1、1.2 橡胶注射成型发展历史注射成型机是随着PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）塑料工业的发展而兴起的，最初的注射成型机是参照金属压铸机的原理设计的，直到1932年才由德国布劳恩厂生产出第一台全自动柱塞式注射成型机。随着塑料工业的发展，注射成型机的新产品也在不断出现。橡胶注射机概念在20世纪40年代中期被提出，1948年.注射成型机的塑化装置开始使用螺杆;1959年，第一台螺杆式注射成型机问世，这是塑料工业的一大突破，推动了注射成型的广泛应用。70年代初，橡胶冷喂料注射开始在工业中得到实际应用。由于它能实现高温快速硫化、胶料进入模腔前经过预热和塑化，制品在密封高压的模腔内成型硫化，产品质量均匀稳定，尺
2、寸准确、可以实现全自动操作，与传统的模压法相比生产效率可提高十倍以上，因此用橡胶冷喂料注射机生产模压制品的技术得到日益广泛的应用。随着电子工业的飞速发展，注射成型机也随之发展，其性能得到了迅速提高。很多新技术，如集成电路、电脑控制等被引入注射成型机的控制系统中.动作的准确性已达到很高的水平，对注射模的保护有了很大的提高，塑件的质量也有了可靠保证。随着机械工业的发展，各种新型注射成型机正陆续被研制出来，超大容量的注射成型机也随之出现，它的一次注射量可达几十万克，大大拓宽了注射产品的应用范围，也推动了塑料工业的发展。而在橡胶机械中，注射成型机要占到橡胶机械的一半。目前，在国际上生产橡胶注射机的主要
3、厂家有：法国的REP公司、奥地利MAPLAN公司、德国WP公司、STEINL公司和DESMA、日本松田制作所、神户机械株式会社、三友株式会社、日本制钢所，意大利RUTIL公司等。70年代初期，北京化工大学与上海某厂合作，开发研制成功XZL-200螺杆预塑一线式橡胶注射成型硫化机。注射成型机是橡胶成型设备中产量最多、增长最快、应用最广的机种，为注射制品的广泛应用打下了坚实的基础.而注射技术经历了移植、技术成熟、发展创新几个阶段2。1.2.1 技术移植阶段1920年以前，早期的橡胶注射成型技术是从其它材料的加工方法（如铸造、热成型）中借鉴过来的，成型技术主要是移植改造，使粘弹性高的胶料熔体成型。而
4、最初的注射成型机是参照金属压铸机的原理设计的。1.2.2 技术成熟阶段1920-1970年，聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（PCM）、聚苯醚（PPO）、聚砜（PSU）、聚酰亚胺（PI）、环氧树脂（EP）、不饱和聚酯（LP）等一大批高性能塑料的出现，要求注射成型加工技术向更高的阶段发展。同时，随着橡胶成型设备设计和制造技术的不断进步，以及橡胶成型加工理论研究的不断深入，为橡胶成型加工技术的提高创新提供了条件；往复式螺杆注塑机、双螺杆挤出机的出现，使热敏性和高熔体粘度的热塑性、热固性橡胶都采用高效的成型技术生产出高质量的制品。反应注塑技术使一些特殊的液态单体或低聚物的聚合成型成为可能。这一切标志着橡胶成
5、型加工已从改造、移植为主的时期过渡到了技术成熟时期。1.2.3 发展创新阶段1970年以后，随着科技的发展，控制技术、计算机技术的引入，促使橡胶制品的生产过程从机械化、自动化进一步向连续化、程序化和自适应控制的方向发展。此阶段的橡胶成型加工技术与前一时期相比，在可加工原材料的范围、制品的范围和制品质量等方面均有重林突破，不仅以往难以成型的热敏性、高熔体粘度的原料能方便地加工成制品，而且长纤维增强橡胶、片状和团状模橡胶也被用作高效成型技术的原材料。2 几种常见的橡胶注射成型设备2.1 橡胶注射成型机种类及成型方法橡胶注射成型机按排列方式分类可分为：立式注射机，卧式注射机，全电式注塑机；按塑化方式
6、分类可分为：柱塞式注射成型机，螺杆往复式注射成型机，螺杆柱塞式注射成型机；按合模机构特征分类可分为：机械式注射成型机，液压式注射成型机，液压机械式注射成型机。虽然橡胶注射成型机的种类繁多，但到目前为止，橡胶注射成型的经历可归为3个阶段：柱塞式注射、螺杆往复式注射和螺杆柱塞式注射。本章节主要介绍这三个阶段的橡胶注射成型机的结构和成型方法。2.1.1 柱塞式注射成型机 柱塞式注射成型机是最早的橡胶注射成型设备。如图1柱塞式注射成型机1-机身 2-电动机及液压泵 3-注射液压缸 4-加料调节装置 5-注射柱塞 6-加料杆 7-料斗 8-料筒 9-分流梭 10-定模固定板（安装板） 11-模具 12-
7、拉杆 13-动模固定板 14-合模机构 15-合模液压缸 16-喷嘴 17-加热器 18-油箱 图1柱塞式注射成型机注射成型方法是：将胶料从喂料口喂入料筒后，由料筒外部的加热器对胶料进行加热、塑化，使胶料达到易于注射而又不会焦烧的温度为止。最后由柱塞将已塑化胶料高压注入模具中。实际上，这种注射方法料筒主要起注射作用，辅以加热塑化作用。因为橡胶为热的不良导体，传热效率低，如果仅仅通过热传导来加热胶料，胶料温度上升太慢，而且塑化的不均匀。因此需要将胶料先在热炼机中热炼，热炼到一定程度后再喂入注射机中。因此这种注射成型法虽然注射机本身结构简单，成本低，但是需要配置热炼机和炼胶工人，从而增加了设备成本
8、和工人劳动强度，最重要的是这种注射成型方法生产效率低，塑化不均匀，从而影响到制品的质量。2.1.2 螺杆往复式注射成型机为了提高产品效率和制品质量，人们又发明了另一种橡胶注射成型设备。即在挤出机的基础上加以改进，将螺杆的纯转动改成既能转动以进行胶料的塑化，又可以进行轴向移动以将胶料注入到模腔中。这就是往复式螺杆注射成型机。如图2往复式螺杆注射成型机。1-机身 2-电动机及液压泵 3-注射液压缸 4-齿轮箱 5-齿轮传动电动机 6-料斗 7-螺杆8-加热器 9-料筒 10-喷嘴 11-定模固定板 12-模具 13-拉杆 14-动模固定板 15-合模机构 16-合模液压缸 17-螺杆转动齿轮 18
9、-螺杆花键 19-油箱图2螺杆往复式注射成型机胶料从喂料口进入注射机后，在螺杆的旋转作用下受到强烈的剪切，胶温很快升高。当胶料沿螺杆移动到螺杆的前端时，已得到充分而均匀的塑化。螺杆一边旋转一边向后移动，当螺杆前端积聚的胶料达到所需要的注射量时，轴向动力机构以强大的推力推动螺杆向前移动，从而将胶料注入模腔。这种往复式注射成型方法，胶料的塑化是通过机械剪切获得，因而胶料升温快，塑化均匀，这样一来生产效率和制品质量都得到提高。另外由于这种注射成型方法可以直接将冷胶料喂入注射机中，从而省去了热炼工序，减少了设备投资和设备占地面积，同时提高了生产效率，降低了劳动强度。然而在生产大型制品时，螺杆后移量过大
10、，胶料的塑化受到限制，另外这种机器的螺杆棱峰与机筒内壁之间间隙较大，注射时易导致逆流和漏流现象，致使部分胶料反覆停留，易产生焦烧，从而注射压力也受到限制，所以往复式螺杆注射机只能用于低粘度胶料，小体积制品的生产中。2.1.3 螺杆柱塞式注射成型机为了解决以上两种注射机的不足，人们将这两种注射机结合起来，取长补短，这就是目前应用较多的螺杆柱塞式注射成型机。这种机器的注射部分主要由螺杆塑化系统和柱塞注射系统组成。如图3螺杆柱塞式注射成型机。1-喷嘴 2-机筒 3-加料装置 4-螺杆驱动装置 5-注射油缸 6-注射柱塞 7-螺杆图3螺杆柱塞式注射成型机 注射成型工艺过程为：首先将冷胶料喂入螺杆塑化系
11、统，胶料经螺杆塑化后，挤入到柱塞注射系统中，最后由柱塞将胶料注射到模腔中。为了使胶料按照一定的顺序流动，在螺杆挤出机的端部安装一个止逆阀，胶料塑化后通过止逆阀进入注射系统中并将柱塞顶起，这时胶料不会从喷嘴出去，因为喷嘴通道狭窄，阻力大。当柱塞将胶料以高压从喷嘴注入模腔时，因为止逆阀的作用，胶料不会倒流进入注射机中。由于这种注射成型方法结合了柱塞式注射机和螺杆式注射机的优点，因此它可以生产大型、高质量的橡胶制品。塑化系统与注射系统安装方式，有时可能会出现一些缺陷，因为最先注入注射室的胶料最后注射到模腔中，这样可能会使与柱塞端面接触的胶料停留时间太长而导致硫化，从而出现废品等问题。大型设备更容易出
12、现这种情况。工作顺序为先进先出的注射机可以解决这一问题。先进先出注射机虽然也分成螺杆塑化和柱塞注射两部分，但这两部分是安装在一条直线上的，工作开始时，柱塞位于前面位置上，当已塑化的胶料从螺杆前端，通过柱塞进入注射室后，柱塞在胶料压力作用下开始向后退，一直到注射室充满所需注射量为止，柱塞停止向后移动。接着动力部分驱动柱塞向前移动，进行高压注射，另外，胶料在进入模具之前通过一个球型分流梭时，得到进一步塑化，胶料温度更加均匀一致。2.2 螺杆柱塞式注射机主要装置结构和性能特点本节结合自己的实习工作情况，主要以螺杆柱塞式注射机为例讲述橡胶注射成型设备的主要装置结构和一些性能特点。2.2.1 预塑注射装
13、置预塑注射装置由塑化和注射部件组成，通常分为螺杆挤出式、柱塞式、螺杆往复式和带预塑螺杆的柱塞式数种。它的作用是均匀地加热和塑化胶料，通过喷嘴将塑化好的胶料注入模腔，注射完毕进行保压，使模腔内的胶料在设定的压力下保持一定时间，以防止胶料逆流而造成制品组织疏松和表面不平整。保压的压力一般为80-120MPa，高者可达60%-80%的实际注射压力。根据经验，保压压力为实际注射压力的80%左右时，所获的制品质量比较高。因此，对预塑注射装置的要求是：有较强的塑化能力、足够的注射压力、注射速度，以及能准确计量供料。近年来，随着现代高科技的快速发展，对橡胶制品质量提出了更高的要求。而市场对大型橡胶制品的需求
14、也大量增加，螺杆往复式注射机暴露出其注射制品的容量和压力有一定限制的缺点，螺杆柱塞式注射成型机得到新的发展和应用。新型带预塑装置的柱塞式注射装置将液压驱动塑化螺杆装于注射活塞中，采用“先进先出”（FIFO）的注射方式来实现，其结构如图2所示。胶料仍利用螺杆-机筒进行塑化，这种装置通常将注射油缸设在对称于螺杆的两侧。注射时，螺杆与机筒的轴向相对位置不变，位于柱塞头部的止逆阀封闭螺槽，螺杆随同注射柱塞将胶料注入模腔。直接注射的“FIFO”（先进先出）系统按照物料先进先出原理工作，因此确保了高精度配料和高度重现性及过程安全性，内置止逆阀，适用于橡胶制品冷流道技术。注射喷嘴非常短，直接到达模具，这使压
15、力损失极低。高塑化性能和低能量消耗使极其经济的作业成为可能。喷嘴区域冷却段能可靠地防止注射胶料早期硫化。由于螺杆与机筒的轴向相对位置不变，因此螺杆的加料段可不必额外加长；在相同的螺杆直径情况下，其注射量却可增大许多。该装置适用于大型和高精度橡胶制品的成型硫化。2.2.2 合模装置合模装置是注射机的主要部件之一，它对保证制品质量起着重要的作用。工作原理：合模时，压力油从快速移模缸柱塞的中心管进入，由于快速移模油缸的内径较小，能实现快速移模。与此同时，主油缸出现负压，辅油箱中的压力油通过自吸口向主油缸充油。当快速油缸给油结束时，动模板停止移动，充油停止，自吸阀前移，切断自吸口通道。继而进行增压锁模
16、。一个比较完善的合模装置应能满足下列三项基本要求：（1） 足够而稳定的锁模力 在注射过程中，为了使胶料能充满整个模腔，必须有较高的注射压力；在硫化过程中，随着胶温的上升会产生很大的膨胀力，这两个力都力图使模具张开。因此，为了保证制品质量和几何尺寸的准确性，尽可能地减少飞边，必须在模具分型面的垂直方向上给以足够大的、稳定的锁模力，以防止模具被胶料顶开。 （2） 一定的开模行程和变换的动模板移动速度 为了便于从模腔内取出硫化以后的制品，合模装置的动模板必须有一定的开模行程。此外，为了提高机器的生产效率，应使动模板有较快的移动速度，但该速度在整个开闭模的过程中应该是连续变换的。为了防止制品和模具由于
17、冲击而损坏，一般都希望动模板的移动速度在开、闭模的初期和终期慢一些，在其余行程中应快一些。（3）一定的模板面积和模板间距 为了适应不同形状制品的要求，模板面积和模板间距必须适当。此外，合模装置还应具有必要的附属装置，如制品顶出装置。模具起吊设备、润滑装置以及安全保护装置等。能够满足上述三项基本要求的合模装置的结构型式是很多的，下面选取三种具有代表性的结构进行分析。各类合模装置的性能比较参见表2。表2 各类合模装置的性能比型式直压式曲肘式两次动作式模板行程 大，可按厚度要求而变 小，与模厚无关，是个定值 较大，可按模厚要求而变模板速度较慢快较快模具安装容易麻烦锁模力调节容易，能直接读数麻烦，不能
18、直接读数较容易，能直接读数模板速度控制麻烦，调整点多 能自动实现，调整点少介于两者之间模厚调节 麻烦，需模厚调整装置较容易耐久性 摩擦部件少，无需润滑 摩擦部件多，需润滑装置经济性消耗动力多消耗动力少消耗动力较少对于大中型橡胶注射机，为适应其制品结构复杂、尺寸偏大的特点一般采用液压式合模装置，新型的合模装置综合了各种液压式合模装置的特点，采用内藏自吸式合模装置与增压油缸式合模装置相结合的型式，因此它兼有两种合模装置型式的优点：第一，可以通过自吸式合模装置来完成在高速合模过程中的液压补给；第二，通过增压油缸产生的高压油作用在合模油缸活塞上来实现大的锁模力，即采用较低的油路系统压力就可以实现大的锁
19、模力，对油路系统密封要求相对较低。2.2.3 液压驱动及控制系统注射机的驱动，即指机器的注射装置和合模装置的驱动，其主要特点为：动作过程的参数（压力、速度等）随工艺过程的要求而变化，例如低压高速合模、高速高压注射，高压下的压力保持等。基本类型主要有机械传动（电动机与齿减速轮箱）；液压传动（油泵及其元件）；混合传动（注射装置为液动、而合模装置用机械传动）三种。以下从注射机的液压驱动部分和电气控制系统部分进行介绍。1.液压驱动装置 液压系统用于给机器提供动力，是注射机的“血液”循环系统，是为注射机的各种执行机构（工作油缸）提供压力和速度的回路。液压回路一般由控制系统压力与流量的主回路和各执行机构的
20、分回路组成。采用比例控制阀和电子伺服系统实行对注射机的控制系统闭环反馈控制，使控制精度进一步提高，并且具有良好的人机界面。液压传动与机械传动相比，一般具有下列优点：速度和压力以及行程可随意调定，其调定的方式也比较方便，压力数值易于直读；容易实现压力和速度的程序控制和机器集中控制；动作平稳，具有自润滑的特性；容易实现超载保护。其缺点主要是：气温和油温的变化会影响到系统的速度和压力；速度和位置的精度没有机械传动精确；元件多、效率比较低（电耗、水耗、油耗比较大）；维修技术要求高；噪音、油的污染。随着液压元件制造以及维护水平的不断提高，使上述缺点在不同程度上得到克服。目前液压传动式的注射机为最多,注射
21、机采用液压传动技术的优势包括：由于与系统相关的原因，液压传动也具备电动机所没有的一些优势。液压传动直接产生一种线性移动，不需要任何机械转化，而且力度和速度比值的范围很宽。相对于负载来说，液压系统传动超载能力强，存储的能量也能够即刻使用3。2.电气控制系统 电器控制系统是注射机的“中枢神经”系统，主要由电器、电子元件、仪表、加热器、传感器等组成，电气控制系统与液压系统合理配合，可实现注射机的工艺过程要求（压力、温度、速度、时间）和各种程序动作。电气控制系统与液压系统合理配合，可实现注射机的工艺过程要求（压力、温度、速度、时间）和各种程序动作。一般有四种控制方式，手动、半自动、全自动、调整。3.温
22、度控制系统温控系统主要包括喂料区、螺杆筒、注射筒、冷流道、加热板等。以上各系统温度都由专门的温度调节电路来控制。其中螺杆筒，注射筒和冷流道的温度控制由专用温控单元控制，加热冷却介质有热油和水两种。在橡胶注射成型工艺过程中，温度是主要控制参数之一。早期温度采用“开/关”调节，比例微分（PD）调节，目前发展到精确的温度比例积分（PID）调节，PID调节系统，既能像比例调节那样快速进行温度调节，又能像积分那样消除温度残余偏差，还能像微分调节那样根据温度偏差变化情况超前动作，以抑制偏差的扩大，使温度调节的精确度和稳定性得以大大提高，更好地满足橡胶注射成型工艺条件的要求4。4.润滑系统润滑系统是注塑机的
23、动模板、调模装置、连杆机铰等处有相对运动的部位提供润滑条件的回路，以便减少能耗和提高零件寿命，润滑可以是定期的手动润滑，也可以是自动电动润滑。5.安全保护与监测系统注塑机的安全装置主要是用来保护人、机安全的装置。主要由安全门、液压阀、限位开关、光电检测元件等组成，实现电气机械液压的联锁保护。监测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载，以及工艺和设备故障进行监测，发现异常情况进行指示或报警。3 橡胶注射成型设备发展前景3.1国内橡胶注射机技术状况橡胶注射机代表着橡胶模制品生产的发展方向，对发展循环经济，建立资源节约型工业具有重要的意义。目前中国绝大多数非轮胎橡胶制品生产企业还是使用传统的平板硫化
24、机，对注射机的用量非常小，估计最多不过5%-10%，同发达国家的25%-35% 相比有很大差距。2005年中国橡胶注塑机生产量已上10万台，有百家大小企业，而橡胶注射机有10余家工厂，产量估计不过1000-1500台，发展潜力十分巨大。与国外橡胶注射成型发展现状相比，国内橡胶注射技术目前还处于起步阶段，尽管已可用注射机生产产品，但是相关的工艺研究工作不足。一个典型的例子就是生产过程中大多不设定保压，只是通过注射压力来充满模腔，这就导致了容易在流道产生“大饼”，在制品上产生飞边等5。从注射成型机本身来说，目前国内的市场容量大约在4.5亿元人民币左右，年增长率大约在3040%。目前中国市场有大大小
25、小二十几个橡胶注射机“品牌”，大部分是从最初的台湾机或者大陆机演化而来。通常是注射机厂家找个投资商、照搬一家公司的图纸或在此基础上做些小更改进行制造生产，采用低价或者依靠与设备采购人员的个人关系，进行市场竞争，缺少创新和研发能力，这就导致了设备的技术革新不足，更谈不上研究橡胶注射工艺了。 国内橡胶注射机技术较普遍的问题主要体现在几个方面：（1） 大多采用较低的21/22MPa的系统压力，标称300吨的机型，其实际只能提供2600KN的锁模力，锁模力不足；相应的泵、阀都采用比较廉价的日本或者台湾等品牌，容易漏油和损坏，使用寿命不长；液压管路等还使用分体式的阀、管等，容易出现故障并且维修困难。 （
26、2） 机身结构设计不合理，开模空间不足，模具必须移出后才能在外部开模；导柱的设计不合理，锁紧螺母容易松脱，进而导致热板不平衡，容易造成飞边和“大饼”等。 （3） 落后的先进后出注射单元，每模都需要先射出大约2030g的胶料，并且塑化缸的温度较低；清理和更换胶料非常繁琐，需要拆卸等。 实际使用起来，很多机器最致命的弱点就是不稳定，经常会出现各种各样的问题，影响客户使用和生产。 另外，相关配套的模具和冷流道能力不足，主要表现在模具结构和概念比较原始、加工制造精度不高和表面处理不合理或干脆不做等。 国内缺乏专业的橡胶模具制造厂商，大部分都是专业做塑料模具，捎带做一些橡胶模具，对橡胶模具的理解和研究不
27、够，缺乏创新。国内一直有一种观念，就是橡胶模具简单，很容易，价格低，实际上正是这种错误的观念桎梏了国内橡胶注射成型工艺的发展和壮大。 此外，缺乏专业的注射成型工艺人才，制品厂也是如此。目前国内制品厂严重缺乏工艺研究的相关人员，从某外资企业月薪1.2万元人民币招聘工艺工程师就可以发现端倪。在国外，制品厂的工艺人员能够对机器和模具做出明确的要求，并根据机器能力和模具进行工艺调整和修正，但国内具备这方面能力的工艺人员极为短缺，大部分工艺人员只知道设定温度、压力和时间三要素，但对注射成型工艺的研究和深层理解不够6。3.2成型工艺与设备革新的注射成型随着新的橡胶成型工艺的提出及创新发展，对于橡胶成型设备
28、的发展得到了推动作用，现列举一下新的成型工艺：3.2.1 低压注射成型为了抑制生胶料在充填过程中形成的残余应力，将生胶料的变形限制在最小的范围内，以成型橡胶产品所需的最低压力进行充填，且使充填压力恒定，称为低压注射成型。这种成型工艺可以降低模腔内的熔料压力，且生胶料的压力分布也较均匀，使熔料流动的取向达到最小程度。 低压注射成型的基本原理是一般注射成型相同，因而低压注射成型用的模具结构与普通注射模完全一样，但由于用低压充填，有利于防止细小型芯的折断或损坏，提高模具的使用寿命。同时因对模具的磨损较小，对模具的温度控制和排气等要求也不高，因此可采用由锌-铝合金制造的简易注射模，以降低生产成本，适应多品种、小批量的生产需求7。3.2.2 振动技术在注射成型中的应用振动技术在注射成型中的应用，就是在熔体充模、保压阶段，通过机械、电磁、声波、微波、气体等振动源在流道或模腔内部引入振动，使聚合物熔体受到周期性的压力和（或）剪切作用而生产出预期的制品。其工作原
