成型機械(一)
成型機械注塑機和樹脂材料的選擇
注塑有許多規(guī)格（型號），以一個注塑周期所能注射的塑料總量來標定，注塑量自小型實驗室用注塑機的幾分之一盎司到大型設(shè)備的幾英鎊不等。實驗室用注塑機主要被用做研究開發(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(gòu)和啟閉模具的鎖模機構(gòu)。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(qū)動的活動的模板和固定模板，模具就固定在這些模板上。注塑機也有立式的。
注塑機在設(shè)計上形式各異，但基本分為柱塞式和螺桿式兩類，二者的主要區(qū)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(shè)備用來對鎖模系統(tǒng)、模具和注射系統(tǒng)進行檢測和控制，如圖2.1.1所示，表示這些最有可能的測試點。實際上，目前還沒直接的方法對模具進行實時在線檢測。
實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(gòu)通常用手動凸輪機構(gòu)控制，注射系統(tǒng)手動或用壓縮空氣實現(xiàn)。注射系統(tǒng)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，不然兩半模會分離形成飛邊（合模線處的樹脂會被擠出來）。
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)，這類機器大多每小時可生產(chǎn)幾千件制品。實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比較困難，需要使用專用設(shè)備。從聚合物結(jié)構(gòu)來看，顯然熔融溫度范圍寬的樹脂要比窄的樹脂容易成型。需要考慮的其他因素還有：模塑溫度、樹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，會腐蝕料筒中的機器部件，需要進行鍍鉻處理。有些制品會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，接件要有耐折疊性，圓珠筆有硬度要求。
實驗室用注塑機上容易成型的樹脂有聚乙、聚苯乙、聚丙、苯乙-丙腈，ABS，離子鍵聚合物（離子交聯(lián)聚合物），異質(zhì)同晶聚合物，這類樹脂可滿足大多數(shù)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熔融、注射、保壓和冷卻這樣的循環(huán)過程轉(zhuǎn)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(gòu)
注射機構(gòu)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加料斗頸部喂到料筒和螺桿中來。
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
往復式螺桿可用來壓縮、熔融和輸送物料，由三段組成加料段、壓縮段（過度段）和計量段。（圖2.1.4）
當螺桿外徑不變時，往復式螺桿的螺紋深度自加料段到計量段開始處逐漸變淺，物料被壓向料筒內(nèi)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(shè)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(yīng)設(shè)為物料的熔融溫度或稍低，這取決于材料供應(yīng)商的推薦值。當料筒處在滿料待注射狀態(tài)時，噴嘴頭部應(yīng)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，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，料筒的這兩種位置如圖2.1.5所示。
B．模具系統(tǒng)
模具部分包括拉桿、動模固定板、定模固定板以及開設(shè)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。模具其實是一個熱交換體，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(gòu)可通過型腔成型和頂出制品。定模固定板在注塑機料筒一側(cè)，并通過導桿與動模固定板連接。凹模模板一般固定在定模固定板上并承接噴嘴，凸模板安裝在活動模板上由導桿導向隨之一起移動。凹模模板有時也可固定到動模固定板上，而凸模板和液壓頂出機構(gòu)固定到定模固定板上。
1.兩模板
絕大多數(shù)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料的情況，而且型腔和澆注系統(tǒng)開設(shè)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料的情況，澆注系統(tǒng)開設(shè)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(nèi)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(diào)節(jié)模具表面溫度，冷卻通道也可與其他形式的溫度調(diào)節(jié)裝置如隔板、噴管、導熱棒或熱管等一起使用。
C．液壓系統(tǒng)
注塑機上的液壓機構(gòu)可提供開、合模的動力和鎖模力，旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動往復式螺桿、推動頂桿和帶動型芯移動。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(gòu)
控制機構(gòu)可保證設(shè)備連續(xù)重復工作，能監(jiān)測和控制成型參數(shù)如溫度、壓力、注射速度、螺桿速度和位置、液壓狀態(tài)。過程控制對于制品最終質(zhì)量和成型的經(jīng)濟性很重要，可以是簡單的開/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(tǒng)來完成。
E．鎖模機構(gòu)
鎖模機構(gòu)用于開啟和閉合模具，支撐和移動模具零部件，產(chǎn)生足夠的力量防止模具開啟，鎖模力可通過機械肘桿式機構(gòu)實現(xiàn)，也可以是液壓式或機械-液壓組合式實現(xiàn)。
F．典型模塑系統(tǒng)
模塑系統(tǒng)包括澆注系統(tǒng)和模塑制品，如圖2.1.8所示。
澆注系統(tǒng)提供了熔體自注塑機噴嘴到型腔的流動通道，一般包括：注道、冷料井、主流道、分流道和澆口。
澆注系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)從制品上去除，因此可節(jié)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(qū)動裝置，接下來分別介紹這些部件。
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的長圓柱體，末端帶有一個止逆閥，如圖2.2.1和2.2.2所示，這種螺桿一般稱為阿基米德螺桿，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循環(huán)周期內(nèi)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，可以通過在螺桿末端設(shè)分配混合元件獲得。
B．注塑螺桿設(shè)計
人們已經(jīng)認識到合理的螺桿設(shè)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。但在注塑成型時往往用往復式擠出機作塑化機構(gòu)，通常認為螺桿的設(shè)計并不重要，這種想法是不對的。非往復式擠出機的螺桿設(shè)計技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)很成熟了，產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)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(jiān)控、模具設(shè)計等方面也越來越復雜，而往復式擠出機螺桿設(shè)計相對來說進展較慢。
非往復式擠出機的主要作用是固體輸送、熔融、熔體輸送、混合及有時兼有排氣功能，往復式螺桿也有這些功能，但又有所區(qū)別，螺桿后退時完成這些任務(wù)，并且這個過程是循環(huán)而非連續(xù)的。如果要保證各個循環(huán)周期的一致性，對輸送、加熱和混合過程的重要性要求很高，因此，往復式擠出機螺桿設(shè)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長度方向上保持恒定，這種螺桿被稱為正方形螺距形式，在傳統(tǒng)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，加料段長度大約是總長度的50%，而壓縮和計量段通常各占25%。傳統(tǒng)擠出機加料段較短，而壓縮和計量段較長，這是二者不同的地方。常見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題。
注塑機鎖模機構(gòu)
A．鎖模機構(gòu)的作用
1．支撐模具
首要的作用是支撐模具并引導其在開啟和閉合位置之間運動，這就要求有足夠大的力拖動動模部分并且克服摩擦力。動模部分的導向也很重要，可以防止導桿的過度磨損。
成型時鎖模
第二個作用是當熔體注射到型腔時要保證模具鎖閉，因為此時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，模具開啟時，需要提供頂出制品的動力，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：液壓（或氣動）式、液壓-機械式和機械式。
C．液壓式
液壓（或氣動）鎖模機構(gòu)與其他兩種形式有以下不同：
鎖模過程是由所用液體（油或空氣）壓迫鎖模缸的運動來實現(xiàn)（如圖2.2.6所示）。
被壓縮液柱的長度與合模行程的長度相等或稍長，這與液壓機械式鎖模機構(gòu)是不同的，鎖模力與作用在油缸上的壓力成正比。鎖模行程是最大開模和合模距離的函數(shù)。
圖2.2.7是液壓式鎖模機構(gòu)的例子，這類機構(gòu)的優(yōu)點主要是結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)。
D．液壓機械式
這類鎖模機構(gòu)與其他類型有以下區(qū)別：
鎖模路徑是由所用液體（油或空氣）壓迫鎖模缸的運動來實現(xiàn)的（如圖2.2.8所示）。
被壓縮液柱的長度與鎖模行程無關(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(diào)模行程有關(guān)，為適應(yīng)不同厚度的模具，需要事先通過后模板上拉桿螺母調(diào)整活動模板的位置滿足合模行程的要求。
這種鎖模機構(gòu)所采用的變化形式也是多樣的。
E．機械式
機械式鎖模機構(gòu)主要指的是肘桿式鎖模形式，與其他形式相比有以下區(qū)別：
鎖模路徑不經(jīng)由液壓/氣動或電機驅(qū)動實現(xiàn)。
鎖模力與合模驅(qū)動裝置的驅(qū)動力無直接關(guān)系，相反，肘桿合閉時的驅(qū)動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(gòu)的函數(shù)，對不同厚度的模具，機械式合模機構(gòu)的有效合模行程需要通過調(diào)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長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，可用于包裝、儲運、輸送液體或大批量粉狀物料等方面。這類中空塑料制品有瓶子、罐子、轉(zhuǎn)筒、儲罐，也有管道、管材等。除了有常規(guī)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(shè)備的外保護殼。因為還具有雙層結(jié)構(gòu)，可用來生產(chǎn)輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)部件中空塑料制品，如運輸貨盤，座椅及各類儀表板。
為了便于了解擠出吹塑成型，下面介紹該生產(chǎn)所用設(shè)備。
A．吹塑機基本結(jié)構(gòu)
吹塑成型機可被分為幾個子系統(tǒng)。
擠出機，包括料斗、螺桿、直流電（用的最多）或交流電驅(qū)動裝置、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(tǒng)（設(shè)備控制和壁厚控制系統(tǒng)）；
吹塑模；
帶有鎖模機構(gòu)的機架，模具安裝在該鎖模機構(gòu)上；
帶液壓機機構(gòu)的供應(yīng)系統(tǒng)，為模具、擠出機進料段和液壓機構(gòu)提供冷卻水，為吹塑和氣動元件提供空氣。
B．擠出機
擠出吹塑成型時，加料段料筒帶溝槽的擠出機用得最多，這類擠出機的特點是擠出量往往與機頭反壓無關(guān)，這對于通過調(diào)整口模間隙調(diào)節(jié)型坯壁厚的情況非常重要，因為改變口模間隙會引起機頭反壓的改變。為防止物料在帶溝槽的加料段熔融（尤其是聚烴），常對這部分進行冷卻，通常是用比例閥控制一個單獨的冷卻水回路來完成。
擠出階段很重要的參數(shù)有旋轉(zhuǎn)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，如果滿足不了這個基本要求，物料極有可能會抱著螺桿轉(zhuǎn)動，不會在軸線方向向前移動。
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(qū)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對熔體流動造成影響，除非是在擠出高黏材料如硬質(zhì)聚氯乙和超高分子量聚乙物料時。擠出段的流動主要受內(nèi)部摩擦（黏度）系數(shù)的影響，當機頭施加給熔體的阻力較大時尤甚。
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，可以進行連續(xù)變化的速度、壓力控制，還可以進行排氣等。特殊的設(shè)計形式可采用錐形或拋物線形螺桿，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、固定的銷釘混合螺桿、周期性的軸向運動。料筒內(nèi)部可能帶有螺旋線，伸縮式螺桿形狀和喂料裝置。
C．多螺桿擠出機
隨著熱塑性材料的出現(xiàn)和與之相應(yīng)的擠出技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有些帶或不帶助劑的材料需要更高的成型壓力和溫度，同時也發(fā)現(xiàn)會有物料隨螺桿轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，這樣可能會導致物料降解。加料和泵出段還會影響到一些物料的連續(xù)性，當所用原料顆粒較大時這種情況更嚴重，一些型號的乳液型聚氯乙和高密度聚乙，松散的聚乙薄膜碎片及黏彈的聚氯乙膏狀料都會有這種現(xiàn)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(xiàn)的問題發(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(shù)范圍內(nèi)擠出速率可控并且更好；摩擦熱較低，這樣就可實現(xiàn)低溫操作；在擠出機內(nèi)的時間減低；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、料筒的摩擦無關(guān)，因此擠出能力不會受逆流影響而減小。盡管逆流在理論上并不存在，多螺桿擠出機中熔體的流動現(xiàn)象更復雜，理論上比單螺桿擠出機中的流動研究起來更困難。
D．雙螺桿擠出機
雖然雙螺桿擠出機比單螺桿擠出機數(shù)量少，但在某些制品生產(chǎn)方面應(yīng)用很多，尤其是一些特殊場合，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，至少帶一個喂料斗的加料口、與口模相連的出料口，溫度、壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、熔體擠出速率等過程控制元件。
對任何擠出機來說，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(shè)計出了其他形式如全嚙合、部分嚙合、開放式和封閉式的雙螺桿擠出機。過去同向和反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿差異很大，如今它們在混合方面的應(yīng)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(jié)構(gòu)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，選用何種擠出機要看加工的材料和產(chǎn)品有何特殊要求。對多螺桿擠出機來講，有些材料需要很精確的加料計量，否則會引起擠出質(zhì)量的波動，加料量過多可能引起驅(qū)動或機器軸承超負載，反向旋轉(zhuǎn)螺桿形式會更嚴重。混合和均化物料時，壓力流的缺失是一不利因素，其他的缺點還有設(shè)備初始成本較高，主要因其結(jié)構(gòu)更復雜、維修麻煩、加熱起來更困難。
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