一、注塑機(jī)的工作原理

注塑成型機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)注塑機(jī)。

注塑成型是利用塑料的熱物理性質(zhì)，把物料從料斗加入料筒中，料筒外由加熱圈加熱，使物料熔融，在料筒內(nèi)裝有在外動(dòng)力馬達(dá)作用下驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的螺桿，物料在螺桿的作用下，沿著螺槽向前輸送并壓實(shí)，物料在外加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸地塑化，熔融和均化，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺桿的頭部，與此同時(shí)，螺桿在物料的反作用下后退，使螺桿頭部形成儲(chǔ)料空間，完成塑化過(guò)程，然后，螺桿在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高壓，將儲(chǔ)料室內(nèi)的熔融料通過(guò)噴嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料經(jīng)過(guò)保壓、冷卻、固化定型后，模具在合模機(jī)構(gòu)的作用下，開(kāi)啟模具，并通過(guò)頂出裝置把定型好的制品從模具頂出落下。

注塑機(jī)作業(yè)循環(huán)流程如圖1所示。

二、注塑機(jī)的分類(lèi)

按合模部件與注射部件配置的型式有臥式、立式、角式三種

（1）臥式注塑機(jī)：臥式注塑機(jī)是最常用的類(lèi)型。其特點(diǎn)是注射總成的中心線與合?？偝傻闹行木€同心或一致，并平行于安裝地面。它的優(yōu)點(diǎn)是重心低、工作平穩(wěn)、模具安裝、操作及維修均較方便，模具開(kāi)檔大，占用空間高度?。坏嫉孛娣e大，大、中、小型機(jī)均有廣泛應(yīng)用。

（2）立式注塑機(jī)：其特點(diǎn)是合模裝置與注射裝置的軸線呈一線排列而且與地面垂直。具有占地面積小，模具裝拆方便，嵌件安裝容易，自料斗落入物料能較均勻地進(jìn)行塑化，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及多臺(tái)機(jī)自動(dòng)線管理等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是頂出制品不易自動(dòng)脫落，常需人工或其它方法取出，不易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作和大型制品注射；機(jī)身高，加料、維修不便。

（3）角式注塑機(jī)：注射裝置和合模裝置的軸線互成垂直排列。根據(jù)注射總成中心線與安裝基面的相對(duì)位置有臥立式、立臥式、平臥式之分：①臥立式，注射總成線與基面平行，而合?？偝芍行木€與基面垂直；②立臥式，注射總成中心線與基面垂直，而合模總成中心線與基面平行。角式注射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是兼?zhèn)溆信P式與立式注射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于開(kāi)設(shè)側(cè)澆口非對(duì)稱(chēng)幾何形狀制品的模具。

三、注塑機(jī)的組成結(jié)構(gòu)分析

注塑機(jī)根據(jù)注射成型工藝要求是一個(gè)機(jī)電一體化很強(qiáng)的機(jī)種，主要由注射部件、合模部件、機(jī)身、液壓系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加料裝置等組成。如圖2所示。

（一）注塑部件的典型結(jié)構(gòu)

1．注射部件的組成

目前，常見(jiàn)的注塑裝置有單缸形式和雙缸形式，我廠注塑機(jī)都是雙缸形式的，并且都是通過(guò)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)螺桿注塑。因不同的廠家、不同型號(hào)的機(jī)臺(tái)其組成也不完全相同，下面就對(duì)我廠用的機(jī)臺(tái)作具體分析。

立式機(jī)和臥式機(jī)注塑裝置的組成圖分別如圖3和圖4。

工作原理是：預(yù)塑時(shí)，在塑化部件中的螺桿通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸一端與螺桿鍵連接，另一端與液壓馬達(dá)鍵連接，螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料塑化并將塑化好的熔料推到料筒前端的儲(chǔ)料室中，與此同時(shí)，螺桿在物料的反作用下后退，并通過(guò)推力軸承使推力座后退，通過(guò)螺母拉動(dòng)活塞桿直線后退，完成計(jì)量，注射時(shí)，注射油缸的桿腔進(jìn)油通過(guò)軸承推動(dòng)活塞桿完成動(dòng)作，活塞的桿腔進(jìn)油推動(dòng)活塞桿及螺桿完成注射動(dòng)作。

（a）是俯視圖； （b）為注射座與導(dǎo)桿支座間的平視圖

1-油壓馬達(dá)；2，6 -導(dǎo)桿支座；3-導(dǎo)桿；4-注射油缸；5-加料口；

7-推力座；8-注射座；9-塑化部件；10-座移油缸

1- 液壓馬達(dá)；2-推力座；3-注射油缸；4-注射座；5-加料口；6-座移油缸；7-塑化部件；8-上范本

2．塑化部件

塑化部件有柱塞式和螺桿式兩種，下面就對(duì)螺桿式做一下介紹。

螺桿式塑化部件如圖5所示,主要由螺桿、料筒、噴嘴等組成，塑料在旋轉(zhuǎn)螺桿的連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)物理狀態(tài)的變化，最后呈熔融狀態(tài)而被注入模腔。因此，塑化部件是完成均勻塑化，實(shí)現(xiàn)定量注射的核心部件。

1-噴嘴；2-螺桿頭；3-止逆環(huán)；4-料筒；5-螺桿；6-加熱圈；7-冷卻水圈

螺桿式塑化部件的工作原理：預(yù)塑時(shí)，螺桿旋轉(zhuǎn)，將從料口落入螺槽中的物料連續(xù)地向前推進(jìn)，加熱圈通過(guò)料筒壁把熱量傳遞給螺槽中的物料，固體物料在外加熱和螺桿旋轉(zhuǎn)剪切雙重作用下，并經(jīng)過(guò)螺桿各功能段的熱歷程，達(dá)到塑化和熔融，熔料推開(kāi)止逆環(huán)，經(jīng)過(guò)螺桿頭的周?chē)ǖ懒魅肼輻U的前端，并產(chǎn)生背壓，推動(dòng)螺桿后移完成熔料的計(jì)量，在注射時(shí)，螺桿起柱塞的作用，在油缸作用下，迅速前移，將儲(chǔ)料室中的熔體通過(guò)噴嘴注入模具。

螺桿式塑化部件一般具有如下特點(diǎn)：

①螺桿具有塑化和注射兩種功能；

②螺桿在塑化時(shí)，僅作預(yù)塑用；

③塑料在塑化過(guò)程中，所經(jīng)過(guò)的熱歷程要比擠出長(zhǎng)；

④螺桿在塑化和注射時(shí)，均要發(fā)生軸向位移，同時(shí)螺桿又處于時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的間歇式工作狀態(tài)，因此形成了螺桿塑化過(guò)程的非穩(wěn)定性。

（1） 螺桿

螺桿是塑化部件中的關(guān)鍵部件，和塑料直接接觸，塑料通過(guò)螺槽的有效長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的熱歷程，要經(jīng)過(guò)3態(tài)（玻璃態(tài)、黏彈態(tài)、黏流態(tài)）的轉(zhuǎn)變，螺桿各功能段的長(zhǎng)度、幾何形狀、幾何參數(shù)將直接影響塑料的輸送效率和塑化質(zhì)量，將最終影響注射成型周期和制品質(zhì)量。

與擠出螺桿相比，注塑螺桿具有以下特點(diǎn)：

① 注射螺桿的長(zhǎng)徑比和壓縮比比較??；

② 注射螺桿均化段的螺槽較深；

③ 注射螺桿的加料段較長(zhǎng)，而均化段較短；

④ 注射螺桿的頭部結(jié)構(gòu)，具有特殊形式。

⑤ 注射螺桿工作時(shí)，塑化能力和熔體溫度將隨螺桿的軸向位移而改變。

（ⅰ）螺桿的分類(lèi)

注塑螺桿按其對(duì)塑料的適應(yīng)性，可分為通用螺桿和特殊螺桿，通用螺桿又稱(chēng)常規(guī)螺桿，可加工大部分具有低、中黏度的熱塑性塑料，結(jié)晶型和非結(jié)晶型的民用塑料和工程塑料，是螺桿最基本的形式，與其相應(yīng)的還有特殊螺桿，是用來(lái)加工用普通螺桿難以加工的塑料；按螺桿結(jié)構(gòu)及其幾何形狀特征，可分為常規(guī)螺桿和新型螺桿，常規(guī)螺桿又稱(chēng)為三段式螺桿，是螺桿的基本形式，新型螺桿形式則有很多種，如分離型螺桿、分流型螺桿、波狀螺桿、無(wú)計(jì)量段螺桿等。

常規(guī)螺桿其螺紋有效長(zhǎng)度通常分為加料段（輸送段）、壓縮段（塑化段）、計(jì)量段（均化段），根據(jù)塑料性質(zhì)不同，可分為漸變型、突變型和通用型螺桿。

①漸變型螺桿：壓縮段較長(zhǎng)，塑化時(shí)能量轉(zhuǎn)換緩和，多用于PVC等熱穩(wěn)定性差的塑料。

②突變型螺桿：壓縮段較短，塑化時(shí)能量轉(zhuǎn)換較劇烈，多用于聚烯烴、PA等結(jié)晶型塑料。

③通用型螺桿：適應(yīng)性比較強(qiáng)的通用型螺桿，可適應(yīng)多種塑料的加工，避免更換螺桿頻繁，有利于提高生產(chǎn)效率。

常規(guī)螺桿名段的長(zhǎng)度如下：

螺桿類(lèi)型 加料段（L1） 壓縮段（L2） 均化段（L3）

漸變型 25~30% 50% 15~20%

突變型 65~70% 15~5% 20~25%

通用型 45~50% 20~30% 20~30%

（ⅱ）螺桿的基本參數(shù)

螺桿的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由有效螺紋長(zhǎng)度L和尾部的連接部分組成。

ds — 螺桿外徑，螺桿直徑直接影響塑化能力的大小，也就直接影響到理論注射容積的大小，因此，理論注射容積大的注塑機(jī)其螺桿直徑也大。

L/ds —螺桿長(zhǎng)徑比。L是螺桿螺紋部分的有效長(zhǎng)度，螺桿長(zhǎng)徑比越大，說(shuō)明螺紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，直接影響到物料在螺桿中的熱歷程，影響吸收能量的能力，而能量來(lái)源有兩部分：一部分是料筒外部加熱圈傳給的，另一部分是螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱和剪切熱，由外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化的，因此，L/ds直接影響到物料的熔化效果和熔體質(zhì)量，但是如果L/ds太大，則傳遞扭矩加大，能量消耗增加。

L1—加料段長(zhǎng)度。加料段又稱(chēng)輸送段或進(jìn)料段，為提高輸送能力，螺槽表面一定要光潔，L1的長(zhǎng)度應(yīng)保證物料有足夠的輸送長(zhǎng)度，因?yàn)檫^(guò)短的L1會(huì)導(dǎo)致物料過(guò)早的熔融，從而難以保證穩(wěn)定壓力的輸送條件，也就難以保證螺桿以后各段的塑化質(zhì)量和塑化能力。塑料在其自身重力作用下從料斗中滑進(jìn)螺槽，螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，在料筒與螺槽組成的各推力面摩擦力的作用下，物料被壓縮成密集的固體塞螺母，沿著螺紋方向做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在此段，塑料為固體狀態(tài)，即玻璃態(tài)。

h1—加料段的螺槽深度。h1深，則容納物料多，提高了供料量和塑化能力，但會(huì)影響物料塑化效果及螺桿根部的剪切強(qiáng)度，一般h1≈（0.12～0.16）ds。

L3 — 熔融段長(zhǎng)度。熔融段又稱(chēng)均化段或計(jì)量段，熔體在L3段的螺槽中得到進(jìn)一步的均化，溫度均勻，組分均勻，形成較好的熔體質(zhì)量，L3長(zhǎng)度有助于熔體在螺槽中的波動(dòng)，有穩(wěn)定壓力的作用，使物料以均勻的料量從螺桿頭部擠出，所以又稱(chēng)計(jì)量段。L3短時(shí)，有助于提高螺桿的塑化能力，一般L3=（4～5）ds。

h3 — 熔融段螺槽深度，h3小，螺槽淺，提高了塑料熔體的塑化效果，有利于熔體的均化，但h3過(guò)小會(huì)導(dǎo)致剪切速率過(guò)高，以及剪切熱過(guò)大，引起分子鏈的降解，影響熔體質(zhì)量，；反之，如果h3過(guò)大，由于預(yù)塑時(shí)，螺桿背壓產(chǎn)生的回流作用增強(qiáng)，會(huì)降低塑化能力。

L2 — 塑化段（壓縮段）螺紋長(zhǎng)度。物料在此錐形空間內(nèi)不斷地受到壓縮、剪切和混煉作用，物料從L2段入點(diǎn)開(kāi)始，熔池不斷地加大，到出點(diǎn)處熔池已占滿(mǎn)全螺槽，物料完成從玻璃態(tài)經(jīng)過(guò)黏彈態(tài)向黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變，即此段，塑料是處于顆粒與熔融體的共存狀態(tài)。L2的長(zhǎng)度會(huì)影響物料從玻璃態(tài)到黏流態(tài)的轉(zhuǎn)化歷程，太短會(huì)來(lái)不及轉(zhuǎn)化，固料堵在L2段的末端形成很高的壓力、扭矩或軸向力；太長(zhǎng)則會(huì)增加螺桿的扭矩和不必要的消耗，一般L2=（6～8）ds。對(duì)于結(jié)晶型的塑料，物料熔點(diǎn)明顯，熔融范圍窄，L2可短些，一般為（3～4）ds，對(duì)于熱敏性塑料，此段可長(zhǎng)些。

S — 螺距，其大小影響螺旋角，從而影響螺槽的輸送效率，一般S≈ds。

ε —壓縮比。ε=h1/h3，即加料段螺槽深度h1與熔融段螺槽深度h3之比。ε大，會(huì)增強(qiáng)剪切效果，但會(huì)減弱塑化能力，一般來(lái)講，ε稍小一點(diǎn)為好，以有利于提高塑化能力和增加對(duì)物料的適應(yīng)性，對(duì)于結(jié)晶型塑料，壓縮比一般取2.6~3.0。對(duì)于低黏度熱穩(wěn)定性塑料，可選用高壓縮比；而高黏度熱敏性塑料，應(yīng)選用低壓縮比。

（2）螺桿頭

在注射螺桿中，螺桿頭的作用是：預(yù)塑時(shí)，能將塑化好的熔體放流到儲(chǔ)料室中，而在高壓注射時(shí)，又能有效地封閉螺桿頭前部的熔體，防止倒流。

螺桿頭分為兩大類(lèi)，帶止逆環(huán)的和不帶止逆環(huán)的，對(duì)于帶止逆環(huán)的，預(yù)塑時(shí)，螺桿均化段的熔體將止逆環(huán)推開(kāi)，通過(guò)與螺桿頭形成的間隙，流入儲(chǔ)料室中，注射時(shí)，螺桿頭部的熔體壓力形成推力，將止逆環(huán)退回流道封堵，防止回流。

表1 注射螺桿頭形式與用途

對(duì)于有些高黏度物料如PMMA、PC、AC或者熱穩(wěn)定性差的物料PVC等，為減少剪切作用和物料的滯留時(shí)間，可不用止逆環(huán)，但這樣的注射時(shí)會(huì)產(chǎn)生反流，延長(zhǎng)保壓時(shí)間。

對(duì)螺桿頭的要求：

① 螺桿頭要靈活、光潔；

② 止逆環(huán)與料筒配合間隙要適宜，即要防止熔體回流，又要靈活；

③ 既有足夠的流通截面，又要保證止逆環(huán)端面有回程力，使在注射時(shí)快速封閉；

④ 結(jié)構(gòu)上應(yīng)拆裝方便，便于清洗；

⑤ 螺桿頭的螺紋與螺桿的螺紋方向相反，防止預(yù)塑時(shí)螺桿頭松脫。

（3）料筒

（?。┝贤驳慕Y(jié)構(gòu)

料筒是塑化部件的重要零件，內(nèi)裝螺桿外裝加熱圈，承受復(fù)合應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，結(jié)構(gòu)如圖7：

1-前料筒；2-電熱圈；3-螺孔；4-加料口

螺孔3裝熱電偶，要與熱電偶緊密地接觸，防止虛浮，否則會(huì)影響溫度測(cè)量精度。

（ⅱ）加料口

加料口的結(jié)構(gòu)形式直接影響進(jìn)料效果和塑化部件的吃料能力，注塑機(jī)大多數(shù)靠料斗中物料的自重加料，常用的進(jìn)料口截面形式如圖8所示：對(duì)稱(chēng)形料口如圖8（a），制造簡(jiǎn)單，但進(jìn)料不利；現(xiàn)多用非對(duì)稱(chēng)形式，如圖8（b）、8（c）所示，此種進(jìn)料口由于物料與螺桿的接觸角大，接觸面積大，有利于提高進(jìn)料效率，不易在料斗中開(kāi)成架橋空穴。

（ⅲ）料筒的壁厚

料筒壁厚要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)榱贤矁?nèi)要承受熔料和氣體壓力，且料筒長(zhǎng)徑比很大，料筒要求有足夠的熱容量，所以料筒壁要有一定的厚度，否則難以保證溫度的穩(wěn)定性；但如果太厚，料筒笨重，浪費(fèi)材料，熱慣性大，升溫慢，溫度調(diào)節(jié)有較大的滯后現(xiàn)象。

（ⅳ）料筒間隙

料筒間隙指料筒內(nèi)壁與螺桿外徑的單面間隙，此間隙太大，塑化能力降低，注射回泄量增加，注射時(shí)間延長(zhǎng)，在此過(guò)程中引起物料部分降解；如果太小，熱膨脹作用使螺桿與料筒摩擦加劇，能耗加大，甚至?xí)ㄋ?，此間隙Δ=（0.002~0.005）ds。

（ⅴ）料筒的加熱與冷卻

注塑機(jī)料筒加熱方式有電阻電熱、陶瓷加熱、鑄鋁加熱，應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)合和加工物料合理設(shè)置，常用的有電阻加熱和陶瓷加熱，為符合注塑工藝要求，料筒要分段控制，小型機(jī)3段，大型機(jī)一般5段。

冷卻是指對(duì)加料口處進(jìn)行冷卻，因加料口處若溫度過(guò)高，固料會(huì)在加料口處“架橋”，堵塞料口，從而影響加料段的輸送效率，故在此處設(shè)置冷卻水套對(duì)其進(jìn)行冷卻。我廠是通過(guò)冷卻循環(huán)水對(duì)加料口進(jìn)行冷卻的。

（4）噴嘴

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噴嘴是連接塑化裝置與模具流道的重要部件，噴嘴有多種功能：

① 預(yù)塑時(shí)，建立背壓，驅(qū)除氣體，防止熔體流涎，提高塑化能力和計(jì)量精度；

② 注射時(shí)，與模具主澆套形成接觸壓力，保持噴嘴與澆套良好接觸，形成密閉流道，防止塑料熔體在高壓下外溢；

③ 注射時(shí)，建立熔體壓力，提高剪切應(yīng)力，并將壓力頭轉(zhuǎn)變成速度頭，提高剪切速度和溫升，加強(qiáng)混煉效果和均化作用；

④ 改變噴嘴結(jié)構(gòu)使之與模具和塑化裝置相匹配，組成新的流道型式或注塑系統(tǒng)；

⑤ 噴嘴還承擔(dān)著調(diào)溫、保溫和斷料的功能；

⑥ 減小熔體在進(jìn)出口的粘彈效應(yīng)和渦流損失，以穩(wěn)定其流動(dòng)；

⑦ 保壓時(shí)，便于向模具制品中補(bǔ)料，而冷卻定型時(shí)增加回流阻力，減小或防止模腔中熔體向回流。

（ⅱ）噴嘴的基本形式

噴嘴可分為直通式噴嘴、鎖閉式噴嘴、熱流道噴嘴和多流道噴嘴，現(xiàn)階段我廠用的都是直通式噴嘴。

直通式噴嘴是應(yīng)用較普遍的噴嘴，其特點(diǎn)是噴嘴球面直接與模具主澆套球面接觸，噴嘴的圓弧半徑和流道比模具要小，注射時(shí)，高壓熔體直接經(jīng)模具的澆道系統(tǒng)充入模腔，速度快、壓力損失小，制造和安裝均較方便。

鎖閉式噴嘴主要是解決直通式噴嘴的流涎問(wèn)題，適用于低黏度聚合物（如PA）的加工。在預(yù)塑時(shí)能關(guān)閉噴嘴流道，防止熔體流涎現(xiàn)象，而當(dāng)注射時(shí)又能在注射壓力的作用下開(kāi)啟，使熔體注入模腔。

2．注射油缸

其工作原理是：注射油缸進(jìn)油時(shí)，活塞帶動(dòng)活塞桿及其置于推力座內(nèi)的軸承，推動(dòng)螺桿前進(jìn)或后退。通過(guò)活塞桿頭部的螺母，可以對(duì)兩個(gè)平行活塞桿的軸向位置以及注射螺桿的軸向位置進(jìn)行同步調(diào)整。

3．推力座

注射時(shí)，推力座通過(guò)推力軸推動(dòng)螺桿進(jìn)行注射；而預(yù)塑時(shí)，通過(guò)油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)推力軸帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)塑。

4．座移油缸

當(dāng)座移油缸進(jìn)油時(shí)，實(shí)現(xiàn)注射座的前進(jìn)或后退動(dòng)作，并保證注塑?chē)娮炫c模具主澆套圓弧面緊密地接觸，產(chǎn)生能封閉熔體的注射座壓力。

5．對(duì)注射部件精度要求

裝配后，整體注射部件要置于機(jī)架上，必須保證噴嘴與模具主澆套緊密地接合，以防溢料，要求使注射部件的中心線與其合模部件的中心線同心；為了保證注射螺桿與料筒內(nèi)孔的配合精度，必須保證兩個(gè)注射油缸孔與料筒定位中心孔的平行度與中心線的對(duì)稱(chēng)度；對(duì)臥式機(jī)來(lái)講，座移油缸兩個(gè)導(dǎo)向孔的平行度和對(duì)其中心的對(duì)稱(chēng)度也必須保證，對(duì)立式機(jī)則必須保證兩個(gè)座移油缸孔與料筒定位中心孔的平行度與中心線的對(duì)稱(chēng)度。影響上述位置精度的因素是相關(guān)聯(lián)部件孔與軸的尺寸精度、幾何精度、制造精度與裝配精度。