12.1 概述

1. 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。

2. 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 1-模具；2-喷嘴；3-料筒；4-分流梭；5-料斗；6-注射柱塞

3. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 12.1 概述 SZL-125克

4. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 12.1 概述

5. 课件 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。

6. 课件 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

7. 课件 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

8. 课件 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

9. 课件 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。

10. 课件 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。

11. 课件 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。

12. 课件 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。

13. 课件 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。

14. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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

15. 课件 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。

16. 课件 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。

17. 课件 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。

18. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

19. 课件 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。

20. 课件 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。

21. 课件 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。

22. 课件 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。

23. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

24. 课件 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。

25. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

26. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

27. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

28. 课件 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

29. 课件 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？

30. 课件 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。

31. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

32. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

33. 课件 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）

34. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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；

35. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

36. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

37. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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）。

38. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

39. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

40. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

41. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

42. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

43. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。

44. 课件 第12章 注射成型工艺及设备 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。