淺述塑料注射壓縮成型技術(shù)及應(yīng)用

肖九梅

（湖北武漢市江城化工材料公司 430055）

所謂注塑壓縮成型是一種注塑和壓縮模塑的組合成型技術(shù)，又叫二次合模注塑成型。這種成型工藝原是為了成型光學(xué)透鏡而開發(fā)的。

1.塑料注射壓縮成型的工藝特點(diǎn)

眾所周知，光學(xué)透鏡對(duì)其幾何精度要求非常高、既要尺寸準(zhǔn)確，又要變形小，而一般注塑成型就難以達(dá)到此要求。它要經(jīng)過注塑和壓縮兩個(gè)階段。熔料先由螺桿推送注射人模腔，隨后對(duì)注入模腔中的熔料進(jìn)行壓縮，這種壓縮十分重要；它可以減少熔料在壓力注射入模時(shí)對(duì)分子取向的影響，有助于降低塑件中的殘余應(yīng)力，使成型塑件具有很高的精度，現(xiàn)在廣泛用于成型塑料光學(xué)透鏡，激光唱片等高精度塑件，以及難以成型的薄壁塑件。

成型熱塑性塑料時(shí)，同樣存在固態(tài)變?yōu)檎沉鲬B(tài)而充滿型腔的情況，與成型熱固性塑料的區(qū)別在于，它不存在交聯(lián)反應(yīng)，因此，在充滿型腔后，需將模具冷卻使其凝固，才能脫模而獲得塑件。

由于熱塑性塑料壓縮成型時(shí)需要交替地加熱和冷卻，故生產(chǎn)周期長，效率低，所以在注射成型技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，使用壓縮法生產(chǎn)熱塑性塑件的情況已經(jīng)不多，只是對(duì)于一些流動(dòng)性很差的熱塑性塑料(如聚四氟乙烯等)無法進(jìn)行注射成型時(shí)，才考慮使用壓縮成型。與注射成型相比，壓縮成型的優(yōu)點(diǎn)是，可采用普通液壓機(jī)，而且壓縮模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(無澆注系統(tǒng))，此外，壓縮塑件內(nèi)部取向組織少，塑件成型收縮率小以及性能均勻。其缺點(diǎn)是成型周期長，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，塑件精度難以控制，模具壽命短，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

注射壓縮技術(shù)是一種低壓加工工藝，用于低應(yīng)力模塑成型生產(chǎn)。也可以將這種工藝用于紡織品或薄膜的背面注塑成型（模內(nèi)裝飾），從而能夠保護(hù)裝飾材料免受較高注射壓力的損害。在這些生產(chǎn)例子中，熔體首先被注入未完全關(guān)閉的模具。在注射工序進(jìn)行期間，或一旦注射程序完成，模具就完全關(guān)閉。

對(duì)于厚壁塑件，注射壓縮技術(shù)能夠在冷卻期間對(duì)模具的整個(gè)分型面均勻地施加壓力，從而防止出現(xiàn)縮痕。對(duì)于薄壁產(chǎn)件，注射壓縮工藝能夠更好地控制材料分子取向，減少應(yīng)力。特別是對(duì)于具有微觀結(jié)構(gòu)的薄壁模具而言，比如光存儲(chǔ)介質(zhì)，這種效果尤其明顯。

與傳統(tǒng)注塑過程相比較，注射壓縮成型的顯著特點(diǎn)是，其模具型腔空間可以按照不同要求自動(dòng)調(diào)整。例如，它可以在材料未注入型腔前，使模具導(dǎo)向部分有所封閉，而型腔空間則擴(kuò)大到零件完工壁厚的兩倍。另外，還可根據(jù)不同的操作方式，在材料注射期間或在注射完畢之后相應(yīng)控制型腔空間的大小，使之與注射過程相配合，讓聚合物保持適當(dāng)?shù)氖軌籂顟B(tài)，并達(dá)到補(bǔ)償材料收縮的效果。

注塑壓縮成型的最大優(yōu)點(diǎn)就是塑件精度高，取向度低，內(nèi)應(yīng)力小，各向的收縮接近于相等，故特別適合要求高度透明且變形小的大面積光學(xué)塑料制品的成型。采用注塑壓縮成型，可以利用現(xiàn)有的注塑成型機(jī)進(jìn)行，且注射壓力可以大為減小。但注塑壓縮成型的工藝操作較復(fù)雜，對(duì)注射量的控制要十分準(zhǔn)確，在第一次合模時(shí)所控制的距離也要精確，注塑模的結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。因此它的應(yīng)用并不廣泛[1]。

2.塑料注射壓縮成型工藝

塑料注射壓縮成型是傳統(tǒng)注塑成型的一種高級(jí)形式，它能增加注塑零件的流注長度/壁厚的比例；采用更小的鎖模力和注射壓力；減少材料內(nèi)應(yīng)力；以及進(jìn)步加工生產(chǎn)率。塑料注射壓縮成型適用于各種熱塑性工程塑膠制作的產(chǎn)品，如：大尺寸的曲面零件，薄壁、微型化零件，光學(xué)鏡片，以及有良好抗襲擊特性要求的零件。

熱固性塑料比較容易吸濕，貯存時(shí)易受潮，所以，在對(duì)塑料進(jìn)行加工前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱和干燥處理。同時(shí)，又由于熱固性塑料的比容比較大，因此，為了使成型過程順利進(jìn)行，有時(shí)還要先對(duì)塑料進(jìn)行預(yù)壓處理。在成型前，應(yīng)對(duì)熱固性塑料進(jìn)行加熱。加熱的目的有兩個(gè)：一是對(duì)塑料進(jìn)行預(yù)熱，以便對(duì)壓縮模提供具有一定溫度的熱料，使塑料在模內(nèi)受熱均勻，縮短壓縮成型周期；二是對(duì)塑料進(jìn)行干燥，防止塑料中帶有過多的水分和低分子揮發(fā)物，確保塑件的成型質(zhì)量。預(yù)熱與干燥的常用設(shè)備是烘箱和紅外線加熱爐。預(yù)壓是指壓縮成型前，在室溫或稍高于室溫的條件下，將松散的粉狀、粒狀、碎屑狀、片狀或長纖維狀的成型物料壓實(shí)成重量一定、形狀一致的塑料型坯，使其能比較容易地被放入壓縮模加料室。

注射入模，模具先進(jìn)行初次閉合，這時(shí)并不是將動(dòng)、定模完全閉合，而是留有0.2mm左右的間隙，隨之螺桿前移，將計(jì)量精確的熔料注射大模，由于模具的型芯部分沒有臺(tái)階、雖然模具尚未閉合，但型腔中的熔料也不會(huì)泄漏。

填充是整個(gè)注塑循環(huán)過程中的第一步，時(shí)間從模具閉合開始注塑算起，到模具型腔填充到大約95%為止。理論上，填充時(shí)間越短，成型效率越高，但是實(shí)際中，成型時(shí)間或者注塑速度要受到很多條件的制約。高速填充時(shí)剪切率較高，塑料由于剪切變稀的作用而存在粘度下降的情形，使整體流動(dòng)阻力降低；局部的粘滯加熱影響也會(huì)使固化層厚度變薄。因此在流動(dòng)控制階段，填充行為往往取決于待填充的體積大小。即在流動(dòng)控制階段，由于高速填充，熔體的剪切變稀效果往往很大，而薄壁的冷卻作用并不明顯，于是速率的效用占了上風(fēng)。

熱傳導(dǎo)控制低速填充時(shí)，剪切率較低，局部粘度較高，流動(dòng)阻力較大。由于熱塑料補(bǔ)充速率較慢，流動(dòng)較為緩慢，使熱傳導(dǎo)效應(yīng)較為明顯，熱量迅速為冷模壁帶走。加上較少量的粘滯加熱現(xiàn)象，固化層厚度較厚，又進(jìn)一步增加壁部較薄處的流動(dòng)阻力。由于噴泉流動(dòng)的原因，在流動(dòng)波前面的塑料高分子鏈排向幾乎平行流動(dòng)波前。因此兩股塑料熔膠在交匯時(shí)，接觸面的高分子鏈互相平行；加上兩股熔膠性質(zhì)各異，造成熔膠交匯區(qū)域在微觀上結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差。在光線下將零件擺放適當(dāng)?shù)慕嵌扔萌庋塾^察，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的接合線產(chǎn)生，這就是熔接痕的形成機(jī)理。熔接痕不僅影響塑件外觀，同時(shí)由于微觀結(jié)構(gòu)的松散，易造成應(yīng)力集中，從而使得該部分的強(qiáng)度降低而發(fā)生斷裂。

壓縮成型，當(dāng)螺桿前移達(dá)到注射所預(yù)定的位置時(shí)，即向合模裝置發(fā)出第二次合模信號(hào)，由專用的閉?；钊麑?shí)施第二次合模，合模裝置隨后立即增大鎖模力并推動(dòng)動(dòng)模前進(jìn)，將動(dòng)、定模板完全合攏，這時(shí)模腔中的熔料即在動(dòng)模的壓縮作用下取得型腔的精確形狀。

注射壓縮成型向發(fā)泡注塑成型延伸，發(fā)泡注射壓縮成型是一種特殊的情形。在這種工藝流程中，在熔體和發(fā)泡劑注入完全關(guān)閉的模具后施壓，在壓力達(dá)到先前的設(shè)定值后型腔打開。這樣生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有一種界限分明而又合為一體的泡狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品芯層具有均勻的細(xì)泡分布，而皮層只是略微地發(fā)泡。根據(jù)注塑零件的幾何形狀、表面質(zhì)量要求、以及不同的注塑設(shè)備條件，有四種注射收縮方式可供選擇：順序式；共動(dòng)式；呼吸式和局部加壓式[2]。

3.塑料注射壓縮成型過程

模具裝上壓力機(jī)后要進(jìn)行預(yù)熱，若塑件帶有嵌件，加料前應(yīng)將預(yù)熱嵌件放入模具型腔內(nèi)。熱固性塑料的成型過程一般可分為加料、閉模、排氣、固化和脫模等幾個(gè)階段。

加料就是在模具型腔中加入已預(yù)熱的定量的物料，這是壓縮成型生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。加料是否準(zhǔn)確，將直接影響到塑件的密度和尺寸精度。常用的加料方法有體積質(zhì)量法、容量法和記數(shù)法三種。體積質(zhì)量法需用衡器稱量物料的體積質(zhì)量大小，然后加入到模具內(nèi)，采用該方法可準(zhǔn)確地控制加料量，但操作不方便。

壓縮成型熱固性塑料時(shí)，塑料依靠交聯(lián)反應(yīng)固化定型的過程稱為固化或硬化。熱固性塑料的交聯(lián)反應(yīng)程度不一定達(dá)到100%，其硬化程度的高低與塑料品種、模具溫度及成型壓力等因素有關(guān)。當(dāng)這些因素一定時(shí)，硬化程度主要取決于硬化時(shí)間。最佳硬化時(shí)間應(yīng)以硬化程度適中時(shí)為準(zhǔn)。固化速率不高的塑料，有時(shí)也不必將整個(gè)固化過程放在模內(nèi)完成，只要塑件能夠完整地脫模即可結(jié)束固化，因?yàn)檠娱L固化時(shí)間會(huì)降低生產(chǎn)效率。提前結(jié)束固化時(shí)間的塑件需用后烘的方法來完成它的固化。通常酚醛壓縮塑件的后烘溫度范圍為90～150℃，時(shí)間為幾小時(shí)至幾十小時(shí)不等，視塑件的厚薄而定。模內(nèi)固化時(shí)間取決于塑料的種類、塑件的厚度、物料的形狀及預(yù)熱和成型的溫度等，一般由30s至數(shù)分鐘不等，具體時(shí)間的長短需由實(shí)驗(yàn)方法確定，過長或過短對(duì)塑件的性能都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

固化過程完成以后，壓力機(jī)將卸載回程，并將模具開啟，推出機(jī)構(gòu)將塑件推出模外，帶有側(cè)向型芯或嵌件時(shí)，必須先完成抽芯才能脫模。熱固性塑件與熱塑性塑件的脫模條件不同。對(duì)于熱塑性塑件，必須使其在模具中冷卻到自身具有一定的強(qiáng)度和剛度之后才能脫模；但對(duì)于熱固性塑件，脫模條件應(yīng)以其在熱模中的硬化程度達(dá)到適中時(shí)為準(zhǔn)，在大批量生產(chǎn)中，為了縮短成型周期，提高生產(chǎn)效率，亦可在制件尚未達(dá)到硬化程度適中的情況下進(jìn)行脫模，但此時(shí)塑件必須有足夠的強(qiáng)度和剛度以保證在脫模過程中不發(fā)生變形和損壞。對(duì)于硬化程度不足而提前脫模的塑件，必須將它們集中起來進(jìn)行后烘處理[3]。

塑件脫模以后，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行清理，有時(shí)還要對(duì)塑件進(jìn)行后處理。脫模后，要用銅簽或銅刷去除留在模內(nèi)的碎屑、飛邊等，然后再用壓縮空氣將模具型腔吹凈。

4.塑料注射壓縮成型的注塑工藝與模具

注射成型又稱注塑成型，其原理是將粒狀或粉狀的原料加入到注射機(jī)的料斗里，原料經(jīng)加熱熔化呈流動(dòng)狀態(tài)，在注射機(jī)的螺桿或活塞推動(dòng)下，經(jīng)噴嘴和模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具型腔，在模具型腔內(nèi)硬化定型。

注射壓縮成型是傳統(tǒng)注塑成型的一種高級(jí)形式，它能夠增加注塑零件的流注長度/壁厚的比例、使用更小的鎖模力和注射壓力、減少材料內(nèi)應(yīng)力以及提高加工的生產(chǎn)能力。注射壓縮成型技術(shù)適用于各種熱塑性工程塑料制品，如大尺寸的曲面零件、薄壁零件、微型化零件以及具有良好抗沖擊特性的零件。根據(jù)注塑零件的幾何形狀、表面質(zhì)量要求以及不同的注塑設(shè)備條件，有四種注射一壓縮成型方式可供選擇，即順序式、共動(dòng)式、呼吸式和局部加壓。

熱固性塑料固有很高的耐熱性、優(yōu)良的電性能和抗變形能力等許多突出的優(yōu)點(diǎn)而越來越受到人們的重視。以前多靠壓縮成型。但壓縮成型的生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，因而受到一定的限制，不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。上世紀(jì)60年代以后，人們成功地將熱塑性塑料的注塑成型技術(shù)移植到熱固性塑料加工中，并得到了推廣，

注射壓縮成型適于有曲面外形的零件成型，要選擇好被注零件的入口及流注通道位置，使之達(dá)到填充型腔的良好效果，一些商用注塑填充程序可用來探測(cè)推擠力和注射壓力。要注意使模具伸出的導(dǎo)向刃軟和導(dǎo)向芯部以及型腔，有嚴(yán)密的公差配合以防熔料滲漏溢出型腔；有一個(gè)帶逆止開關(guān)的噴嘴用以防止聚合物回流人注塑機(jī)。

對(duì)于有通孔的零件，應(yīng)當(dāng)使固定在模具一側(cè)的鎖釘穿入另一側(cè)模具并有良好的滑動(dòng)配合，以防模具型腔運(yùn)動(dòng)迫使銷子松動(dòng)或被卡死。由于在注射壓縮成型注塑過程中，型腔壓力比傳統(tǒng)注塑時(shí)要低，所以模具結(jié)構(gòu)不必像傳統(tǒng)注塑時(shí)那樣堅(jiān)實(shí)笨重。

塑料模具是塑料加工工業(yè)中和塑料成型機(jī)配套，賦予塑料制品以完整構(gòu)型和精確尺寸的工具。由于塑料品種和加工方法繁多，塑料成型機(jī)和塑料制品的結(jié)構(gòu)又繁簡(jiǎn)不一，所以，塑料模具的種類和結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。塑料注射(塑)模具主要是熱塑性塑料件產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用最為普遍的一種成型模具，對(duì)應(yīng)的加工設(shè)備是塑料注射成型機(jī)，塑料首先在注射機(jī)底加熱料筒內(nèi)受熱熔融，然后在注射機(jī)的螺桿或柱塞推動(dòng)下，經(jīng)注射機(jī)噴嘴和模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具型腔，塑料冷卻硬化成型，脫模得到制品。其結(jié)構(gòu)通常由成型部件、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向部件、推出機(jī)構(gòu)、調(diào)溫系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、支撐部件等部分組成。注射成型加工方式通常只適用于熱塑料品的制品生產(chǎn)，用注射成型工藝生產(chǎn)的塑料制品十分廣泛，從生活日用品到各類復(fù)雜的機(jī)械，電器、交通工具零件等都是用注射模具成型的，它是塑料制品生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的一種加工方法。模具設(shè)計(jì)和制造與塑料加工有密切關(guān)系。塑料加工的成敗，很大程度上取決于模具設(shè)計(jì)效果和模具制造質(zhì)量，而塑料模具設(shè)計(jì)又以正確的塑料制品設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)[4]。

5.塑料注射壓縮成型的注塑件與模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

注射壓縮成型適于注塑有曲面外型的零件，如手提電腦外殼，小汽車尾門，汽車儀表板，以及較為平坦的汽車擋泥板等。要選擇好被注零件的進(jìn)口及流住通道位置，使之達(dá)到填充型腔的良好效果。一些商用注塑填充程序可用來探測(cè)推擠力和注射壓力。為塑膠制定的一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則也可以利用，如加強(qiáng)肋/壁厚的厚度比例，以及一些組合技術(shù)等。要留意使模具伸出的導(dǎo)向刃軌和導(dǎo)向芯部以及型腔。有嚴(yán)密的公差配合，以防聚合物滲漏溢出型腔。

在注塑成型模具中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。這是因?yàn)槌尚退芰现破分挥欣鋮s固化到一定剛性，脫模后才能避免塑料制品因受到外力而產(chǎn)生變形。由于冷卻時(shí)間占整個(gè)成型周期約70%～80%，因此設(shè)計(jì)良好的冷卻系統(tǒng)可以大幅縮短成型時(shí)間，提高注塑生產(chǎn)率，降低成本。設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)會(huì)使成型時(shí)間拉長，增加成本；冷卻不均勻更會(huì)進(jìn)一步造成塑料制品的翹曲變形。塑料制品在模具中由于冷卻水管的作用，熱量由模腔中的塑料通過熱傳導(dǎo)經(jīng)模架傳至冷卻水管，再通過熱對(duì)流被冷卻液帶走。

注塑壓力是由注塑系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)提供的。液壓缸的壓力通過注塑機(jī)螺桿傳遞到塑料熔體上，塑料熔體在壓力的推動(dòng)下，經(jīng)注塑機(jī)的噴嘴進(jìn)入模具的豎流道、主流道、分流道，并經(jīng)澆口進(jìn)入模具型腔，這個(gè)過程即為注塑過程，或者稱之為填充過程。影響熔體填充壓力的因素很多，概括起來有3類：材料因素，如塑料的類型、粘度等；結(jié)構(gòu)性因素，如澆注系統(tǒng)的類型、數(shù)目和位置，模具的型腔形狀以及制品的厚度等；成型的工藝要素。壓力的存在是為了克服熔體流動(dòng)過程中的阻力，或者反過來說，流動(dòng)過程中存在的阻力需要注塑機(jī)的壓力來抵消，以保證填充過程順利進(jìn)行。在注塑過程中，注塑機(jī)噴嘴處的壓力最高，以克服熔體全程中的流動(dòng)阻力。其后，壓力沿著流動(dòng)長度往熔體最前端波前處逐步降低，如果模腔內(nèi)部排氣良好，則熔體前端最后的壓力就是大氣壓。

注塑時(shí)間是塑料熔體充滿型腔所需要的時(shí)間，不包括模具開、合等輔助時(shí)間。盡管注塑時(shí)間很短，對(duì)于成型周期的影響也很小，但是注塑時(shí)間的調(diào)整對(duì)于澆口、流道和型腔的壓力控制有著很大作用。合理的注塑時(shí)間有助于熔體理想填充，而且對(duì)于提高制品的表面質(zhì)量以及減小尺寸公差有著非常重要的意義。注塑時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷卻時(shí)間，大約為冷卻時(shí)間的1/10～1/15，這個(gè)規(guī)律可以作為預(yù)測(cè)塑件全部成型時(shí)間的依據(jù)。

注塑溫度是影響注塑壓力的重要因素。注塑機(jī)料筒有5～6個(gè)加熱段，每種原料都有其合適的加工溫度。注塑溫度必須控制在一定的范圍內(nèi)。溫度太低，熔料塑化不良，影響成型件的質(zhì)量，增加工藝難度；溫度太高，原料容易分解。在實(shí)際的注塑成型過程中，注塑溫度往往比料筒溫度高，高出的數(shù)值與注塑速率和材料的性能有關(guān)，最高可達(dá)30℃。

在注塑過程將近結(jié)束時(shí)，螺桿停止旋轉(zhuǎn)，只是向前推進(jìn)，此時(shí)注塑進(jìn)入保壓階段。保壓過程中注塑機(jī)的噴嘴不斷向型腔補(bǔ)料，以填充由于制件收縮而空出的容積。如果型腔充滿后不進(jìn)行保壓，制件大約會(huì)收縮25%左右，特別是筋處由于收縮過大而形成收縮痕跡。保壓壓力一般為充填最大壓力的85%左右，當(dāng)然要根據(jù)實(shí)際情況來確定。

背壓是指螺桿反轉(zhuǎn)后退儲(chǔ)料時(shí)所需要克服的壓力。采用高背壓有利于色料的分散和塑料的融化，但卻同時(shí)延長了螺桿回縮時(shí)間，降低了塑料纖維的長度，增加了注塑機(jī)的壓力，因此背壓應(yīng)該低一些，一般不超過注塑壓力的20%。注塑泡沫塑料時(shí)，背壓應(yīng)該比氣體形成的壓力高，否則螺桿會(huì)被推出料筒。有些注塑機(jī)可以將背壓編程，以補(bǔ)償熔化期間螺桿長度的縮減，這樣會(huì)降低輸入熱量，令溫度下降。不過由于這種變化的結(jié)果難以估計(jì)，故不易對(duì)機(jī)器作出相應(yīng)的調(diào)整[5]。

6.結(jié)朿語

總之，注射壓縮成型大型注塑機(jī)不乏是其中一種性能良好的經(jīng)濟(jì)型機(jī)型。注射壓縮成型適應(yīng)大型制件的注塑成型。大型注塑機(jī)的開發(fā)，是我國的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)在開發(fā)的大型注塑機(jī)，基本上屬于普通的注塑機(jī)，在注塑工藝方面沒有突破。普通的大型注塑機(jī)，投資大，一般用戶難以投資，間接地增加了大型制件的成本。為使大型注塑機(jī)有利于推廣使用，必須降低大型注塑機(jī)的制造成本，單純從制造加工方面降低成本是極其有限的，必須從機(jī)構(gòu)、注塑工藝等方面進(jìn)行突破，才能降低大型注塑機(jī)的制造成本，同是能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。