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成型機械(一)
成型機械注塑機和樹(shù)脂材料的選擇
注塑有許多規格（型號），以一個(gè)注塑周期所能注射的塑料總量來(lái)標定，注塑量自小型實(shí)驗室用注塑機的幾分之一盎司到大型設備的幾英鎊不等。實(shí)驗室用注塑機主要被用做研究開(kāi)發(fā)新材料和模塑技術(shù)。
注塑機主要有兩部分組成，注塑熱熔塑料的注射機構和啟閉模具的鎖模機構。前者包括料斗、加熱的料筒和注射柱塞或螺桿；后者包括液壓驅動(dòng)的活動(dòng)的模板和固定模板，模具就固定在這些模板上。注塑機也有立式的。
注塑機在設計上形式各異，但基本分為柱塞式和螺桿式兩類(lèi)，二者的主要區別是塑料材料自料斗到噴嘴的輸送方式不同。往復螺桿式注塑機由于注射周期短、熔融溫度低、混合效果好而最為常用。
注塑機上裝有多種設備用來(lái)對鎖模系統、模具和注射系統進(jìn)行檢測和控制，如圖2.1.1所示，表示這些最有可能的測試點(diǎn)。實(shí)際上，目前還沒(méi)直接的方法對模具進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測。
實(shí)驗室常用注塑機的注射量從幾克到大約1/202不等，共鎖模機構通常用手動(dòng)凸輪機構控制，注射系統手動(dòng)或用壓縮空氣實(shí)現。注射系統施加到模具上的力非常大，從5000~20000Psi不等，因此所需的鎖模力要大于注射壓力，不然兩半模會(huì )分離形成飛邊（合模線(xiàn)處的樹(shù)脂會(huì )被擠出來(lái)）。
加料斗和加熱料筒也是注塑機非常重要的組成部分，試驗室用注塑機大多是柱塞式的。
注塑成型方法尤其適用于大批量生產(chǎn)，這類(lèi)機器大多每小時(shí)可生產(chǎn)幾千件制品。實(shí)際上所有的熱塑性塑料都可用注塑方法生產(chǎn)，但有些材料成型起來(lái)比較困難，需要使用專(zhuān)用設備。從聚合物結構來(lái)看，顯然熔融溫度范圍寬的樹(shù)脂要比窄的樹(shù)脂容易成型。需要考慮的其他因素還有：模塑溫度、樹(shù)脂的吸濕性及制品性能要求等。例如聚甲醛熔融范圍窄、熔融快、需要較精確的溫度控制，聚碳酸酯需要的注射溫度高，尼龍易吸濕，會(huì )腐蝕料筒中的機器部件，需要進(jìn)行鍍鉻處理。有些制品會(huì )有一些特殊性能要求，如容器的卡合蓋要求有彈性，容器要透明，鉸接件要有耐折疊性，圓珠筆有硬度要求。
實(shí)驗室用注塑機上容易成型的樹(shù)脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、苯乙烯-丙烯腈，ABS，離子鍵聚合物（離子交聯(lián)聚合物），異質(zhì)同晶聚合物，這類(lèi)樹(shù)脂可滿(mǎn)足大多數注塑制品的要求。
注塑機組成部件
注塑機將粒狀熱塑性塑料材料通過(guò)熔融、注射、保壓和冷卻這樣的循環(huán)過(guò)程轉化為最終的模塑制品。典型的注塑機的主要組成部件如圖2.1.2所示。
A．注射機構
注射機構包括料斗、往復式螺桿、料筒和注射用噴嘴，如圖2.1.3所示。該部分在喂料、壓縮、排氣、熔融、注射和保壓階段起到承接和運送物料的作用，
料斗
熱塑性物料以小顆粒狀供給模塑，注塑機料斗要盛裝這些粒料，物料以重力形式通過(guò)加料斗頸部喂到料筒和螺桿中來(lái)。
2．料筒
注塑機料筒承載往復式螺桿并由電加熱圈加熱。
3．往復式螺桿
往復式螺桿可用來(lái)壓縮、熔融和輸送物料，由三段組成加料段、壓縮段（過(guò)度段）和計量段。（圖2.1.4）
當螺桿外徑不變時(shí)，往復式螺桿的螺紋深度自加料段到計量段開(kāi)始處逐漸變淺，物料被壓向料筒內徑并產(chǎn)生黏性剪切熱，這些剪切熱對于物料的熔融很重要。料筒外的加熱圈能一起保證物料處于熔融狀態(tài)。通常注塑機有三段或更多的加熱圈，各部分溫度設定并不相同。
4．噴嘴
噴嘴連接料筒與模具上的主流道襯套并且在料筒和模具中間形成密封。噴嘴溫度應設為物料的熔融溫度或稍低，這取決于材料供應商的推薦值。當料筒處在滿(mǎn)料待注射狀態(tài)時(shí)，噴嘴頭部應牢牢在帶有定位環(huán)的主流道襯套的凹坑面上，并保證密封。當清洗料筒時(shí)，料筒后退與澆口套分離，這樣清洗料才能從噴嘴處自由落下來(lái)，料筒的這兩種位置如圖2.1.5所示。
B．模具系統
模具部分包括拉桿、動(dòng)模固定板、定模固定板以及開(kāi)設有型腔、主流道和分流道、頂出桿和冷卻水道的成型模板，如圖2.1.6所示。模具其實(shí)是一個(gè)熱交換體，熱塑性熔體在其中固化為型腔給定尺寸和形狀的制品。
模具包括凸模和凹模，常用模具鋼制造，模具機構可通過(guò)型腔成型和頂出制品。定模固定板在注塑機料筒一側，并通過(guò)導桿與動(dòng)模固定板連接。凹模模板一般固定在定模固定板上并承接噴嘴，凸模板安裝在活動(dòng)模板上由導桿導向隨之一起移動(dòng)。凹模模板有時(shí)也可固定到動(dòng)模固定板上，而凸模板和液壓頂出機構固定到定模固定板上。
1.兩模板
絕大多數模具主要由兩部分組成，這種形式的模具一般用于澆口在制品邊緣或近邊緣處進(jìn)料的情況，而且型腔和澆注系統開(kāi)設在同一塊模板上。
2.三模板
三板模一般用在澆口遠離制品邊緣進(jìn)料的情況，澆注系統開(kāi)設在兩塊模板上，與型腔和型芯分離，如圖2.1.7所示。
3.冷卻管道
冷卻管道是位于模具內部的通道，冷卻介質(zhì)（一般是水、汽或油）在其中循環(huán)流通。其作用是調節模具表面溫度，冷卻通道也可與其他形式的溫度調節裝置如隔板、噴管、導熱棒或熱管等一起使用。
C．液壓系統
注塑機上的液壓機構可提供開(kāi)、合模的動(dòng)力和鎖模力，旋轉和驅動(dòng)往復式螺桿、推動(dòng)頂桿和帶動(dòng)型芯移動(dòng)。這需要一系列的液壓元件完成，如泵、閥、液壓馬達、管接頭、管道和蓄能池等。
D．控制機構
控制機構可保證設備連續重復工作，能監測和控制成型參數如溫度、壓力、注射速度、螺桿速度和位置、液壓狀態(tài)。過(guò)程控制對于制品最終質(zhì)量和成型的經(jīng)濟性很重要，可以是簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制，也可以是非常復雜的基于微處理器的環(huán)控制系統來(lái)完成。
E．鎖模機構
鎖模機構用于開(kāi)啟和閉合模具，支撐和移動(dòng)模具零部件，產(chǎn)生足夠的力量防止模具開(kāi)啟，鎖模力可通過(guò)機械肘桿式機構實(shí)現，也可以是液壓式或機械-液壓組合式實(shí)現。
F．典型模塑系統
模塑系統包括澆注系統和模塑制品，如圖2.1.8所示。
澆注系統提供了熔體自注塑機噴嘴到型腔的流動(dòng)通道，一般包括：注道、冷料井、主流道、分流道和澆口。
澆注系統的設計對填充模式和最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大。
1.冷流道
模塑完成后，澆道凝料需要除去并循環(huán)使用，一般盡可能將澆注系統設計為少容納物料，但還要保證熔體以理想的模式充填型腔。
2.熱流道
熱流道模塑成型要求流道較熱從而保證其中的塑料始終處于熔融狀態(tài)。由于不需要將澆注系統從制品上去除，因此可節省物料并且不需要二次去除加工。
往復式螺桿
往復式螺桿是用得最多的塑化裝置，由于其重要性，下面將詳細敘述。塑化裝置的主要部件有螺桿、止塑閥、料筒、噴嘴和螺桿驅動(dòng)裝置，接下來(lái)分別介紹這些部件。
A．塑化螺桿
塑化裝置的主要部件其中最主要的部分是螺桿。螺桿是一其上環(huán)繞有一條或多條螺旋線(xiàn)的長(cháng)圓柱體，末端帶有一個(gè)止逆閥，如圖2.2.1和2.2.2所示，這種螺桿一般稱(chēng)為阿基米德螺桿，以阿基米德的名字命名，他在幾千年前發(fā)明了螺帶式輸送機。螺桿對于物料的輸送、加熱、混合及有些場(chǎng)合下的排氣孔，揮發(fā)性物質(zhì)可由此處溢出，由于排氣的要求，螺桿需要有特殊的幾何形狀，即所謂的兩階排氣式螺桿。
對往復式螺桿最大的要求是在每個(gè)循環(huán)周期內及每次循環(huán)周期間，能具有向螺桿末端不斷輸送高質(zhì)量均勻熔體的能力，所謂均勻性指的是熔體的溫度和密度要一致，可以通過(guò)在螺桿末端設分配混合元件獲得。
B．注塑螺桿設計
人們已經(jīng)認識到合理的螺桿設計對于用普通的非往復式擠出機擠出成型片材、薄膜、管材和器材是至關(guān)重要的。但在注塑成型時(shí)往往用往復式擠出機作塑化機構，通常認為螺桿的設計并不重要，這種想法是不對的。非往復式擠出機的螺桿設計技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)很成熟了，產(chǎn)量和質(zhì)量的穩步提高，還有大量發(fā)表的關(guān)于該課題的文章可以證明。盡管注塑機在成型監控、模具設計等方面也越來(lái)越復雜，而往復式擠出機螺桿設計相對來(lái)說(shuō)進(jìn)展較慢。
非往復式擠出機的主要作用是固體輸送、熔融、熔體輸送、混合及有時(shí)兼有排氣功能，往復式螺桿也有這些功能，但又有所區別，螺桿后退時(shí)完成這些任務(wù)，并且這個(gè)過(guò)程是循環(huán)而非連續的。如果要保證各個(gè)循環(huán)周期的一致性，對輸送、加熱和混合過(guò)程的重要性要求很高，因此，往復式擠出機螺桿設計的提高同非往復式擠出機一樣重要。
C．標準注塑機螺桿
注塑機螺桿與擠出機螺桿很相似。該螺桿是單頭螺紋形式，螺距與螺桿直徑相等并且在整個(gè)長(cháng)度方向上保持恒定，這種螺桿被稱(chēng)為正方形螺距形式，在傳統擠出機上用的很多。壓縮比自小機器的2：1到大機器的2.5：1不等，加料段長(cháng)度大約是總長(cháng)度的50%，而壓縮和計量段通常各占25%。傳統擠出機加料段較短，而壓縮和計量段較長(cháng)，這是二者不同的地方。常見(jiàn)的普通擠出機用螺桿如圖2.2.3所示。
螺棱寬度大約是螺桿直徑的10%，喂料段的螺槽比計量段深，喂料段與計量段的螺槽深度之比稱(chēng)為壓縮比。壓縮比值通常在2.5~3.0之間，新型擠出機用螺桿多帶有混合段，以改善普通螺桿混合能力差的問(wèn)題。
注塑機鎖模機構
A．鎖模機構的作用
1．支撐模具
首要的作用是支撐模具并引導其在開(kāi)啟和閉合位置之間運動(dòng)，這就要求有足夠大的力拖動(dòng)動(dòng)模部分并且克服摩擦力。動(dòng)模部分的導向也很重要，可以防止導桿的過(guò)度磨損。
成型時(shí)鎖模
第二個(gè)作用是當熔體注射到型腔時(shí)要保證模具鎖閉，因為此時(shí)模腔中的壓力非常大，可能需要相當大的鎖模力。
提供制品頂出的方法
當制品冷卻定型，模具開(kāi)啟時(shí)，需要提供頂出制品的動(dòng)力，該力與鎖模力相比要小一些。
B．三種鎖模形式
一般可將注塑成型的鎖模形式分為以下幾類(lèi)：液壓（或氣動(dòng)）式、液壓-機械式和機械式。
C．液壓式
液壓（或氣動(dòng)）鎖模機構與其他兩種形式有以下不同：
鎖模過(guò)程是由所用液體（油或空氣）壓迫鎖模缸的運動(dòng)來(lái)實(shí)現（如圖2.2.6所示）。
被壓縮液柱的長(cháng)度與合模行程的長(cháng)度相等或稍長(cháng)，這與液壓機械式鎖模機構是不同的，鎖模力與作用在油缸上的壓力成正比。鎖模行程是最大開(kāi)模和合模距離的函數。
圖2.2.7是液壓式鎖模機構的例子，這類(lèi)機構的優(yōu)點(diǎn)主要是結構簡(jiǎn)單、容易實(shí)現。
D．液壓機械式
這類(lèi)鎖模機構與其他類(lèi)型有以下區別：
鎖模路徑是由所用液體（油或空氣）壓迫鎖模缸的運動(dòng)來(lái)實(shí)現的（如圖2.2.8所示）。
被壓縮液柱的長(cháng)度與鎖模行程無(wú)關(guān)或相比小得多，液柱高度一般低于2cm(3/4in)，這與液壓式不同。
鎖模力與作用在油缸上的壓力成正比。
有效合模行程與調模行程有關(guān)，為適應不同厚度的模具，需要事先通過(guò)后模板上拉桿螺母調整活動(dòng)模板的位置滿(mǎn)足合模行程的要求。
這種鎖模機構所采用的變化形式也是多樣的。
E．機械式
機械式鎖模機構主要指的是肘桿式鎖模形式，與其他形式相比有以下區別：
鎖模路徑不經(jīng)由液壓/氣動(dòng)或電機驅動(dòng)實(shí)現。
鎖模力與合模驅動(dòng)裝置的驅動(dòng)力無(wú)直接關(guān)系，相反，肘桿合閉時(shí)的驅動(dòng)力和鎖模力之間卻有很復雜的關(guān)系。
有效合模行程是連桿機構的函數，對不同厚度的模具，機械式合模機構的有效合模行程需要通過(guò)調整后模板上拉桿螺母獲得。后部連桿的桿與桿之間的中心線(xiàn)長(cháng)度是決定合模行程的主要因素。
擠出吹塑成型機
中空塑料制品很常見(jiàn)，可用于包裝、儲運、輸送液體或大批量粉狀物料等方面。這類(lèi)中空塑料制品有瓶子、罐子、轉筒、儲罐，也有管道、管材等。除了有常規的包裝用途外，中空塑料制品還有保護功能，例如靈敏電子設備的外保護殼。因為還具有雙層結構，可用來(lái)生產(chǎn)輕質(zhì)剛性結構部件中空塑料制品，如運輸貨盤(pán)，座椅及各類(lèi)儀表板。
為了便于了解擠出吹塑成型，下面介紹該生產(chǎn)所用設備。
A．吹塑機基本結構
吹塑成型機可被分為幾個(gè)子系統。
擠出機，包括料斗、螺桿、直流電（用的最多）或交流電驅動(dòng)裝置、塑化和熔融熱塑性物料的加熱部件；
型坯機頭，改變塑料熔體流向，在垂直方向得到熔融管坯，即型坯；
控制系統（設備控制和壁厚控制系統）；
吹塑模；
帶有鎖模機構的機架，模具安裝在該鎖模機構上；
帶液壓機機構的供應系統，為模具、擠出機進(jìn)料段和液壓機構提供冷卻水，為吹塑和氣動(dòng)元件提供空氣。
B．擠出機
擠出吹塑成型時(shí)，加料段料筒帶溝槽的擠出機用得最多，這類(lèi)擠出機的特點(diǎn)是擠出量往往與機頭反壓無(wú)關(guān)，這對于通過(guò)調整口模間隙調節型坯壁厚的情況非常重要，因為改變口模間隙會(huì )引起機頭反壓的改變。為防止物料在帶溝槽的加料段熔融（尤其是聚烯烴），常對這部分進(jìn)行冷卻，通常是用比例閥控制一個(gè)單獨的冷卻水回路來(lái)完成。
擠出階段很重要的參數有旋轉螺桿上的螺紋與靜止的料筒之間的作用。從物料輸送的角度來(lái)講，要求物料與螺桿表面的摩擦小，而與料筒壁的摩擦大，如果滿(mǎn)足不了這個(gè)基本要求，物料極有可能會(huì )抱著(zhù)螺桿轉動(dòng)，不會(huì )在軸線(xiàn)方向向前移動(dòng)。
如果要提高擠出機的熔融能力，可采用多種不同方法，比如圖2.3.4所用的齒輪泵。
在擠出區段，螺桿和料筒表面都被熔體覆蓋，螺槽壁對熔體的作用力不會(huì )對熔體流動(dòng)造成影響，除非是在擠出高黏材料如硬質(zhì)聚氯乙烯和超高分子量聚乙烯物料時(shí)。擠出段的流動(dòng)主要受內部摩擦（黏度）系數的影響，當機頭施加給熔體的阻力較大時(shí)尤甚。
常用的普通單螺桿擠出機螺桿和料筒直徑均勻一致，例如這種擠出機具有逐漸減小的螺槽體積，可以進(jìn)行連續變化的速度、壓力控制，還可以進(jìn)行排氣等。特殊的設計形式可采用錐形或拋物線(xiàn)形螺桿，以達到特定的混合和捏合效果。
還有波型螺桿、變螺距屏障型螺桿、捏合馬達、固定的銷(xiāo)釘混合螺桿、周期性的軸向運動(dòng)。料筒內部可能帶有螺旋線(xiàn)，伸縮式螺桿形狀和喂料裝置。
C．多螺桿擠出機
隨著(zhù)熱塑性材料的出現和與之相應的擠出技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)現有些帶或不帶助劑的材料需要更高的成型壓力和溫度，同時(shí)也發(fā)現會(huì )有物料隨螺桿轉動(dòng)的現象，這樣可能會(huì )導致物料降解。加料和泵出段還會(huì )影響到一些物料的連續性，當所用原料顆粒較大時(shí)這種情況更嚴重，一些型號的乳液型聚氯乙烯和高密度聚乙烯，松散的聚乙烯薄膜碎片及黏彈的聚氯乙烯膏狀料都會(huì )有這種現象發(fā)生。
早在20世紀30年代，為了克服單螺桿擠出機中出現的問(wèn)題發(fā)明了雙螺桿和多螺桿擠出機。多螺桿擠出機中熔體的輸送和流動(dòng)與單螺桿擠出機截然不同。多螺桿擠出機的主要特征有：低速下有較高的輸送能力；在較大的溫度和摩擦因數范圍內擠出速率可控并且更好；摩擦熱較低，這樣就可實(shí)現低溫操作；在擠出機內的時(shí)間減低；由于有較高的混合速度和自潔性，所需馬達功率可降低；更為重要的是由于擠出能力與塑料和螺桿、料筒的摩擦無(wú)關(guān)，因此擠出能力不會(huì )受逆流影響而減小。盡管逆流在理論上并不存在，多螺桿擠出機中熔體的流動(dòng)現象更復雜，理論上比單螺桿擠出機中的流動(dòng)研究起來(lái)更困難。
D．雙螺桿擠出機
雖然雙螺桿擠出機比單螺桿擠出機數量少，但在某些制品生產(chǎn)方面應用很多，尤其是一些特殊場(chǎng)合，如物料需要充分混合。常用的雙螺桿擠出機（包括在多螺桿擠出機中）包括錐形螺桿，至少帶一個(gè)喂料斗的加料口、與口模相連的出料口，溫度、壓力、螺桿轉速、熔體擠出速率等過(guò)程控制元件。
對任何擠出機來(lái)說(shuō)，如果其目的只是向螺桿末端輸送高質(zhì)量的熔體，塑化和熔融過(guò)程就顯得不要重要，反向嚙合雙螺桿擠出機主要用于物料混合上，相對于同向嚙合、反向嚙合、反向非嚙合三種基本形式，還設計出了其他形式如全嚙合、部分嚙合、開(kāi)放式和封閉式的雙螺桿擠出機。過(guò)去同向和反向旋轉的雙螺桿差異很大，如今它們在混合方面的應用70%的情況下工作性能不相上下，在另外30%的情況下，某種結構要比另一種的工作性能好得多。
與單螺桿擠出機一樣，雙螺桿和多螺桿擠出機也有其他優(yōu)缺點(diǎn)，選用何種擠出機要看加工的材料和產(chǎn)品有何特殊要求。對多螺桿擠出機來(lái)講，有些材料需要很精確的加料計量，否則會(huì )引起擠出質(zhì)量的波動(dòng)，加料量過(guò)多可能引起驅動(dòng)或機器軸承超負載，反向旋轉螺桿形式會(huì )更嚴重�；旌虾途锪蠒r(shí)，壓力流的缺失是一不利因素，其他的缺點(diǎn)還有設備初始成本較高，主要因其結構更復雜、維修麻煩、加熱起來(lái)更困難。
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