第二章 射出成形机.docx

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第二章射出成形机

【國立勤益技術學院CAE實驗室】講義

《模流分析基礎入門》　　謝慶雄博士編著

@版權所有

允許下載、複製、列印，但禁止販售或用於商業用途

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第二章射出成形機

　　就熱塑性塑膠（thermoplastics）而言，射出成形機將塑膠顆粒材料經由熔融、射出、保壓、冷卻等循環，轉變成最終的塑件。

熱塑性塑膠射出成形機通常採用鎖模噸數（clampingtonnage）或射出量（shotsize）作為簡易的機器規格辨識，可以使用的其他參數還包括射出速率、射出壓力、螺桿設計、模具厚度和導桿間距等等。

根據功能區分，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備包括樹脂乾燥機、材料處理及輸送設備、粉碎機、模溫控制機與冷凝器、塑件退模之機械手臂、以及塑件處理設備。

2-1射出機元件

典型的射出成形機如圖2-1所示，主要包括了射出系統（injectionsystem）、模具系統（moldsystem）、油壓系統（hydraulicsystem）、控制系統（comtrolsystem）、和鎖模系統（clampingsystem）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

　　射出系統包括了料斗（hooper）、迴轉螺桿與料筒（barrel）組合，和噴嘴（nozzle），如圖2-2。

射出系統的功能是存放及輸送塑料，使塑料經歷進料、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過料斗頸部，進入料筒與螺桿組合內。

（2）料筒

射出機的料筒可以容納迴轉式螺桿，並且使用電熱片（electricheaterbands））加熱塑料。

（3）迴轉式螺桿

迴轉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（feedingzone）、壓縮區（compressionzone,或轉移區transitionzone）、和計量區（meteringzone）三個區段，如圖2-3所示。

圖2-3迴轉式螺桿之進料區、壓縮區、和計量區。

螺桿的外徑為固定值，螺桿的溝槽深度（thedepthofflight）從進料區到計量區起點逐漸遞減，溝槽深度的變化使塑料相對於料筒內徑產生壓縮，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，一般的射出機有三組或更多組加熱片，以便設定為不同的溫度區段。

（4）噴嘴

噴嘴連接料筒和豎澆道襯套（spruebushing）。

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內，構成密封。

噴嘴的溫度應該設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）在清料位置的噴嘴與料筒。

2-1-2模具系統

模具系統包括了導桿（tiebars）、固定模板（stationaryplaten）、移動模板（movableplaten）、和容納模穴、豎澆道、流道系統、頂出銷和冷卻管路的模板（moldingplates），如圖2-5所示。

基本上，模具是一座熱交換器，使熱塑性塑膠的熔膠在模穴內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

模具系統將熔融塑料在模穴內定形，並於冷卻後將塑件頂出。

射出成形的模具系統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，並經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安裝固定模板上。

（1）兩板模

大多數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在塑件邊緣或者接近塑件邊緣的設計，其流道（runner）也設計在母模板上。

（2）三板模

三板模通常應用於澆口遠離塑件邊緣的設計，其流道是設計在分隔公模與母模的脫料板（stripperplate））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（coolingchannels）是模具本體的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）經由冷卻管路循環以調節模壁溫度。

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（thermalpinsorheatpipes）等。

2-1-3油壓系統

射出機的油壓系統提供開啟與關閉模具的動力，蓄積並維持鎖模力噸數，旋轉與推進螺桿，致動頂出銷，以及移動公模側。

油壓系統的元件包括幫浦、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

控制系統提供成形機一致性的重覆操作，並且監控溫度、壓力、射出速度、螺桿速度與位置、及油壓位置等製程參數。

製程控制直接影響到塑件品質和製程的經濟效益。

控制系統包括簡單的開／關繼電器控制到複雜的微處理器閉迴路控制器。

2-1-5鎖模系統

鎖模系統用來開啟／關閉模具，支撐與移動模具組件，產生足夠的力量以防止模具被射出壓力推開。

鎖模機構可以是肘節機構鎖定、油壓機構鎖定、或是上述的兩個基本型態的組合。

2-2射出成形系統

典型的射出成形系統（moldedsystem）包括熔膠輸送系統和成形塑件，如圖2-7所示。

熔膠輸送系統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（coldslugwell）、主流道、分枝流道、和澆口（gates）。

圖2-7射出成形系統包括熔膠輸送系統及成形塑件。

輸送系統的設計對於充填模式與塑件品質都有很重要的影響。

因此應該設計流道系統，以維持所需充填模式，將熔膠輸送到模穴。

在完成射出成形之後，冷流道輸送系統將會被切除成為回收廢料，所以應該設計輸送系統，以產生最少的廢料。

熱流道（Hotrunner或無流道runnerless）成形製程維持流道於高溫，使其內之熔膠維持在熔融狀態。

因為熱流道並不與塑件一起脫模，不致於造成廢料，並且節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精密元件的加工法，它將粒狀塑料於料筒內融化、混合、移動（3M’s:

Melt,Mix,andMove），再於模穴內流動、充填、凝固（3F’s:

Flow,Form,andFreeze）。

其動作可以區分為塑料之塑化、充填、保壓、冷卻、頂出等階段的循環製程，包括的基本操作動作如下列：

（1）關閉模具，以便螺桿開始向前推進，如圖2-8（a）。

（2）與柱塞式射出機相同地，推進迴轉式螺桿以充填模穴，如圖2-8（b）。

（3）螺桿繼續推進，以進行模穴保壓，如圖2-8（c）。

（4）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）。

（5）開啟模具，頂出塑件，如圖2-8（e）。

（6）開閉模具，以開始下一個循環，如圖2-8（f）。

塑料在料筒被螺桿擠壓產生大量摩擦熱而形成熔融狀態，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，螺桿前進將熔膠經噴嘴注入關閉的模穴，以完成充填。

當熔膠進入模穴，受壓氣體從頂出銷、分模線和氣孔逸出。

良好的充填決定於塑膠元件設計、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、成形品的形狀、大小、尺寸、精度而有不同。

當移動模板後退，使頂出銷頂到後板（rearplate）而停止運動，將成形品、澆道系統及廢料頂出。

（a）（b）

（c）（d）

（e）（f）

圖2-8射出機之操作程序。

（a）關閉模具；（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。

　為了進一步說明製程循環中的射出機動作，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和各動作所佔的時間比例

1--充填（射出階段）

2--保壓與冷卻

3--開啟模具

4--頂出塑件

5--關閉鎖具

射出成形的週期時間根據製程的塑件重量、肉厚、塑料性質、機器設定參數而改變。

典型的週期時間可能從數秒鐘到數十秒。

2-4螺桿操作

　　根據需求，迴轉式螺桿可以設定轉速以塑化塑膠顆粒，並且將熔膠以設定之螺桿速度、射出量與射出壓力壓擠進入模穴。

迴轉式螺桿射出機之射出成形的主要控制參數如下列：

（1）背壓

　　背壓（backpressure）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冷卻後，射出機再進入螺桿倒退階段，重新開始一個循環。

通常，射出機可以調節背壓的最大值，當螺桿移到此預設背壓位置，就結束螺桿倒退階段。

此預設的螺桿停止位置是根據充填流道和模穴所需的塑料量，以手動方式設定。

（2）射出速度（或射出時間）

　　射出速度（injectionspeed或螺桿速度ramspeed）是指射出操作中，螺桿的前進速度。

對於大部份的工程塑膠，應該在塑件設計的技術條件和製程允許的經濟條件下，設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（freezingpoint），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生凝固。

有時候，粗厚塑件或小澆口會降低充填速度，此時必須保持熔膠連續地流過澆口以防止澆口凝固，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（checkvalve）關閉的時間，以達到控制元件尺寸的目的。

（3）螺桿旋轉速度

　　螺桿旋轉速度是塑化螺桿的轉速。

轉速越快，塑料螺桿溝槽壓縮得越激烈，產生更大量的剪切熱。

（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，緩衝量設定為3~6mm（1/8~1/4英吋）。

（5）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。

最初設定的熔膠溫度應參考樹脂供應商的推薦數據。

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（feedzone）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熔膠的黏滯性相當低，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。

（6）模具溫度

模具溫度的限制在於避免塑料在模穴內的剖面凍結（freezing）以及塑料的冷卻性質（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（thecriticalfreezinglocation）發生在澆口處。

調節澆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晶度（crystallization）和熱應力。

模具溫度可以使用冷卻劑調節。

模具溫度和冷卻劑溫度都應監控。

模具固定側和移動側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（shotsize）—大射出量需要較高的模具溫度。

․射出速率（injectionrate）—高射出速度會造成致稀性的高溫。

․流道尺寸（sizeofrunner）—長的流道需要較高溫度。

․塑件壁厚（partthickness）—粗厚件需要較長冷卻時間，通常使用較低模溫。

（7）射出和保壓壓力

射出壓力的上限是射出機的容量、鎖模力和模具的結構。

通常，射出壓力和保壓壓力設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。

（8）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，保壓的目的在維持元件的尺寸精度。

（9）剩餘冷卻時間

解除壓力到開模之間的時間稱為剩餘冷卻時間，目的是讓塑件足夠硬化以便頂出。

假如在塑件尚未完全冷卻硬化之前就頂出，會造成塑件翹曲變形。

（10）開模時間（mold-openingtime，也稱為deadtime）

開模時間包括打開模具、頂出塑件和關閉模具的時間。

開模時間和射出機之操作效率、成品取出的難易度、使用脫模劑與否都有關係，以人工安置鑲埋件（insert）的模具會更降低操作效率。

在射出機運轉過程維持最少的人力介入是開模時間最佳化的方向。

有時候，考慮到成形品的可靠性和尺寸穩定性，最理想的製程循環有可能不是deadtime最短的製程。

改善deadtime的方法包括：

․統計法—例如controlcharts、田口法。

․神經網路法—甚至可以在射出機運轉之前即建議設定之成形條件。

目前，可能購買現有的神經網路訓練器分析正常的射出成形製程，而能夠準確預測成形品的品質。

甚至有神經網路訓練器只要辨識元件的幾何關係和樹脂特性就可以對新設計緣漸漸溢出有效的成形條件。

2-5二次加工

　　塑件頂出之後，切除熔膠輸送系統（豎澆道、流道、澆口）的加工稱為二次加工。

有些塑件需要二次加工進行組合或裝飾，二次加工詳細說明應該可以從材料供應商的設計手冊中找到。

（1）組合

　　組合塑件的二次加工包括：

●黏合（bonding）

●熔接（welding）

●嵌入（inserting）

●打樁（staking）

●嵌金屬型板（swaging）

●接合組合（assemblywithfasteners）

（2）裝飾

　　裝飾塑件的二次加工包括

●表面處理：

加熱或加壓之表面處理。

●印刷：

為裝飾或提供資訊而在塑件表面加工。

（3）其他的二次加工

　　其他的二次加工包括：

●上漆

●硬鍍

●金屬層／遮蔽層

●表面處理

●退火

●車削

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