4.5.1 注射

2026年07月26日

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4.5.1 注射

注射成型又包括低压注射成型、气体辅助成型、熔芯注射成型、双色注射等。注射成型是指利用注射机将熔化的塑料快速注入闭合的模具内、使之冷却固化、开模得到定型的塑料制品的方法。注射过程包括原料干燥、加料、塑化、注射、冷却和保压、拔模等工序，注射成型机结构如图4-60所示。注射制品成型后有时还需要进行适当的后处理以改善性能，提高尺寸的稳定性，包括退火和调湿处理。退火可以消除应力，提高塑料制品的韧性；调湿主要是针对吸湿性比较强的塑料，也可以消除应力，让制品预先吸收一定的水分，使其尺寸稳定。

图4-60 注射成型机

1.注射成型的特点和加工过程

注射成型又称注射成型，步骤是将粒料或粉状的塑料原料加进注射机料桶，塑料在热和机械剪切力的作用下塑化成具有良好流动性的熔体，在螺杆的推动下熔体快速进入温度较低的模具内冷却固化，形成与模腔形状一致的塑料制品。

（1）注射成型的特点

1）能一次成型出形状复杂、尺寸精度高、带有金属嵌件的制品。

2）使用的原料广泛，种类多，适应性强。

3）成型周期短，生产效率高，易于实现全自动化生产。

4）与其他机器配合成系统，功能扩展，如注-吹生产包装瓶。

5）注射新工艺能生产特殊产品，如多色、多组分、气辅、反应、夹芯注射等。

图4-61 注射加工过程

（2）注射加工过程（图4-61）

1）塑化。塑化是指塑料在料筒内经加热达到流动状态，并具有良好可塑性的全过程。从时间上看，塑化是在上一注射周期中保压完成后，螺杆或柱塞后退期间进行的。生产工艺对塑化过程的总要求是：在两次注射的时间间隔内，提供足够数量的熔融塑料；熔融塑料的温度应均匀一致，且等于所要求的成型温度；塑料在塑化过程中应不发生或极少发生热降解。能否达到上述要求与塑料的性质、塑化工艺条件的控制及注射机结构密切相关。

2）填充。注射充模是指在螺杆或柱塞的挤压作用下，将已塑化均匀的塑料熔体经喷嘴、流道及浇口注入闭合模腔中的过程。按照模腔压力的变化持点，注射充模过程可分为引料入模及流动充模两个阶段。

①引料入模阶段：它是充模的准备阶段。在这一阶段内，塑料熔体从料筒经注射机喷嘴、注射模主流道、分流道到达浇口，而尚未进入模腔。

②流动充模阶段：此阶段是从熔体由浇口进入模腔开始，至整个模腔被充满为止的全过程。该阶段内的熔体流动形式、流速、温度及压力变化将直接关系到注射件的质量，并在一定程度上影响成型周期。

3）保压。当模腔被完全充满后，注射机的螺杆或柱塞往往并不立即后退，而是停留在原位置或略微向前移动，使注射压力仍保持一段时间，这就是保压。如果注射完毕后，螺杆停留在原位置上不动，模腔内熔体所受压力会略有下降；如果螺杆在注射完毕后，随着模腔内熔体的收缩继续向前做轻微运动，模腔压力则可始终保持恒定。保压过程中需控制的两个主要参数是保压压力和保压时间。

4）冷却。这一阶段是从浇口的塑料完全冻结时起到制品从模腔中顶出为止。模内塑料在这一阶段内主要是继续进行冷却，以便制品在拔模时具有足够的刚度而不致发生扭曲变形。在这一阶段内，虽无塑料从浇口流出或流进，但在模内还可能有少量的流动。因此，依然能产生少量的分子定向。由于模内塑料的温度、压力和体积在这一阶段中均有变化，到制品拔模时，模内压力不一定等于外界压力，模内压力与外界压力的差值称为残余压力。残余压力的大小与压实阶段的时间长短有密切关系。残余压力为正值时，拔模比较困难，制品容易被刮伤或破裂；残余压力为负值时，制品表面容易有缩痕或内部有真空泡。所以只有在残余压力接近零时，拔模才能顺利，并能获得满意的制品。

5）拔模。塑料制件在模内冷却至具有足够刚度时即可拔模。由上面的分析可以看出，拔模温度不宜过高，一般控制在塑料的热变形温度与模具温度之间。拔模时，模腔残余压力应接近零，这是由保压时间决定的。

2.低压注射成型

传统的注射成型过程可分为控制熔体入口速度的充填过程和控制熔体入口压力对塑料冷却收缩进行补料的保压过程。充填过程中熔体的入口速度是一定的，随着充填过程的进行，熔体在模腔内的流动阻力逐渐增加，因而熔体入口压力也容易随着增高，在充填结束时入口压力出现较高峰值。由于高压在型腔内的作用，不仅会造成熔料溢边、涨模等不良现象，而且会使塑料件内部产生较大内应力，塑料件拔模后易出现翘曲和变形，使塑料件形状精度和尺寸精度难以满足较高要求，在使用过程中也易出现开裂现象。

为了降低或避免塑料在充填过程中因较高的型腔压力产生的内应力，将塑料件的变形限制在较低的范围内，应以塑料件充填所需的最低压力进行充填，这样就可降低型腔内压力。受控低压注射成型与传统注射成型的主要差别在于：传统注射成型充填阶段控制的是注射速率，而低压注射成型充填阶段控制的是注射压力。在低压注射过程中，型腔入口压力恒定，但注射速率是变化的，开始以很高的速度进行注射，随着注射时间的延长，注射速率逐渐降低，这样就可以大幅度消除塑料件内应力，保证塑料件的精度。高速注射时，熔体高速流动所产生的剪切黏性热可提高熔体温度，降低熔体黏度，使熔体在低压下充满型腔成为可能。由于低压注射是以恒定压力为基准进行熔体充填的，低压注射机有其独特的油压系统。

为了实现低压高速成型，需对传统注射机的注射系统进行必要的改进，目前国外已开发出多腔液压注射系统，其主要功能有：

1）在同一油压下可多级变换最高注射压力。

2）可在低注射压力下实施高速注射。

常规的成型条件下，注射初始时熔体因过度受压而产生巨大的不稳定效应。由此引起黏度急剧增高，同时熔体由于受到压缩而储存了弹性能量。而低压注射成型工艺与此相反，熔体流过喷嘴和流道，由于熔体黏度伴随压力增加而增大，而低压注射成型熔体的黏度较低，从而可更好地控制熔体的黏流特性。另外，料筒内熔体的压力增大速度越快，将更呈现出类似固态的空体响应。黏弹性塑料熔体从纯液态到纯固态过程中，都具有宽频的响应特性。熔体的响应或松弛时间等具体特性是由聚合物主链上的化学成分所决定的。避免流动条件的突然改变或瞬间大幅度变动，更有利于形成所需的类似液态特性。事实上，低压注射成型只是控制或调节塑料黏弹特性的一种加工方法。树脂生产厂商一般把高流动性树脂的分子量降低，以求降低其黏弹性，从而适合于生产薄壁制品的需要。随着对加工环境认识的深入，采用低压注射成型将使塑料熔体更能适应生产环境的要求。

目前有几项工业化产品采用低压注射成型方法。大多数设计项目已着重于将低压注射与再注射塑料成型结合在一起使用。如汽车门内饰板的成型，就是将纺织物或非纺织物放置入模具内，再直接向模具注射熔料。

低压注射成型的优点：

1）注射压力低，不出现压力峰值，可避免模具中的细小型芯的折断或损坏，有利于提高模具的使用寿命。

2）由于低压注射成型对模具的磨损较小，对模具的温度控制和排气等要求也不很高，可采用由锌-铝合金材料制造和简易注射模，从而降低模具成本。

3）一些门板和立柱上包覆面料使用低压注射成型可以简化工艺，注射、覆合、发泡一次完成。

3.气体辅助注射成型

气体辅助注射成型（Gas-Assisited Injection Molding，GAIM），是在传统的注射工艺基础上发展起来的一种新的成型工艺。近年来，GAIM已经成为塑料工业中最重要的树脂成型方法。因为它不但能生产壁厚不均匀、形状复杂的制品，而且制品性能优异、表面平整光滑。其原理是：当一定量的熔体注入型腔后，再将压缩空气注入熔体中心，然后在压缩空气的作用下充满型腔。GAIM具有充模压力低、制品内应力低、表面光洁等优点（图4-62）。

图4-62 气辅成型内开手柄

（1）GAIM基本过程主要包括以下几个阶段：

1）熔体注射：将塑料熔体注入模具型腔。该过程与传统注射成型相同，熔体一般充满型腔60%～97%。

2）气体注射：把高压氮气注入熔体芯部，熔体流动前在高压气体驱动下继续向前流动，直到充满整个型腔。气体注射时熔体流动距离明显缩短，熔体注射压力可以大大降低，气体可通过注气元件从主流道或直接由型腔进入制件。因气体具有始终选择阻力最小的方向穿透的特性，所以需要在模具内专门设计气体的通道。

3）气体保压：制件在保持气体压力的情况下冷却，在冷却过程中，气体由内向外施压，保证制品外表面紧贴模壁，并通过气体二次穿透从内部补充因熔体冷却凝固带来的体积收缩。

4）气体泄压并回收循环使用。

5）模腔打开，取出制件。

（2）GAIM成型有如下优点：

1）降低制品内应力：常规注射成型的模腔压力一般超过30MPa，而气体辅助成型的模腔压力为5MPa左右，所以制品承受的压力小，内应力也就小了。

2）降低锁模力：锁模力大小随模腔压力大小而定，模腔压力小，锁模力也就小了。

3）节约原材料25%～30%。

4）可注射大型厚壁制品，成型周期短，使厚薄不均、形状复杂、体积庞大的制件的成型成为可能，增加了产品设计自由度和产品生产的集成化程度。

5）制品表面平整、光滑、无收缩痕迹，减小翘曲变形，制件质量提高。由于气体均匀地由近到远、由里及外地对熔体施压，使型腔内压力分布均匀，保压冷却过程中产生的残余应力减小，翘曲变形程度减少。同时，气体在保压阶段的两次穿透弥补了熔体在冷却时产生的体积收缩，有效地抑制了缩痕的产生。另外，通过合理的气道布置掏空厚壁部分，使薄厚更趋于一致，也会有效地抑制缩痕的产生。

6）注射压力降低：由于气体是非黏性介质，它可以将压力均匀地传递到气体连续存在的任何地方而不产生大的压力损失，当气体推动熔体前进时，有效流长减小，入口压力降低，造成所需的注射压力降低，锁模力也减小。此外由于注射压力降低，模具损耗随之减少，模具寿命延长。这也使铝材模具的使用成为现实。

7）制件的强度和刚度得到加强。

8）生产效率得以提高。

9）提高产品一体化程度，简化了结构，并赋予制件功能性。(https://www.daowen.com)

气体辅助成型需要一个控制系统控制氮气使其从气体源传送到模具。这个系统通常是一个相对独立的单元，它位于十分接近注射机的地方。该系统控制装置与注射机相连接，而又独立运行。该独立系统可以独立运用，且可以即插即用于任何种类的注射机中，控制系统的关键元件从注射机上获得信号，并且能提供必要的能源、水和压缩气体。该系统一般由4部分组成。

1）氮气产生装置。一般的气体辅助成型使用的气体是纯度98%左右的氮气，氮气可以来源于氮气钢瓶或储罐。但钢瓶的充气、运输等费用较高，当需要大量的氮气时，一般的气体辅助成型都会增加一套独立的氮气产生装置，它可以不受外部供应的制约，而且可以低成本生产氮气。

2）压力发生器。压力发生器是气体供应的中心装置，它由压缩机连续产生高压气体，通过高压软管与注射机相连。

3）气体压力控制系统。这个压力控制系统既可受注射机控制系统的控制，也可通过外部独立系统控制。因此压力控制可作为注射机的固定控制部分或作为移动控制部分在多个机器使用。

4）气体注入装置。气体可通过注射机喷嘴注入，也可以从模具的其他单个或多个地方注入。注射机的喷嘴一般带有止回阀，防止气体进入料筒或熔胶回流到料筒。从模具上的气道注入需安装气体注射组件。

气辅成型流程如图4-63所示。

图4-63 气辅成型流程

4.熔芯注射成型

当注射成型结构上难以拔模的塑料件，如汽车进气歧管等有复杂形状的空心塑料件时，一般是把它们分成两半成型，然后再拼合起来，致使塑料件的密封性较差。随着这类塑料制品的广泛应用，人们将类似蜡铸造的熔芯成型工艺引入注射成型，形成了所谓的熔芯注射成型方法。其基本原理是：先用低熔点合金铸造成可熔型芯，然后把熔芯作为嵌件放入模具中进行注射成型，冷却后把包含有型芯的制件从型腔中取出，再加热将型芯熔化；为缩短型芯熔出时间，减少塑料件变形和收缩，可采用油和感应线圈同时加热的方式，感应加热使可熔型芯从内向外熔化，油加热熔化残存在塑料件内表面的合金表皮层。简而言之，它是利用低熔点金属作为注射模具的型芯来生产形状复杂中空注射件的技术。这种形状复杂中空注射件要求内部尺寸精确、表面光滑，是无法用通常的方法来实现的。熔芯注射技术的一般工艺过程如下：用低熔点金属浇铸型芯→注射→熔化型芯→清洁制品→制品。目前，可熔型芯注射成型技术仅在PA66方面积累了一定的经验，初步的试验研究表明PA6、PBT、PET、PPO等也适合于可熔型芯注射成型。

（1）熔芯注射成型的优点

1）特别适用于生产形状复杂、中空、不宜机械加工的复合材料制品。

2）中空塑件内部尺寸精确、内表面光洁。

3）与吹塑和气辅注射成型相比，虽然要增加铸造可熔型芯的设备和熔化型芯的设备，但可充分利用现有的注射机，且成型的自由度较大。

（2）熔芯注射成型工艺注意事项

1）塑件注射时型芯不能发生熔化。

2）做型芯的金属熔体以及用来熔化型芯的介质不会腐蚀塑料。

3）在熔化型芯的温度下，制件不会发生变形。

5.反应注射成型

反应注射成型（Reaction Iniection Moulding，RIM）是将能够起反应的液体进行混合注射，并在模具中进行反应固化成型的一种方法。因此，反应注射一般都包括两组液体供给系统和液料泵、混合注射系统。目前主要用于聚氨酯的成型。它由聚醚多元醇（俗称A料）与异氰酸酯（俗称B料）反应而成，聚醚多元醇中含有胺类催化剂、锡类催化剂、发泡剂及其他助剂色浆等。

（1）RIM成型的设备它由组分储存罐、过滤器、计量泵、混合枪头、液压系统等组成。RIM成型工艺要求设备有很高的灵活机动性和计量精度。RIM系统主要有三大组成部分：

1）蓄料系统：主要有蓄料槽和相关管路系统。

2）液压系统：这是由液压泵、阀及辅助设备组成控制液体物料的管路系统与控制分配缸工作的油路系统所组成的，其目的是使A、B料能按比例进行准确的输运。

3）混合系统：使A、B物料实现高速、均匀的混合，并加速物料从喷枪注射到模具中去。混合头的工作质量将对RIM制品的质量起着重要影响。混合头必须能使物料在小混合室中得到均匀的混合和加速，再送到型腔中去。混合头还要具有自动清洗功能。

（2）RIM成型工艺注意事项

1）A、B料的比例必须严格控制，并且要定时验证，以保证制品的质量。

2）注射时间不能很长，注射时间一般从零点几秒到几秒。

3）储罐温度、模具温度等需严格控制。

4）材料在储运、生产过程中必须密封。反应注射成型如图4-64所示。

图4-64 反应注射成型RIM

6.微孔发泡成型

微发泡成型技术（Microcellular，MuCell）是在较低而平均的压力下，依靠气泡的膨胀来填充产品。

（1）原理该技术的核心就是制品在很低且平均的压力下成型。首先，N₂或CO₂ 经过气体控制系统转化成超临界流体，再被打入注射机螺杆的搅拌区。热熔胶和超临界流体在搅拌区内充分溶解形成单相溶体并保持在高压力状态下。然后，开启开关式射嘴将单相溶体射入温度和压力较低的模具型腔内。由于温度和压力降低，气体在熔胶中的溶解度下降，并引发分子的不稳定性，从而在制品中形成大量分布均匀的微小气核。这些微小气核基本上在瞬间产生。在熔胶填充和冷却的过程中，微小气核不断膨胀，最终在制品中形成大量均匀的微细气孔。这些微孔呈密封状态，只有微米级大小。正因如此，该技术被称为“微发泡”，如图4-65所示。

发泡后的制品横切面放大图如图4-66所示，从中可以明显看到表层还是未发泡的实体层，这是由于模具温度较低，表面树脂冷却迅速，细胞核没有成长的时间，还是未发泡的实体。