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成型机械(一)
成型机械注塑机和树脂材料的选择
注塑有许多规格（型号），以一个注塑周期所能注射的塑料总量来标定，注塑量自小型实验室用注塑机的几分之一盎司到大型设备的几英镑不等。实验室用注塑机主要被用做研究开发新材料和模塑技术。
注塑机主要有两部分组成，注塑热熔塑料的注射机构和启闭模具的锁模机构。前者包括料斗、加热的料筒和注射柱塞或螺杆；后者包括液压驱动的活动的模板和固定模板，模具就固定在这些模板上。注塑机也有立式的。
注塑机在设计上形式各异，但基本分为柱塞式和螺杆式两类，二者的主要区别是塑料材料自料斗到喷嘴的输送方式不同。往复螺杆式注塑机由于注射周期短、熔融温度低、混合效果好而最为常用。
注塑机上装有多种设备用来对锁模系统、模具和注射系统进行检测和控制，如图2.1.1所示，表示这些最有可能的测试点。实际上，目前还没直接的方法对模具进行实时在线检测。
实验室常用注塑机的注射量从几克到大约1/202不等，共锁模机构通常用手动凸轮机构控制，注射系统手动或用压缩空气实现。注射系统施加到模具上的力非常大，从5000~20000Psi不等，因此所需的锁模力要大于注射压力，不然两半模会分离形成飞边（合模线处的树脂会被挤出来）。
加料斗和加热料筒也是注塑机非常重要的组成部分，试验室用注塑机大多是柱塞式的。
注塑成型方法尤其适用于大批量生产，这类机器大多每小时可生产几千件制品。实际上所有的热塑性塑料都可用注塑方法生产，但有些材料成型起来比较困难，需要使用专用设备。从聚合物结构来看，显然熔融温度范围宽的树脂要比窄的树脂容易成型。需要考虑的其他因素还有：模塑温度、树脂的吸湿性及制品性能要求等。例如聚甲醛熔融范围窄、熔融快、需要较精确的温度控制，聚碳酸酯需要的注射温度高，尼龙易吸湿，会腐蚀料筒中的机器部件，需要进行镀铬处理。有些制品会有一些特殊性能要求，如容器的卡合盖要求有弹性，容器要透明，铰接件要有耐折叠性，圆珠笔有硬度要求。
实验室用注塑机上容易成型的树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、苯乙烯-丙烯腈，ABS，离子键聚合物（离子交联聚合物），异质同晶聚合物，这类树脂可满足大多数注塑制品的要求。
注塑机组成部件
注塑机将粒状热塑性塑料材料通过熔融、注射、保压和冷却这样的循环过程转化为最终的模塑制品。典型的注塑机的主要组成部件如图2.1.2所示。
A．注射机构
注射机构包括料斗、往复式螺杆、料筒和注射用喷嘴，如图2.1.3所示。该部分在喂料、压缩、排气、熔融、注射和保压阶段起到承接和运送物料的作用，
料斗
热塑性物料以小颗粒状供给模塑，注塑机料斗要盛装这些粒料，物料以重力形式通过加料斗颈部喂到料筒和螺杆中来。
2．料筒
注塑机料筒承载往复式螺杆并由电加热圈加热。
3．往复式螺杆
往复式螺杆可用来压缩、熔融和输送物料，由三段组成加料段、压缩段（过度段）和计量段。（图2.1.4）
当螺杆外径不变时，往复式螺杆的螺纹深度自加料段到计量段开始处逐渐变浅，物料被压向料筒内径并产生黏性剪切热，这些剪切热对于物料的熔融很重要。料筒外的加热圈能一起保证物料处于熔融状态。通常注塑机有三段或更多的加热圈，各部分温度设定并不相同。
4．喷嘴
喷嘴连接料筒与模具上的主流道衬套并且在料筒和模具中间形成密封。喷嘴温度应设为物料的熔融温度或稍低，这取决于材料供应商的推荐值。当料筒处在满料待注射状态时，喷嘴头部应牢牢在带有定位环的主流道衬套的凹坑面上，并保证密封。当清洗料筒时，料筒后退与浇口套分离，这样清洗料才能从喷嘴处自由落下来，料筒的这两种位置如图2.1.5所示。
B．模具系统
模具部分包括拉杆、动模固定板、定模固定板以及开设有型腔、主流道和分流道、顶出杆和冷却水道的成型模板，如图2.1.6所示。模具其实是一个热交换体，热塑性熔体在其中固化为型腔给定尺寸和形状的制品。
模具包括凸模和凹模，常用模具钢制造，模具机构可通过型腔成型和顶出制品。定模固定板在注塑机料筒一侧，并通过导杆与动模固定板连接。凹模模板一般固定在定模固定板上并承接喷嘴，凸模板安装在活动模板上由导杆导向随之一起移动。凹模模板有时也可固定到动模固定板上，而凸模板和液压顶出机构固定到定模固定板上。
1.两模板
绝大多数模具主要由两部分组成，这种形式的模具一般用于浇口在制品边缘或近边缘处进料的情况，而且型腔和浇注系统开设在同一块模板上。
2.三模板
三板模一般用在浇口远离制品边缘进料的情况，浇注系统开设在两块模板上，与型腔和型芯分离，如图2.1.7所示。
3.冷却管道
冷却管道是位于模具内部的通道，冷却介质（一般是水、汽或油）在其中循环流通。其作用是调节模具表面温度，冷却通道也可与其他形式的温度调节装置如隔板、喷管、导热棒或热管等一起使用。
C．液压系统
注塑机上的液压机构可提供开、合模的动力和锁模力，旋转和驱动往复式螺杆、推动顶杆和带动型芯移动。这需要一系列的液压元件完成，如泵、阀、液压马达、管接头、管道和蓄能池等。
D．控制机构
控制机构可保证设备连续重复工作，能监测和控制成型参数如温度、压力、注射速度、螺杆速度和位置、液压状态。过程控制对于制品最终质量和成型的经济性很重要，可以是简单的开/关控制，也可以是非常复杂的基于微处理器的环控制系统来完成。
E．锁模机构
锁模机构用于开启和闭合模具，支撑和移动模具零部件，产生足够的力量防止模具开启，锁模力可通过机械肘杆式机构实现，也可以是液压式或机械-液压组合式实现。
F．典型模塑系统
模塑系统包括浇注系统和模塑制品，如图2.1.8所示。
浇注系统提供了熔体自注塑机喷嘴到型腔的流动通道，一般包括：注道、冷料井、主流道、分流道和浇口。
浇注系统的设计对填充模式和最终产品质量的影响很大。
1.冷流道
模塑完成后，浇道凝料需要除去并循环使用，一般尽可能将浇注系统设计为少容纳物料，但还要保证熔体以理想的模式充填型腔。
2.热流道
热流道模塑成型要求流道较热从而保证其中的塑料始终处于熔融状态。由于不需要将浇注系统从制品上去除，因此可节省物料并且不需要二次去除加工。
往复式螺杆
往复式螺杆是用得最多的塑化装置，由于其重要性，下面将详细叙述。塑化装置的主要部件有螺杆、止塑阀、料筒、喷嘴和螺杆驱动装置，接下来分别介绍这些部件。
A．塑化螺杆
塑化装置的主要部件其中最主要的部分是螺杆。螺杆是一其上环绕有一条或多条螺旋线的长圆柱体，末端带有一个止逆阀，如图2.2.1和2.2.2所示，这种螺杆一般称为阿基米德螺杆，以阿基米德的名字命名，他在几千年前发明了螺带式输送机。螺杆对于物料的输送、加热、混合及有些场合下的排气孔，挥发性物质可由此处溢出，由于排气的要求，螺杆需要有特殊的几何形状，即所谓的两阶排气式螺杆。
对往复式螺杆最大的要求是在每个循环周期内及每次循环周期间，能具有向螺杆末端不断输送高质量均匀熔体的能力，所谓均匀性指的是熔体的温度和密度要一致，可以通过在螺杆末端设分配混合元件获得。
B．注塑螺杆设计
人们已经认识到合理的螺杆设计对于用普通的非往复式挤出机挤出成型片材、薄膜、管材和器材是至关重要的。但在注塑成型时往往用往复式挤出机作塑化机构，通常认为螺杆的设计并不重要，这种想法是不对的。非往复式挤出机的螺杆设计技术经过多年的发展已经很成熟了，产量和质量的稳步提高，还有大量发表的关于该课题的文章可以证明。尽管注塑机在成型监控、模具设计等方面也越来越复杂，而往复式挤出机螺杆设计相对来说进展较慢。
非往复式挤出机的主要作用是固体输送、熔融、熔体输送、混合及有时兼有排气功能，往复式螺杆也有这些功能，但又有所区别，螺杆后退时完成这些任务，并且这个过程是循环而非连续的。如果要保证各个循环周期的一致性，对输送、加热和混合过程的重要性要求很高，因此，往复式挤出机螺杆设计的提高同非往复式挤出机一样重要。
C．标准注塑机螺杆
注塑机螺杆与挤出机螺杆很相似。该螺杆是单头螺纹形式，螺距与螺杆直径相等并且在整个长度方向上保持恒定，这种螺杆被称为正方形螺距形式，在传统挤出机上用的很多。压缩比自小机器的2：1到大机器的2.5：1不等，加料段长度大约是总长度的50%，而压缩和计量段通常各占25%。传统挤出机加料段较短，而压缩和计量段较长，这是二者不同的地方。常见的普通挤出机用螺杆如图2.2.3所示。
螺棱宽度大约是螺杆直径的10%，喂料段的螺槽比计量段深，喂料段与计量段的螺槽深度之比称为压缩比。压缩比值通常在2.5~3.0之间，新型挤出机用螺杆多带有混合段，以改善普通螺杆混合能力差的问题。
注塑机锁模机构
A．锁模机构的作用
1．支撑模具
首要的作用是支撑模具并引导其在开启和闭合位置之间运动，这就要求有足够大的力拖动动模部分并且克服摩擦力。动模部分的导向也很重要，可以防止导杆的过度磨损。
成型时锁模
第二个作用是当熔体注射到型腔时要保证模具锁闭，因为此时模腔中的压力非常大，可能需要相当大的锁模力。
提供制品顶出的方法
当制品冷却定型，模具开启时，需要提供顶出制品的动力，该力与锁模力相比要小一些。
B．三种锁模形式
一般可将注塑成型的锁模形式分为以下几类：液压（或气动）式、液压-机械式和机械式。
C．液压式
液压（或气动）锁模机构与其他两种形式有以下不同：
锁模过程是由所用液体（油或空气）压迫锁模缸的运动来实现（如图2.2.6所示）。
被压缩液柱的长度与合模行程的长度相等或稍长，这与液压机械式锁模机构是不同的，锁模力与作用在油缸上的压力成正比。锁模行程是最大开模和合模距离的函数。
图2.2.7是液压式锁模机构的例子，这类机构的优点主要是结构简单、容易实现。
D．液压机械式
这类锁模机构与其他类型有以下区别：
锁模路径是由所用液体（油或空气）压迫锁模缸的运动来实现的（如图2.2.8所示）。
被压缩液柱的长度与锁模行程无关或相比小得多，液柱高度一般低于2cm(3/4in)，这与液压式不同。
锁模力与作用在油缸上的压力成正比。
有效合模行程与调模行程有关，为适应不同厚度的模具，需要事先通过后模板上拉杆螺母调整活动模板的位置满足合模行程的要求。
这种锁模机构所采用的变化形式也是多样的。
E．机械式
机械式锁模机构主要指的是肘杆式锁模形式，与其他形式相比有以下区别：
锁模路径不经由液压/气动或电机驱动实现。
锁模力与合模驱动装置的驱动力无直接关系，相反，肘杆合闭时的驱动力和锁模力之间却有很复杂的关系。
有效合模行程是连杆机构的函数，对不同厚度的模具，机械式合模机构的有效合模行程需要通过调整后模板上拉杆螺母获得。后部连杆的杆与杆之间的中心线长度是决定合模行程的主要因素。
挤出吹塑成型机
中空塑料制品很常见，可用于包装、储运、输送液体或大批量粉状物料等方面。这类中空塑料制品有瓶子、罐子、转筒、储罐，也有管道、管材等。除了有常规的包装用途外，中空塑料制品还有保护功能，例如灵敏电子设备的外保护壳。因为还具有双层结构，可用来生产轻质刚性结构部件中空塑料制品，如运输货盘，座椅及各类仪表板。
为了便于了解挤出吹塑成型，下面介绍该生产所用设备。
A．吹塑机基本结构
吹塑成型机可被分为几个子系统。
挤出机，包括料斗、螺杆、直流电（用的最多）或交流电驱动装置、塑化和熔融热塑性物料的加热部件；
型坯机头，改变塑料熔体流向，在垂直方向得到熔融管坯，即型坯；
控制系统（设备控制和壁厚控制系统）；
吹塑模；
带有锁模机构的机架，模具安装在该锁模机构上；
带液压机机构的供应系统，为模具、挤出机进料段和液压机构提供冷却水，为吹塑和气动元件提供空气。
B．挤出机
挤出吹塑成型时，加料段料筒带沟槽的挤出机用得最多，这类挤出机的特点是挤出量往往与机头反压无关，这对于通过调整口模间隙调节型坯壁厚的情况非常重要，因为改变口模间隙会引起机头反压的改变。为防止物料在带沟槽的加料段熔融（尤其是聚烯烃），常对这部分进行冷却，通常是用比例阀控制一个单独的冷却水回路来完成。
挤出阶段很重要的参数有旋转螺杆上的螺纹与静止的料筒之间的作用。从物料输送的角度来讲，要求物料与螺杆表面的摩擦小，而与料筒壁的摩擦大，如果满足不了这个基本要求，物料极有可能会抱着螺杆转动，不会在轴线方向向前移动。
如果要提高挤出机的熔融能力，可采用多种不同方法，比如图2.3.4所用的齿轮泵。
在挤出区段，螺杆和料筒表面都被熔体覆盖，螺槽壁对熔体的作用力不会对熔体流动造成影响，除非是在挤出高黏材料如硬质聚氯乙烯和超高分子量聚乙烯物料时。挤出段的流动主要受内部摩擦（黏度）系数的影响，当机头施加给熔体的阻力较大时尤甚。
常用的普通单螺杆挤出机螺杆和料筒直径均匀一致，例如这种挤出机具有逐渐减小的螺槽体积，可以进行连续变化的速度、压力控制，还可以进行排气等。特殊的设计形式可采用锥形或抛物线形螺杆，以达到特定的混合和捏合效果。
还有波型螺杆、变螺距屏障型螺杆、捏合马达、固定的销钉混合螺杆、周期性的轴向运动。料筒内部可能带有螺旋线，伸缩式螺杆形状和喂料装置。
C．多螺杆挤出机
随着热塑性材料的出现和与之相应的挤出技术的发展，已经发现有些带或不带助剂的材料需要更高的成型压力和温度，同时也发现会有物料随螺杆转动的现象，这样可能会导致物料降解。加料和泵出段还会影响到一些物料的连续性，当所用原料颗粒较大时这种情况更严重，一些型号的乳液型聚氯乙烯和高密度聚乙烯，松散的聚乙烯薄膜碎片及黏弹的聚氯乙烯膏状料都会有这种现象发生。
早在20世纪30年代，为了克服单螺杆挤出机中出现的问题发明了双螺杆和多螺杆挤出机。多螺杆挤出机中熔体的输送和流动与单螺杆挤出机截然不同。多螺杆挤出机的主要特征有：低速下有较高的输送能力；在较大的温度和摩擦因数范围内挤出速率可控并且更好；摩擦热较低，这样就可实现低温操作；在挤出机内的时间减低；由于有较高的混合速度和自洁性，所需马达功率可降低；更为重要的是由于挤出能力与塑料和螺杆、料筒的摩擦无关，因此挤出能力不会受逆流影响而减小。尽管逆流在理论上并不存在，多螺杆挤出机中熔体的流动现象更复杂，理论上比单螺杆挤出机中的流动研究起来更困难。
D．双螺杆挤出机
虽然双螺杆挤出机比单螺杆挤出机数量少，但在某些制品生产方面应用很多，尤其是一些特殊场合，如物料需要充分混合。常用的双螺杆挤出机（包括在多螺杆挤出机中）包括锥形螺杆，至少带一个喂料斗的加料口、与口模相连的出料口，温度、压力、螺杆转速、熔体挤出速率等过程控制元件。
对任何挤出机来说，如果其目的只是向螺杆末端输送高质量的熔体，塑化和熔融过程就显得不要重要，反向啮合双螺杆挤出机主要用于物料混合上，相对于同向啮合、反向啮合、反向非啮合三种基本形式，还设计出了其他形式如全啮合、部分啮合、开放式和封闭式的双螺杆挤出机。过去同向和反向旋转的双螺杆差异很大，如今它们在混合方面的应用70%的情况下工作性能不相上下，在另外30%的情况下，某种结构要比另一种的工作性能好得多。
与单螺杆挤出机一样，双螺杆和多螺杆挤出机也有其他优缺点，选用何种挤出机要看加工的材料和产品有何特殊要求。对多螺杆挤出机来讲，有些材料需要很精确的加料计量，否则会引起挤出质量的波动，加料量过多可能引起驱动或机器轴承超负载，反向旋转螺杆形式会更严重。混合和均化物料时，压力流的缺失是一不利因素，其他的缺点还有设备初始成本较高，主要因其结构更复杂、维修麻烦、加热起来更困难。
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