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学习情境5
学习情境5:
塑件注射成型工艺参数的选用
项目内容
·塑件注射成型工艺参数的选用
学习目标
·了解塑件注射成型工艺
·查表选用塑件的注射成型工艺参数
·校核注射成型机技术参数
能力目标
·能查表选用塑件的注射成型工艺参数
·能校核注射成型机技术参数
主要知识点
·塑件注射成型工艺
·塑件注射成型工艺参数
·校核注射成型机技术参数
一、任务引入
图5-1所示为塑料螺纹盖塑件简图,材料为透明PS,小批量生产,手工模外脱螺纹。
请选择成型该塑件的注射成型机并校核注射成型机技术参数。
二、相关知识点
(一)注射成型机简介
注塑成型机是注射成型所采用的机械设备,亦称注射机、注塑机。
它是19世纪中期在金属压铸机原理的基础上逐渐形成的,最初主要用来加工纤维素硝酸醋和醋酸纤维素等翌料。
1926年生产出用压缩空气推动的活塞式注射成型机,1926年在德国生产出全自动柱篡式卧式注射成型机,并向各国推广使用。
1948年在注射成型机上开始使用螺杆塑化装置,并于1956年诞生了世界上第一台往复螺杆式注射成型机。
这是注射成型工艺技术方面的突破,从而使更多的塑料和制件采用注射成型,塑化质量和生产能力得到了很大的提高。
由于它是一种比较理想的加工设备,到目前为止,注射机的结构没有发生根本性的变化,而在很术上却己发展到相当完善的地步。
现在,有能满足特殊要求的各种专用注射成型机如排气、发泡、增强反应和多色等注射成型机;有适于钟表、计算机和电子等工业方面的精密注射麟型机,注射产品尺十精度可达0.010~0.001mm,微型注射机注射量达0.01g,有适于船舶、汽车等工业的大型、超大型注射成型机,最大注射量为170000cm3,锁模力高达万吨。
注射成型机的控制系统也得到了很大的发展,采用微电子技术实行整机闭环反馈控制己开始应用。
总之,注射成型机己由单一品种向系列化、标准化、高速、高效、自动化、节能、省料专用化方向发展。
它是塑料成型机械制造JO中增长速度最快、产量最高的机种之一。
由于注塑机能一次成型出形状复杂、尺寸精确、表面质量很高的制品,生产率高,对不同胜质塑料的加工具有较强的活应阵,还能生产带镶嵌件以及添加填料的改胜塑料制品,封
便于实现自动化等一系列优点,注射成型下艺和注塑机得到了广泛应用,目前,注塑成型产品占塑料制品生产量的20%^300.注射成型正鳃续向着高速化、自动化、精密化、微型仕和大型化的方向发展。
注塑机是目前塑料成型设备中,数量增长最快、产量最多、应用最广的塑料成型设备,而日千朝着大型、精密、微型、高速、自动化、节能等方向发展。
(二)注塑机的的结构组成与工作过程
注射成型时,每一个工作循环中注射机需完成塑化、注射和成型3个基本过程。
一台通用型的注射机主要由注射装置、合模装置、液压传动和电气控制系统等组成,如图5-2所示。
1.注射装置
注射装置的主要作用是使塑料均匀地塑化熔融,并以足够的压力和速度将一定量的熔料注入模具的型腔中。
它主要由塑化部件(螺杆、机筒和喷嘴等)、料斗、计量装置、传动装置、注射座和注射座移动油缸等组成。
2.合模装置
合模装置的主要作用是实现模具的启闭动作,保证成型模具的可靠闭合,以及脱出制品。
它主要由前后固定模板、移动模板、连接前后模板用的拉杆、合模油缸、移模油缸、连杆机构、调模装置、制品顶出装置和安全门等组成。
3.液压传动和电气控制系统
·液压传动和电器控制系统的主要作用是保证注射成型机按工艺过程预定的要求(压力、速度、温度、时间)和动作程序,准确无误地进行工作。
液压传动系统主要由各种液压元件和回路及其他附属装置等组成,电器控制系统主要由各种电器仪表和微机控制系统等组成。
·液压传动和电器系统有机地组合在一起,对注射成型机提供动力和进行控制。
4.注塑机的的工作过程
各种注射成型机完成注射成型的动作程序可能不完全一致,但所要完成的工艺内容即基本工序是相同的。
螺杆式注射成型机的工作过程,如图4-2所示。
注射成型机工作过程循环图,如图5-3所示。
(三)注塑机的的分类
随着注射成型工艺的发展和应用范围的不断扩大,注射成型机的类型也不断增多。
对注射成型机的分类尚无统一的方法和标准,实际中使用较多的分类方法有以下几种:
1.按塑化方式分类
按塑化方式分类有螺杆式注射成型机和柱塞式注射成型机。
(1)螺杆式注射成型机
螺杆式注射成型机内塑料的熔融塑化以及注射都是由螺杆完成的,如图4-2、图5-3所示,是日产量最大、应用最广泛的注射成型机。
(2)柱塞式注射成型机
柱塞式注射成型机是通过柱塞依次将落入机筒的颗粒状塑料推向机筒前端的塑化室,依靠机筒外加热器提供的热量使塑料塑化,呈粘流态的塑料被柱塞推挤到模腔中去,如后图5-4、图5-5所示。
2.按加工能力分类
通用注射成型机的成型能力主要是由合模力和注射能力所决定的,按注射能力的大、中、小分类,见表5-1。
按合模机构特征可分为机械式、液压式和液压—机械式注射成型机。
根据注射和合模装置的排列方式可分为卧式、立式和角式注射成型机,以卧式为主。
多模注射成型机是一种多工位操作的特殊注塑机,它的注射装置和合模装置的结构形式与前几种注射机相似,但合模装置有多个,按多种形式排列,如图5-7所示。
多模转盘式为多个合模装置围绕同一回转轴均匀排列,工作时,一副模具与注射装置的喷嘴接触,注射保压后随转台的转动离开,在另一工位上冷却定型,与此同时,另一副模具转入注射工位,然后再转过一个工位开模取出制品。
其他工位可完成安放嵌件、喷脱模剂和合模等操作。
该结构注射机的优点是充分发挥了注射装置的塑化能力,提高生产效率,故特别适合于冷却时间长,或辅助时间多的制品大批量生产,如旅游鞋生产、注射中空吹塑制品成型等。
缺点是合模系统复杂而庞大,锁模力有限。
注射成型应用的范围很广,为满足各种注射工艺和提高设备效能,将注射成型机设计成各种类型,分为热塑性塑料通用型(亦称普通型)和热固性塑料注射成型机、发泡注射成型机、高速注射成型机、精密塑料注射成型机、多色注射成型机、反应注射成型机等类型。
(四)注塑机的的技术参数与型号
我国塑料注射成型机的型号编制方法(JB2485-78)是由基本型号和辅助型号两部分组成,基本型号和辅助型号之间用短线隔开,如图5-8所示。
型号中的第一项,代表塑料机械类,以大写印刷体汉语拼音字母“S”(塑)表示。
型号中的第二项,代表注射成型组,以大写印刷体汉语拼音字母“Z”(注)表示。
型号中的第三项,代表区别于通用型或是专用型组,通用型者省略,专用型者也用相应的大写印刷体汉语拼音字母表示,如多模注射机,以“M”(模)表示;多色注射机,以“S”(色)表示;混合多色注射机以“H”(混)表示;热固性塑料注射机,以“G”(固)表示。
型号中的第四项,代表主参数,以阿拉伯数字表示。
螺杆式注射机的主参数用注射容积来表示,单位为“cm3”。
柱塞式注射机的主参数用注射质量来表示,单位为g。
卧式通用型主参数前不加注代号,立式的注“L”(立),角式注“J”(角)。
如果是不带预塑的柱塞式注射成型机,在代号之前加注“Z”(柱)。
型号示例:
注射容量为30g的立式柱塞式塑料注射成型机,其型号表示如图5-9所示。
注射成型机产品型号表示方法各国不尽相同,国内也没有完全统一,除上述表示方法外,还有以下几种表示方法:
(1)合模力表示法
合模力表示法是以注射成型机合模装置的合模力(kN)表示设备规格。
此法表示的数值不会受其他条件改变而变动,能直观地体现出注射成型机允许成型制品的最大投影面积。
但是,随着注射成型加工领域的扩大,对设备的合模力与注射量的匹配关系需要拓宽,仅用合模力一项表示设备规格就不够了,因而采用合模力与注射量共同表示。
(2)注射容积与合模力共同表示法
注射容积与合模力是从成型制品质量与成型面积两个主要方面表示设备的加工能力,因此比较全面合理。
我国标准规定以理论注射容积和合模力共同表示设备规格。
如SZ-200/1000,表示塑料注射成型机(SZ),理论注射容积为200cm3,合模力为1000kN。
此法在国际上比较通用,又称国际规格。
此外,常见的型号还有用XS-ZY表示,如XS-ZY-125A,其中125指设备的注射容积为125cm3,XS-ZY指预塑式(Y)塑料(S)注射(Z)成型(X)机,A指设备设计序号为第一次改型。
有的塑料机械生产厂家为了加强宣传作用,往往用厂家名称缩写加上注射容积或合模力数值来表示注射机的规格,如LY180(为利源机械有限公司生产的注射成型机,180指注射成型机的合模力为180t)等。
注射成型机的规格性能通常用一些参数加以表示,主要参数有注射量、注射压力、注射速率、塑化能力、锁模力、移模速度、合模装置的结构尺寸和空循环时间等,是模具设计和注射成型机选用时的依据。
其中注射量和锁模力的大小反映了注塑机加工能力的大小,通常用来表示注射成型机的规格型号。
注射部分的基本参数见表5-2。
(1)注射量
注射量是指注塑机的螺杆或柱塞作一次最大行程对空注射时所能达到的注射量。
注射量的表示方法一般有两种:
一种是以熔料的容积表示,单位为cm3,与原料的密度无关,比较方便,国产注塑机多用此方法表示;另一种是以聚苯乙烯熔料的质量表示,单位为g,以便于比较。
注射量是表明注塑机生产塑料制品能力的重要标志,所以常用来表示注塑机的规格。
(2)注射压力
注射压力是指螺杆或柱塞施加于料筒中熔料上单位面积的力。
它用来克服熔料从料筒流经喷嘴、流道和充满模腔时的流动阻力,使制品具有一定的致密度。
注射压力的选择很重要,它不仅是熔料充模的必要条件,同时也直接影响到制品的成型质量。
注射压力过高,制品可能产生飞边和脱模困难,制品内应力大,脱模后易变形;注射压力过低,则熔料不易充满模腔。
注射压力的选择应综合考虑塑料的性能、制品的形状、壁厚和精度要求、浇注系统和模具结构等因素,通常凭经验进行粗选,再依据生产情况进行调整修正。
通常对加工流动性好的塑料,形状简单的厚壁制品,注射压力小于70MPa;加工的塑料黏度较低,制品形状一般,对精度有一般要求的制品,注射压力为100~120MPa;加工的塑料具有高、中等黏度,制品形状较为复杂,有一定的精度要求,注射压力为140~170MPa;加工塑料具有较高的黏度,薄壁长流程,制品壁厚不均和精度要求
严格的制品,注射压力在180~220MPa范围内。
此外,为满足加工不同塑料和各种结构制品的要求,一般注射成型机都配有不同直径的螺杆和料筒,这样不仅可以通过调节供油压力,还可用更换螺杆和料筒的办法来改变注射压力。
(3)注射速率
为了将熔料及时充满模腔,得到密度均匀和高精度的制品,必须在短时间内把熔料快速充满模腔。
用来表示熔料充模快慢特性的参数有注射速率、注射速度和注射时间。
注射速率低,熔料充模慢,制品易产生熔接痕、密度不均和内应力大等缺陷。
使用高速注射,可减少模腔内的熔料温差,容易充满复杂模腔,可避免注射成型缺陷,获得精密制品,并且高速注射还可降低成型温度,减少塑料过热分解和缩短成型周期,节约能耗。
但过高的注射速率,熔料易形成喷射状态,对制品表面质量不利,熔料流经浇口易出现摩擦过热分解和模具排气不良等现象,影响制品质量。
因此,对注射速度的要求,不仅速度要高,而且要能实现注射过程的分级注射控制,以满足不同塑料和制品的加工要求。
注射速率是指单位时间内注射出熔料的容积,注射速度是指螺杆或柱塞的移动速度,注射时间是指完成一次注射所需要的时间。
三者之间存在一定的换算关系。
目前,注塑机所采用的注射速度范围一般8~12cm/s,高速注射大约为15~20cm/s。
近年来,注射速度有不断提高的趋势,特别是在低发泡沫塑料制品成型和精密塑料制品成型时,高的注射速度是获得优质制品的先决条件。
精密注射所用注射成型机,为达到高的注射速度,原有的液压系统能力可能有限,往往需增设液压蓄能器来加大注射速度。
表5-3为注射成型机注射量与注射时间的对应关系,供参考。
(4)塑化能力塑化量是指单位时间内注射成型机塑化装置能够提供符合质量要求的熔体量。
在一个成型周期内,塑化的熔体量必须与注射量相平衡。
柱塞式注射成型机塑化能力与注射量的
关系式为
Q=3.6Gt(5-1)
式中Q———塑化能力,kg/h;
G———注射量(聚苯乙烯),g;
t———成型周期,s。
塑化能力应与注射成型机的成型周期相配合,既要充分发挥塑化装置的能力,也需避免塑化的不足而增加成型周期。
注射成型机塑化质量的提高可通过提高螺杆转速、增大驱动功率和改进螺杆的结构形式来实现。
在生产中为保证塑料既能达到完全塑化状态,又能充满模腔,选定注射能力和注射量均应比实际需要量大20%左右。
(5)锁模力锁模力是指注射成型机的合模装置对模具所能施加的最大夹紧力。
熔料是在高压下注射入模腔的,虽然在流经喷嘴、模具的浇注系统时有部分压力损失,但仍具有相当大的压力,该压力通常称为模腔压力。
模腔压力是由注射压力传递而来,其大小取决于注射压力以及熔料黏度、制品形状、制品浇注系统形式和注射成型机喷嘴结构等。
模腔压力有顶开模具的趋势,为保证注射成型过程模具不致被顶开而产生溢料,必须有足够的锁模力。
锁模力大小的选择主要决定于模腔压力和制品的最大成型面积。
由于模腔压力的影响因素较多,实际中主要按经验数据选取。
对于PE、PP、PS等壁厚均匀的日用容器类制品,容易成型,模腔的平均压力可取25MPa;对于成型薄壁类制品,模腔的平均压力可取30MPa;对于加工ABS、PMMA等高黏度树脂和有精度要求的制品,模腔平均压力可取35MPa;对于高黏度树脂加工高精度、充模难的制品,模腔平均压力可取40MPa
实际应用中应对锁模力进行初步的计算,其计算依据是最大成型面积。
最大成型面积是指制品在模具分型面上的最大投影面积。
(6)合模速度和开模速度
模板移动速度是反映设备工作效率的参数。
它直接影响成型周期的长短,原则上应尽可能提高移模速度。
为使模具在开模(包括顶出制品)、合模启动和终止阶段平稳,减小惯性力的不良影响,要求模板慢速移动;而为了提高生产率,则要求空行程时模板快速移动。
因此,在一个成型周期中,要求模板的移动速度是变化的,即模板合模过程从快到慢,开模顶出过程由慢到快再转慢。
我国标准规定的移模速度为≥24m/min,国外机器一般为30~35m/min,高速机约为45~50m/min,最高的速度已接近70m/min。
慢速移模速度一般要求在0.24~3m/min范围内。
(7)合模部分的基本尺寸
合模部分尺寸与模具使用范围有关的尺寸有:
模板尺寸、拉杆间距、模板间最大开距、动模板行程、模具的最小厚度和最大厚度等,如图5-10所示。
①模板尺寸及拉杆间距
模具是安装在模板上的,模板尺寸(H×V)和拉杆间距(H0×V0)限制了装模方向和模具尺寸(长×宽)
由图5-10可得:
H=D+2b+2d+2Δ1+Δ2
H0=D+2b+2Δ1
式中:
D——由机器最大形成面积计算的直径(mm)
b——由模具强度与结构决定的预留值(mm)
d——拉杆(导向内部)直径(mm)
Δ1——拉杆内侧余量(mm),中小型机一般大于50mm,大型机应大于100mm;
Δ2——拉杆外侧余量(mm),
②模板间最大开距
模板间最大开距是指定模板与动模板之间能达到的最大距离(包括调模行程在内)。
该参数关系到设备所能加工制品的高度大小,如图5-11所示。
为使成型制品方便地取出,模板间最大开距一般为制品最大高度的3~4倍,即:
L=(3~4)h(5-5)
式中,L——模板间最大开距(mm);
h——制品最大高度(mm)。
为适应不同闭合高度的模具使用,一般注射成型机都设有调节模板间距离的调模装置。
③动模板行程
动模板最大行程关系到设备所能生产制品的最大高度h。
为便于制品取出,一般应使S>2h,如图5-11所示。
因合模装置结构不同,动模板行程大小是不同的。
对机械——液压联合作用的合模装置中,注射成型机动模板的行程一般是固定不变的。
而对全液压合模装置,注射成型机动模板行程在合模液压缸活塞移动全程内可调,它能提供的开模行程与所使用的模具厚度有关,即开模行程等于模板间最大开距减去模具厚度。
为减少动模板移动过程的功率消耗,在满足取件需要的前提下,应尽量使用最短的行程。
④模具的最小与最大厚度
模具的最小厚度δmin与模具的最大厚度δmax分别指动模板移动到使模具闭合,并达到规定锁模力时,动模板与定模板间的最小与最大距离如图5-11所示。
如果模具厚度小于δmin,装模时需加垫板,否则不能达到规定的锁模力;如果模具厚度大于δmax,则无法使用。
δmax与δmin的差值即为调模装置的最大调节量。
此外,合模装置中还附设有顶出装置,顶出行程的大小关系到制品成型后能否顺利取出,模具设计时,应根据实际情况校核设备的顶出行程是否满足要求。
(8)空循环时间
空循环时间是指没有塑化、注射保压、冷却、取出制品等动作的情况下,完成一次循环所需要的时间(s)。
它由合模、注射座前进和后退、开模以及动作间的切换时间所组成。
空循环时间是表征注射成型机综合性能的参数之一。
它反映注射成型机机械结构的质量、动作灵敏度、液压系统以及电气系统的性能(如灵敏度、重复性和稳定性等),也是衡量注射成型机生产能力的指标。
近年来,由于注射、移模速度的提高和采用先进的液压电器系统,空循环时间已大为缩短,即空循环次数大大提高。
(五)初步选择注射成型机的步骤
第一种情况,塑料制品生产企业生产计划部门根据塑件精度高低、尺寸大小、塑料成型工艺特性、生产批量、企业现有设备及设备使用负荷等情况来合理选择成型设备,进而设计能在该设备上安装、生产塑件的模具。
第二种情况,设计人员(学生)根据塑件精度高低、尺寸大小、塑料成型工艺特性、生产批量等情况,查阅有关教材、设计手册等资料后合理选择成型设备,进而设计能在该设备上安装、生产塑件的模具。
本书仅涉及第二种情况。
模具型腔能否充满与注射成型机允许的最大注射量密切相关。
设计模具时,应保证注射模内所需熔体总量在注射成型机实际的最大注射量内。
根据生产经验,注射成型机的最大注射量是其允许最大注射量(额定注射量)的80%。
根据塑件体积V件、浇注系统体积V浇、每模成型塑件数量机型腔数量n,计算注射成型机的理论注射量V注
V注=(n×V件+V浇)÷80%(5-6)
按注射成型机额定注射压力大于塑件成型所需注射压力的基本要求,初步确定注射成型机的注射压力。
根据塑件成型工艺要求,确定注射成型机类型。
查表,初步选定注射成型机并记录参数(在校核注射成型机与注射模具之间是否匹配时,需要使用注射成型机的各参数)。
(六)注射成型机技术参数的校核
注塑机是注射成型塑件的关键设备,初步选择了注塑机后,必须对能否利用初步选择的注射机来安装计划设计的模具并完成塑件成型,为此必须校核注射机的类型及注射量、注射压力、锁模力、最大成型面积、开模行程等有关参数,另外,还须校核推出装置、安装尺寸等连接结构与尺寸。
(1)注射机类型的校核
成型不同种类的塑料,需要使用不同类型注塑机,为此,首先就须先选择注射机类型。
(4)注射压力的校核
注射压力的校核是核定注射机的最大注射压力能否满足该塑件成型的需要,塑件成型所需要的压力是由注射机类型、喷嘴形式、塑料流动性、浇注系统和型腔的流动阻力等因素决定的。
如螺杆式注射机,其注射压力的传递比柱塞式注射机好,因此,注射压力可取得小一些;流动性差的塑料或细长流程塑件注射压力应取得大一些。
设计模具时,可参考各种塑料的注射成型工艺确定塑件的注射压力,再与注射机额定压力相比较。
不同型号的注射机其安装模具部位的形状和尺寸各不相同,设计模具时应对其相关尺寸加以校核,以保证模具能顺利安装。
需校核的主要内容有喷嘴尺寸、定位圈尺寸、模具的最大厚度与最小厚度及安装螺钉孔等。
(1)喷嘴尺寸
注射机喷嘴头一般为球面,其球面半径应与相接触的模具主流道始端凹下的球面半径相适应(详见浇注系统设计)。
有的角式注射机喷嘴头为平面,这时模具与其相接触面也应作成平面。
(2)定位圈尺寸
模具安装在注射机上必须使模具中心线与料筒、喷嘴的中心线相重合,因此,注射机定模板上设有一定位孔,要求模具的定位部分也设计一个与主流道同心的凸台,即定位圈,并要求定位圈与注射机定模板上的定位孔之间采用一定的配合。
(4)安装螺孔尺寸
模具常用的安装方法有两种:
一种是用螺钉直接固定;另一种是用螺钉、压板固定。
采用前一种方法设计模具时,动、定模部分的底板尺寸应与注射机对应模板上所开设的螺孔的尺寸和位置相适应(注射机动、定模安装板上开有许多不同间距的螺钉孔,只要保证与其中一组相适应即可);若采用后一种方法,自由度较大。
开模行程s(合模行程)指模具开合过程中动模固定板的移动距离。
开模行程的大小直接影响模具所能成型的塑件高度,如太小,则成型后塑件无法从动、定模之间取出。
设计模具时必须校核所选注射机的开模行程,以便使其与模具的开模距离相适应。
因模具结构、注塑机类型不同,开模行程也不相同,具体分三种情况进行校核:
(1)最大开模行程与模厚无关时,开模行程的校核
这种情况主要是指采用液压和机械联合作用的锁模机构的注射机,使用这种锁模机构的注射机有:
XS-230、XS-ZY-60、XS-ZY-125、XS-ZY-350、XS-Z-500、XS-Z-1000和G54-5200/400等,它们的开模距离均由连杆机构的冲程或其他机构(如XS-ZY100O注射机中的闸杆)的冲程所决定,不受模具厚度的影响,其开模距离按下述方法校核。
(2)注射机最大开模行程与模具厚度有关时,开模行程的校核
◆这主要是指合模系统为全液压式的注射机(如XS-ZY250等)和带有丝杠传动合模系统的直角式注射机(如SYS-45和SY-60等),它们的最大开模行程直接与模具厚度HM有关,即
smax=sk-HM(5-13)
式中,sk——注射机动模固定板和定模固定板的最大间距(mm)。
◆如果单分型面注射模或双分型面注射模在上述两类注射机上使用,则可分别用下面两种方法校核模具所需的开模距离是否与注射机的最大开模距离相适应。
各种型号注射机开合模系统中采用的顶出装置和最大顶出距离不尽相同,设计的模具必须与其相适应。
通常是根据开合模系统顶出装置的顶出形式、顶出杆直径、顶出杆间距(注射机多顶出杆的情况)和顶出距离等,校核模具内的推杆位置是不是合理,推杆长度能否达到足以将塑件脱模出来的效果。
国产注射机的顶出装置大致可分为以下几类:
1)中心顶出杆机械顶出
如卧式XS-Z-60、ZS-ZY-350、立式SYS-30、直角式SYS45及SYS-60等型号注射机。
2)侧双顶杆机械顶出
如卧式XS-Z-30、XS-ZY-125等型号注射机。
3)中心顶出杆液压顶出与两侧顶出杆机械顶出联合作用
如卧式XS-ZY-250、XS-ZY-500等型号注射机。
4)中心顶杆液压顶出与其他开模辅助油缸联合作用
如卧式XS-ZY-1000注射机。
三、注射成型机的选用实例
【实例5-1】图5-16所示为塑料旋钮零件简图,材料为ABS,表面粗糙度Ra1.8μm,外观美观、无缩孔、熔接痕等缺陷,中等批量生产。
请选择成型该塑件的注射成型机。
【实例5-2】
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