杆内距 mm 360x305 锁模行程 mm 440 最大开距 mm 600 最小模厚 mm 160 油压顶出力 kN 28 顶针行程 mm 80 其它 油箱容量 L 180 油泵马达 kW 11 电热量 kW 6.8 机器尺寸 m 3.35x1.1x1.7 机器重量 kg 3000