浅述塑料注射压缩成型技术及应用

肖九梅

（湖北武汉市江城化工材料公司 430055）

所谓注塑压缩成型是一种注塑和压缩模塑的组合成型技术，又叫二次合模注塑成型。这种成型工艺原是为了成型光学透镜而开发的。

1.塑料注射压缩成型的工艺特点

众所周知，光学透镜对其几何精度要求非常高、既要尺寸准确，又要变形小，而一般注塑成型就难以达到此要求。它要经过注塑和压缩两个阶段。熔料先由螺杆推送注射人模腔，随后对注入模腔中的熔料进行压缩，这种压缩十分重要；它可以减少熔料在压力注射入模时对分子取向的影响，有助于降低塑件中的残余应力，使成型塑件具有很高的精度，现在广泛用于成型塑料光学透镜，激光唱片等高精度塑件，以及难以成型的薄壁塑件。

成型热塑性塑料时，同样存在固态变为粘流态而充满型腔的情况，与成型热固性塑料的区别在于，它不存在交联反应，因此，在充满型腔后，需将模具冷却使其凝固，才能脱模而获得塑件。

由于热塑性塑料压缩成型时需要交替地加热和冷却，故生产周期长，效率低，所以在注射成型技术不断发展的情况下，使用压缩法生产热塑性塑件的情况已经不多，只是对于一些流动性很差的热塑性塑料(如聚四氟乙烯等)无法进行注射成型时，才考虑使用压缩成型。与注射成型相比，压缩成型的优点是，可采用普通液压机，而且压缩模结构简单(无浇注系统)，此外，压缩塑件内部取向组织少，塑件成型收缩率小以及性能均匀。其缺点是成型周期长，生产效率低，劳动强度大，塑件精度难以控制，模具寿命短，不易实现自动化生产。

注射压缩技术是一种低压加工工艺，用于低应力模塑成型生产。也可以将这种工艺用于纺织品或薄膜的背面注塑成型（模内装饰），从而能够保护装饰材料免受较高注射压力的损害。在这些生产例子中，熔体首先被注入未完全关闭的模具。在注射工序进行期间，或一旦注射程序完成，模具就完全关闭。

对于厚壁塑件，注射压缩技术能够在冷却期间对模具的整个分型面均匀地施加压力，从而防止出现缩痕。对于薄壁产件，注射压缩工艺能够更好地控制材料分子取向，减少应力。特别是对于具有微观结构的薄壁模具而言，比如光存储介质，这种效果尤其明显。

与传统注塑过程相比较，注射压缩成型的显著特点是，其模具型腔空间可以按照不同要求自动调整。例如，它可以在材料未注入型腔前，使模具导向部分有所封闭，而型腔空间则扩大到零件完工壁厚的两倍。另外，还可根据不同的操作方式，在材料注射期间或在注射完毕之后相应控制型腔空间的大小，使之与注射过程相配合，让聚合物保持适当的受压状态，并达到补偿材料收缩的效果。

注塑压缩成型的最大优点就是塑件精度高，取向度低，内应力小，各向的收缩接近于相等，故特别适合要求高度透明且变形小的大面积光学塑料制品的成型。采用注塑压缩成型，可以利用现有的注塑成型机进行，且注射压力可以大为减小。但注塑压缩成型的工艺操作较复杂，对注射量的控制要十分准确，在第一次合模时所控制的距离也要精确，注塑模的结构也较复杂。因此它的应用并不广泛[1]。

2.塑料注射压缩成型工艺

塑料注射压缩成型是传统注塑成型的一种高级形式，它能增加注塑零件的流注长度/壁厚的比例；采用更小的锁模力和注射压力；减少材料内应力；以及进步加工生产率。塑料注射压缩成型适用于各种热塑性工程塑胶制作的产品，如：大尺寸的曲面零件，薄壁、微型化零件，光学镜片，以及有良好抗袭击特性要求的零件。

热固性塑料比较容易吸湿，贮存时易受潮，所以，在对塑料进行加工前应对其进行预热和干燥处理。同时，又由于热固性塑料的比容比较大，因此，为了使成型过程顺利进行，有时还要先对塑料进行预压处理。在成型前，应对热固性塑料进行加热。加热的目的有两个：一是对塑料进行预热，以便对压缩模提供具有一定温度的热料，使塑料在模内受热均匀，缩短压缩成型周期；二是对塑料进行干燥，防止塑料中带有过多的水分和低分子挥发物，确保塑件的成型质量。预热与干燥的常用设备是烘箱和红外线加热炉。预压是指压缩成型前，在室温或稍高于室温的条件下，将松散的粉状、粒状、碎屑状、片状或长纤维状的成型物料压实成重量一定、形状一致的塑料型坯，使其能比较容易地被放入压缩模加料室。

注射入模，模具先进行初次闭合，这时并不是将动、定模完全闭合，而是留有0.2mm左右的间隙，随之螺杆前移，将计量精确的熔料注射大模，由于模具的型芯部分没有台阶、虽然模具尚未闭合，但型腔中的熔料也不会泄漏。

填充是整个注塑循环过程中的第一步，时间从模具闭合开始注塑算起，到模具型腔填充到大约95%为止。理论上，填充时间越短，成型效率越高，但是实际中，成型时间或者注塑速度要受到很多条件的制约。高速填充时剪切率较高，塑料由于剪切变稀的作用而存在粘度下降的情形，使整体流动阻力降低；局部的粘滞加热影响也会使固化层厚度变薄。因此在流动控制阶段，填充行为往往取决于待填充的体积大小。即在流动控制阶段，由于高速填充，熔体的剪切变稀效果往往很大，而薄壁的冷却作用并不明显，于是速率的效用占了上风。

热传导控制低速填充时，剪切率较低，局部粘度较高，流动阻力较大。由于热塑料补充速率较慢，流动较为缓慢，使热传导效应较为明显，热量迅速为冷模壁带走。加上较少量的粘滞加热现象，固化层厚度较厚，又进一步增加壁部较薄处的流动阻力。由于喷泉流动的原因，在流动波前面的塑料高分子链排向几乎平行流动波前。因此两股塑料熔胶在交汇时，接触面的高分子链互相平行；加上两股熔胶性质各异，造成熔胶交汇区域在微观上结构强度较差。在光线下将零件摆放适当的角度用肉眼观察，可以发现有明显的接合线产生，这就是熔接痕的形成机理。熔接痕不仅影响塑件外观，同时由于微观结构的松散，易造成应力集中，从而使得该部分的强度降低而发生断裂。

压缩成型，当螺杆前移达到注射所预定的位置时，即向合模装置发出第二次合模信号，由专用的闭模活塞实施第二次合模，合模装置随后立即增大锁模力并推动动模前进，将动、定模板完全合拢，这时模腔中的熔料即在动模的压缩作用下取得型腔的精确形状。

注射压缩成型向发泡注塑成型延伸，发泡注射压缩成型是一种特殊的情形。在这种工艺流程中，在熔体和发泡剂注入完全关闭的模具后施压，在压力达到先前的设定值后型腔打开。这样生产出来的产品具有一种界限分明而又合为一体的泡状结构，产品芯层具有均匀的细泡分布，而皮层只是略微地发泡。根据注塑零件的几何形状、表面质量要求、以及不同的注塑设备条件，有四种注射收缩方式可供选择：顺序式；共动式；呼吸式和局部加压式[2]。

3.塑料注射压缩成型过程

模具装上压力机后要进行预热，若塑件带有嵌件，加料前应将预热嵌件放入模具型腔内。热固性塑料的成型过程一般可分为加料、闭模、排气、固化和脱模等几个阶段。

加料就是在模具型腔中加入已预热的定量的物料，这是压缩成型生产的重要环节。加料是否准确，将直接影响到塑件的密度和尺寸精度。常用的加料方法有体积质量法、容量法和记数法三种。体积质量法需用衡器称量物料的体积质量大小，然后加入到模具内，采用该方法可准确地控制加料量，但操作不方便。

压缩成型热固性塑料时，塑料依靠交联反应固化定型的过程称为固化或硬化。热固性塑料的交联反应程度不一定达到100%，其硬化程度的高低与塑料品种、模具温度及成型压力等因素有关。当这些因素一定时，硬化程度主要取决于硬化时间。最佳硬化时间应以硬化程度适中时为准。固化速率不高的塑料，有时也不必将整个固化过程放在模内完成，只要塑件能够完整地脱模即可结束固化，因为延长固化时间会降低生产效率。提前结束固化时间的塑件需用后烘的方法来完成它的固化。通常酚醛压缩塑件的后烘温度范围为90～150℃，时间为几小时至几十小时不等，视塑件的厚薄而定。模内固化时间取决于塑料的种类、塑件的厚度、物料的形状及预热和成型的温度等，一般由30s至数分钟不等，具体时间的长短需由实验方法确定，过长或过短对塑件的性能都会产生不利的影响。

固化过程完成以后，压力机将卸载回程，并将模具开启，推出机构将塑件推出模外，带有侧向型芯或嵌件时，必须先完成抽芯才能脱模。热固性塑件与热塑性塑件的脱模条件不同。对于热塑性塑件，必须使其在模具中冷却到自身具有一定的强度和刚度之后才能脱模；但对于热固性塑件，脱模条件应以其在热模中的硬化程度达到适中时为准，在大批量生产中，为了缩短成型周期，提高生产效率，亦可在制件尚未达到硬化程度适中的情况下进行脱模，但此时塑件必须有足够的强度和刚度以保证在脱模过程中不发生变形和损坏。对于硬化程度不足而提前脱模的塑件，必须将它们集中起来进行后烘处理[3]。

塑件脱模以后，应对模具进行清理，有时还要对塑件进行后处理。脱模后，要用铜签或铜刷去除留在模内的碎屑、飞边等，然后再用压缩空气将模具型腔吹净。

4.塑料注射压缩成型的注塑工艺与模具

注射成型又称注塑成型，其原理是将粒状或粉状的原料加入到注射机的料斗里，原料经加热熔化呈流动状态，在注射机的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，在模具型腔内硬化定型。

注射压缩成型是传统注塑成型的一种高级形式，它能够增加注塑零件的流注长度/壁厚的比例、使用更小的锁模力和注射压力、减少材料内应力以及提高加工的生产能力。注射压缩成型技术适用于各种热塑性工程塑料制品，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冲击特性的零件。根据注塑零件的几何形状、表面质量要求以及不同的注塑设备条件，有四种注射一压缩成型方式可供选择，即顺序式、共动式、呼吸式和局部加压。

热固性塑料固有很高的耐热性、优良的电性能和抗变形能力等许多突出的优点而越来越受到人们的重视。以前多靠压缩成型。但压缩成型的生产效率低，产品质量不稳定，因而受到一定的限制，不能满足生产发展的需要。上世纪60年代以后，人们成功地将热塑性塑料的注塑成型技术移植到热固性塑料加工中，并得到了推广，

注射压缩成型适于有曲面外形的零件成型，要选择好被注零件的入口及流注通道位置，使之达到填充型腔的良好效果，一些商用注塑填充程序可用来探测推挤力和注射压力。要注意使模具伸出的导向刃软和导向芯部以及型腔，有严密的公差配合以防熔料渗漏溢出型腔；有一个带逆止开关的喷嘴用以防止聚合物回流人注塑机。

对于有通孔的零件，应当使固定在模具一侧的锁钉穿入另一侧模具并有良好的滑动配合，以防模具型腔运动迫使销子松动或被卡死。由于在注射压缩成型注塑过程中，型腔压力比传统注塑时要低，所以模具结构不必像传统注塑时那样坚实笨重。

塑料模具是塑料加工工业中和塑料成型机配套，赋予塑料制品以完整构型和精确尺寸的工具。由于塑料品种和加工方法繁多，塑料成型机和塑料制品的结构又繁简不一，所以，塑料模具的种类和结构也是多种多样的。塑料注射(塑)模具主要是热塑性塑料件产品生产中应用最为普遍的一种成型模具，对应的加工设备是塑料注射成型机，塑料首先在注射机底加热料筒内受热熔融，然后在注射机的螺杆或柱塞推动下，经注射机喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料冷却硬化成型，脱模得到制品。其结构通常由成型部件、浇注系统、导向部件、推出机构、调温系统、排气系统、支撑部件等部分组成。注射成型加工方式通常只适用于热塑料品的制品生产，用注射成型工艺生产的塑料制品十分广泛，从生活日用品到各类复杂的机械，电器、交通工具零件等都是用注射模具成型的，它是塑料制品生产中应用最广的一种加工方法。模具设计和制造与塑料加工有密切关系。塑料加工的成败，很大程度上取决于模具设计效果和模具制造质量，而塑料模具设计又以正确的塑料制品设计为基础[4]。

5.塑料注射压缩成型的注塑件与模具设计要点

注射压缩成型适于注塑有曲面外型的零件，如手提电脑外壳，小汽车尾门，汽车仪表板，以及较为平坦的汽车挡泥板等。要选择好被注零件的进口及流住通道位置，使之达到填充型腔的良好效果。一些商用注塑填充程序可用来探测推挤力和注射压力。为塑胶制定的一些标准规则也可以利用，如加强肋/壁厚的厚度比例，以及一些组合技术等。要留意使模具伸出的导向刃轨和导向芯部以及型腔。有严密的公差配合，以防聚合物渗漏溢出型腔。

在注塑成型模具中，冷却系统的设计非常重要。这是因为成型塑料制品只有冷却固化到一定刚性，脱模后才能避免塑料制品因受到外力而产生变形。由于冷却时间占整个成型周期约70%～80%，因此设计良好的冷却系统可以大幅缩短成型时间，提高注塑生产率，降低成本。设计不当的冷却系统会使成型时间拉长，增加成本；冷却不均匀更会进一步造成塑料制品的翘曲变形。塑料制品在模具中由于冷却水管的作用，热量由模腔中的塑料通过热传导经模架传至冷却水管，再通过热对流被冷却液带走。

注塑压力是由注塑系统的液压系统提供的。液压缸的压力通过注塑机螺杆传递到塑料熔体上，塑料熔体在压力的推动下，经注塑机的喷嘴进入模具的竖流道、主流道、分流道，并经浇口进入模具型腔，这个过程即为注塑过程，或者称之为填充过程。影响熔体填充压力的因素很多，概括起来有3类：材料因素，如塑料的类型、粘度等；结构性因素，如浇注系统的类型、数目和位置，模具的型腔形状以及制品的厚度等；成型的工艺要素。压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力，或者反过来说，流动过程中存在的阻力需要注塑机的压力来抵消，以保证填充过程顺利进行。在注塑过程中，注塑机喷嘴处的压力最高，以克服熔体全程中的流动阻力。其后，压力沿着流动长度往熔体最前端波前处逐步降低，如果模腔内部排气良好，则熔体前端最后的压力就是大气压。

注塑时间是塑料熔体充满型腔所需要的时间，不包括模具开、合等辅助时间。尽管注塑时间很短，对于成型周期的影响也很小，但是注塑时间的调整对于浇口、流道和型腔的压力控制有着很大作用。合理的注塑时间有助于熔体理想填充，而且对于提高制品的表面质量以及减小尺寸公差有着非常重要的意义。注塑时间要远远低于冷却时间，大约为冷却时间的1/10～1/15，这个规律可以作为预测塑件全部成型时间的依据。

注塑温度是影响注塑压力的重要因素。注塑机料筒有5～6个加热段，每种原料都有其合适的加工温度。注塑温度必须控制在一定的范围内。温度太低，熔料塑化不良，影响成型件的质量，增加工艺难度；温度太高，原料容易分解。在实际的注塑成型过程中，注塑温度往往比料筒温度高，高出的数值与注塑速率和材料的性能有关，最高可达30℃。

在注塑过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的容积。如果型腔充满后不进行保压，制件大约会收缩25%左右，特别是筋处由于收缩过大而形成收缩痕迹。保压压力一般为充填最大压力的85%左右，当然要根据实际情况来确定。

背压是指螺杆反转后退储料时所需要克服的压力。采用高背压有利于色料的分散和塑料的融化，但却同时延长了螺杆回缩时间，降低了塑料纤维的长度，增加了注塑机的压力，因此背压应该低一些，一般不超过注塑压力的20%。注塑泡沫塑料时，背压应该比气体形成的压力高，否则螺杆会被推出料筒。有些注塑机可以将背压编程，以补偿熔化期间螺杆长度的缩减，这样会降低输入热量，令温度下降。不过由于这种变化的结果难以估计，故不易对机器作出相应的调整[5]。

6.结朿语

总之，注射压缩成型大型注塑机不乏是其中一种性能良好的经济型机型。注射压缩成型适应大型制件的注塑成型。大型注塑机的开发，是我国的一个薄弱环节，现在开发的大型注塑机，基本上属于普通的注塑机，在注塑工艺方面没有突破。普通的大型注塑机，投资大，一般用户难以投资，间接地增加了大型制件的成本。为使大型注塑机有利于推广使用，必须降低大型注塑机的制造成本，单纯从制造加工方面降低成本是极其有限的，必须从机构、注塑工艺等方面进行突破，才能降低大型注塑机的制造成本，同是能获得良好的经济效益。