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课件. 第 12 章 注射成型工艺及设备. 12.1 概述. 12 注射成型工艺及设备. 注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法,它 适用 于 热塑性 和 热固性 复合材料,但以 热塑性 复合材料应用最广。. 注射成型为间歇式操作过程. 注射 成型. 将粒状或粉状的纤维 — 树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内,加热熔化后由柱塞或螺杆加压,通过喷嘴注入温度降低的 闭合模内 ,经过冷却定型后,脱模得制品。. 课件. 第 12 章 注射成型工艺及设备. 12.1 概述. 图 12-1 注射成型工艺原理示意图

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12.1 概述

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第12章 注射成型工艺及设备

12.1 概述

12 注射成型工艺及设备

注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法,它适用于热塑性和热固性复合材料,但以热塑性复合材料应用最广。

注射成型为间歇式操作过程

注射成型

将粒状或粉状的纤维—树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内,加热熔化后由柱塞或螺杆加压,通过喷嘴注入温度降低的闭合模内,经过冷却定型后,脱模得制品。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.1 概述

图12-1 注射成型工艺原理示意图

1-模具;2-喷嘴;3-料筒;4-分流梭;5-料斗;6-注射柱塞


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第12章 注射成型工艺及设备

12.1 概述

SZL-125克


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第12章 注射成型工艺及设备

12.1 概述


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第12章 注射成型工艺及设备

12.1 概述

注射成型相对于模压成型的特点:

(1)成型周期短,物料的塑化在注射机内完成。

(2)热耗量少

(3)闭模成型

(4)可使形状复杂的产品一次成型

(5)生产效率高,成本低

注射成型的缺点:

(1)不适用于长纤维增强的产品,一般纤维小于7mm

(2)模具质量要求高

注射成型工艺在CM生产中主要代替模压成型工艺,近年来发展较快。

注射成型工艺发展较快:自动化、高速化、大型化及微型化。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

12.2 注射成型工艺

1 注射成型工艺原理

FRTP和FRP的物理性能和固化原理不同

1.1 FRTP注射成型原理

增强粒料在注射机的料筒内加热熔化至粘流态,以高压迅速注入温度较低的闭合模内,经冷却使物料恢复玻璃态并保持模腔形状。

FRTP的注射成型过程主要产生物理变化


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B

A

粘度

O

加热时间

第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

1.2 FRP注射成型原理

注射料在加热过程中温度升高,粘度下降,但随着时间的延长,分子间的交联反应增加,粘度又会上升。实际加热过程应综合考虑两种作用的影响。图12-2

实际加热过程中,粘度随时间的变化有最小值,如图12-2。AO段随加热时间的增加粘度降低,到达O点时粘度达到最低值(物理变化)。继续增加加热时间即OB段,粘度随加热时间增大而变大(化学变化)。其粘度变化是不可逆的。

图12-2 热固性树脂纤维混合料加热时粘度与时间变化关系

FRP的注射成型过程是一个复杂的物理和化学过程


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B

A

粘度

O

加热时间

第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

粘度变化是不可逆的,特点如下:

1)FRP注射成型不需要冷

却定型阶段

2)加热固化为不可逆的化

学反应过程

3)注射充模时机应控制在

粘度最低的O点左右

图12-2 热固性树脂纤维混合料加热时粘度与时间变化关系

4)FRP的固化过程是放热反应


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

FRP注射成型过程:

预浸渍料加入料筒,适当加温加压,当物料运动到喷嘴时,粘度应达到最低值,并被迅速注入模腔。在热压作用下固化定型,然后开模取出制品。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

FRTP和FRP的注射成型特点对比

(1)FRTP可以反复加热塑化,物料的熔融和硬化完全是物理变化;FRP加热固化后不能再塑化,固化过程为不可逆反应。

(2)FRTP受热时,物料由玻璃态变为熔融的粘流态,料筒温度要分段控制,其塑化温度应高于粘流温度,但低于分解温度;FRP在料筒中加热时,树脂分子链发生运动,物料熔融,但接着会发生化学反应、放热,加速化学反应过程。因此,FRP注射成型的温度控制要比FRTP严格得多。

(3)FRTP注射成型时,料筒温度必需高于模具温度,物料在模腔内冷却时会引起体积收缩,故需要有相应的料垫传压补料,FRP注射成型时,料筒温度低于模具温度,物料在模腔内发生固化收缩的同时,也发生热膨胀,因此,充模后不需要补料。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

2 复合材料注射成型特性

(1)注射料中挥发物的控制

注射过程中总是有一些低分子挥发物存在,如物料中的水分,低分子物(苯酚、甲醛),固化时生成的水分、氨等低分子物,在固化的过程中会放出。

挥发物的存在一般可降低粘度,对成型有利,但是挥发物的含量过高会对产品造成不良影响。

对热塑性CM,挥发物过多会造成熔融物料起泡,树脂水解等,给加工造成困难并使产品质量下降,一般控制挥发物含量在0.5~2%以下。

对热固性CM,挥发物过多会造成物料贮存过程中结块,产品收缩率大,易翘曲,产品质量下降等,一般控制挥发物含量在2~7%以下。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

(2)流动特性

指物料在加热、加压下的流动性能和充模能力。适当加入增塑剂和浸润剂可提高流动性能。

纤维对物料流动性的影响:纤维含量愈多流动性愈差。

对于FRTP而言,压力愈高流动性愈好,温度愈高流动性愈好。如图12-3、12-4。

在实际生产过程中为改善物料流动性,常采用的措施:

1、对热塑性CM:加大交口及流道直径;增加注射压力;提高料筒温度及模具温度。

2、对热固性CM:尽量减少注模前的加热时间,防止树脂过早凝胶固化。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

(3)注射成型过程中纤维长度变化

在注射成型的混炼过程(螺杆旋转作用)及喷射过程中纤维会产生不同程度的折断。

图12-5,12-6表明了螺杆转速对玻璃纤维增强尼龙6和聚丙烯时纤维长度的影响。

最终产品中纤维长度一般在0.3~0.7mm,(最初小于7mm),随着螺杆转速的增加,纤维变短。

纤维长度对制品性能的影响是显而易见的,如图12-7,随纤维长度的增加,机械性能增大。

值得注意的是:热塑性CM废料利用时,其掺量过大,经重复加工,会使纤维更短,机械性能下降幅度大。一般废料回用量控制在物料量的20%以内。如图12-8、12-9。


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12.2 注射成型工艺

(4)纤维定向性

热塑性CM:大分子定向;纤维定向

热固性CM:纤维定向

因此必须合理设计模具,确立物料的流动方向,得到好的制品。

熔融物料在模腔内流动状态示意图见图12-10。流体的流动过程在横断面上存在速度梯度,愈靠近模具速度梯度愈大即剪应力愈大


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

因此在模具边缘纤维及大分子的定向更加明显。图12-11。纤维一经定向后不会再有改变,大分子定向当物料充满模腔后,剪应力消除,在热运动的作用下,定向会有一定的消除。

提高模具温度、物料温度、加大制品厚度、浇口放在型腔最低部可减弱定向作用。

提高浇口温度、注射压力,会增加定向作用。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

(5)拼缝强度

在环形制品的注射时,物料往往通过两个以上流道流动并在模腔内某一处相遇,此相遇部位称为拼缝部位。

在拼缝部位由于纤维的排向原因,使强度明显下降。图12-12为有无拼缝线的制品强度比较,强度可下降30~60%.

当模具设计时就考虑此问题,可减弱拼缝及其影响。如图12-13、12-14。

拼缝强度还与其他工艺条件有关,表12-2列出了玻璃纤维增强尼龙6的成型条件对拼缝强度的影响。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

(6)体积收缩

收缩率

冷却出模后的FRTP制品,其尺寸总是小于模具的模腔尺寸,两者差值之比。

收缩率=

式中 D ——常温下模腔尺寸;

D1——常温下制品尺寸。

制品在成型后2~4h的收缩率,称为初期收缩率,制品成型后24h~48h所测得的收缩率,称为成型收缩率。


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12.2 注射成型工艺

在注射成型过程中玻璃纤维是不会收缩的,收缩主要由树脂基体引起的。不同的树脂及树脂含量收缩不同,另外收缩还与纤维长度有关。一般来讲,树脂含量愈大,收缩率越大,纤维愈长收缩率愈小。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.2 注射成型工艺

影响FRTP成型收缩率的因素:

1)玻璃纤维含量。含量愈高,收缩率愈低

2)制品壁厚的影响。制品厚度增加,收缩率明显增加。

3)浇口尺寸影响。增大浇口尺寸,收缩率明显降低。

4)熔融温度的影响

5)模具温度影响。对厚制品,温度升高,减少收缩率;

对薄制品,温度升高,增大收缩率。

6)成型压力影响。一般随成型压力的提高,收缩率降低。

7)硬化速度。一般硬化速度降低,可使收缩率降低。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3 注射成型工艺过程

3 注射成型工艺过程

3.1 准备工作

(1)注射料选择及预处理

a、注射料原则

需根据产品性能和注射机性能合理选择注射料。

b、注射料的预处理

注射料应尽可能均匀,已结块的应粉碎。

粒料使用前应测水分及挥发物含量。超标时要干燥。比如热风干燥、红外线干燥、真空干燥等。

干燥后的物料仍会吸湿。因此需密封贮存,加工时需用加热等措施。


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第12章 注射成型工艺及设备

(2)料简清洗

12.3.1 准备工作

在注射成型过程中,如需换料生产时,一定要清洗料斗。一般采用加入新料进行清洗的方法,可反复进行。

注意:如果用一台注射机加工几种不同物料时,为了清洗方便,最好先加工成型温度低、色浅的物料。

(3)脱模剂选择

常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石蜡、硅油等。

(4)嵌件预热

为了避免两种物质膨胀系数不同而产生的热应力或应力开裂现象。因此,注射成型制品中的嵌件要提前预热。预热温度一般钢铁嵌件110~130℃,铝、铜嵌件预热到150℃。

嵌件预热温度越高越好,但不应高于物料的分解温度。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3.2 注射成型工艺条件

3.2 注射成型工艺条件

包括闭模、加料、塑化、注射、保压、固化(冷却定型)、开模出料等工序。而成型温度、注射压力(包括注射速度)、成型周期(包括注射、保压、固化时间)被称为注射成型工艺的“三大工艺条件”。当然要顺利完成整个注射过程需一步一步地加以控制。

(1)加料及剩余量

加料:一般要求定时、定量、均匀供料。

剩余量:保证每次注射后料筒底部有一定剩余的物料

剩料的作用:a、传压;b、补料(收缩后的补料)

剩料一般控制在10~20mm,不能太多,太少。

太多:注射压力损失大,剩料受热时间太长,易发生分解或固化等。

太少:起不到很好的传压作用,模腔内物料受压不足。


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12.3.2 注射成型工艺条件

(2)成型温度

成型温度包括:料筒、喷嘴、模具温度。成型温度是三大工艺条件之一,关系到物料的塑化、流动性、充模等工艺条件。应考虑以下因素:

1、注射成型机的种类

螺杆式注射成型机所需的料筒温度比柱塞式低。

原因:a、螺杆式成型机料筒内的料层较薄;

b、物料在螺杆推进的过程中不断翻转,有利于传热;

c、物料翻转运动,受剪切力作用,自身摩擦生热。

2、产品厚度

对薄壁制品要求物料有较高的流动性才能充满模腔,因此需较高的成型温度;相反厚壁制品成型温度可低一些。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3.2 注射成型工艺条件

3、注射料的品种和性能

是确立加工温度的决定因素,常用的树脂注射成型条件见表12-4、12-5。

对于热塑性树脂,料筒温度略高于喷嘴温度,高于模具温度。

对于热固性树脂,模具温度略高于喷嘴温度,高于料筒温度。

判断料筒喷嘴温度的两种方法:

a、熔体对空注射法。脱开模具,用低压注射,观察料流,是否毛糙、变色、起泡、料流表面光滑者表明温度合适。

b、产品直观分析法。对试生产制品观察有无毛糙、波纹、气泡等弊病。


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12.3.2 注射成型工艺条件

(3)螺杆转速及背压

必须根据所选用的树脂热敏程度及熔体粘度进行调整。

转速慢:塑化好,物料易降解、早期固化。

转速快:有利于塑化,但物料停留时间短可能塑化不够。还可使纤维变短。

背压:指螺杆转动推进物料塑化时,传给螺杆的反向压力。

背压的作用:能使物料在运动过程中不断排出空气和挥发物,并使物料逐渐密实。

背压过小起不到以上作用,背压大,功率消耗大,并在物料温度较低时能使纤维粉化,影响制品性能。图12-21背压与玻璃纤维长度的关系。


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12.3.2 注射成型工艺条件

(4)注射速度及注射压力

注射压力大小与注射机种类、物料流动性、模具浇口尺寸、产品厚度、模具温度及流程等因素有关。

一般注射压力略高于热塑性塑料的注射压力。

注射压力对制品性能的影响见图12-22。

保压的作用:使制品冷却收缩时得以补料,尺寸准确,表面光洁,有利于消除气泡。保压时间一般0.3~2分钟,特厚制品可达5~10分钟。

注射速度与注射压力、温度、模口尺寸等因素有关。注射速度慢不利于充模,生产效率低,注射速度过快易混入气泡。需通过实际实验确定。


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12.3.2 注射成型工艺条件

(5)成型周期

成型周期即完成一次注射成型制品所需的时间。

包括:

1)注射加压时间(保压时间、注射时间);

2)冷却时间(模内冷却或固化时间);

3)其他时间(开模、取出制品、涂脱模剂、安放嵌件、闭模等时间)。

成型周期是提高生产率的关键,在保证产品质量的前提下,应尽量缩短成型周期。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3.3 制品后处理

3.3 制品后处理

作用

提高制品的尺寸稳定性,消除内应力

热处理

分类

调湿处理

(1)热处理

热处理的实质:迫使冻结的分子链松弛,凝固的大分子链段转向无规位置,消除部分内应力,提高结晶度,稳定结晶结构,提高弹性模量,降低断裂延伸率。

(2)调湿处理

将刚脱模的制品放入水中,与空气隔绝、防止氧化。调湿条件:90~110℃ 4h

3.4 注射成型过程中易出现的缺陷、产生原因及处理方法


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3.3 制品后处理

作业:

1、与模压成型工艺相比,注射成型工艺有什么特点?

2、 试比较热塑性CM与热固性CM注射成型各有哪些特点?

3、为什么在注射成型的模具边缘处纤维容易定向排列?


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3 注射成型设备

12.3 注射成型设备

主要包括注射成型机和模具。

12.3.1 注射机

一、分类

(1)按物料的塑化形式分:柱塞式和往复螺杆式,其中往复螺杆式用的最多。

往复螺杆式注射机的优点:

①简化了预塑结构,不需要分流梭,因而使注射压力降低了很多。

②螺杆转动使物料翻滚,传热条件好。物料内部受到剪应力大,塑化效率高。

③因无分流梭,更换物料方便。

④注射速度快。

⑤对原料的适应性广,能加工热敏树脂。


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12.3 注射成型设备

(2)按照注射机的外形特征分类

常见的有五种形式

①立式注射成型机

注射装置和合模装置与地面垂直。图12-23。

特点:占地面积小,模具折装方便。料斗高,加料不方便,仅适用于注射量小于60cm3的制品生产。

②卧式注射机

注射装置,合模装置均水平排列。图12-24。

特点:机身低,加料方便,操作维修方便,制品顶出后可自由落下,易实现自动化。

缺点:占地面积大,模具拆卸比较麻烦。

③角式注射机

注射装置与合模装置呈垂直排列。图12-25。

特点:介于立式与卧式之间,适用于加工中心部分不允许留有浇口的制品。


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12.3 注射成型设备

④螺杆预塑和柱塞注模式 图12-26

利用螺杆预塑并采用柱塞进行注模,是一种新型的注射成型机,生产效率很高(最高)。

⑤转盘式注射机

将多副模具装在一个可转动的盘上,转盘去年定时旋转,使各模具与喷嘴相对注射成型。图12-27

特点:生产效率高,特别适用于冷却时间长或安放嵌件费时的制品生产。


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第12章 注射成型工艺及设备

12.3.2 注射机的构造

12.3.2 注射机的构造

螺杆式注射机主要由注射、合模、传动、控制四部分组成。

一、注射系统

包括螺杆、料筒、加料加热装置、喷嘴等。

(1)螺杆

注射机螺杆与挤出机螺杆的区别:

a、注射机螺杆既能旋转,又能轴向移动,挤出机螺杆仅转动;

b、注射机螺杆的长径比和压缩比都比挤出机小;

注射机:长径比 15~18,压缩比 2~2.5

挤出机:长径比 20~30,压缩比

(压缩比:加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比)


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12.3.2 注射机的构造

c、注射机均化段螺槽比同直径挤出机螺槽深15~25%;

d、与挤出机螺杆比,加料段增长,均化段缩短;

e、注射机螺杆头为尖锥形,挤出机为圆锥形或半圆形;

注射机与挤出机螺杆参数对比见表12-8;


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12.3.2 注射机的构造

(2)料筒

注射机的料筒与挤出机的构造和选材相同。

(3)喷嘴

喷嘴的作用:提高熔融物料的流速,使其能迅速充模。

分为开式喷嘴与闭式喷嘴。

①开式喷嘴 图12-28

12-8(a)不能加热

12-8(b)可进行加热

②闭式喷嘴 图12-29

通过弹簧弹力、挡圈、导杆、顶针实现闭锁。

注射时,熔料顶开顶针进入模腔。这种喷嘴使用方便,可防止流延,但结构复杂,压力损失大,射程小,补缩作用小,适用于加工粘度低的树脂。


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12.3.2 注射机的构造

二、合模系统

作用:开启和闭合模具。

要求有足够的锁模力,足够的模板面积和强度;

运动速度要求:闭合时先快后慢,开启时先慢后快;

合模系统由固定板、移动板、合模油缸、顶出装置等组成,如图12-30

常见的顶出装置有三种形式

(1)全机械式合模装置

靠电机、曲柄连杆机构实现开模和闭模的动作,图12-30(b),此设备的优点:结构简单、制作方便、耐用、便于维修。缺点:模板行程短,只适合小制品生产;噪音大,设备磨损(连杆部分)较大。


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12.3.2 注射机的构造

(2)液压式合模装置

靠液压的力量,由活塞联动模具开模、闭模。其合模力

P=油缸面积×油压=π/4.D02.P0 (N)

D0——油缸直径,m

P0——油压Pa

P—— 合模力N

液压合模装置的优点:

结构简单(仅油缸、活塞组成),制造方便,合模力调节方便,模板行程大可加工大制品,模具更换方便。如图12-30(a)。


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12.3.2 注射机的构造

顶出装置:

作用:用于制品脱模的机构。分为机械式和液压式。一般设计成与合模装置联动,开模后一时间间隔联动顶模装置将制品顶出。

(3)传动部分

主要由油缸、电机、各种阀门、开关等组成。通过油路供给的压力驱动各部分动作。


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12.3.2 注射机的构造

三、注射机的参数

(1)注射部分参数

①最大注射量

是指注射螺杆完成一次最大注射行程时(有轴向移动),注射机的最大注射量。

表示方法:

a、以注射出的聚苯乙烯熔料质量(克)来表示;

b、以注射出的熔料体积(cm3)表示。

第二种表示方法即容积法与物料的密度无关,用起来比较方便,采用此表示方法的较多。

②注射压力

指注射时螺杆对熔融物料的压强,用MPa表示。

常见的塑料注射压力及加工温度范围见表12-9。


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12.3.2 注射机的构造

③注射速度

指在最大注射量时,螺杆单位时间内的行程。

v= S/t (m/s)

v—注射速度m/s

S—注射行程(螺杆)

t—注射时间s

④塑化性能指标

与螺杆直径、长径比、物料性能、螺杆转速等多种因素有关。


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12.3.2 注射机的构造

四、合模部分参数

(1)锁模力

用下式计算

Pcm=kPФF

Pcm—— 锁模力,N

K —— 安全系数, 取2左右

PФ—— 模腔压力, Pa

F —— 分型面上的投影面积, m2

常见的模腔平均压力如表2-10。

(2)模板尺寸

一般是成型面积的3~10倍。


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12.3.2 注射机的构造

(3)模具厚度、模板行程及最大间距

模具的最大厚度,表示注射机安装模具的最大厚度,根据这个厚度确定加工制品的最大厚度。(如超过这个厚度则无法开启脱模)

模板行程是指模板开闭时行走的最大距离。其大小直接影响制品取出是否方便。它不能小于模具最大厚度的2倍。

模板最大间距是指移动模板移动到终点位置时与固定模板的距离。一般为最大制品高度的3倍。


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12.3.4 模具

12.3.3 注射机的牌号和性能

部分国内、外注射机产品如图12-11、12-12。

12.3.4 模具

对复合材料的注射成型,应考虑的工艺特性主要有:注射压力高、注射速度快、模具和熔料温度高、玻纤的摩擦力大等。

(1)流动特性、流道、浇口及排气

热塑性CM与未增加塑料相比,熔融指数低30~70%,物料流动性差,凝固快。

浇口和流道的转弯处应成园角,流道转弯处应设冷料穴。图12-31

浇口的大小应根据实际情况确定,太小易损坏玻纤且阻力大,太大玻纤分散不均匀。浇口形状和位置不同对产品性能的影响见表12-13,是玻纤增强聚丙烯制品的典型实例。


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12.3.4 模具

第二种浇口的收缩率大于第一、三种浇口;

第一种浇口A、B、C、D各部位收缩率较均匀。

FRTP成型过程中的气体,主要由玻纤表面处理剂、树脂、助剂、水份高温降解产生。设计模具时应在拼缝处设置排气孔或溢流穴。对于模腔内部无法排出的气体可设置排气杆。

(2)成型收缩

对于热塑性复合材料注射制品,在流动方向的收缩率一般比垂直方向小1/2。

因此,设计模具时应精心考虑,通过模具尺寸对收缩精细修正。

生产高精度制品时,模具各零件要精确配合,闭模的精确度不仅靠导柱,而且还要依靠锥度导柱和定芯板固定。图12-32。


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