塑料注射成型工艺介绍

塑料注射成型工艺介绍

注射成型工艺是指将熔融的原材料通过压实、注射、冷却、分离等方法,生产出一定形状的半成品的工艺。

塑料零件的注射成型工艺主要包括夹紧-填充-气辅、水辅压力-冷却-打开-释放六个阶段。

1.填充阶段

填充是整个注射成型周期的第一步,从关闭模具到注射,直到模具型腔填充到大约95%。理论上,充型时间越短,成型效率越高;但在实际生产中,成型时间(或注塑速度)受到很多条件的制约。

高速灌装。在进行高速填充时,剪切速率高,塑料因剪切变薄而粘度下降,使整体流动阻力降低;局部粘性加热效应也使凝固层厚度变薄。因此,在流动控制阶段,填充行为往往取决于要填充的体积。即在流动控制阶段,由于高速充型,熔体剪切减薄效果往往较大,薄壁冷却效果不明显,因此以速率的效用为主。

低速填充。热传导控制低速灌装时,剪切速率低,局部粘度高,流动阻力大。由于热塑补料速度较慢,流动较慢,使热传导效果更明显,热量被冷模壁迅速带走。少量的粘性加热使凝固层厚度变厚,进一步增大了壁厚较薄部分的流动阻力。

由于喷泉的流动,流动波前的塑料聚合物链被导向几乎平行的流动波前。因此,当两个塑料熔体相遇时,接触面的聚合物链彼此平行;加上两种熔体性质不同(在型腔内停留时间不同,温度和压力也不同),导致熔体出现熔合区。微观上,结构强度较差。当零件以适当的角度放置在光线下时,可以直观地观察到它们,并发现产生了显著的结合线,这就是焊缝的形成机制。焊缝不仅影响塑性件的外观,而且组织疏松,容易引起应力集中,使零件强度降低而发生断裂。

一般情况下,在高温区域焊接的焊缝强度较好。由于温度较高,聚合物链相对较好,可以相互渗透和缠绕。另外,两种熔体在高温区域的温度相对接近,熔体的热性能几乎相同,增加了焊接区域的强度;在低温地区,焊接强度较差。

2.压力保持阶段

填充阶段的作用是不断施加压力,使熔体致密,并增加塑料的密度(致密化),以补偿塑料的收缩行为。在保压过程中,由于腔内填充塑料,回压很高。保压压实过程中,注塑机的螺杆只能缓慢地轻微向前移动,塑料的流动速度也很慢。此时的流量称为保压流量。由于塑料在保压阶段被模壁加速凝固,熔体粘度也迅速增加,所以在模腔内阻力较大。在保压后期,材料密度继续增大,塑性件逐渐成形。压力保持阶段继续,直到浇口固化和密封。此时保压阶段的空腔压力达到最大值。

在保温阶段,由于相对较高的压力,塑料表现出部分可压缩的特性。在高压区域,塑料密度较大,密度较高;在较低的压力区域,塑性较松,密度较低,导致密度分布随位置和时间发生变化。保压过程中塑性流量极低,流量不再起主导作用;压力是影响保压过程的主要因素。在包装过程中,塑料填充了空腔,逐渐凝固的熔体作为传递压力的介质。型腔内的压力通过塑料传递到模壁表面,塑料有打开模具的倾向,所以需要一个合适的夹模力来夹模。成型力在正常情况下会轻微打开模具,有利于模具排气;但如果成型力过大,容易造成成型产品毛刺、溢出,甚至开模。因此,在选择注塑机时,应选择有足够大的合模力的注塑机,以防止模具上升,有效地保持压力。

在新的注射成型环境下,我们需要考虑一些新的注射成型工艺,如气辅成型、水辅成型、泡沫注射成型。

3.冷却阶段

在注塑模具中,冷却系统的设计是非常重要的。这是因为成型后的塑料制品只能冷却固化到一定的硬度,可以防止塑料制品在脱模后受到外力变形。由于冷却时间约占整个成型周期的70%至80%,一个设计良好的冷却系统可以显著减少成型时间,提高注塑生产率,并降低成本。冷却系统设计不当会延长成型时间,增加成本;冷却不均匀会进一步引起塑料制品的翘曲。

根据实验可知,熔体进入模具的热量大致分布为两部分,其中5%的热量辐射对流到大气中,其余95%的热量从熔体到模具中。在模具中,由于冷却水管的作用,热量通过模架的传热从型腔内的塑料传递到冷却水管,然后通过热对流被冷却液带走。少量没有被冷却水带走的热量继续在模具中传导,在与外界接触后逃逸到空气中。

注塑成型的成型周期包括装模时间、充型时间、保温时间、冷却时间和脱模时间。其中,冷却时间占比最大,约为70% ~ 80%。因此,冷却时间的长短将直接影响塑料制品成型周期的长短和生产的大小。在脱模阶段,应将塑料制品的温度冷却到低于塑料制品热变形温度的温度,以防止塑料制品因脱模外力产生的残余应力而松动或翘曲变形。

影响产品冷却速率的因素有:

(1)塑料产品设计。主要是壁厚塑料制品。产品厚度越大,冷却时间越长。一般来说,冷却时间近似与塑料制品厚度的平方成正比,或与最大流道直径的1.6次方成正比。即塑料制品厚度增加一倍,冷却时间增加4倍。

(2)模具材料及其冷却方法。模具材料,包括模芯、型腔材料和模板材料对冷却速率有很大的影响。模具材料的传热系数越高,单位时间内塑料的传热越好,冷却时间越短。

(3)冷却水管路配置。冷却水管离空腔越近,管径越大,数量越多,冷却效果越好,冷却时间越短。

(4)冷却剂流量。冷却水流量越大(一般实现紊流),冷却水通过热对流除热的效果越好。

(5)冷却剂的性质。冷却剂的粘度和导热系数也会影响模具的传热。冷却液粘度越低,换热系数越高,温度越低,冷却效果越好。

(6)塑料的选择。塑料指的是塑料从炎热的地面传导热量的速度。塑料的传热系数越高,换热效果越好,或者塑料的比热越低,温度容易变化,所以热量容易散失,导热效果越好,所需的冷却时间越短。

(7)工艺参数设置。料温越高,模具温度越高,引射器温度越低,所需冷却时间越长。

冷却系统设计原则:

(1)设计的冷却通道应保证冷却效果均匀、快速。

(2)设计冷却系统的目的是为了保持模具的适当和有效的冷却。冷却孔应该是标准尺寸,以便于加工和组装。

(3)模具设计师在设计冷却系统时,必须根据塑件的壁厚和体积确定以下设计参数:冷却孔的位置和尺寸,孔的长度,孔的类型,孔的结构和连接,冷却剂的流量和传热特性。

4.喷射阶段

脱模是注射成型周期的最后一步。虽然产品已经冷成型,但是脱模对产品的质量有着非常重要的影响。脱模不当会导致脱模时受力不均,产品弹出时变形。脱模方式主要有两种:喷射器脱模和脱模器脱模。在设计模具时,根据产品的结构特点选择合适的脱模方法,以保证产品质量。

对于有脱模脱模的模具,顶出器的设置应尽量均匀,位置应选择在脱模阻力最大、塑件强度和刚度最大的地方,以免塑件变形和损坏。

脱模板一般用于深腔薄壁容器和不允许推杆痕迹的透明产品的脱模。该机构的特点是剥离力大且均匀,运动平稳,无明显残留痕迹。

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