注射成型工藝對橡膠制品質(zhì)量的影響

張 屹，侯明英，陳亞楠，張居廣

（中國重汽集團濟南橡塑件有限公司，山東 濟南 250300）

注射成型橡膠制品的質(zhì)量主要取決于模具設(shè)計與加工、材料的性能和成型過程控制。在材料性能方面，膠料注射成型工藝要求不同于平板模壓工藝，在設(shè)計上既要適用于注射工藝，還要保持合理成本。當膠料配方和模具結(jié)構(gòu)確定后，制品質(zhì)量主要取決于注射成型工藝過程即注射生產(chǎn)中各工藝參數(shù)是否合適，這是由于注射成型過程的工藝參數(shù)直接決定了膠料在模腔中的流動狀態(tài)，并對制品質(zhì)量有著最直接、最重要的影響[1]。因此，合理控制注射成型過程中的各相關(guān)參數(shù)是提高注射制品質(zhì)量的有效途徑。

本工作以減震件發(fā)動機支撐總成為例介紹注射成型工藝過程及其主要的工藝參數(shù)對制品質(zhì)量的影響，并通過調(diào)整膠料配方改善注射成型工藝性能，提高制品質(zhì)量。

1 注射成型工藝及其參數(shù)

注射成型工藝過程包括注射膠料和鐵件的準備、注射成型以及制品修邊檢驗3個階段。其中第1階段要保證膠條寬度和厚度適宜喂料，否則在入料時會增大入料壓力，縮短螺桿使用壽命，影響膠料工藝性能，甚至引起膠料焦燒。

1.1 成型設(shè)備

注射模具和注射機是注射成型的主要裝備，有時附帶啟模裝置。

注射模具一般為多腔模，注射膠道的設(shè)計對注射成型產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，設(shè)計時應考慮以下兩點：（1）膠道均勻分布，具有對稱性，以保證膠料同時充滿型腔；（2）膠道結(jié)構(gòu)一般為半圓形，且至各型腔路徑最短。

注射機組成機構(gòu)有開模機構(gòu)、合模機構(gòu)（包括頂出裝置）、喂料塑化裝置、注射裝置和控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)控制各部位的溫度、時間、壓力和速度等。

1.2 成型步驟

以生產(chǎn)減震件發(fā)動機后支撐總成為例，其注射成型步驟為入料、塑化、合模、注射、硫化、開模、頂出取件，然后按相同步驟進入下一循環(huán)周期。注射成型過程中各成型步驟的時間順序、合模壓力、注射壓力、速度和溫度都有周期性特點。

1.3 注射成型工藝參數(shù)

注射成型工藝參數(shù)主要指注射成型加工時設(shè)定的相關(guān)溫度、壓力、速度、時間等參數(shù)，需根據(jù)相應的制品要求制定各自工藝參數(shù)。

2 注射成型工藝參數(shù)對制品質(zhì)量的影響

注射成型過程的工藝參數(shù)與制品質(zhì)量直接相關(guān)，要獲得高質(zhì)量的制品，必須對溫度、壓力、時間、速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)進行控制。

2.1 溫度

在注射成型的各個階段，溫度都是決定制品質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，是過程控制的首選控制變量。主要溫度參數(shù)包括塑化溫度、射出溫度、硫化溫度和熱煤油溫度。

2.1.1 塑化溫度

塑化溫度是注射成型過程的基本變量，直接反映了膠料的狀態(tài)，需對其連續(xù)控制。塑化溫度的變化會影響膠料的流動速度、入料壓力和型腔壓力等多個變量[2-3]，對制品質(zhì)量具有決定性的影響。經(jīng)試驗確定塑化溫度，并設(shè)置一定溫差，冬季可取偏上限溫度。塑化溫度過低會導致入料困難，縮短螺桿使用壽命，同時會使制品出現(xiàn)流痕；塑化溫度過高，膠料在后期注射過程中導致焦燒的可能性會大幅度增加。

2.1.2 射出溫度

入料后膠料在射出管中處于待注射狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)射出溫度可起到調(diào)整膠料溫度和勻化溫度的作用，射出溫度略高于塑化溫度為宜。

2.1.3 硫化溫度

硫化溫度直接決定制品的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，其值取決于所用材料的種類和制品性能要求，提高硫化溫度可縮短硫化時間，提高生產(chǎn)效率。在確定硫化溫度時，應考慮膠料的導熱性、制品的厚度及結(jié)構(gòu)組成。由于橡膠本身導熱性差，為使制品各部件均勻地達到一致的硫化溫度，宜采取較低溫硫化的方法。如果硫化溫度過高，出模時會導致制品撕裂。

2.1.4 熱煤油溫度

熱煤油溫度直接影響塑化溫度和射出管溫度。在實際生產(chǎn)中，熱煤油溫度經(jīng)常發(fā)生變化，從而造成膠料工藝性能不穩(wěn)定。因此應經(jīng)常注意熱煤油量是否足夠，加熱鎖緊狀態(tài)是否正常。熱煤油溫度一般設(shè)置為略高于塑化溫度。

2.2 壓力

主要壓力參數(shù)包括入料壓力、注射壓力、合模壓力、頂出壓力、射退壓力和托模壓力。

2.2.1 入料壓力

入料壓力是指膠料進入射出管的壓力，提高入料壓力有助于壓實螺槽中的膠料，排出膠料中的氣體，改善塑化質(zhì)量；但當入料壓力過大時會增大剪切力，導致膠料生熱快，降低膠料的斷裂強力，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此應根據(jù)膠料的流動性設(shè)定入料壓力，若膠料的流動性好，則設(shè)定較小的入料壓力；反之則設(shè)定較大的入料壓力。一般入料壓力設(shè)置為3段。

2.2.2 合模壓力

在注射充模階段和保壓補縮階段，型腔壓力要產(chǎn)生使模具分開的脹模力，為了克服脹模作用，合模系統(tǒng)必須對模具施以合模壓力，使膠料致密，充滿型腔，并提高硫化膠的物理性能和制品的堅固性。設(shè)定合模壓力應考慮以下兩個方面：（1）膠料熱流動性。熱流動性小的膠料，合模壓力要大些，反之合模壓力可小些；（2）制品的結(jié)構(gòu)特點。厚度大、層數(shù)多、結(jié)構(gòu)復雜的制品需較大的合模壓力。合模壓力不足，會導致制品出現(xiàn)縮邊或模具開縫；合模壓力過大，會使模具變形，導致制品不合要求。合模壓力一般設(shè)定為額定合模壓力的70%～90%，以保證合?？煽?。

2.2.3 注射壓力

注射壓力是柱塞對膠料所施的壓力。注射壓力設(shè)定應考慮制品結(jié)構(gòu)、注射噴嘴結(jié)構(gòu)、膠料工藝性能、注射速度等因素，對結(jié)構(gòu)復雜的制品注射壓力可適當增大，不同注射機噴嘴結(jié)構(gòu)不同，但需注意噴嘴小時，注射壓力如過大，會產(chǎn)生膠料流動帶入空氣，在制品中易形成氣泡、流痕、局部焦燒等現(xiàn)象。

以生產(chǎn)發(fā)動機后支撐總成為例，將注射壓力分為3段，對應的壓力分別為注射一壓、二壓和三壓，3段壓力逐漸增大。注射三壓用于保壓，在型腔充滿膠料后，對模壓膠料壓實與補縮，防止模具內(nèi)膠料向反方向溢出[4]。注射壓力與注射速度應相匹配，注射速度分為4個階段，即注射一速、二速、三速和四速，4個階段注射速度應逐漸減小。

2.2.4 頂出壓力

硫化后為使制品從模具上脫落，需要一定的外力克服制品與模具的附著力，即為頂出壓力。頂出壓力過小使得制品無法脫模；頂出壓力過大，頂出速度過快，會使制品變形。

2.2.5 其他壓力

射退壓力是指柱塞后退的壓力，以避免膠料從噴嘴中溢出；托模壓力是指托模進退動作時的壓力。

2.3 時間

2.3.1 硫化時間

在硫化過程中，膠料的各種性能均隨硫化時間而變化。為保證制品質(zhì)量，硫化時必須保證所有各部位都達到正硫化，從而制得硫化程度適宜、內(nèi)外硫化程度均勻、外觀質(zhì)量最好的優(yōu)質(zhì)制品。而硫化時間過長會使得制品在出模時發(fā)生撕裂。

2.3.2 入料延遲時間

入料延遲時間是指制品開始硫化至下一批膠料開始入料的時間。不同注射量產(chǎn)品的入料所用時間不同，如過早入料，膠料在射出管中加熱過久會導致流動性下降，會增大注射過程中膠料焦燒的可能性。因此需在完成一定硫化時間后再開始入料。

2.3.3 注射分段壓力時間

注射一壓、二壓和三壓時間為分別對應3段注射壓力的運行時間。

2.4 速度

速度的設(shè)定為控制各個動作的快慢，應考慮安全和效率兩方面因素。

入料速度指原料進入射出管的速度。

合模動作依次為快速合模、慢速合模、快速鎖模和慢速鎖模。初始合模前段上下模有一定間距，為縮短循環(huán)周期采用較快速度合模；在上下模即將接觸時，因模內(nèi)有骨架，速度減慢，以防止合模時發(fā)生意外，同時操作者觀察合模是否正常，并根據(jù)合模情況及時采取措施；快速鎖模是指開始合模后保持一定速度，合模完畢前適當降低鎖模速度，以保證鎖模平緩，避免造成合模碰撞力過大。

射出速度分4個階段，即射出一速、二速、三速和四速。各速度可依實際需要而定。

開模動作依次為前慢速開模、快速開模和慢速開模。因初始開模阻力較大，宜采用慢速，防止直接快速開模對產(chǎn)品和模具的拉傷；上下模大部分分離后進入快速開模，在上模到達頂點前有一段距離設(shè)為慢速開模，以避免快速沖擊上加熱板。

3 膠料配方的調(diào)整及注射成型工藝參數(shù)的確定

使用現(xiàn)有膠料在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品流痕多、注射膠道堵塞甚至注射焦燒現(xiàn)象，造成了較大浪費。在調(diào)整注射工藝參數(shù)后，改善效果仍不明顯，分析其主要原因為現(xiàn)有膠料是平板模壓用膠，膠料焦燒期短、硫化速度快。改進措施為采用硫化啟動溫度較高的促進劑，并添加順丁橡膠（BR）、分散劑、石蠟和防焦劑。BR、分散劑和石蠟的使用有助于提高膠料的流動性，防焦劑和硫化體系的調(diào)整有助于延長膠料焦燒期。

改進前后膠料的硫化曲線和物理性能分別如圖1和表1所示。

圖1 膠料的硫化曲線

表1 改進前后膠料的物理性能

從圖1和表1可以看出，改進后膠料的焦燒時間延長，硫化速度降低，物理性能有所提高，生產(chǎn)效率并未受到影響，工藝性能良好。

按照改進后的膠料確定發(fā)動機后支撐總成的各項注射成型工藝參數(shù)（見表2），制品經(jīng)檢測合格。

表2 發(fā)動機后支撐總成的注射成型工藝參數(shù)

4 結(jié)語

注射成型工藝中各參數(shù)的設(shè)定對整個注射成型過程和制品質(zhì)量有著不同程度的影響，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)和膠料配方來改善膠料的工藝性能，以滿足注射成型工藝的要求。良好的注射成型工藝應綜合考慮各方面因素，使整個注射成型過程動態(tài)地處于最佳工藝條件下，才能生產(chǎn)出尺寸穩(wěn)定、外觀質(zhì)量佳及產(chǎn)品性能好的橡膠制品，從而滿足汽車工業(yè)對橡膠制品越來越高的要求。