倪卫涛
（无锡德士马注射机械有限公司，江苏无锡214028）
摘要：主要介绍了橡胶注射成型机及其注射装置的发展情况，阐述了橡胶注射成型的特点以及注射装置设计要求，并对三种常用的注射装置的结构特点及应用作系统的分析比较。
关键词：橡胶；注射成型机；注射装置；结构分析
中图分类号：TQ330.46文章编号：1009-797X(2011)05-0014-04
文献标识码：B DOI：10.3969/J.ISSN.1009-797X.2011.05.004
橡胶原料黏度大、流动性差、不易注射，而且高温时易焦烧，因此以平板硫化机为主的模压成型法在橡胶制品生产中一直占据着主导地位。随着汽车、宇航、电子电力等行业的快速发展，对橡胶制品的技术性能、生产成本以及产出效率提出了更高的要求，传统的模压成型技术已很难满足市场的这种发展趋势。而橡胶注射成型技术由于胶料高温快速硫化，缩短了生产周期，更容易保证橡胶制品硫化均匀性；且在闭合模具内精密成型，可以显著地减少胶边，原材料利用率和正品率高；以及胶料在模具中受恒定注射压力硫化成型，制品致密性好，几何尺寸精确，物理化学性能好；操作简单、自动化程度高等其他成型法无法替代的优点，得到迅速推广应用，是橡胶模型制品的发展方向[1、2]。
橡胶注射成型由于硫化温度的限制使得橡胶料的温度不能过高，很难获得适于注射成型的流动性。因此相比于塑料注射成型机，橡胶注射成型机的注射装置有其特殊的地方，作者以橡胶注射成型技术与成型机发展进程分析为基础，就目前设备生产厂商常用的三种注射装置结构进行了全面比较分析研究。
1·橡胶注射成型机及注射装置的发展历程
早在20世纪30年代注射成型工艺就应用在塑料制品的成型中。而橡胶由于本身高黏度、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，直到20世纪60年代注射成型法才在橡胶工业得到较大的发展。迄今为止，橡胶注射成型技术与成型机的发展经历了如下的3个阶段：柱塞式注射、螺杆往复式注射和螺杆柱塞式注射。
柱塞式注射是最早使用的橡胶注射成型技术，其成型方法是将胶料喂入料筒，在高压有时还要在胶料预热条件下，借助于柱塞的作用，把胶料压入到模腔中。这种结构的压力损失大，约为50%，生产效率低，劳动强度大，产品质量难以保证。为解决这个问题，注射机发展到注射和塑化分两步进行的方式，把压力损失降低到了10%左右，同时引进了螺杆塑化结构，改善了制品的质量和性能，这种形式有螺杆柱塞式注射成型机和螺杆往复式注射成型机[3]。
螺杆往复式注射是在挤出机的基础上加以改进，胶料喂入注射机后受螺杆旋转剪切作用，胶温升高快。螺杆旋转的同时向后移动，胶料在沿螺槽向前移动过程中，已得到充分而均匀的塑化，螺杆在前端积聚的胶料达到设定的计量时停止，然后螺杆类似于注射柱塞功能将胶料注入模腔。由于直接将冷胶料喂入注射机中，简化了工序，极大提高了生产效率。
螺杆柱塞式注射装置结合了柱塞式注射机和螺杆式注射机的优点，这种注射装置由螺杆塑化系统和柱塞注射系统组成，其过程是先将冷胶料喂入螺杆塑化系统，胶料经螺杆塑化后挤入到柱塞注射系统，最后通过柱塞将胶料注进模腔。当柱塞将胶料高压注入模腔时，因为止逆阀的作用，胶料不会倒流入塑化系统。这种螺杆柱塞分开设置的结构方式，可能会出现先进入料筒的胶料最后注入模腔，这样可能会使与柱塞端面接触的胶料停留时间太长而导致硫化，出现废品及效率降低等问题，这在中大型橡胶制品生产中更容易出现这些情况。由此开发人员在螺杆柱塞式注射装置的基础加入了先进先出（FIFO）概念。采用FIFO原理设计的注射单元可以使最先塑化的胶料优先注射，这样可以有效补偿由于热量所引起的塑化程度的差别，目前世界主要制造厂商广泛采用FIFO方式的注射装置。
2·橡胶注射装置的设计要求及结构分析
2.1橡胶注射装置的设计要求
如前面提到，橡胶原料黏度大、流动性差，不容易注射，因此需要提供足够的注射功率；胶料温度的迅速上升对于提高生产效率十分重要，为了缩短诱导时间（胶料从塑化到交联反应开始前的准备时间），要求注入胶料温度相对高，但胶料高温时易焦烧；与胶料保持接触部分的注射缸温度要控制在大约60~90℃之间；而胶料塑化温度的均匀性是提高产品质量和合格率关键指标；另外，橡胶原料一般是条带状，要注意如何有效喂胶和适应不同大小胶条等。
针对橡胶注射成型的特点，一个好的注射单元应该综合考虑了以下几个设计要求：
（1）注射量的精确计量；
（2）通过加热和搅拌使胶料完全、均匀地从固态转变为可流动状态塑化状态；
（3）针对橡胶原料黏度大、流动性差，要有足够大的注射压力和注射功率；
（4）喂胶拉力和注射量大；
（5）不同规格大小的胶条都有良好的适应性；
（6）注射系统具有良好自清洁条件，没有“死角”，容易清洁。
2.2常用注射装置结构分析
目前橡胶注射成型机的注射单元主要有以下三种结构类型:螺杆往复式注射单元、螺杆和注射活塞分离式注射单元和基于FIFO的塑化缸-注射活塞集成式注射单元。
首先从螺杆往复式注射单元开始，图1是螺杆往复式注射装置的基本结构形式。这种结构广泛使用在热塑性材料注射机上，在这种注射成型方法中，胶料升温快且塑化均匀，生产效率和制品质量都得到提高。而直接采用冷胶料喂入，省去了热炼工序，减少了设备投入，使生产效率得到进一步的改善。但对弹性体的注射来说，存在注射制品的容量和压力有一定限制的缺点：一是在塑化过程中，螺杆旋转同时不断向后移动，胶料沿螺槽向前移动，胶料逐渐积聚在机头的料筒中，制品越大螺杆移动越大，螺杆在塑化过程中相对料筒不断后退，橡胶原料带很容易被剪切引起断料，而且螺杆的实际工作长度会随着注射量的增大而减少，这就给原料的热均匀性带来了负面的影响。二是由于胶料流动性差，为了注射入大型模腔，必须采用巨大推力的注射装置以产生足够的注射压力，但螺杆与机筒之间存在着较大的间隙，过大的压力会导致逆流和漏流，致使部分胶料反覆停留，易产生焦烧，使注射压力受到限制。这样使得螺杆往复式注射的应用限制在低黏度胶料及小型橡胶制品的生产中。
图2是一种螺杆柱塞式的注射装置。整个注射装置由螺杆塑化系统和柱塞注射系统组成，胶料的塑化与注射分离配置，胶料通过连接管被导入注射缸。机器运行时把冷胶料通过喂料口进入螺杆塑化缸，经螺杆塑化后挤入到柱塞注射缸，最后经柱塞将胶料注进模腔。为了使胶料按照一定的顺序流动，在螺杆挤出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。而当胶料经喷嘴高压注入模腔时，由于止逆阀的作用不会倒流入塑化系统。为了避免剪切胶条的情况发生，螺杆安装在一个独立的塑化缸内，与挤出机的螺杆一样，只有旋转运动，没有轴向的相对运动。一个独立的注射活塞产生必要的注射压力。这种结构形式一定程度上解决了螺杆往复式注射结构形式对弹性体注射带来的两大限制，是目前中大型橡胶注射成型机上广泛采用的注射结构方式。但是这种结构没有把螺杆往复式注射的FIFO功能的优点保留下来，而且原料的更换也比较困难。比较前述中橡胶注射装置的一些设计要求，这种结构设计仍有进一步发展的空间。
图3所示的塑化缸-注射活塞集成式注射单元是注射技术领域的最新设计。这种结构具有先进先出的功能，综合了以上两种设计的优点，同时又可以实现注射单元的快速清洗。这种设计的塑化缸和其注射活塞可以完全从注射缸中驶出或者自由设置注射量。胶料的质量和温度可以直接在塑化阶段进行监控，更换原料的工作量也大大地减轻。此外，这种设计的结构十分紧凑。相对前面分析的两种结构形式，它的制造成本要高一些，但机器相对高的投入可以通过产品质量的改善、溢料的减少以及生产周期的缩短来很快得到回报。
这种塑化注射集成的FIFO结构形式还有一个突出的优点是在注射单元内与胶料接触的金属表面有非常良好的清洁性能。在传统注射单元中存在着所谓的“死角”，使胶料流动不畅，胶料有可能长时间停留在注射单元内而导致过度硫化。而在这种先进先出结构中很少存在这样的死角。从而避免了将老化、过硫化的胶料注入产品的情况。这也方便了不同胶料的更换，比较少的新胶料就可以将原胶料全部的冲洗出来，节省了成本。
另外，由于塑化缸的直径影响着喂料量的大小，注射活塞的直径决定了塑化和注射的精度，而注射量是由注射活塞直径和注射行程决定的。考虑位移传感器分辨率的限制，要保持注射阶段精度的可重复性，必须设置足够的注射行程。因此对于小注射量的产品，在选择注射活塞尺寸时，要采用相对注射行程较小的活塞直径。
在过去的10年里，大多数的橡胶注射机制造厂商渐渐转为配备这种形式的注射装置，以提高企业设备的市场竞争力。
3·结束语
总体来说，橡胶注射成型技术代表着橡胶制品生产的发展方向，而带有FIFO功能的塑化注射集成注射结构由于其独特的性能被大多数设备厂商采用，本文通过对橡胶注射成型技术及其注射单元发展历程的梳理，针对橡胶注射成型技术的特殊性分析了注射装置的功能要求及判断标准，就目前常用的注射装置结构形式进行了详细的比较分析，为橡胶注射成型机的设计提供了很好的思路，对注射装置的结构设计提供极为有益的参考。
参考文献：
[1]黄娜斌,江波.橡胶注射成型技术及其设备[J].橡塑技术与装备,2007,33(7):32~37.
[2]张慧敏.橡胶注射成型技术[J].特种橡胶制品,2 0 0 5,2 6(5):3 3~3 6.
[3]吕柏源.橡胶注射成型机械发展现状及新产品开发[J].中国橡胶,2001,17(11):20~21.
