壓塑工藝及模具設(shè)計
——下篇 塑料壓制成型第八講 概論

洪慎章

(上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

（接上期）

8.1 壓注成型原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用

8.1.1 壓注成型原理

壓注成型又稱傳遞成型，是熱固性塑料重要的成型方法之一。其成型原理及成型過程如圖220所示，將熱固性塑料[最好經(jīng)預(yù)壓或(和)預(yù)熱]加人閉合模具的加料室2內(nèi)加熱，使物料熔融獲得足夠的流動性；然后在壓力作用下，使熔料經(jīng)模具流道、澆口進入加熱的模腔；固化定型后即可脫模取出制件。因此，壓注成型與注塑成型有很多相似之處，熔料都是經(jīng)澆注系統(tǒng)和澆口注入閉合型腔。不同之處在于壓注成型在加料室進行物料的塑化，而注塑成型在料筒中完成物料的塑化。

圖220 壓注成型過程

8.1.2 壓注型的優(yōu)缺點與應(yīng)用

8.1.2.1 壓注成型的優(yōu)點

詳細分析注塑和壓制成型后，不準看出，壓注成型是在克服壓制成型的缺點，吸收注塑成型優(yōu)點的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種塑料制件成型加工方法。它的主要優(yōu)點如下所述：

（1）壓注模具在開始之前便已完全閉合，塑料的加熱和熔融在加料室內(nèi)進行，壓力機通過壓注柱塞對加料室內(nèi)的塑料熔體加壓時，熔體可以像注塑成型一樣得到壓力作用并快速充滿模腔。當(dāng)熔體充滿模腔后，模腔與加料室中的壓力趨于平衡。因此，可以得到經(jīng)過壓實之后具有較高密度且密度也比較均勻的塑料制件。塑件的強度等力學(xué)性能和電性能也相應(yīng)得到提高。

（2）由于壓注成型是在較高壓力下進行，可以生產(chǎn)深度較大的薄壁或壁厚變化很大的制件，以及帶有深孔的制件，也可以生產(chǎn)形狀比較復(fù)雜及帶有精細或易碎嵌件的制件，而壓制成型就難于加工這樣的制件。

（3）由于壓注成型前模具已經(jīng)完全閉合，因此，壓注成型時的溢料較壓制成型時少，且飛邊很薄，比較容易去除，故所得的塑件不僅表面光潔，而且也比較容易達到較高的尺寸精度。另外，由于壓注成型是在熔融態(tài)下對塑料進行加壓，所以成型的制件性能比較均勻，質(zhì)量也比較高，同時模具所受的磨損也比壓制模小，模具使用壽命較長。

（4）壓注成型時，成型物料在加料室內(nèi)已經(jīng)得到加熱熔融，后以高速通過澆注系統(tǒng)擠入型腔。因此，塑件內(nèi)、外層塑料都有機會與高溫的流道壁相接觸，產(chǎn)生摩擦發(fā)熱，使塑料升溫快而均勻，所以需用的交聯(lián)固化時間較短。當(dāng)制件各處的壁厚相同時，其固化時間只相當(dāng)于壓制成型固化時間的1/5～1/3，因此成型周期較短。

8.1.2.2 壓注成型的缺點

壓注成型雖然具有上述諸多優(yōu)點，但與壓制成型相比較，還存在以下缺點：

（1）模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。壓注成型模具必須設(shè)置澆注系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，它比壓制模要復(fù)雜些，且技術(shù)要求比較精密。

（2）物料消耗多。由于存在分流道及澆口結(jié)構(gòu)，要產(chǎn)生不能回收的澆注系統(tǒng)凝料，塑料浪費較大。對于小型零件就更為突出，這時建議采用與注塑模類似的多腔模，以降低單件物料消耗比。

（3）物料取向差。與注塑成型相似，壓注成型制件充模流動距離比壓制成型法長因此會造成明顯的填料定向。這將引起取向定向的填料應(yīng)力，致使塑件各向異性和翹曲變形，特別是成型纖維增強塑料時，塑料大分子的取向與纖維的取向結(jié)合在一起，更容易增加塑件的各向異性及變形。

（4）流動性低。壓注成型要求采用流動性高的塑料，故有一定局限性，但也不是絕對的。如有浸漆布壓注成的塑件，因該塑件嵌件多且強度低，用壓制法會把嵌件損壞，只好采用壓注法。由于采取了加大澆口尺寸、預(yù)先烘烤浸漆布等措施，這樣才可壓注成功。

（5）收縮率大。用方形樣條測試塑料收縮率，壓制法為0.008 mm/mm，壓注法為0.009 5 mm/mm，注塑成型為0.015 mm/mm，且成型收縮率具有方向性，如圖221所示。這是由于填料定向造成的，因此會影響制件精度。對于未用粉狀填料的塑料則影響不大。

（6）工藝條件嚴格。工藝條件比壓制成型要求更嚴格，成型壓力比壓制成型時高，操作難度大。

（7）塑件修整量大。與壓制成型比較，壓注成型因存在澆口痕跡，需采用較大的修整量。

圖221 收縮率與充模方向的關(guān)系

（8）模具制造麻煩。由于壓注模有澆口系統(tǒng)，使模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模具制造方面就會有更多的麻煩。

8.1.2.3 熱固性塑料成型方法比較

表59列出了使用壓制、壓注及注塑三種成型方法生產(chǎn)熱固性塑料的優(yōu)缺點，可供生產(chǎn)中參考。由該表中可以看出，三種成型方法各有長短。從技術(shù)經(jīng)濟觀點出發(fā)，在制件生產(chǎn)批量較大時，宜優(yōu)先考慮注塑成型，而在制件生產(chǎn)批量較小時，需優(yōu)先考慮使用壓制成型或壓注成型。（4）應(yīng)用一般來講，壓注成型對于熱塑性塑料和熱固性塑料制件均為適應(yīng)。但由于熱塑性塑料固化需要冷卻，所以必須對模具進行周期性升溫和降溫，生產(chǎn)周期長，模具容易熱固疲勞，導(dǎo)致使用壽命降低。因此，目前壓注成型主要用于生產(chǎn)熱固性塑料制件。使用壓注成型生產(chǎn)熱固性塑料制件時，應(yīng)注意塑料品種對壓注成型工藝的適應(yīng)性。壓注成型一般都要求塑料在加料室內(nèi)，從開始熔融到其熔體完全充滿腔之全過程中，始終都能具有良好的流動性(拉西格試驗值≥150 mm)，而在充滿模腔之后的交聯(lián)固化過程中，又盡量要求制件能以最快的速度固化。常用于壓注成型的熱固性塑料有酚醛塑料、環(huán)氧塑料、不飽包聚酯塑料、三聚氰腔甲醛塑料、脲甲醛塑料以及聚鄰苯二甲酸二烯丙酯等。 在成型孔的方面，壓注成型通孔的孔深通常不大于其直徑的10倍，壓注成型不通孔的孔深應(yīng)小于3倍孔徑；而在垂直方向上壓制成型的孔深應(yīng)小于3倍直 徑，側(cè)向壓制成型的孔深應(yīng)不大于其直徑的1.5倍。

表59 熱固性塑料成型方法比較

8.2 壓注成型工藝過程

由圖222可見，壓注成型工藝過程與壓制成型基本相似，但還有如下區(qū)別：

8.2.1 模具操作

壓制成型過程是先加料后閉模，而壓注成型過程與注塑成型 工藝類似，一般都是要求先閉模后加料。

8.2.2 生產(chǎn)前準備工作

除了預(yù)壓之外，壓注成型與壓制成型生產(chǎn)前的準備工作內(nèi)容相似，因此可以相互參考，但二者之間也不一定完全可以照搬。表60列出了壓注成型時熱固性塑料的預(yù)熱條件，該表與第1講表1中的數(shù)據(jù)之間有明顯差異，故在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體生產(chǎn)工藝要求靈活選用。

圖222 壓注成型工藝過程

8.2.3 加料與壓注

壓注成型的加料操作與壓制成型相似，需要采用體積質(zhì)量法或容積法對物料進行計量。每次的加料量除必須保證制件和澆注系統(tǒng)的要求之外，還應(yīng)注意留有適當(dāng)?shù)挠嗔狭?。?dāng)物料采用預(yù)壓措施時，亦可采用計數(shù)法加料。加料時應(yīng)注意，經(jīng)過預(yù)熱的物料需要盡快地裝進加料室，并爭取在15～45 s內(nèi)將物料加熱成熔融狀態(tài)；然后用壓注柱塞以一定的壓力將熔融后的物料經(jīng)澆注系統(tǒng)擠進閉合的壓注模腔，物料的充模過程通常在5～50 s內(nèi)完成。

表60 幾種常用熱固性塑料的預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間

8.2.4 交聯(lián)固化

壓注成型中的交聯(lián)固化概念與壓制成型時基本相同。但應(yīng)注 意，壓注成型時塑料在熔融狀態(tài)下加壓，其內(nèi)部溫度和熱量分布均比壓制成型時均勻，再加上塑料熔體在流經(jīng)截面很小的澆注系統(tǒng)時，剪切摩擦熱又能使其溫度 進一步提高，故充模后的交聯(lián)反應(yīng)速度比壓制成型時大而均勻。因此，壓注成型需要的固化時間和壓力機的保壓時間相應(yīng)比壓制成型時短一些，通常約為30～180 s。

8.2.5 制件脫模與清模

壓注成型生產(chǎn)中制件脫模工作和清模工作與壓制成型 生產(chǎn)時相似，對此可參考第1章的有關(guān)內(nèi)容。

8.3 熱固性塑料充模流動及固化特性

由于熱固性塑料充模時模壁溫度高于流體溫度，而熱塑性塑料充模時模壁溫 度低于流體溫度，因此，兩者的流動行為是不相同的。熱塑性塑料在澆注系統(tǒng)和型腔內(nèi)流動時，充模階段與冷模壁接觸處生成凍結(jié)層，緊靠凍結(jié)層那部分流體黏度增大。由于凍結(jié)層有絕熱作用，可使內(nèi)部熔融體溫度不致降低。這時沿管徑流 速分布如圖223(a)所示，中心處流速最大，凍結(jié)層和緊靠凍結(jié)層處流速為零，速度分布曲線為拋物線。熱固性塑料在模內(nèi)流動時，與高溫模壁接觸處黏度迅速降低，靠壁處的黏度可能反低于中心層的黏度，物料與模壁間的相對速度很大。因此，除緊接模壁極薄的一層流速較低外，整個斷面流速接近相等，形成所謂的“活塞流”，如圖223(b)所示。

圖223 熱塑性與熱固性塑料流動模型

熱塑性塑料充模時，由于模壁受凍結(jié)層的保護，并且模壁附近剪切速率較小，故由流動造成的磨損很小。但熱固性塑料不存在凍結(jié)層，且靠壁處速度梯度很大，故高速料流的強大動能對流道和型腔磨損嚴重。特別是絕大多數(shù)的熱固性塑料都含有各種填充料，除木料等較軟的填料外，還常常含有硬質(zhì)礦物性填料，這些高速質(zhì)點像銼刀一樣地磨損模壁。因此，熱固性塑料壓注模的成型部分應(yīng)采用特殊的耐磨材料制造，特別是在澆口等狹窄部位要求更高。

圖224 塑料流速與升溫速度關(guān)系

熱固性塑料雖然和熱塑性塑料一樣是熱的不良導(dǎo)體，但熱塑性塑料流動時形成的凍結(jié)層有絕熱作用。熱固性塑料無絕熱層，模壁附近有很大的速度梯度且呈紊流，使模具對物料有很大的傳熱系數(shù)，料溫得到迅速提高。圖224所示為在直徑為10 mm的管內(nèi)測得的塑料流速與升溫速度的關(guān)系。當(dāng)流速較高時，只經(jīng)過很短的時間物料即迅速達到模具溫度。流速很高時，物料還有不可忽略的摩擦熱，使料溫明顯上升。

模具溫度應(yīng)保持適當(dāng)。如果模溫偏低，則固化周期增長，甚至固化不完全，造成制件性能下降，翹曲變形，或由于料溫過低，黏度大而不能順利充模。相反當(dāng)模具溫度過高時，會使表層物料溫度迅速越過黏度最低點，造成塑料提前固化（如圖225所示），則制件可能缺料，表面發(fā)暗，出現(xiàn)流紋、黏模和嚴重溢邊。

熱固性塑料在固化時，由于交聯(lián)而生不三相空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此不存在大分子取向和結(jié)晶的影響，熔體破碎等現(xiàn)象也很少見。但是采用纖維狀填料的熱固性塑料卻存在著纖維取向作用，以致造成制件力學(xué)性能不均，各向收縮率不等的弊病。纖維取向如圖226所示，充模完成纖維方向與流動方向互相垂直。在選擇澆口的位置時，應(yīng)考慮取向方位對制件性能的影響。

圖225 熱固性塑料的黏度和加熱時間關(guān)系

壓制和壓注成型的熱固性塑料，對其流動性和固化速率都應(yīng)有一定的要求。流動性太大，壓制成型會增大溢料量，太低又不易充滿型腔；固化速率太高容易引起缺料，太低又會降低生產(chǎn)效率。一般情況下，用于壓制和壓注成型的熱固性塑料，對流動性和固化速率要求相差不大，可用同一種原料進行生產(chǎn)。

圖226 充模過程中填料定向

8.4 壓注成型的主要工藝參數(shù)

根據(jù)成型制件的不同，壓注成型的主要工藝參數(shù)要求也不同，它包括成型壓力、成型溫度和成型周期等。這些主要工藝參數(shù)均與塑料制件的品種及形狀尺寸、模具結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。

8.4.1 成型壓力

成型壓力指壓力機通過壓注柱塞，對加料腔內(nèi)塑料熔體施加的壓力。由于熔體通過澆注系統(tǒng)時具有壓力損失，故壓注時的成型壓力一般為壓制成型時的2～3倍。壓力一般因塑料種類、模具結(jié)構(gòu)及塑件的形狀尺寸不同而不同。例如，酚醛塑料粉和氨基塑料粉需用的成型壓力通常為50～80 MPa， 高者可達100～200 MPa； 有纖維填料的塑料為80～160 MPa； 不飽和聚酯預(yù)混模塑料(PMC) 的流動性極好，所需成型壓力不僅為酚醛模塑料的30%～50%，但它們的固化速度很快，要求在數(shù)秒鐘內(nèi)即要完全充滿模腔；而對于低壓封裝所用的環(huán)氧和硅酮則為2～10 MPa。

8.4.2 成型溫度

成型溫度包括加料室內(nèi)的物料溫度和模具本身的溫度。為了保證物料具有良好的流動性，物料溫度必須適當(dāng)?shù)氐陀诮宦?lián)溫度(如10～20 ℃)。壓注成型的模具溫度通常要比壓制成型的溫度低15～30 ℃，一般為130～190 ℃。這是由于塑料經(jīng)過澆注系統(tǒng)時產(chǎn)生摩擦，塑料熔體能從中獲取一部分摩擦熱。加料室和下模的溫度要低一些，而中間型腔的溫度要高一些。這樣可以保證塑料順利地進入型腔而又不會出現(xiàn)溢料現(xiàn)象，同時也可避免塑件出現(xiàn)缺料、起泡、接縫等缺陷。

8.4.3 成型周期

壓注成型周期包括加料時間、壓注(充模)時間、保壓(交聯(lián)固化)時間、脫取制件時間和清模時間等。在一般情況下，壓注時間控制在加壓后塑料在10～30 s內(nèi)將型腔充滿。保壓時間與壓制成型的保壓時間比較，可以短一些。這是因為塑料在加熱和壓力作用下，通過澆口的料量少，加熱迅速而均勻，塑料化學(xué)反應(yīng)也較均勻，所以當(dāng)塑料進入型腔時已臨近樹脂的固化溫度。保壓時間取決于塑料品種、制件的大小、形狀、壁厚、預(yù)熱條件和模具結(jié)構(gòu)等，通?？扇?0～180 s。壓注成型對塑料有一定要求，即在未達到硬化溫度以前，塑料應(yīng)具有較大的流動性；而達到硬化溫度后，又需具有較快的硬化速度。能符合這種要求的塑料有：酚醛、三聚氰胺甲醛和環(huán)氧樹脂等塑料。而不飽和聚酯和脲醛塑料，則由于在低溫下具有較大的硬化速度，所以一般不能成型較大的塑料制件。

表61和表62列出了酚醛塑料和其他一些熱固性塑料壓注成型的主要工藝參數(shù)，可供參考使用。

表61 酚醛塑料壓注成型的主要工藝參數(shù)

表62 部分塑料壓注成型的主要工藝參數(shù)

續(xù)表