注射成形过程及其工艺参数对注射坯质量的影响.docx
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注射成形过程及其工艺参数对注射坯质量的影响
注射成形过程及其工艺参数对注射坯质量的影响
一、注射成形过程
注射成形过程是使喂料均匀填充模腔成为具有合适最终形状产品的过程，是工艺过程中极为重要的一环，制品的许多缺陷如起泡、飞边、表面波纹以及变形等都是与注射成形参数的不正确选择有关。
因此，选择合理的工艺参数，包括注射温度、注射压力、注射时间和保压时间等对注射成形的顺利实现至关重要。
1、过程描述
注射成形过程可以简单地描述为：
在注塑机上加热喂料至足够高的温度使之
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熔化，然后利用注塑机的螺杆或柱塞的推动将熔融物注入并充满模腔中，熔体在控制条件下凝固冷却成形，从而得到和模腔形状相同的产品。
这一过程所经历的时间虽短，但熔体在其中发生的变化却不少，且这种变化对注射坯的性能有着重要影响。
成形过程所需的时间与模腔尺寸、填充时间和冷却时间有关，一般为5s～1min之间。
为保证喂料的流动性，注射温度应高于粘结剂的软化温度，一般在50～200℃之间。
注射温度偏低将导致短射（注不满），偏高则会使粘结剂分解或产生飞边，以及出现粉末与粘结剂分离现象，而且需要延长冷却时间。
注射压力直接影响填充速率。
压力上限由产生喷射、坯件粘模、飞边现象的锁模力决定。
如果压力过高则不利于脱模；过低则坯件表面形成缩孔，这是由于注射压力不够大从而无法弥补冷却过程中的收缩而导致的。
由于注射成形是一个间歇过程，在每一个生产周期中，加入到料桶中的喂料应保持一定水平，当操作稳定时，物料塑化均匀，最终注射制品性能优良。
以下是注射成形的几个过程：
1、进料
根据各种喂料特性，一般在成形前应对喂料进行外观（喂料颗粒大小及均匀性）和工艺性能（流变学性能、热性能及收缩率）的检验。
注射过程开始前，螺杆速率和料桶内的压力已定，模具紧闭，顶杆收缩。
注射开始后射嘴紧靠流道，螺杆向前推进，此时螺杆前端的锁环挡圈是紧闭的，以保证喂料受压后挤出料筒，填充模腔。
当料筒前端有足够喂料填充到模腔中时，螺杆停止转动，填充过程中喂料需稍微过量，以便缓冲。
一定注射压力保证了喂料的流出量，它根据模腔的大小和喂料的种类不同而有所改变。
.1.
2、充模
最理想的充模过程是喂料沿模壁逐渐填充模腔。
注射厚坯件要求螺杆推进速度快，薄件则反之。
充模速率太大会导致喷射，即喂料的射程超过模具。
喷射会导致气泡、焊纹或不完全填充（空气无法逸出）等现象的产生。
大的注射压力和充模速率、喂料粘度低都是导致喷射产生的原因，因此，一定要避免。
不过充模速度太慢会导致喂料过早冷却，产生不完全填充，这就是“短射”。
对喂料加热温度的控制不当也会产生此类现象。
通常喂料的充模速率Q与注射压力P关系如下：
Q=P∕ηK
（1）
式中η—喂料粘度；
K—模具阻力。
K随模具形状尺寸不同而不同。
如长L、宽W、厚H的矩形模具的K=L∕WH3；
长为L、直径为d的管型模具K=128∕πd4。
注射温度、压力、喂料粘度及剪切速率对成形都有影响。
此外，模腔内压力与坯件厚度、浇口和流道的设计有关，对其进行适当的控制可保证成形坯的密度分布均匀性。
3、保压
当螺杆到达顶端射嘴处后，对喂料进行施压的过程为保压过程，它是喂料在模具中受机器控制的最后的一个阶段。
当模腔内的压力增大时，喂料的流动速率下降。
当喂料冷却时，充模过程结束了。
当浇口凝固时，有些剩余的喂料可能会发生倒流，这是不希望发生的。
当浇口的喂料硬化后，可以撤除外压，但在浇口处刚发生硬化时，喂料冷却体积减小，因此需要维持一段时间的注射压力，否则会出现密度梯度和表面缩孔。
冷却速率与喂料的热性能及热量的流动速率q有关：
q=ΩA×dT/dx
（2）
式中Ω—热导率
A—横截面积
dT/dx—温度梯度
.2.
混合料在模腔中的冷却时间与厚度有关，越厚的坯件冷却时间越长。
微型坯件的成形相对困难，因为它们冷却快，且在薄处流动缓慢。
有一种方法就是在保压过程中将压力增至100MPa，使得喂料填充每个角落，但这样做会加快模具和射嘴的磨损，浇口凝固的时间也会延长。
下面的方程式表明了保压和冷却过程中温度T、压力P和体积V的关系：
（P－P0）（V－V0）=CT（3）
式中C、P0、V0—材料的常数
实际上，由于模具的体积是不变的，保压压力改变了坯件的密度，保压压力越大，坯件的密度越大。
4、脱模
注射成形的最后一步是将成形坯从模具中取出。
坯件尺寸和形状不同，冷却速率也不同。
开模温度取决于喂料何时开始硬化，它应当低于坯件脱模时维持其形状的临界温度，其最低值由模具冷却系统决定。
同样，开模压力必须小于成形坯能够脱模不粘住模壁所需的最大压力Pm。
开模的压力和温度有一定的范围，不能出现变形、粘模、划伤模具及形成表面缩孔或凹陷。
二、成形参数对注射坯性能的影响
注射成形机地注射能力与很多参数有关，其中包括装入注射机的喂料的量（注射量）、合模力、注射压力、注射速度（或注射成形周期）、模腔大小、分模线与注射方向的垂直度等。
参数的调整一般在如下范围：
料筒温度100～200℃；
射嘴温度80～200℃；
模具温度20～100℃；
螺杆转速35～70r／min；
注射压力0.1～130MPa；
保压压力0.1～130MPa；
充模时间0.2～3s；
保压时间2～60s；
冷却时间18～45s；
注射成形周期8～360s
.3.
各参数对注射坯性能的影响如下：
1、温度
注射成形过程中需要控制的温度有注射温度、模具温度。
料筒温度与射嘴温度属于注射温度范畴，只是射嘴温度比料筒温度低一些。
我们通常所谈到的注射温度是指料筒温度。
注射温度主要影响喂料的塑化和流动。
模具温度主要影响喂料的注射、冷却和脱模。
（1）注射温度
1）料筒温度
料筒温度的选择应保证喂料颗粒充分受热并达到熔融状态，能顺利实现注射但又不会引起粘结剂分解。
料筒的温度选择应考虑以下几方面：
1喂料特性：
每种喂料都有不同的流动温度Tf，不同的粘结剂、不同的装
载量对喂料的熔化温度影响很大，应根据不同的喂料特性确定料筒温度。
2注射机地类型：
喂料在不同的注射机中的塑化过程是不同的，因而选择
料筒温度也不同。
柱塞式注塑机中的塑料仅靠喂料筒壁及分流梭表面往里面传热，传热速率小，因此需要较高的温度；螺杆式注塑机中，由于螺杆的剪切和混合作用使传热加快，同时还能获得较多的摩擦热，因此选择的料筒温度可低一些。
③制品厚度和形状：
选择料筒温度还应结合制品及模具结构特点。
由于薄壁制品的模腔比较狭窄，熔体注入的阻力较大、冷却快，因此，为了顺利充模，料筒温度应选择高一些；相反，注射坯壁厚的制品，料筒温度可选择低一些。
对于形状复杂的和带有嵌件的制品，或者熔体充模程曲折较多或较长的，料筒温度应选择高一些。
2）射嘴温度
射嘴温度通常是略低于料筒最高温度的，这是为了防止熔体在直通式射嘴可能发生的“流涎现象”。
由射嘴低温产生的影响可从喂料注射时发生的摩擦热得到一定的补偿。
然而，射嘴温度也不能过低，否则会导致熔体的早凝而将射嘴堵死，或者由于早凝料的注入而影响制品性能。
料筒温度与射嘴温度的选择不是孤立的，与其他条件存在一定关系。
如选择较低的注射压力时，为保证喂料的流动，应适当提高料筒温度；反之，料筒温度偏低就需要较高的注射压力。
由于影响因素很多，一般在成形前通过“对空注射
.4.
法”或“注射坯直观分析法”来进行调整，以便从中确定最佳的料筒温度与射嘴温度。
工艺试验表明：
在120℃～160℃范围内，注射温度升高10℃，注射坯重量增加约0.01g，它表明这种喂料在注射温度波动时，注射坯重量或尺寸容易保持稳定，有利于得到尺寸均一的产品。
（2）模具温度
模具温度对于注射坯的内在性能和表面质量影响很大。
模具温度的高低决定于粘结剂有无结晶性、注射坯的尺寸与结构、性能要求，以及其他工艺条件（如喂料温度、注射温度、注射压力及注射周期等）。
模具温度通常是靠通入定温的介质来控制的，也有靠喂料注入模具后，通过自然升温和冷却达到平衡而保持的。
在某些情况下，还有采用电阻加热圈或加热棒对模具进行加热而保持温度的，不管采用何种方法使模具保持温度，对喂料熔体来说都是冷却。
保持温度低于粘结剂玻璃化温度或工业上常用的热变形温度，才能使喂料成形和脱模。
2、压力
注射成形中的压力包括喂料的注射压力和保压压力，它们直接影响喂料的塑化和注射坯的质量。
（1）注射压力
注塑机的注射压力是指柱塞或螺杆顶部对喂料所施加的压力。
注射压力在注射成形中所起到的作用是：
克服喂料从料筒流向型腔的流动阻力、提供喂料充模的速率以及对熔体进行压实。
注塑机的类型、被注射喂料的种类及温度、样品的结构和复杂程度、壁厚、流道及浇口设计等情况不同，所需的注射压力也不同，通常在40～130MPa范围内。
注射压力与注射坯质量的关系，一般随注射压力增加，生坯的质量增加。
这主要不是由喂料粘度的变化，而是由于注射压力的增加使喂料填充阶段的时间增加引起的。
注射过程中，随着喂料填充到模腔中，模腔内压力逐渐升高，以抵制喂料的继续流入，注射压力的增加，可以克服模腔内填充而形成的抗力，即增加了填充的时间，将更多的喂料压入模腔中。
工艺试验表明：
注射压力增加20%，生坯重量几乎增加1.5%。
所以注射压力的影响是很大的。
需要注意的有以下三点：
①注塑机类型：
在其他条件相同的情况下，柱塞式注塑机所用的注射压力比螺杆式的大，其原因是喂料在柱塞式注塑机料筒内的压力损耗比螺杆式的多。
.5.
②喂料种类（粘结剂种类及含量）及温度。
对于喂料粘度大、软化温度高的喂料宜采用较高的注射压力。
注射过程中，注射压力与喂料温度实际上是互相制约的。
喂料温度高时，注射压力小；反之，所需的注射压力大。
③样品和模具的结构。
结构复杂、壁薄、流程长的产品，宜采用较高的注射压力。
（2）保压压力
保压压力的作用是：
①压紧喂料，使喂料紧贴模壁，以获得精确的形状，同时使先后进入模腔中的喂料熔成一体。
②模内喂料冷却收缩时补料。
保压压力在生产中有等于注射时所用的压力的，也有适当降低的。
如果注射和压实时压力相等，则往往可以使注射坯的收缩量减小，并使坯料制品之间的尺寸波动较小。
缺点是造成模具的参与压力较大和成形周期较长。
保压压力的影响类似于注射压力，保压压力增加，则保压阶段进入模腔中的喂料增多，生坯重量增加。
但随保压压力增加，生坯重量增加幅度减小，可见在较小的的范围时，保压压力影响较大，而在较高的压力值下，保压压力的影响较小。
3、时间
完成一次注射成形过程即注射成形过程中出现两个连续循环的相同点所经历的时间称为“成形周期”。
它由一系列连续操作组成，而各操作所需时间由注塑机和喂料熔体性质参数所决定，而且它们相互影响、相互制约。
如图所示，成形周期由螺杆前进时间ta、注射时间t1、闭模时间te、冷却时间tf四部分组成，其中ta、t1、te、tf分别为5s、10s、10s、20s，整个注射周期约为45s。
5s10s10s20s
0tat1tetf
图1注射成形周期示意图
如要提高注射效率和保证产品质量，就需要对上述参数进行模拟和大量的实践优化。
成形周期直接影响劳动生产率和设备利用率，因此，在生产中，应在保证质量的前提下，尽量缩短成形周期的各个相关时间，从而缩短整个注射成形周期。
三、粉末注射成形制品缺陷的产生原因分析
粉末注射成形过程中，由于注射成形机控制不当或原料本身的问题，不可避免的会出现注射坯质量缺陷。
表1中列出了注射成形中的缺陷原因分析。
表1粉末注射成形工艺中产生的缺陷及原因分析
缺陷种类
产生原因
样品缺料
1、加料量不足，加料装置发生故障，出现缺料或供料中断；
2、料筒、射嘴及模温偏低；
3、注射压力太低，保压时间不足；
4、注射速度太慢；
5、浇口或流道太小，浇口数量不够，浇铸系统堵塞；
6、模腔排气不良；
7、注射时间太短；
8、喂料流动性差。
飞边
1、料筒、射嘴及模温太高；
2、注射压力太大、锁模力不足；
3、模具密封不严，有杂质或模板弯曲变形；
4、模腔排气不良；
5、喂料流动性差；
6、加料量太多。
起泡
1、喂料中含有水分、溶剂或挥发性气体；
2、注射速度太快；
3、注射压力太小，撤压过早；
4、模温太低；
5、模具排气不良；
6、从加料端混入空气。
凹陷
1、加料量不足；
2、料温太高；
3、制品壁厚或壁薄相差大；
4、注射及保压时间太短；
5、注射速度太小；
6、注射压力不够；
7、浇口位置不当。
焊接痕
1、注射温度太低、喂料流动性差；
2、注射压力小；
3、注射速度太慢；
4、模温太低，浇口多，脱模剂过量；
5、模腔排气不良。
表面波纹
1、喂料含有水分，溶剂或挥发性气体；
2、料温太高或太低；
3、注射压力太低，注射速度太慢；
4、流道浇口尺寸太小；
5、嵌件未预热或温度太低；
黑点或条纹
1、粘结剂与粉末颗粒分离；
2、螺杆转速太快，背压太高；
3、喂料屑卡入柱塞和料筒间；
4、射嘴与主流道吻合不好，产生积料；
5、模具排气不良；
6、喂料污染。
变形
1、模温太高，冷却时间不够；
2、制品厚薄悬殊过大；
3、浇口位置不当，数量不够；
4、顶出位置不当，受力不均；
5、粘结剂大分子取向作用太大。
尺寸不稳定
1、加料量不稳定；
2、喂料颗粒不均匀，新旧料混合使用；
3、料筒或射嘴温度太高；
4、注射压力太高；
5、充模保压时间不够；
6、浇口、流道尺寸不均匀；
7、模温不均匀、模具尺寸设计精确；
8、脱模杆变形和磨损；
9、注射机地电器、液压系统不稳定。
制品粘模
1、注射压力太大，注射时间太长；
2、模温太高；
3、浇口尺寸太大和位置不当；
4、模腔光洁度不够；
5、脱模角锥度太小，不易脱模；
6、顶出位置结构不合理。
分层或起皮
1、粘结剂与粉末混合不均匀；
2、注射温度太低；
3、射嘴温度太低；
4、喂料污染和混入异物；
制品强度低
1、粉末与粘结剂分离；
2、成形温度太低；
3、粘结剂冷却强度太低；
4、粉末与粘结剂配比不合理；
5、浇口位置不当；
6、制品设计不合理，有尖锐缺口；
7、模温太低。
表中对常见的几种缺陷原因及影响进行了分析，由于各种明显的缺陷都有其根源，控制好工艺，一般可避免出现这些缺陷。
从表中所列出的缺陷产生原因可知：
对粉末注射成形过程中温度和压力两个参数的调节是得到良好成形坯的关键。
剪切速率由压力、温度和模腔形状共同决定。
然而，温度和剪切速率决定成形过程的最终结果。
料筒中喂料的温度必须足够高，从而使之能够流动自如而不至于在填充模腔之前发生凝固；另一方面，温度过高会导致缺陷的产生，尤其是在充模速率高、保压压力低的时候更为明显。
尽管还没有对喂料的最大粘度做出明确的规定，但一般情况下温度和剪切速率调整到使得喂料粘度小于200Pa.s的时候就能够顺利成形。
为避免模壁冷却过快和坯件的开裂，通常对模具进行加热，但这一温度必须低于喂料的软化温度。
MIM常见的一个问题是坯件的最终尺寸与额定尺寸不符，我们可以通过改变喂料中固体粉末所占的体积比例来进行修正，如果坯件尺寸需要增大，那么喂料中的固体粉末量就要增加，使得烧结时收缩相对较小。
但这必须是在粉末装载量小于临界值的情况下进行，并且只能作微小的改变；如果尺寸不当是由最初的成形方案导致的，这种方法就不起作用了。
MIM生坯的断裂强度一般为3～20MPa，生坯强度可以通过调整粉末与粘结剂配合的比例，通常的做法是将不同粒径与形状的粉末混合在一起，以增加粒子间的摩擦力。
变形通常发生在加热初期，因为此时热塑性粘结剂发生软化而失去强度。
在150℃左右保温最容易发生变形。
另外，注射时长链分子形成的残余应力会在升温时发生松弛，如果残余应力较大，生坯在加热时也会发生变形。
生坯强度下降以及脱脂应力问题可以通过以下方式得到控制：
使用低分子量地粘结剂，使用多组元粘结剂，使用高摩擦力的粉末以及脱脂时采用填料。
本文摘自《金属注射成形原理与应用》
2011年8月18日
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