射出成型機詳解說明資料

1、射出成形機就熱塑性塑膠(thermoplastics)而言，射出成形機將塑膠顆粒材料經(jīng)由熔融、射出、保壓、冷卻等循環(huán)，轉(zhuǎn)變成最終的塑件。熱塑性塑膠射出成形機通常採用鎖模噸數(shù)(clamping tonnage)或射出量(shot size)作為簡易的機器規(guī)格辨識，可以使用的其他參數(shù)還包括射出速率、射出壓力、螺桿設(shè)計、模具厚度和導桿間距等等。根據(jù)功能區(qū)分，射出成形機的大致上有三個種類：(1)一般用途射出機；(2)精密、緊配射出機；和(3)高速、薄肉厚射出機。射出成形機的主要輔助設(shè)備包括樹脂乾燥機、材料處理及輸送設(shè)備、粉碎機、模溫控制機與冷凝器、塑件退模之機械手臂、以及塑件處理設(shè)備。 2-1 射出機

2、元件典型的射出成形機如圖2-1所示，主要包括了射出系統(tǒng)(injection system)、模具系統(tǒng)(mold system)、油壓系統(tǒng)(hydraulic system)、控制系統(tǒng)(comtrol system)、和鎖模系統(tǒng)(clamping system)等五個單元。 圖2-1 應用於熱塑性塑膠的單螺桿射出成形機2-1-1 射出系統(tǒng)射出系統(tǒng)包括了料斗(hooper)、迴轉(zhuǎn)螺桿與料筒(barrel)組合，和噴嘴(nozzle)，如圖2-2。射出系統(tǒng)的功能是存放及輸送塑料，使塑料經(jīng)歷進料、壓縮、排氣、熔化、射出及保壓階段。圖2-2 熱塑性塑膠的單螺桿射出成形機之塑化螺桿、料筒、電熱片、固定模板

3、及移動模板。(1) 料斗熱塑性塑膠通常以小顆粒供應成形廠。射出機的料斗可以存放塑膠膠顆粒，藉由重力作用使塑膠顆粒經(jīng)過料斗頸部，進入料筒與螺桿組合內(nèi)。(2) 料筒射出機的料筒可以容納迴轉(zhuǎn)式螺桿，並且使用電熱片(electric heater bands)加熱塑料。(3) 迴轉(zhuǎn)式螺桿迴轉(zhuǎn)式螺桿可以壓縮塑料、熔化塑料及輸送塑料，螺桿上包括了進料區(qū)(feeding zone)、壓縮區(qū)（compression zone, 或轉(zhuǎn)移區(qū)transition zone）、和計量區(qū)(metering zone)三個區(qū)段，如圖2-3所示。圖2-3 迴轉(zhuǎn)式螺桿之進料區(qū)、壓縮區(qū)、和計量區(qū)。螺桿的外徑為固定值，螺桿的溝槽

4、深度(the depth of flight)從進料區(qū)到計量區(qū)起點逐漸遞減，溝槽深度的變化使塑料相對於料筒內(nèi)徑產(chǎn)生壓縮，造成剪切熱，提供熔化塑料的主要熱量。料筒外的加熱片則幫助塑料維持於熔融狀態(tài)，一般的射出機有三組或更多組加熱片，以便設(shè)定為不同的溫度區(qū)段。(4) 噴嘴噴嘴連接料筒和豎澆道襯套(sprue bushing)。當料筒移到最前端的成形位置，其噴嘴外徑必須包覆在豎澆道定位環(huán)內(nèi)，構(gòu)成密封。噴嘴的溫度應該設(shè)定在材料供應商建議之塑料熔化溫度，或是略低於溫度。如此，清理料筒時，只要將料筒後退遠離豎澆道，清除的塑料可以從噴嘴自由落下，參閱圖2-4。圖2-4 (a)在成形位置的噴嘴與料筒；(b)在

5、清料位置的噴嘴與料筒。2-1-2 模具系統(tǒng)模具系統(tǒng)包括了導桿(tie bars)、固定模板(stationary platen)、移動模板(movable platen)、和容納模穴、豎澆道、流道系統(tǒng)、頂出銷和冷卻管路的模板(molding plates)，如圖2-5所示?；旧?，模具是一座熱交換器，使熱塑性塑膠的熔膠在模穴內(nèi)凝固成需要的形狀及尺寸。圖2-5 典型的三板模之模具系統(tǒng)模具系統(tǒng)將熔融塑料在模穴內(nèi)定形，並於冷卻後將塑件頂出。射出成形的模具系統(tǒng)是安裝模板與成形模板的組合，通常以工具鋼加工製成。固定安裝板連接到成形機料筒一側(cè)，並經(jīng)由導桿與移動模板相接。母模板通常鎖在固定模板上，並且連接到

6、噴嘴；公模板鎖在移動安裝板上，沿著導桿之導引而移動。有些應用會相反地將母模板鎖在移動模板上，將公模板和液壓頂出機構(gòu)安裝固定模板上。(1) 兩板模大多數(shù)模具是由兩片模板組成，如圖2-6，此類模具常使用在塑件澆口正好設(shè)在塑件邊緣或者接近塑件邊緣的設(shè)計，其流道(runner)也設(shè)計在母模板上。(2) 三板模三板模通常應用於澆口遠離塑件邊緣的設(shè)計，其流道是設(shè)計在分隔公模與母模的脫料板(stripper plate)上，如圖2-6所示。 圖2-6 (左)兩板模與 (右)三板模(3) 冷卻管路（迴路）冷卻管路(cooling channels)是模具本體的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）經(jīng)由冷卻管路循環(huán)以

7、調(diào)節(jié)模壁溫度。冷卻管路也可以搭配其他的溫度控制裝置一起使用，例如障板管(bafflers)、擾流板(bubblers)或熱管(thermal pins or heat pipes)等。2-1-3 油壓系統(tǒng)射出機的油壓系統(tǒng)提供開啟與關(guān)閉模具的動力，蓄積並維持鎖模力噸數(shù)，旋轉(zhuǎn)與推進螺桿，致動頂出銷，以及移動公模側(cè)。油壓系統(tǒng)的元件包括幫浦、閥、油壓馬達、油壓管件、油壓接頭及油壓槽等。2-1-4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)提供成形機一致性的重覆操作，並且監(jiān)控溫度、壓力、射出速度、螺桿速度與位置、及油壓位置等製程參數(shù)。製程控制直接影響到塑件品質(zhì)和製程的經(jīng)濟效益?？刂葡到y(tǒng)包括簡單的開關(guān)繼電器控制到複雜的微處理器閉迴

8、路控制器。2-1-5 鎖模系統(tǒng)鎖模系統(tǒng)用來開啟關(guān)閉模具，支撐與移動模具組件，產(chǎn)生足夠的力量以防止模具被射出壓力推開。鎖模機構(gòu)可以是肘節(jié)機構(gòu)鎖定、油壓機構(gòu)鎖定、或是上述的兩個基本型態(tài)的組合。2-2 射出成形系統(tǒng)典型的射出成形系統(tǒng)(molded system)包括熔膠輸送系統(tǒng)和成形塑件，如圖2-7所示。熔膠輸送系統(tǒng)提供讓熔膠從射出機噴嘴流到模穴的通道，它通常包括：豎澆道(sprue)、冷料井(cold slug well)、主流道、分枝流道、和澆口(gates)。圖2-7 射出成形系統(tǒng)包括熔膠輸送系統(tǒng)及成形塑件。輸送系統(tǒng)的設(shè)計對於充填模式與塑件品質(zhì)都有很重要的影響。因此應該設(shè)計流道系統(tǒng)，以維持所需

9、充填模式，將熔膠輸送到模穴。在完成射出成形之後，冷流道輸送系統(tǒng)將會被切除成為回收廢料，所以應該設(shè)計輸送系統(tǒng)，以產(chǎn)生最少的廢料。熱流道（Hot runner或無流道runnerless）成形製程維持流道於高溫，使其內(nèi)之熔膠維持在熔融狀態(tài)。因為熱流道並不與塑件一起脫模，不致於造成廢料，並且節(jié)省塑件二次切除加工的製程。2-3 射出機操作順序塑膠射出成形加工是一種適合高速量產(chǎn)精密元件的加工法，它將粒狀塑料於料筒內(nèi)融化、混合、移動(3 Ms: Melt, Mix, and Move)，再於模穴內(nèi)流動、充填、凝固(3Fs: Flow, Form, and Freeze)。其動作可以區(qū)分為塑料之塑化、充填、

10、保壓、冷卻、頂出等階段的循環(huán)製程，包括的基本操作動作如下列：關(guān)閉模具，以便螺桿開始向前推進，如圖2-8(a)。與柱塞式射出機相同地，推進迴轉(zhuǎn)式螺桿以充填模穴，如圖2-8(b)。螺桿繼續(xù)推進，以進行模穴保壓，如圖2-8(c)。當模穴冷卻，澆口凝固，螺桿開始後退，並塑化材料準備下一次射出，如圖2-8(d)。開啟模具，頂出塑件，如圖2-8(e)。開閉模具，以開始下一個循環(huán)，如圖2-8(f)。塑料在料筒被螺桿擠壓產(chǎn)生大量摩擦熱而形成熔融狀態(tài)，熔膠堆積於料筒前端，並且使用加熱器維持熔膠溫度。在充填階段開始，射出機打開噴嘴，螺桿前進將熔膠經(jīng)噴嘴注入關(guān)閉的模穴，以完成充填。當熔膠進入模穴，受壓氣體從頂出銷、

11、分模線和氣孔逸出。良好的充填決定於塑膠元件設(shè)計、澆口位置和良好的排氣。假如塑料的流動性不佳，或者射出壓力不足就可能造成短射現(xiàn)象；相反地，假如塑料的流動性太好，容易在塑件的分模面造成毛邊。熔膠完全填滿模穴後，繼續(xù)施壓以注入更多熔膠，補償因冷卻而造成之塑料體積收縮，並確保模穴完全填滿。充填與保壓階段結(jié)束，熔膠在模具裡完全凝固後，再打開模穴取出塑件。冷卻時間在整個成形週期佔非常高的比例，大約80%，成形品的冷卻時間依照塑膠性質(zhì)、成形品的形狀、大小、尺寸、精度而有不同。當移動模板後退，使頂出銷頂?shù)结岚?rear plate) 而停止運動，將成形品、澆道系統(tǒng)及廢料頂出。 (a) (b) (c) (d)

12、(f)圖2-8 射出機之操作程序。(a)關(guān)閉模具；(b)充填模穴；(c)保壓； (d)螺桿後退；(e)頂出塑件；(f)開始下一個循環(huán)。為了進一步說明製程循環(huán)中的射出機動作，圖2-9畫出不同階段的油壓缸壓力、模穴壓力、公母模分隔距離與螺桿位置的示意圖，其中編號表示：圖2-9 典型的射出成形機之動作循環(huán)和各動作所佔的時間比例- 充填（射出階段）- 保壓與冷卻- 開啟模具- 頂出塑件- 關(guān)閉鎖具射出成形的週期時間根據(jù)製程的塑件重量、肉厚、塑料性質(zhì)、機器設(shè)定參數(shù)而改變。典型的週期時間可能從數(shù)秒鐘到數(shù)十秒。2-4 螺桿操作根據(jù)需求，迴轉(zhuǎn)式螺桿可以設(shè)定轉(zhuǎn)速以塑化塑膠顆粒，並且將熔膠以設(shè)定之螺桿速度、射出量

13、與射出壓力壓擠進入模穴。迴轉(zhuǎn)式螺桿射出機之射出成形的主要控制參數(shù)如下列： (1) 背壓背壓(back pressure)是螺桿往後推以準備下一次射出塑料時，作用於螺桿前端之塑料的壓力值。當射出機準備要射出時，螺桿將前端的塑料推入模穴，射出的塑料在模具內(nèi)冷卻後，射出機再進入螺桿倒退階段，重新開始一個循環(huán)。通常，射出機可以調(diào)節(jié)背壓的最大值，當螺桿移到此預設(shè)背壓位置，就結(jié)束螺桿倒退階段。此預設(shè)的螺桿停止位置是根據(jù)充填流道和模穴所需的塑料量，以手動方式設(shè)定。(2) 射出速度（或射出時間）射出速度（injection speed或螺桿速度ram speed）是指射出操作中，螺桿的前進速度。對於大部份的工

14、程塑膠，應該在塑件設(shè)計的技術(shù)條件和製程允許的經(jīng)濟條件下，設(shè)定為最快的射出速度。然而，在射出的起始階段，仍應採用較低的射速以避免噴射流(jetting)或擾流。接近射出完成時，也應該降低射速以避免造成塑件溢料，同時可以幫助形成均質(zhì)的縫合線。射出時間是將熔膠充填進模穴所需的時間，受到射出速度控制。雖然最佳的充填速度取決於塑件的幾何形狀、澆口尺寸和熔膠溫度，但大多數(shù)情況會將熔膠儘速射入模穴。因為模具溫度通常低於樹脂的凝固點(freezing point)，所以太長的射出時間會提高導致塑料太早凝固的可能性。薄肉厚塑件使用高射出速度以防止充保模穴前發(fā)生凝固。有時候，粗厚塑件或小澆口會降低充填速度，此時必

15、須保持熔膠連續(xù)地流過澆口以防止?jié)部谀?，進而充飽模穴。新進的研究方向嘗試控制射出量，控制螺桿動作和止回閥(check valve)關(guān)閉的時間，以達到控制元件尺寸的目的。(3) 螺桿旋轉(zhuǎn)速度螺桿旋轉(zhuǎn)速度是塑化螺桿的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速越快，塑料螺桿溝槽壓縮得越激烈，產(chǎn)生更大量的剪切熱。(4) 緩衝量緩衝量(cushion)是螺桿的最大允許前進位置與最末端的前進位置之間的差值。假如允許螺桿行程設(shè)為最大值，緩衝量為零，螺桿將前進至碰到噴嘴後才停止。通常，緩衝量設(shè)定為36 mm（1/81/4英吋）。熔膠溫度熔膠溫度應依照(a)樹脂種類、(b)射出機特性、(c)射出量，相互配合。最初設(shè)定的熔膠溫度應參考樹脂供應商

16、的推薦數(shù)據(jù)。通常選擇高於軟化溫度、低於樹脂之熔點做為熔膠溫度，以免過熱而裂解。以nylon為例，在射出區(qū)(feed zone)的溫度通常比料筒的溫度高，此增加的熱量可以降低熔膠射出壓力而不致於使熔膠過熱。因為nylon熔膠的黏滯性相當?shù)?，可以很容易地充填模穴而不必倚賴提升溫度造成的致稀性。模具溫度模具溫度的限制在於避免塑料在模穴?nèi)的剖面凍結(jié)(freezing)以及塑料的冷卻性質(zhì)(例如crystallization等)。所以，模具溫度應該是在熔膠的流動性與模具溫度之間作折衷選擇。假如可能的話，應該讓臨界之凝固位置(the critical freezing location)發(fā)生在澆口處。調(diào)節(jié)澆

17、口尺寸能夠獲得在可能的最低模具溫度下的最佳流動性。較低的模具溫度可以加速成形週期，故應儘量使用可接受的最低模具溫度。有些射出成形需要冷卻或冷凝，有些則需要加熱模具以控制結(jié)晶度(crystallization)和熱應力。模具溫度可以使用冷卻劑調(diào)節(jié)。模具溫度和冷卻劑溫度都應監(jiān)控。模具固定側(cè)和移動側(cè)使用不同模溫的目的之一是要控制成品附著在模仁，方便頂出。影響熔膠溫度和模具溫度的一些因素包括：射出量(shot size)大射出量需要較高的模具溫度。射出速率(injection rate)高射出速度會造成致稀性的高溫。流道尺寸(size of runner)長的流道需要較高溫度。塑件壁厚(part thickness)粗厚件需要較長冷卻時間，通常使用較低模溫。射出和保壓壓力射出壓力的上限是射出機的容量、鎖模力和模具的結(jié)構(gòu)。通常，射出壓力和保壓壓力設(shè)定為不會造成短射的最低壓力。射出壓力和保壓壓力應該足夠高，維持足夠久，以便在塑件的收縮階段繼續(xù)填注塑料，將收縮量最小化。然而，太高的射出壓力會造成塑件潛在的應力。兩段式加壓可以應用在一些製程，第一階段的高壓進行充填，第二段則以較低壓力進行保壓。保壓時間完成充填模穴後，射出機仍然施加壓力在模具的時間稱為保壓時間，保壓的目的在維持