羅廣恒　李志宏

摘 要：介紹了注塑機(jī)的生產(chǎn)流程，并且從生產(chǎn)效益及成型周期的角度上分析影響注塑機(jī)生產(chǎn)效率的因素。

關(guān)鍵詞：成型周期；注射時(shí)間；塑化時(shí)間；冷卻時(shí)間

0 引言

注塑是如今塑料生產(chǎn)中所占比例最大的生產(chǎn)方式。注塑機(jī)相對(duì)于其他塑料成型機(jī)械，具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品后加工量小、加工適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，隨著塑料制品的需求量日益增大，注塑機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在塑料成型機(jī)械中所占的比重也不斷增大。在生產(chǎn)日益高效化的今天，提高注塑機(jī)生產(chǎn)效率已經(jīng)成為各注塑機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

1 注塑機(jī)的生產(chǎn)流程

注塑機(jī)的注射成型工藝流程主要分塑化過(guò)程、注射過(guò)程和冷卻過(guò)程。其具體流程如圖1：在塑料塑化完成后，模具快速合模。模具壓緊后，噴嘴向模具移動(dòng)至兩者完全貼合后，將塑料熔體注入模具模腔內(nèi)。注射過(guò)程中，模壁與塑料熔體的溫差會(huì)使塑料熔體冷卻收縮。為保證制品的致密性，必須對(duì)塑料熔體進(jìn)行補(bǔ)縮。此時(shí)，塑料熔體會(huì)受到注射螺桿作用的壓力，這個(gè)過(guò)程叫保壓。當(dāng)保壓至熔料不倒流時(shí)，壓力撤除，制品在模具內(nèi)冷卻定型。同時(shí)，料斗的塑料將在螺桿后退的時(shí)進(jìn)入料筒并完成塑化。塑化完成后，注射裝置后退，噴嘴將與模具分離，模具將在塑料制品冷卻定型后開(kāi)模，并由頂出機(jī)構(gòu)頂出，完成一次循環(huán)的動(dòng)作。

2 注塑機(jī)生產(chǎn)效率的影響因素

提高效益、提高速度，是提高生產(chǎn)效率的主要方法。注塑機(jī)的生產(chǎn)效益，體現(xiàn)在成品合格率及能耗上。而生產(chǎn)速度，則與其成型周期有關(guān)。

2.1 合格率

提高合格率是如今生產(chǎn)廠家的研究主題之一。對(duì)于注塑生產(chǎn)，其制品的合格率影響因素是多方面的，主要體現(xiàn)在裝配精度或生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置上。由于注塑機(jī)利用塑料熔體的收縮性、流動(dòng)性、結(jié)晶性等特性生產(chǎn)塑料制品，如果注塑機(jī)的生產(chǎn)參數(shù)不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致塑料制品出現(xiàn)表面缺陷及尺寸偏差，影響合格率。塑料制品的表面缺陷種類非常多，主要有飛邊、變形、困氣、銀絲、燒傷、縮痕、流痕、開(kāi)裂、沖射紋、熔接線、縮水、變色等。生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就有可能引起上述的一種甚至多種缺陷。因此，在設(shè)備生產(chǎn)之前應(yīng)先進(jìn)行調(diào)試，使模版平行度、噴嘴同心度等裝配精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，另外，在生產(chǎn)時(shí)，需要合理設(shè)置注射量、注射壓力、鎖模力等生產(chǎn)參數(shù)。

2.2 能耗

注塑機(jī)的能源消耗主要用于加熱塑料及動(dòng)力系統(tǒng)，因此，提高熱效率及電機(jī)的有效功率將是降低能耗的有效方法。

（1）提高熱效率可通過(guò)改變加熱方式來(lái)達(dá)到目的。傳統(tǒng)注塑機(jī)通過(guò)電熱圈加熱，再通過(guò)接觸傳導(dǎo)的方式把熱量傳導(dǎo)炮筒內(nèi)，這種加熱方式會(huì)使電熱圈外側(cè)的熱量散失到空氣中，存在熱傳導(dǎo)損失?？梢圆捎眯滦偷募訜岱绞剑珉姶偶訜?、紅外加熱來(lái)加熱塑料。這些加熱方式，具有更高的熱效率，節(jié)能效果十分顯著，電磁加熱的節(jié)能率可達(dá)10%～35%，紅外加熱的節(jié)電率約為20%～25%。另外，還可以在炮筒內(nèi)設(shè)置余熱回收設(shè)備，對(duì)炮筒內(nèi)的余熱采集，循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。炮筒熱量回收的節(jié)電率約為18%～25%。[1]

（2）降低動(dòng)力系統(tǒng)的能耗，可通過(guò)提高該有效功率來(lái)達(dá)到。如今國(guó)內(nèi)的注塑機(jī)大多數(shù)都是定量泵型注塑機(jī)，這種注塑機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)的功率是按照各個(gè)原理動(dòng)作的最大消耗來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，尤其以高速高壓動(dòng)作的能耗最大。實(shí)際中注塑機(jī)生產(chǎn)高精度的塑料制品，往往不需要高速高壓成型，通常情況下注塑機(jī)電機(jī)平均負(fù)載率不高，同時(shí)注塑機(jī)并不會(huì)根據(jù)負(fù)載的變化而調(diào)整輸出功率，大量的能量稱謂無(wú)用功，因此能耗巨大。加裝變頻器，可以通過(guò)信號(hào)的“輸入-處理-輸出”來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速以提高有效功率，降低油泵的能耗。另外，可采用伺服電傳動(dòng)的方式代替液壓傳動(dòng)。全電動(dòng)注塑機(jī)能大幅度提高注塑的一致性，使得合格率大大提高，同時(shí)也具備了節(jié)能、低噪聲、清潔，清潔維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上的占有比例逐漸提升。

2.3 成型周期

生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率，在正常生產(chǎn)的情況下，與其生產(chǎn)周期成反比。要提高注塑機(jī)的生產(chǎn)效率，必須從其生產(chǎn)流程中縮短生產(chǎn)周期。從上述生產(chǎn)流程可以得知，塑料制品的成型周期主要由注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間及由開(kāi)模、閉模、頂出制品等組成的輔助時(shí)間組成。剖析這些時(shí)間的影響要素，則是分析成型周期影響因素的關(guān)鍵。

2.3.1 注射時(shí)間

注射時(shí)間是指螺桿或柱塞射出一次理論注射量所需要的時(shí)間，又稱充模時(shí)間。為了得到密度均勻和尺寸穩(wěn)定的制品，必須在較短時(shí)間內(nèi)快速將熔體充滿模腔。因此，注射速率大小對(duì)制品質(zhì)量有很大影響。注射速率跟螺桿移動(dòng)速度成正比，與注射時(shí)間成反比，其關(guān)系可表示為：

（1）

式中：q—注射速率，g/s；

W—注射質(zhì)量，g；

t—注射時(shí)間，s。

從式（1）可知，注射速率是影響注射時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素，同時(shí)該參數(shù)也影響了成品質(zhì)量。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，當(dāng)注射成型機(jī)構(gòu)確定后，可以通過(guò)調(diào)節(jié)注射油缸的工作油流量來(lái)實(shí)現(xiàn)注射速率的變化，從而改變注射時(shí)間。

2.3.2 保壓時(shí)間

保壓是注塑機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中十分重要的階段。在模腔充填塑料熔體后，注塑過(guò)程就從注射階段進(jìn)入保壓階段。保壓時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)制品的精確性有很大的影響。如果保壓時(shí)間不足，熔體會(huì)從模腔內(nèi)倒流，使模腔壓力下降，導(dǎo)致制品出現(xiàn)縮孔、凹陷、重量不穩(wěn)定等缺陷。保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使生產(chǎn)周期增加，降低生產(chǎn)效率。

保壓時(shí)間的確定與熔體溫度、模具溫度和澆口尺寸有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，保壓時(shí)間必須持續(xù)到澆口固化。然而，要準(zhǔn)確掌握這個(gè)時(shí)間，需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷及逐步調(diào)試。設(shè)置的保壓時(shí)間是否合理，可以通過(guò)斷面分析法和稱重法來(lái)判斷。斷面分析法，是通過(guò)微觀的手段分析制品的斷面層的缺陷，從制品的成型質(zhì)量上去分析所設(shè)置的保壓時(shí)間合理性的方法。該方法十分精確、直觀，浪費(fèi)的塑料原料少，但是使用的設(shè)備昂貴。稱重法，是采用多次生產(chǎn)制品的重量誤差比較去反映制品的質(zhì)量的方法；該方法，使用的原料較多，但由于使用的設(shè)備便宜，為生產(chǎn)者普遍采用。endprint

2.3.3 冷卻時(shí)間

注塑機(jī)在保壓至澆口固化開(kāi)始，就進(jìn)入了制品的冷卻階段。冷卻時(shí)間占整個(gè)成型周期的3/4以上，其確定直接影響塑料制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。冷卻時(shí)間取決于制品的厚度、塑料的熱性能和結(jié)晶性能、模具溫度等因素。理想狀態(tài)下，塑料制品的冷卻時(shí)間可以通過(guò)熱傳學(xué)原理計(jì)算獲得。塑料制品的最短冷卻時(shí)間可以由式（3）來(lái)決定[2]：

（2）

式中：tmin—最短冷卻時(shí)間，S；

S—塑料制品厚度的一半，mm；

α—塑料的熱擴(kuò)散系數(shù)，m?/s；

T0 —塑料熔體初始溫度，℃；

TW —模具型腔壁的溫度，℃；

TC—制品脫模時(shí)的溫度，℃；（一般為塑料的固化溫度）

通過(guò)式（2）可知，理想狀態(tài)下冷卻時(shí)間與其塑料材料的熱擴(kuò)散系數(shù)及固化溫度有關(guān)。但是，由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模具及塑料形狀等因素影響，實(shí)際冷卻所需時(shí)間與理論計(jì)算結(jié)果有不同程度的偏差。

另外，模具的設(shè)計(jì)與冷卻時(shí)間有很大關(guān)系，主要體現(xiàn)在模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，直接影響模具型腔壁的溫度TW，該參數(shù)影響冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短，從而影響生產(chǎn)效率；同時(shí)，該設(shè)計(jì)也影響模具型腔壁溫度的均勻性，從而影響成品的質(zhì)量。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，可使塑料制品快速、均衡冷卻，從而縮短冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，還能減少?gòu)U品，提高合格率。設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）冷卻水道應(yīng)與成型面各處距離相等，排列和形狀盡可能相符；

（2）冷卻水道應(yīng)使成型表面冷卻均勻，模具各處的溫差不大；

（3）循環(huán)式冷卻水道中冷卻介質(zhì)的流程應(yīng)相等；

（5）冷卻水道應(yīng)先通過(guò)澆口部位并沿料流方向流動(dòng)，即從模溫高區(qū)域流向模溫低區(qū)域；

（6）冷卻水道不應(yīng)設(shè)置在塑件可能出現(xiàn)熔接痕的部位；

（7）冷卻水道應(yīng)防止?jié)B漏；

（8）水嘴應(yīng)設(shè)在模具的非操作側(cè)，并考慮不與注塑機(jī)導(dǎo)向柱干涉；

（9）動(dòng)、定模應(yīng)分別單獨(dú)設(shè)置冷卻系統(tǒng)，以便調(diào)節(jié)控制塑件的變形等缺陷。

傳統(tǒng)注射成型過(guò)程中，需要通過(guò)不斷反復(fù)修模、試模才能達(dá)到所需的冷卻效果。隨著注塑行業(yè)的發(fā)展，新的注射成型技術(shù)不斷產(chǎn)生，早期的很多模具冷卻方法已很難滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要。20 世紀(jì) 90 年代中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者不斷加大對(duì)注塑模具冷卻系統(tǒng)的研發(fā)，并且開(kāi)發(fā)出了一些新型的冷卻技術(shù)，如：脈沖冷卻技術(shù)、CO2氣體冷卻技術(shù)、隨形冷卻技術(shù)。不但提高了生產(chǎn)效率，還為注射成型技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域[3]。

2.3.4 塑化時(shí)間

塑料制品在模具冷卻的同時(shí)，注射系統(tǒng)進(jìn)入塑化階段。塑化時(shí)，機(jī)筒的加熱和螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使塑料在往前輸送的同時(shí)實(shí)現(xiàn)塑料的熔融。這個(gè)過(guò)程所用時(shí)間即為塑化時(shí)間。要保證注塑機(jī)的生產(chǎn)工藝流程的循環(huán)流暢性，塑化時(shí)間應(yīng)小于冷卻時(shí)間。

螺桿的結(jié)構(gòu)和工作特性對(duì)注塑機(jī)成型周期和制品質(zhì)量都有很大影響。注射螺桿的塑化能力與螺桿后退的速度成正比。研究表明，塑化能力的影響因素有：螺桿的幾何尺寸（螺桿直徑、計(jì)量段長(zhǎng)度和螺槽深度）、成型工藝參數(shù)的選擇（螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿背壓及計(jì)量段成型溫度）[4]。

（1）螺桿幾何參數(shù)方面：注射螺桿的塑化能力隨螺桿直徑、計(jì)量段螺槽深度、計(jì)量段長(zhǎng)度的增加而提高；當(dāng)計(jì)量段長(zhǎng)度大于5倍螺桿直徑后，計(jì)量段的增加給注射螺桿塑化能力的影響趨勢(shì)會(huì)逐漸減緩。

（2）成型工藝參數(shù)的選擇方面：注射螺桿的塑化能力與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而與螺桿的背壓及計(jì)量段成型溫度成反比。

2.3.5 輔助時(shí)間

輔助時(shí)間主要指開(kāi)模、合模、頂出制品、涂拭脫模劑、安放嵌件等時(shí)間。減少輔助時(shí)間也是提高注塑機(jī)生產(chǎn)效率的有效手段。對(duì)于開(kāi)模、合模、頂出制品，可以通過(guò)提高模板及頂出裝置的動(dòng)作速度來(lái)實(shí)現(xiàn)縮短時(shí)間。對(duì)于涂拭脫模劑、安放嵌件、放料等動(dòng)作，需要專業(yè)人員來(lái)提高工作速度，或采用自動(dòng)化手段來(lái)提高及穩(wěn)定工作速度。

3 結(jié)論

通過(guò)生產(chǎn)效益及成型周期兩個(gè)角度分析了影響注塑機(jī)生產(chǎn)效率的因素：

（1）生產(chǎn)效益方面：產(chǎn)品合格率及能耗是兩個(gè)主要因素：1）保證產(chǎn)品合格率的關(guān)鍵在于在生產(chǎn)前調(diào)試的裝配精度及生產(chǎn)時(shí)設(shè)置的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)；2）對(duì)于降低能耗，可采用新的加熱方式或設(shè)置余熱回收裝置的方法提高熱效率及采用變頻器控制油泵電機(jī)或伺服全電動(dòng)作動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)提高其有效功率。

（2）成型周期方面：注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、塑化時(shí)間和輔助時(shí)間為整個(gè)成型周期的重要組成部分：1）注射時(shí)間的主要影響因素是注射速率，可以通過(guò)調(diào)節(jié)注射油缸的油液流量來(lái)改變；2）保壓時(shí)間的長(zhǎng)度直接影響塑料的精確性，要獲得最短有效保壓時(shí)間，需要經(jīng)驗(yàn)和逐步調(diào)試；3）冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短，與塑料材料的熱擴(kuò)散系數(shù)及固化溫度有關(guān)，同時(shí)，在實(shí)際情況下，冷卻時(shí)間也與模具的設(shè)計(jì)，尤其是其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有直接關(guān)系；4）塑化與冷卻這兩流程是同時(shí)進(jìn)行的，因此，塑化時(shí)間須比冷卻時(shí)間短來(lái)保證生產(chǎn)的正常循環(huán)。塑化時(shí)間長(zhǎng)短取決于塑化能力，塑化能力的影響因素則有螺桿的幾何尺寸和成型工藝參數(shù)的選擇；5）輔助時(shí)間的總和占成型周期的一大部分，可以通過(guò)提高相關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度、操作人員專業(yè)水平或采用自動(dòng)化的手段來(lái)縮短其時(shí)間。

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