1.3 注塑机的注射装置
1.3.1 注射装置的功能
注塑机的注射装置如图1-9所示。其工作过程原理是，注料斗中加入塑料原料，塑料从料斗落到加料座进入料筒加料口，在液压马达旋转力的带动下螺杆转动，不断把熔融塑料推送到螺杆头前端，后经注射油缸推动，螺杆前移，止退环受注塑力的反作用将止退环后退封住螺杆螺槽，阻止熔融塑料逆向流动，从而将熔融塑料推出喷嘴口射入模具。
图1-9 注射装置
1.3.2 注射装置的典型结构
（1）单缸注射——液压马达直接驱动式
单缸注射——液压马达直接驱动螺杆的基本结构形式，如图1-10所示。预塑时，液压马达5带动塑化机构1中的螺杆旋转，推动螺杆中的物料向螺杆头部的储料室内聚集，与此同时螺杆在物料的反力作用下向后退，所以螺杆做的是边旋转边后退的复合运动（为了防止活塞随之转动，损害密封），在活塞和活塞杆之间装有滚动轴承2注射时，注射油缸3的右腔进高压油，推动注射活塞座通过推力轴承推动活塞杆注射。活塞杆一端与螺杆键连接，一端与油马达主轴套键连接，在防涎时，注射油缸左腔进高压油，通过位于活塞杆与螺杆尾端的卡环，拉动螺杆直线后移，从而降低螺杆头部的熔体压力，完成防涎动作。
图1-10 单缸注射——液压马达驱动注塑装置结构示意图
1—塑化机构；2—滚动轴承；3—注射油缸；4—整移油缸；5—液压马达
此种结构特点是，在注射活塞与活塞杆之间布置有滚动轴承和径向轴承，结构较复杂，由于螺杆、液压马达、注射油缸是一线式排列，导致轴向尺寸加大，注射座的尾部偏载因素加大，影响其稳定性。整移油缸4固定在注射座下部的机座上。现在许多注塑机常用两个整移油缸平排对称布置固定在前模板与注塑座之间，其活塞杆和缸体的自由端分别固定在前模板和注射座上，使喷嘴推力稳定可靠。
（2）单缸注射——伺服电机驱动式
单缸注射——伺服电机驱动螺杆注射装置的基本结构形式，如图1-11所示。此种装置的特点是，预塑时螺杆由伺服电机通过减速箱驱动螺杆，其转速可实现精确的数学控制，使螺杆塑化稳定，计量准确，从而提高了注射精度。伺服电机安装在减速箱的高速轴上，更加节能，但结构复杂，轴向尺寸加长，造成悬臂或重量偏载。而采用高速高精度的齿轮减速箱，则需提高制造成本，否则会加剧噪声。
图1-11 单缸注射——伺服电机驱动注塑装置示意图
1—塑化机构；2—料斗；3—注塑座；4—注射油缸；5—伺服电机；6—减速箱；7—导轨；8—底座；9—整移油缸；10—活塞杆；11—前模板
（3）双缸注射——液压马达直接驱动式
双缸注射——液压马达直接驱动螺杆注射装置的基本结构形式，如图1-12所示。预塑时，在塑化机构1中的螺杆，通过液压马达5驱动主轴旋转，主轴一端与螺杆键链接，另一端与液压马达轴键连接。螺杆旋转时，塑化并将塑化好熔料推到螺杆前的储料室中，与此同时，螺杆在其物料的反作用下后退，并通过推力轴承使推力座4后退，通过螺母拉动双活塞杆直线后退，完成计量。注射时，注射油缸3的杆腔进油通过轴承推动活塞杆完成动作。活塞的杆腔进油推动活塞杆及螺杆完成注射动作。防涎时，油缸左腔进油推动活塞，通过调整螺母带动固定在推力座上的主轴套及其与之用卡箍相连的螺杆一并后退，四个调整螺母另一个作用是调整螺杆位于料筒中的轴向极限位置，完成防涎动作。
图1-12 双缸注射——液压马达直接驱动注塑装置结构示意图
1—塑化机构：2—注射座：3—注射油缸：4—推力座：5—液压马达
此种塑化装置的优点是轴向尺寸短，各部重量在注射座上的分配均衡，工作稳定，并便于液压管路和阀板的布置，使之与油缸及液压马达接近，管路短，有利于提高控制精度、节能等。
（4）电动注射装置
电动注射装置如图1-13所示。其工作原理是，预塑时，螺杆由伺服电机驱动主轴旋转，主轴通过止推轴承固定在推力座上，与螺杆和带轮相连接，注射时，另一独立伺服电机通过同步带减速，驱动固定在止推轴承上的滚珠螺母旋转，使滚珠丝杠产生轴向运动，推动螺杆完成注射动作。防涎动作时，伺服电机带动螺母反转，螺杆直线后移，使螺杆头部的熔体卸压，完成防涎动作，如图1-14所示。
图1-13 电动注射装置
1—同步轮；2—轴承座；3—注射伺服电机；4—传动轴；5—传动座； 6—预塑伺服电机；7—导柱
图1-14 FANUC电动注射装置
1—料斗座；2—注射座；3—注射伺服电机；4—注射同步带及带轮；5—注射座移动电机； 6—注射座拉杆；7—预塑伺服电机
1.3.3 注射装置的关键部件——螺杆
螺杆是注射装置的关键部件，主要功能是对塑料原料进行搅拌、剪切并将熔融的塑料熔体注入模具内。螺杆的基本结构如图1-15所示，其几何参数将直接影响塑料的塑化质量、注射效率、使用寿命，并将最终影响注塑机的注塑成型周期和制品质量。普通螺杆螺纹有效长度（L）通常分成加料段（输送段，L1）、压缩段（塑化段，L2）、均化段（计量段，L3）。
图1-15 螺杆基本结构示意图
知识拓展
（1）螺杆的类型
根据塑料性质不同，可分为渐变型螺杆、突变型螺杆、通用型螺杆，如图1-16所示。
图1-16 螺杆的类型
①渐变型螺杆：压缩段较长，塑化时能量转换缓和，多用于聚氯乙烯等，软化温度较宽的、高黏度的非结晶型塑料。
②突变型螺杆：压缩段较短，塑化时能量转换较剧烈，多用于聚烯烃、聚酰胺类的结晶型塑料。
③通用型螺杆：适应性比较强的通用型螺杆，可适应多种塑料的加工，避免频繁更换螺杆，有利于提高生产效率。
普通螺杆各段长度如下所列：
螺杆类型 加料段（L1） 压缩段（L2） 均化段（L3）
渐变型 25％～30％ 50％ 15％～20％
突变型 65％～70％ 15％～5％ 20％～25％
通用型 45％～50％ 20％～30％ 20％～30％
（2）螺杆的压缩比（ε）
压缩比是指计量段螺槽深度（h1）与均化段螺槽深度（h3）之比。压缩比大，会增强剪切效果，但会减弱塑化能力，但过大的压缩比将可能对塑料原料造成过度的剪切导致原料老化、烧焦等不良现象。
通用型螺杆ε一般取2.3～2.6；对于结晶型塑料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺以及复合塑料，ε一般取2.6～3.0；对高黏度的塑料，如硬聚氯乙烯、丁二烯与ABS共混，高冲击聚苯乙烯、AS、聚甲醛、聚碳酸酯、有机玻璃、聚苯醚等，ε一般取1.8～2.3。
（3）螺杆材料与热处理
目前，国内常用的材料为38CrMoAl，或者日本的SACM645。国内螺杆的热处理，一般采取镀铬工艺，镀铬之前高频淬火或氮化，然后镀铬，厚度0.03～0.05mm。此种螺杆适于阻燃性塑料，如透明PC、PMMA。但镀铬层容易脱落，耐蚀性差，所以多采用不锈钢材料。
1.3.4 注射装置的关键部件——螺杆头
螺杆头的结构如图1-17所示，其作用是预塑时，能将塑化好的熔体放流到储料室中，而在高压注射时，又能有效地封闭螺杆头前部的熔体，防止倒流。
图1-17 螺杆头结构示意图
1—前料筒；2—止逆环
螺杆头分两大类：带止逆环的和不带止逆环的。
①带止逆环的螺杆头。预塑时，螺杆均化段的熔体将止逆环推开，通过与螺杆头形成的间隙，流入储料室中；注射时，螺杆头部的熔体压力形成推力，将止逆环退回将流道封堵，防止回流。螺杆头的止逆环要灵活、光洁，有的要求增强混炼效果等，因此，具体的结构又有多种形式，如图1-18所示。
图1-18 螺杆头结构形式
②对高黏度物料如PMMA、PC、AC或者热稳定性差的物料如PVC，为减少剪切作用和物料的滞留时间，可不用止逆环。但此时在注射时会产生反流，会延长熔体的充模时间。
特别注意
为顺利进行生产，螺杆头应满足如下技术要求：
①止逆环与料筒配合间隙要适宜，既要防止熔料回泄又要灵活；
②既有足够的流通截面，又要保证止逆环端面有回程力，使在注射时快速封闭；
③止逆环属易磨损件，应采用硬度高的耐磨、耐蚀合金材料制造；
④结构上应拆装方便，便于清洗；
⑤螺杆头的螺纹与螺杆的螺纹方向相反，防止预塑时螺杆头松脱。
1.3.5 注射装置的关键部件——料筒
料筒大多数采用整体结构，如图1-19所示。料筒是塑化机构中的重要零件，内装螺杆外装加热圈，承受复合应力和热应力的作用。定位子口1与料筒前体径向定位，并用端面封闭熔体，用多个螺钉旋入螺孔2内将前体与料筒压紧。螺孔3装热电偶，要与热电偶紧密接触，防止虚浮，否则会影响温度测量精度。
图1-19 料筒结构示意图
1—定位子口；2，3—螺孔；4—加料口；5—尾螺纹；6—定位
知识拓展
（1）料筒间隙
料筒间隙是指料筒内壁与螺杆外径的单面间隙。此间隙太大塑化能力降低，注射回泄量增加，注射时间延长；如果太小，热膨胀作用，使螺杆与料筒摩擦加剧，能耗加大，甚至卡死，此间隙Δ=（0.002～0.005）ds，如表1-1所列。
表1-1 料筒间隙值
（2）料筒的加热与冷却
料筒加热方式有电阻加热、陶瓷加热、铸铝加热，应根据使用场合和加工物料合理配置。常用的有电阻加热和陶瓷加热，后者较前者承载功率大。
①为根据注塑工艺要求，料筒需分段控制，小型机三段，大型机五段。控制长度为（3～5）ds，温控精度±（1.5～2）℃。而对热固性塑料或热稳定性塑料，为±1℃。
②注塑机料筒内产生的剪切热比挤出机要小，常规下，料筒不专设冷却系统，靠自然冷却，但是为了保证螺杆加料段的输送效率和防止物料堵塞料口，在加料口处设置冷却水套，并在料筒上开沟槽。
1.3.6 注射装置的关键部件——喷嘴
喷嘴是连接注射装置与模具流道之间的重要零部件。其主要功能包括：预塑时，在螺杆头部建立背压，阻止熔体从喷嘴流出；注射时，建立注射压力，产生剪切效应，加速能量转换，提高熔体温度均化效果；保压时，起保温补缩作用。
喷嘴可分为敞开式喷嘴、锁闭喷嘴、热流道喷嘴和多流道喷嘴。其中敞开式喷嘴结构形式，如图1-20所示。敞开式喷嘴结构简单，制造容易，压力损失小，但容易发生流涎。敞开式喷嘴又分为轴孔型和长锥型。轴孔型喷嘴，d=2～3mm，L=（10～15）d，适宜中低黏度、热稳定性好，如PE、ABS、PS等薄壁制品；长锥型喷嘴，D=（3～5）d，适宜高黏度、热稳定性差，如PMMA、PVC等厚壁制品。
图1-20 敞开式喷嘴
自锁型喷嘴的结构形式有多种，如图1-21所示。此种结构主要用于加工某些低黏度的塑料，如尼龙（PA）类塑料，目的是防止预塑时发生流涎。
图1-21 自锁型喷嘴结构形式示意图
自锁型喷嘴的具体结构有很多种，其中图1-21（a）～（f）的自锁原理基本相同，具体是在预塑时，靠弹簧力通过挡圈和导杆将顶针压住，用其锥面将喷嘴孔封死；注射时，在高压作用下，用熔体压力在顶针锥面上所形成的轴向力，通过导杆、挡圈将弹簧压缩，高压熔体从喷嘴孔注入模具流道，此种喷嘴注射时压力损失大，结构复杂，清洗不便，防流涎可靠性差，容易从配合面泄漏。
图1-21（g）、（h）结构的动作原理是借助注射座的移动力将喷嘴打开或关闭：预塑时，喷嘴与模具主浇套脱开，熔料在背压作用下，使喷嘴芯前移封闭进料斜孔；注射时，注射座前移，主浇套将喷嘴芯推后，斜孔打开，熔体注入模腔。
液压控制式喷嘴的结构形式如图1-22所示。喷嘴顶针在外力操纵下，在预塑时封死，注射时打开。此种喷嘴钉针的封口动作参加注塑机的控制程序，需设置喷嘴控制油缸。
图1-22 液压控制式喷嘴示意图
此种结构喷嘴顶针和导套之间的密封十分重要，在较大的背压作用下，熔体有泄漏可能，为此需与防涎程序配合。
知识拓展
喷嘴的选择与安装。
①喷嘴安装：喷嘴头与模具的浇套要同心，两个球面应配合紧密，否则会溢料。一般要求两个球面半径名义尺寸相同，而取喷嘴球面为负公差，而其口径略小于浇套口径0.5～1mm为宜，二者同轴度公差≤0.25～0.3mm。
②喷嘴口径：喷嘴口径尺寸关系到压力损失、剪切发热以及补缩作用，与材料、注塑座及喷嘴结构形式有关，如表1-2所示。
表1-2 喷嘴口径
对高黏度物料取（0.1～0.6）ds；低黏度物料取（0.05～0.07）ds（ds表示螺杆直径）。