再谈注塑成型中的工艺控制

柯翼，金敬明

（德马格塑料机械（宁波）有限公司，浙江 宁波 315800）

1 塑料干燥温度

为了能生产出高品质的产品，有必要控制原料的水分。因此生产之前第一步就是合适的干燥工序。

为了干燥原料，干燥空气的露点必须保持在一个很低的水平。因此，空气需要经过干燥剂并被加热到某种材料的特定温度，然后干燥的热空气可从塑料粒子中带走水分子。这样，原料便能达到预期的残余水含量，符合生产工艺的要求。

干燥的温度和时间必须精确严格要求。如果干燥的时间太短，原料的含水量太高；如果干燥时间太长或温度偏高，有些原料便会发生热降解。不同的含水量会引起螺杆预塑终点的不稳定，并且进一步影响产品质量，不同材料推荐的干燥条件见表1。

注：这里需要指出的是，干燥的原料在机器料斗里停留的时间不能超过1 h，以避免受潮。理想的话，干燥的原料应该直接送到料筒的下料口。

2 料筒温度

熔料温度受螺杆转速和背压影响，但最重要的还是料筒的温度。因为熔料温度可以严重影响产品的颜色、表面质量、强度及尺寸稳定性，熔料温度又和料筒的温度息息相关，所以料筒的温度是极其重要的工艺参数。

根据螺杆直径和长度，最小的温控区必须使料筒达到理想的温度曲线。这对于工程塑料的工艺过程相当重要。尤其对于那些注射量小且循环周期长的产品，熔料要在料筒里停留较长的时间，那就需要最合适的温度控制，以最小化熔料的热应力。因此，即使是较低温度设定也必须非常精确。

表1 不同材料推荐的干燥条件

对于注射量大的产品，送料区温度相对要高些，目的是尽快熔解原料并使其有足够长的时间停留在料筒中。

注塑机必须有相关单元记录加热各段的比例功率的使用量。在生产过程中，比例功率读取了料筒能耗的信息。在制造工程产品时，比例功率应该在10%～40%。在送料段和前机筒比例功率大概为30%～40%，其余段大约10%～20%，如图1所示。

如果要生产周期短的薄壁产品，那么功率比例要相对高一些，因为原料的生产量高。送料段约50%～60%，段2和段3在20%～40%之间，计量段在10%～20%之间，喷嘴处为20%～30%，如图2所示。

料筒的温度曲线从送料段至前机筒应该是缓慢上升的，当然两种显著的情况除外。即当塑化PA时，送料段就必须用较高的温度以使其补偿料筒壁的热量散失，使原料可以开始熔化。如果使用障壁螺杆，送料段温度也必须比其他加热区高，以保障均一和高效的塑化效果。

喷嘴的温度应该比较接近前机筒的温度，一般情况下塑料的熔化温度在这一区域不能有太多的影响。

对于一些比较容易和快速熔化的材料，比如PS、SAN、PMMA 等，不能让其在3个螺杆直径长度前熔化，这点很重要。这是唯一能够防止空气在低背压的情况下混在熔料里，而不是从下料口排除的方法。这些空气被压缩进入熔料中，最后在产品中显现出灰色或者黑色的条纹（透明产品中），这就是为什么送料段使用较低温度的一个原因。

图3中可以看出，温度曲线取决于所需要的螺杆行程，并且必须在料筒各段上采取不同设置。对于一些小注射量（螺杆行程）和可能周期比较长的情况，送料段和压缩段的温度需设置相对低一些。对于另一些大注射量（螺杆行程）和周期较短的情况，送料段和压缩段的温度设置相对高一些。

图1 PA6产品生产中料筒各段的比例功率

图2 生产PP为原料的包装产品料筒各段的比例功率

图3 在最大和最小螺杆行程时推荐的温度曲线，比如注射的熔料是PP

正如前面提到的，料筒的温度曲线设置随着标准三段螺杆的直径变化而不同：在障壁螺杆中障壁段之前，送料段的温度要有显著高于普通三段螺杆以更好的塑化。这样一来，螺杆长度方向上，塑料颗粒的运输受到阻碍，从而达到更好的塑化效果。对于障壁螺杆，我们推荐喷嘴附近的温度适当下降。

料筒温度偏差不应该大于± 3℃。对于小螺杆，或者对温度敏感的材料，这个偏差可能要求更小。相对于设定值，大的温度偏差往往意味着螺杆转速、背压、料筒温度的设定不正确，或者螺杆直径选择不适合。

3 下料口温度

长久以来，我们都更关注料筒、熔料和模具温度，而忽视了下料口的温度。正确科学的下料口温度对于材料颗粒的落料和输送过程起到关键作用。因为材料颗粒和料筒表面的摩擦系数由温度决定的，所以这一个区域合理的温度控制必须作为运行条件。

正确选择下料口的温度对于塑化过程材料的持续供给和最终零件的质量提高，有着很大影响。通常情况下，只有当塑化过程变的不稳定的时候我们才会发现下料口的冷却水路已经完全被水垢堵塞，这样使得机器不可能去完成冷却或者控制这一段的温度。因为高摩擦，这个区域的温度可能会上升超过100 ℃。如果原料为PMMA、PS、SAN或者ABS，材料粒子在送料段前段可能因为温度太高而变的很黏，这样一来送料段就会堵塞，最终导致塑化时间的偏差。

通常情况下，较高的下料口温度对一些需要干燥的且成型温度较高的材料有好处。像PA、PC、PET、PBT、PPO，又或者是PC/ABS，他们的下料口温度至少要70～90 ℃。

图4 下料口温度对于塑化时间的影响

可以看出，对于PA来说，图4中下料口温度设为30 ℃时其塑化时间为14 s。随着下料口温度的上升，塑化时间变的更短，塑化过程更加平稳。如果下料口的温度在65～90℃之间，塑化时间很短并且平稳，但是如果温度继续上升，塑化时间会更长而且发生不稳定。图中显示了ABS在下料口温度较低时塑化过程基本相同，但PA却明显不同，见表2。

注：设置下料口温度的偏差是非常重要的，以至于一旦温度超出这个偏差，机器就会自动发出信号。对工程产品而言，这个偏差不得超过5 ℃。

表2 各种材料的下料口温度推荐值

4 熔料温度

首先，最直接的决定熔料温度的是料筒温度。另外还有一些影响因素是塑化时的摩擦能量，比如螺杆行程、转速、背压以及熔料在料筒里停留的时间等等。

半结晶型材料的成型温度必须在他们熔点之上，因为结晶体的熔化温度比凝固温度高。因此，熔料的粘度会随着温度的变化发生微小的变化。而无定型材料的粘度就会因为一点点温度的变化发生很大的变化，通常1℃的温度变化，无定型材料的粘度可以变化5%～10%，半结晶材料最多变化3%。基于这种关系，料筒、热流道的温度必须精确控制，尤其是对于无定型的塑料。

图5 熔料温度的变化和计量行程的关系

图5清晰地展示了螺杆转速、螺杆行程和熔料温度的一致性。可接受的的料筒内的熔料温度差异大概在6～8℃之间，在这个例子中，只有螺杆行程大于60%的情况下才有如此差别。同时又可以看出螺杆转速，尤其针对剪切十分敏感的POM，影响特别大。对于熔融指数较小的PA，在一个高转速下，剪切热的产生相对比较少。

为什么料筒里的温度差异会那么大呢？那是由于注射工艺的欠稳定性，以及由于塑化行程的变小，尤其对于那些大注射行程的工艺过程。

姑且不考虑螺杆直径，用于工程材料的螺杆长径比至少为22或20，对于快速成型的产品，比如原料是PE或者PP，长径比需要25，并且包括混炼段和剪切段。

总的来说：螺杆的长径比越大，螺杆行程越大，越适合用于可接受的温差范围的塑化中。

除了螺杆转速，螺杆行程的使用率、长径比和螺杆直径以及背压（之前有提到）都对熔料温度有很大的影响。提高背压可以获得平稳的温度，但是同时又会加剧熔料温度的差异。当料筒温度、螺杆转速和背压都设定正确后，熔料的温度就可以很接近料筒前机筒的温度。

现代注塑机在计量室（螺杆前端）或者喷嘴里测量熔料的温度。在大多数情况下，测量的温度是前机筒温度、喷嘴温度和熔料温度的折中，所以不是真实的熔料温度。如果需要一个准确的熔料温度，可以在机器运转的情况下快速停止：以原有的注射速度将熔料射入一个隔热的容器中，并快速的用接触式探针温度感应装置测量。当然，这种方法也非常容易出错，所以大部分时候我们必须重复测量至少两次。

熔料温度对于成型特性和温度的影响：

5 模腔壁温度

尽管大家都知道模腔壁温度的重要性，但实际生产中通常对它不太重视。模腔壁温度对于那些半结晶的工程材料，比如POM、PBT、PA、PET至关重要，因为它不仅影响了产品的冷却时间和周期，而且对聚合物的结晶结构、表面质量、重量以及成型尺寸的稳定性有很大影响。因此，对于一些精密的工程产品，大件的模腔壁温度的差异不能大于1～2℃，小件的不能大于4～5℃。表3展示给大家的是一系列聚合材料模腔和脱模温度的数值。

注：在模具的设计阶段，我们必须十分小心的考虑热量平衡地从模具中散发。否则，产品就会出现很大的收缩差异，就是说不能保证成型公差，产生废品。

对于那些多截面的模具或者有滑块或者中子的，多重的温度控制是非常必要的。在实际生产中，动定模经常被设置成不同的温度。给模具加上隔热板可以有效地阻止热量从模具转移到较冷的模板上。水也常常被用作是传递热量的媒体，因为它有很好的传热性能。

表3 模腔壁温度和脱模温度的推荐值

以下是注射成型模具中常用的两种控制温度的方式：内部温度传感器控制；外部温度传感器控制。

用内部的温度传感器来测量，需要将热电偶安装在温度控制单元（TCU）的流道上。热电偶采集这个媒介的温度，这也是比较常见的控制方式。另外，安装一个传感器在回流通道上也不错，可以测出温度差异T。一个合理科学的温度控制系统确保了最大的温度差异T不超过4 ℃。

用外部的温度传感器来测量，需要将热电偶安装在模具里面然后控制模具或者媒介的温度。这两种情况的温度调节都是由TCU控制器控制的。内部温度传感器控制的短处是，在TCU上设置的温度不是我们所希望的那样是模具中的温度，同时外部温度传感器控制的优势恰恰又是在TCU上设置的温度就是我们希望那样，即模具中的温度。

但是，在我们用外部温度传感器控制时，很重要的一点就是其安装位置要和模腔表面和热流道保持一个足够的距离。

对于技术要求较高的成型，外部传感器控制比较推崇。当使用集成温度控制器的机器时，就有可能保存设定值和监控重要的模腔表面温度，以作为一个质量参数。

模腔壁温度对成型特性和工艺参数的影响