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注塑——上篇

浏览次数: 日期:2013年8月2日 14:51

中国改革开放30年来,注塑工业蓬勃发展,但从业员对注塑工艺的理解未见透彻。本文从注塑的特点开始,细说塑化、背压、注射及保压的作用,速度及压力主导,转移到保压的方法,模腔压力曲线,最后以p-v-T曲线及成品收缩作结,提供读者一个理论基础。对如何降低收缩提供了方法及依据。

注塑的特点

制造塑料制品的工艺有注塑、挤出、挤吹(吹瓶)、压延等。注塑工艺有以下三个特点,是其它工艺没有的。

高的注射压力

最高注塑压力由螺杆的直径而定,可从C螺杆的1300 kg/cm2 A螺杆的2000 kg/ cm2

1 kg/ cm2 是一个大气压力,那2000 kg/ cm2 的压力有多大呢?世界最深的深,在菲律宾以东,深10,915,几乎11公里。该处的压力是1,092 kg/cm2 ,还不及C螺杆的压力。

高的注射压力有高的转写性,将模具上细致的纹理,转写到熔融上。

CD光盘的资讯小至1.8μm,也是用注塑工艺转写到PC塑料上。

镜面的外壳承接了模具的镜面,有高的光洁度,亦可理解为低的粗燥度,在高的注射压力下转写到熔融去。

                                                       

 

    

                                                    

 

                                                                                                                                       

 

                                                                                                         

                                                                图1

 

 

 

 

相对来讲,吹瓶机用的吹瓶压力,最多也只是40 kg/cm2 ,故不能将细致的文字转写到瓶身上。

高的 注射压力导致料筒的壁厚大,锁模力大及模板要厚。

背压

虽然挤出机、挤吹瓶、吹膜机及压延机均有螺杆料筒将固态的塑料塑化,但只有注塑机才有背压可调。注意背压控制只是在塑化时有效。此时喷咀是封住的。

背压的作用是将塑料颗粒之间的空气,可能已变成熔融里的气泡,经料筒孔压迫出来,成品便没有气泡了。

增加背压亦能提高熔融颜色及温度的均匀性。

周而复始

挤出机、吹模机及压延机的动作都是连续的及单向的。

  

                  

                                  图2

注塑机的动作是周而复始及双向(往复)的。如注射后由塑化来将螺杆回位,开模后要合模,顶出后要顶退等。故注塑时便涉及周期时间。

开合模动作要将大的质量加速及减速,并要在短的周期内完成,殊不容易。注塑机的设计都试图将开合模时间,亦称空运转时间(dry cycle time)缩至最短。

 

 

 

 

 

                             

                                                                       

                                                                    

 

                                       图3

 

 

塑化及注射

最早期的注塑机,塑化及注射是分家的,由不同的单元执行。

塑化的单元称预熔器(preplasticizer),由转动的螺杆负责。

 注射单元由柱塞负责,将熔融经喷咀注射入模腔里。

 预熔器及注射单元在输送熔融时(塑化时)是相互连接的。但在注射时是分隔的。通道是开是关,由阀门控制。

                          图片库                                 

 

                           

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塑化能力由螺杆直径决定,注射压力由活塞直径决定,两个直径可以独立设计。

螺杆直射(in-line injection)将塑化及注射功能帰由往复螺杆负责,成本因此降低。由于螺杆直径便是活塞直径,以注射压力为准时,塑化能力便“失控”,故塑化能力不及预熔器的大。

大的注射压力作用在螺杆头上使螺杆弯曲变形,故直射的螺杆会比预熔器的螺杆短,最长的没有超过长径比28的。长径比是螺纹长度除以直径的比例。挤出机的螺杆长径比往往都在28或以上。

注塑周期

最简单的注塑周期从合模开始。合模的末段是锁模。随后便是注射、保压、冷却、塑化(与冷却并行)、开模、顶出及顶退。开模于冷却及塑化最后者完成时执行。


注塑周期的开合模及顶出顶退均为直观的机械动作,但塑化、注射及保压还涉及看不见的熔融的加热、流动、被压缩及冷却。以下讨论塑化、注射及保压的过程。它们是注塑工艺的核心所在。

 

      

 

                                                              

                                     图5

 

 

塑化的作用

塑化又称加料、落料或下料。塑化的作用是将固态的塑料用加热及摩擦生热的方法熔化,并搅拌成为颜色及温度均匀的熔融,在注射时注射到模腔里。

电热瓦用热传导的方法经料筒壁向料筒内的塑料加热是容易理解的。摩擦生热则要按部就班地说清楚。

螺杆的三段称为加料段,压缩段及计量段。

三段螺杆

加料段的作用是输送及加压。以地心引力从料斗掉落的颗粒塑料在加料段的螺纹内因螺杆旋转被输送往前。颗粒经螺杆的摩擦力往前累积,压力从入口处的零压力以几何

级数上升。加料段愈长,产生的压力愈大。较长的加料段有10 D长,D是螺杆的外径。

 

 

 

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                              图6

 

 

 

 

 

压缩段螺纹深度从加料段的深度降低至计量段的深度,故压缩段继承了加料段的压力之余,再将压力提高。由于摩擦力是正比于压力的,摩擦力亦提高了,从而摩擦生热也提高了。可以看成螺杆旋转的机械动能,以0.238 calorie /J的比例转换为热能,将塑料熔化。塑料的塑化主要是在压缩段完成的。

压缩段的参数有压缩比及长度。压缩比是两个环型面积的比例。

d1 是加料段的螺纹底直径,

d2 是计量段的螺纹底直径,


 

 

温度敏感的PVC塑料,宜用压缩比接近1.0的螺杆来减少压缩,因而降低摩擦生热。

为了避免透明PC发黄,PC螺杆的压缩比都在2.0以下。还有,压缩段要设计得较长,加上缓慢的螺杆转速,PC塑料是缓慢的被摩擦生热,便不会喷焦。发黄的PC其实是包含了烧焦的微粒做成的。

塑化最常用的塑料如PSPEPP,压缩比宜在2.02.5之间,也就是“标准”螺杆用的压缩比。

进入了计量段的塑料,理应全部塑化,因计量段没有压缩的作用,况且长度较短,只能吸收少量的电热瓦传来的热能。

计量段的作用是将熔融往前输送,并提供搅拌,将颜料及塑料均匀混合。

温度过高

PC注塑时,常会发觉中段料筒温度,在电热瓦没发热的情况下,还会超过设定温度。这亦是PC发黄的一个原因。

温度过高是因为摩擦生热过度,是由于以下几个因素导致的。

1、PC的粘度高

2、螺杆的压缩比大(>2.0)

3、螺杆的压缩段短

4、螺杆的转速高

操作员能控制的只有螺杆转速,彻底的解决方法是采用PC专用螺杆。

背压

塑化在保压后开始,在开模前完成,故塑化时喷咀是被已注入模具及流道的熔融封闭的。

背压控制就是控制在塑化时不断累积在螺杆前面的熔融的压力,将气泡压破,将熔融压紧,达到某个恒定的密度,这样才能每次都注射同一重量的熔融进入模腔内。注意,采用“位置注射”模式时,注射是将恒定的容积注入模腔内。故要密度恒定,重量才会恒定。

采用大量再生料的注塑,都会调高背压,才能达到稳定的注塑。

成品颜色不均匀时,亦会调高背压,颜色才会更均匀。

调高背压会产生以下的副作用。

1、塑化缓慢,塑化时间增加。

2、油马达更吃力,一般要提高塑化压力来应付。

3、电机更耗能,甚至会过载。

故背压适当便可。

 

注射的作用

注射又称射出。注射的作用是填充模腔100%及挤压。挤压在填充模腔满(100%)后发生,可理解为超填充,利用熔融的弹性,将大于模腔及流道体积的熔融挤压进去,从而产生高的注射压力。

 体积弹性模数K可定义为


                             

 

 

 

                                                         

                                                            

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就是加压与体积被压缩的百分率的比例,它的值按物质及温度而定。如室温的水,

K = 22,000 kg/cm2 。这代表它要加压22 kg/cm2将体积缩小千分之一。熔融的K,可在该塑料的p-v-T图测量出来。

由于熔融的K很大,故填满及超填的螺杆的位置只相差如不到1 mm,便产生很高的注射压力。挤压之后,注射便完成,转为压力较低的保压阶段。挤压至保压转换的重复性对成品的稳定性起了关键的作用,要控制得宜。

毛边的产生

当超填过度,挤压压力便过高,将模具的两半瞬间撑开了少许,熔融溢出,便做成毛边。

速度主导

在模腔未填充满之前,注射过程只有塑料粘度的阻力。这个阻力因流道的直径、产品横切面的厚度、熔融温度、模具温度等影响,故在填充过程中并不恒定,亦不受控制。

一般注塑机的四段注塑均有压力及速度可以设定,但只有速度受控制。为了避免因不够压力使速度不受控制,在未填满前可将注射压力设定为最高压力(系统压力)。

在模腔填满的挤压段,为了解决提高转写性及避免毛边产生的矛盾,设定了该段的


压力,一般低于系统压力。故除了挤压段外,注射过程是速度控制的,称为速度主导。精准及稳定的注塑,要保证注射速度的重复性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           

                                        

                       图8

 

 

 

 

 

 

 

 

保压的作用

熔融接触到模壁后便开始冷却,因而收缩。保压的作用就是趁流道未完全凝固前,补充熔融,从而降低收缩做成的凹痕。

保压亦称枕压。保压是由螺杆保持向前的压力一段时间来达到。此压力绝对比挤压的压力低,不然在挤压时不产生毛边而在保压时产生。很多时候为了减少凹痕便逐渐增加保压压力,甚至超过了挤压压力也不察觉。电脑程序可设计挤压压力设置值为保压压力的上限,不容超越。

除了增加保压压力外,保压时间加长亦能减少凹痕。增加保压压力及/或保压时间均会增加产品重量,原因是显而易见的。

压力主导

一般的注塑机提供三段保压,每段均有压力及时间的设定。较理想的保压是线性下降的压力而不是阶梯下降的,因为冷却收缩是连续的。线性下降的另一优点是将设定的参数个数减少。如图示。

                                         

 

 

 

                                                                            

                                             图9

 

 

由于收缩速度只受冷却影响,故螺杆往前的速度不受控制,只是压力受控制。故保压是压力主导的。

保压时,螺杆往前的速度是极缓慢的,5%的速度设定已绰绰有余。采用定量泵的注塑机还是泵出100%的流量,而大部分的压力油是以保压压力流回油箱。采用变量泵、变频器或伺服电机的注塑机,可将流量降至5%以下,便能节省95%以上的能量。保压时间愈长(产品愈厚),可节省的能量便愈多。不理解的话,将保压速度设定过高,便做或不必要的浪费。

模腔压力曲线

如在模腔内放置压力传感器,注射、挤压、保压及冷却的过程都能从压力曲线阅读出来,包括毛边、填不满、有凹痕及冷流道已凝固的情况。

在模腔未填满时,模腔压力缓慢上升,因为黏度阻力所产生的压力不大,如图的首三幅小图示。在超填的挤压中,螺杆只前移少许便使压力骤升,如第四幅小图示。

                       

                                                          图10

挤压后转为压力较低的保压。由于冷却的收缩,模腔压力便降下来,如图114-5示。

冷流道的模具于点5凝固,此时保压完结,过程进入冷却段(塑化亦同时开始)。收缩继续使模腔压力下降,直到点6便开模。

                       模腔压力

                                

                                                       时间

                                                                                                             11

 

如挤压转保压太晚,便会产生压力尖峰,毛边有可能出现。

       模腔压力

 

 

 

                                                                        

 

                                                                             时间

                                                        

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如挤压转保压太早,挤压压力便建立不起来,转为较低的保压时便做成熔融倒流回喷咀,产品便以低压在保压时填满。

                                    

 模腔压力

 

 

                                                       

                                                  

 

                                                  

                         图13

 

保压点

保压点是指挤压完成,保压开始的一个转折点。这一点可以用时间,螺杆位置,注射压力,模腔压力作准,看注塑机/模具装有那个传感器而定。

由于电脑注塑机均有测螺杆位置的电子尺,保压点通常指某个螺杆位置。

所属类别: 注塑工艺

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