橡胶注射成型技术

橡胶注射成型技术
在橡胶制品中，主要成型技术有：模压法成型技术、传递法成型技术、缠贴法成型技术和注射法成型技术。

在这些方法中，注射成型具有显著的优点：①简化工艺，减少操作人员数量；②降低能耗约10％；③提高生产效率4～
7倍；④提高制品的均匀性、稳定性、尺寸精确性和合格率；⑤减少飞边，节省胶料；⑥操作方便，劳动强度低，机械化和自动化程度高。

因此，近年来，注射成型技术越来越受到重要关注，并在橡胶制品生产中得到了迅猛发展。

目前全球注射机的拥有量为数万台，现已成为汽车、电子等橡胶制品的主流设备；而在注射机生产规模方面，世界年生产注射机产量也在突飞猛进，全球销售额超过了5．0亿美元。

随着橡胶制品应用领域的不断拓展和生产规模的不断扩大，橡胶注射成型技术的应用前景将十分广阔，市场占有额也将显著增加。

1橡胶注射成型设备及工艺
1．1 橡胶注射成型设备与相应成型方法
塑料工业早在上世纪30年代就已开始应用注射成型法来生产塑料制品，
但由于橡胶本身具有的高黏度、易焦烧的特性，使得它从模压成型到注射成型经历了一段漫长的时间。

到目前为止，橡胶注射成型已经历了3个阶段，即柱塞式注射、螺杆往复式注射和螺杆、柱塞式注射。

并相应出现了柱塞式注射成型机、螺杆式注射成型机和螺杆一柱塞式注射成型机¨j。

从生产过程上看，柱塞式注射、螺杆往复式注射和螺杆、柱塞式注射三种成型技术均需要经过胶料塑化和注射两个步骤才能完成。

随着注射成型技术的不断发展，科研人员又对两步法注射工艺进行了改进，提出了胶料塑化和注射同步进行的一步法工艺，并研制了一步法注射成型机。

1．1．1 柱塞式注射成型机
柱塞式注射成型机是最早使用的橡胶注射成型设备。

注射成型方法是：将胶料从喂料口喂人料筒后，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。

1．1．2 螺杆式注射成型机
螺杆式注射成型机是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人到模腔中的橡胶成型设备。

注射成型方法是：胶料从喂料口进入挤出机后，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。

1．1．3 螺杆一柱塞式注射成型机
螺杆一柱塞式注射成型机结合了柱塞式注射成型机和螺杆式注射成型机
的优点，是目前应用较多的橡胶注射设备。

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。

注射成型方法是：首先将冷胶料喂人螺杆塑化系统，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人模腔时，因
为止逆阀的作用，胶料不会倒流进人挤出机中。

1．1．4 一步法注射成型机
青岛科技大学高分子材料机械研究所针对传统注射成型方法存在的
问题，经过20多年的理论研究、实践研究以及工业中试和工业研制，研究出了橡胶一步法注射成型技术与设备，并成功地应用于油田螺杆钻具(泵)橡胶定子的生产制造以及轮胎胶囊的生产制造。

注射成型方法是：将胶料通过特殊的螺杆——机筒——增压系统的作用，使胶料得到充分的塑化，在一步法注射系统的作用下，使物料在高速、高压、高温状态下注入模腔，从而获得致密的橡胶制品。

一步法注射成型技术，其T作过程是胶料塑化后直接通过信息定量，并同时注入模腔，当模腔的胶料达到预定的密度后，注射机停止注射。

一步法注射成型方法的塑化、定量、注射是同步完成的，也就是一步完成的，故这种技术称一步法注射成型技术，其加工设备称一步法注射成型机。

该技术突破了传统注射成型技术容量的限制，使一步法注射成型技术能够应用到大型橡胶制品，如：注射轮胎、注射翻新轮胎、注射胶辊、注射实心轮胎、注射护舷以及轮胎胶囊等等；同时，突破了传统成型技术
的机械体积定量，取消了定量装置和独立的注射装置，大大地简化了结构和设备，为制造使用大容量注射机奠定了基础；一步法注射成型技术取消了传统的液压传动方式，采用了全电动方式，提高了设备的可靠性，节省了能源和降低了设备的运行成本等。

1．2 目前在用的大型注射成型机
1．2．1 VMI RIMM注射成型机
橡胶注射模压机领域在经济效益和产量质量方面处于领先地位的是荷
兰VMI公司，这家公司已经获得了Maschinenhandel Mayenhofer机械公司的独家许可证，生产并以VMIRIMM (Rubber Injection MoldingMachinm7)品牌在世界销售该机械。

目前，公司对装置技术细节合模装置、微处理器控制、带有扩展功能的RIMM控制等方面进行了较大改进，坚持面向顾客的设计理念，使得该产品性能已有极大改进。

可提供注射量在500～6 000 em ，锁模力为400～6 000kN之间的系列立式和卧式机型，能满足各种用户的要求。

1．2．2 KRV一60型橡胶注射成型机
KRV一60型橡胶注射成型机是由日本生产的，主要结构包括：①进料、塑炼和加热的螺杆挤出装置；②保温、注射量给定和高精度的柱塞注射装置；
③采用V型机头，保持注射机构的平衡；④合模装置中有推进、推出电热板和上热板；⑤从模具中取出制品的顶装置；⑥抽真空装置；⑦传动系统的液压回路和控制系统的电气回路。

控制系统由程序控制器、流量和压力控制器、数控器(DNCT-1／2)、日历式计时器组成。

另外，对上、下热板，螺杆和注射装置设有温度控制器；对硫化时间设有数显计数器；对平板还设有对人体起保护作用的光电安全保护装置等。

KRV-60型橡胶注射成型机的主要技术参数：合模力600 kN；开模力60 kN；锁模压力最大21 MPa；注射装置能提供的最大注射压力为200 MPa；背压可以在在0～2．1 MPa的范围内选择。

螺杆温度、柱塞温度、上热板温度、下热板温度和硫化时间可以根据具体的橡胶制品来确定。

1．2．3 其他注射机
目前，世界生产和销售的大型注射机还有：法国REP公司的V47型
注射机，意大利RU—TIL公司的RS‘1000／150型橡胶注射成型机，以及德国DE—SMA公司、LWB公司生产的橡胶注射成型。

这些注射机在结构上变化不是很大，只是控制系统有显著改进，如南单板机发展到计算机控制，并增加了许多智能软件。

这些设备都采用“先进先”的注射方式，在温度控制上采用精确的温度比例积分(PID)调节，在控制系统方面采用微信息处理系统，智能控制通过T业用计算机和专门软件来完成，达到高级过程控制。

随着现代电子技术计算机技术的发展，橡胶注射成型机的控制系统也得到了不断的发展和完善。

近
年来先后出现了许多控制系统，如：执行联机的统计工程系统SPC；计算机集成管理生产控制CIM；分级数据收集和处理控制MIR；以及信息控制管理系统MCS2等，控制系统的发展不仅减轻了劳动强度，提高了自动化程度，还能够节约能源提高生产效率，提高制品质量。

1．3 注射成型工艺技术
在橡胶注射成型机的发展过程中，人们同时在提高制品尺寸精度、节省
原材料、降低能耗、减少制品缺陷等方面进行了大量研究，从而使橡胶注射成型工艺也得到了很大的发展。

1．3．1 抽真空注射成型lT艺
与模压成型法相比，注射成型法成型的橡胶制品尺寸精度高、飞边少，但是随着现代高科技的快速发展，对橡胶制品的精高提出了更高的要求，由于在橡胶注入模腔时，模具为封闭状态，排出模腔中的气体常用的方法就是通过分型面微小间隙或排气槽进行排气，这样成型的制品会形成飞边，从而影响到制品的尺寸精度；而消除飞边，进一步提高制品精度的唯一方法就是要提高模具的精度，但这样合模后模腔内的气体就不易排出，从而产生缺胶、焦烧、气泡等缺陷，针对这一问题，抽真空注射成型法产生了。

这种成型方法是在合模后，启动真空系统将模腔内气体抽，大约3～5 S后，真空度达到设定值，真空泵自动关闭，然后再进行注射。

抽真空注射成型方法除了用于成型高精度制品外，还可用于形状复杂制品的成型。

因为对于形状复杂的制品用排气槽、分型面来排气，有时很难将模腔内气体排净，从而导致一系列成型缺陷。

另外抽真空方法成型的产品硫化后不需要专门修整飞边，因此节约了劳动力，生产效率也得到进一步提高。

1．3．2 冷流道注射成型工艺
通常的橡胶注射成型方法是将注人模具中的所有胶料，包括主流道、分流
道及模腔内的胶料，同时硫化脱模后再将制品上连带的流道废料除去，这样一来势必造成一定的浪费，尤其是小型制品，废料比例占得较大。

冷流道注射成型是将停留在主流道、分流道中的胶料控制在硫化温度以下，脱模时只脱出制品，流道中的胶料仍保留在流道中，下次注射时流道中的这些胶料注入模腔内成为制品。

这种注射成型方法减少了原材料的浪费，节省了能源，而且制品脱模时因为不带流道废料，还可以减少开模距离，缩短成型周期。

1．3．3 气体辅助注射成型工艺
注射成型热塑性橡胶时，由于胶料冷却时体积收缩会导致肋、凸台等
部位出现凹坑、缩痕，如用补压方法，离浇口较远处压力很难达到，浇口附近过量充模还会使制品产生残余应力。

因此，现了气体辅助注射成型方法。

这种方法可将气体的压力均匀地施加于胶料上，从而补偿了胶料冷却时所产生的体积收缩，避免了凹坑、缩痕等缺陷。

这种方法成型的制品为中空形状，因此在总体积形状不变的情况下，可减少制品重量和节省原材料；当用料量不变时，中空结构可提高制品的刚度和强度；另外，一般的注射成型方法，胶料注射时为了
100％充满模腔，充模压力非常大；而气体辅助注射成型方法，胶料注射时不完全充满模腔，因此胶料充模压力很小。

因气体为非粘性的，可有效地传递压力，因此气体注射压力也很小，注射压力小，所需锁模力也相应减小，
从而可降低能耗和设备的制作成本。

1．4 橡胶注射成型制品的性能研究
多年来模压成型一直是橡胶制品生产的主要成型方式，但是随着社会发
展和技术进步，对橡胶制品的质量、生产效率、能耗和原材料消耗等方面都有了更高的要求。

与模压成型胶料相比，注射成型胶料的密度较大，硬度、强伸性能和拉断伸长率提高，拉断永久变形减小，有利于橡胶制品性能的提高。

吕柏源¨研究了模压法和注射法制备的橡胶制品的性能，发现：注射成型胶料的硬度比模压成型提高约1％；注射成型胎面和油田防喷器胶芯胶料拉伸强度比模压成型胶料分别提高1．3％和4．6％；油田防喷器胶芯注射成型胶料100％和300％定伸应力分别比模压成型胶料提高了13％和20％；全钢载重子午线轮胎胎面注射成型胶料拉断伸长率比模压成型胶料提高了20％，撕裂强度比模压成型胶料提高了27％；油田防喷器胶芯注射成型胶料拉断永久变形比模压成型胶料减小12％。

分析认为注射成型过程中胶料的高流动性和高注射压力使分子网络交联程度提高，从而提高了胶料的拉伸强度和定伸应力，同时使分子网络之间的距离减小，从而使胶料硬度增大。

所以注射成型T艺对制品的弹性、耐磨性、耐撕裂和耐屈挠等性能提高有益。

根据文献报道，采用注射成型技术，在4．5～7MPa压力硫化条件下，胎面的耐磨可提高20％～25％；根据国内的研究表明，硫化压力从0．5 MPa升高到7．0 MPa，其阿克隆磨耗从0．5 cm ／km降低到0．282 em ／km，其耐磨耗性能提高了43％；高孝恒进行的模压与注射成型试片数据也表明：在全钢胎面中伸长率提高了20％，扯断强度提高了9．8％；在油田防喷器中撕裂强度提高了3．6％、100％定伸强度提高了10．9％、300％定伸强度提高了21．7％、伸长率提高了3．4％、撕裂能提高了2．1％、永久变形降低了10．8％，可见试片机械物理性能普遍得到了提高。

2与橡胶注射成型加工技术相关的技术
2．1 模具技术
注射成型中的模具技术是极为重要的，模具结构对注射成型产品性能的
优劣有着极大的影响，注射成型机用模具设计的要点除了自动化，节省劳力，提高质量、排除故障等方面以外，对无飞边模具和抗污染模具方面也给予了关注。

在模具的设计中，需要重点发展的技术有：自动化生产用模具设计、无飞边模具设计和成型加工技术、提高质量和排除故障的模具设计、可防止污染的模具、应用模拟法的模具设计。

2．2 排除生产现场故障的措施和成型加工技术
注射成型生产现场的主要质量问题是有气泡，疏松，凹缩，外观不良，
在模具合模处产生了开模缩裂，在模腔内有接头痕迹以及注胶量不足等。

上述缺点是早就存在的老问题，对于橡胶的成型硫化来说，这也是经常影响产品质量的顽症。

故实际生产中应在橡胶材料，设备模具和成型加工技术等方
面采取相应措施。

从根本上说，胶料的流动性，硫化性能和模具结构对产品质量有很大的影响。

实际上可从成品的物理性能，胶料配合方面的制约和降低成本等几个重要因素的综合平衡来确定相应的产品加工条件。

2．3 测试设备的电子计算机化和自动化
就注射成型来说，从温度和压力直至其它各种装置皆已实现了电子计算
机化和自动化，除喂料和模具停放外，其他基本上已实现了无人操作的自动化生产。

预计今后胶料粘度的变化，焦烧的状况或可塑度等可用在线粘度计、超声波测定装置和可视化装置等作在线检测，从而实现注射全过程的监控。

3结论与建议
注射成型技术在橡胶制品的应用，有效地提高了生产的自动化水平，降低了劳动强度和原材料耗损，生产效率高，制品质量好，越来越受到了大型橡胶制品生产企业的青睐，并代表着橡胶制品成型工艺技术发展的先进方向。

与国外相比，国内在注射成型技术的应用和注射机的生产规模上都有较大差距，与我国橡胶制品生产大国的地位不符。

虽然注射成型具有很多优点，但其生产工艺设备投资费用大，模具价格高，成型压力大的缺点使得很多企业望而却步。

所以，在国内推广注射成型技术应遵照我们的国情，循序渐进。

1)利用新技术改造传统设备，在充分发挥现有工艺设备效能的基础上加大新技术的应用。

当前，橡胶制品行业普遍使用平板硫化机生产橡胶制品，如果采用注射成型技术一下子取代现有的设备，这是很难实现的。

为了解决这一矛盾，可以考虑在现有设备上进行局部改造，将注射装置加装在现有的设备上，这既可提高产品质量又可提高生产效率，也有利于注射成型技术的推广应用。

2)将新技术与传统技术进行融合，优化设计。

将平板硫化机的设计和注射机设计结合起来，使之成为介于平板硫化工艺和注射硫化工艺技术之问的新品种，这样设计难度不大，又可充分发挥生成线中平板硫化机的成熟设计和制造能力。

3)加快新品种的研发力度，从基础研究、原理试验开始，自主设计小型注射成型设备，并在中试放大的基础上，与实际生产相结合，推动我国注射成型机的研发和注射工艺的应用。