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        優質注塑

        日期:2011年12月23日 10:29

        優質注塑

         

          無廢品注塑是成品製造商夢昧以求的目標。本文描述可增加注塑機重覆性的兩個附加裝置。

          一旦設定了最佳注塑參數後,成品的尺寸、重量及其他特性便能夠保持幾乎不變。此兩附加裝置是鎖模力測量/控制及模腔壓力切換保壓。

          注塑高精度的光學鏡片或用品外殼的高增值成品,降低廢品率是個值得的投資。圖1顯示優質及次優質注塑中成品重量的分佈。額定重量是60克,容許偏差是+0.1克及–0.05克。白色的立方代表合格的成品。

        圖1 優質及次優質注塑

        I. 鎖模力測量/控制

          注塑機的鎖模裝置大致上分開兩類︰機鉸及油壓直接鎖模。前者被一般注塑機廣泛採用。後者因有自動調節鎖模力的特點,不需要鎖模力測量/控制的裝置。

        機鉸鎖模

          圖2顯示一個五點雙鉸鎖模機構。附在尾板上的鎖模唧筒桿伸出,經過機鉸的放大後,將移動板推前並將模具鎖緊。以下我們用幾種方法去探討鎖模力是如何產生的。

        鎖模力

          理解額定鎖模力Fo的最簡單方法是用下式。

          Fo = Ps×A×M (1)

          Ps = 系統壓力,

          A = 鎖模唧筒的截面面積,

          M = 機鉸的放大倍數。

          大多數注塑機的M都在20-30之內。M是機鉸尺寸,機鉸及拉桿剛度的函數。

        圖2 五點雙鉸鎖模機構

        額定鎖模力及足夠鎖模力

          注塑機規格表上的鎖模力是額定鎖模力。設計者考慮了每個設計參數後用式(1)計算出來。

        在使用注塑機時,最好是使用最低但又足夠的鎖模力F。足夠的鎖模力應稍大於注射時模腔壓力產生的開模力,使模具不會打開。

          過大的鎖模力使模具及模腔有不必要的變形,影響成品的精度。還有,過高的鎖模力會壓縮機鉸及模具,拉伸拉桿,引致降低機鉸承軸、模具及拉桿的疲勞壽命。

         

        鎖模力問題及解決方案

          單靠機鉸鎖模注塑機上的油壓錶是無法在安裝模具時設定準確的鎖模力的,更不能在注射時將其保持恒定。當模具升溫膨脹時,鎖模力會增加。解決方案是安裝測量鎖模力裝置,用它來把鎖模力控制在容許之範圍內。

          對工程師來說,以下的章節闡述鎖模力是如何產生的。它亦與第二個附加裝置有關連(模腔壓力切換保壓)。

        調模機構

          因模具的厚薄不一,機鉸鎖模的注塑機都有調模機構來調整容模量。基本上,調模機構將尾板向前或向後移動,使機鉸幾乎伸直時(q>0),模具兩半剛好合攏。此時鎖模力為零。請參閱圖3a。

          機鉸完全伸直(q=0)便產生最大鎖模力(鎖模力>0)並自鎖。這是由鎖模唧筒桿再往前伸,經過機鉸把移動板推前am而達到的。am也相當於模具被壓縮的長度。同時,附在固定板及尾板的拉桿被拉長at。請參閱圖3b。自鎖的意思是當鎖模唧筒的油壓卸掉,鎖模力還是保持不變。

        只有機鉸完全伸直才可自鎖。

          由此可見,鎖模力是在調模時用q來設置的。另一個觀點就是鎖模力是由機械干擾而產生的。
          
          壓縮模具及拉長拉桿中和了此干擾。干擾越大,鎖模力越高。

        圖3 鎖模力的產生

        再看鎖模力

          假設模具及拉桿在額定鎖模力下是處於彈性區。它們分別的壓縮及延長且用圖4來分析。在圖4a,F是足夠的鎖模力,模具被壓縮am,拉桿被拉長at。因拉桿較模具長及直徑小,它們比模具柔軟。因此拉桿線的斜率較低。從技術角度而言Kt=tanat<Km=tanam。舉例來說,若鎖模力以公噸算而延長/壓縮以千份之一毫米算,拉桿直徑60毫米的注塑機的at=9.2o,一個300毫米厚,170毫米見方的鋼模具的am=64o。為了幫助以下的分析,我們將模具壓縮線往右移使其與拉桿線相交於F。請參閱圖4b。

        圖4 鎖模力分析

          當熔融注射進模腔時,鎖模力增加到F1。請參考式(2)。實際上,此鎖模力的增加可以用鎖模力測量裝置量度出來。請參閱圖5。

        圖5 模腔壓力對鎖模力的影響

         

          圖6示出加了模腔壓力的模具兩半的自由圖。從每半的力平衡得出

          F1 = Fc + Fr (2)

          Fc = 模腔壓力產生的開模力,

          Fr = 剩餘的鎖模力。

         

        圖6 模具的自由圖

         

          開模力Fc抵消了部份的鎖模力F1,只剩下F1-Fc將模具鎖緊。結果模具的壓縮量從am降到am’。其相差是由拉桿拉伸量at升到at’來彌補,因此鎖模力增加到F1。請參閱圖7。開模力Fc在圖中是在拉桿線及模具線之間。這是式(2)的圖解表示方法。

          從圖3及圖7可見,固定板及移動板的距離在注射時是增加了am-am’的。實際上,此增長可用一置於兩板之間的千份錶量出。在最壞的情況下,模腔壓力大到使剩餘的鎖模力降至零。此時模具分開,產生飛邊,模具壓縮量為零,開模力Fc=F2,也就是模具分開時的鎖模力。

        請參閱圖7的破折線。

          作為一個例子,取F=75公噸,是達明機器廠ME75 III的額定鎖模力。一個300毫米厚,170毫米見方的鋼模具的am=0.037毫米。裝上此模具後,ME75 III的機鉸在F2=81公噸時被推開,超過額定鎖模力6公噸。若其他注塑機參數不變,拉桿直徑只有50毫米時在F2=78公噸時被推開,超過額定鎖模力3公噸。

        圖7 加了模腔壓力後

          當模具升溫膨脹,鎖模力增加,因膨脹量增加了機械干擾。圖8分析這情況。模具線右移了膨脹量,與拉桿線相交在更高的F2鎖模力。拉桿的拉伸量增加了at"-at,因而產生了額外的鎖模力F”-F。要使鎖模力回到原來的值,可再將容模量調節,把已加熱的模具壓縮量回復到am,才作下一次注射。此調節叫鎖模力控制。

        圖8 模具膨脹增加鎖模力

         

          例如一個300毫米厚的鋼模具升溫10oC會膨脹0.045毫米。在拉桿直徑60毫米的ME75 III注塑機上增加7.3噸鎖模力。這幾乎是額定鎖模力的10%。

        油壓直接鎖模沒此問題

          為了作個比較,我們用油壓直接鎖模機構再作同樣的分析。足夠的鎖模力是

          F = P×A (3)

          P = 鎖模壓力,

          A = 鎖模唧筒的橫截面。

          鎖模力由調節P來達到。在新一代的注塑機上,P是由比例壓力閥設置的。鎖模唧筒桿伸前或後退便可容納不同的模厚。當模具升溫膨脹,它只是將鎖模唧筒桿推後,但鎖模力不變。

          換言之,此鎖模方法有自動調整鎖模力的特性,因此不需要鎖模力測量及控制。

        鎖模力測量裝置

          因為不需要快速的反應,基於應變儀的鎖模力測量裝置是足夠使用的。最簡單的方法是將應變儀附在尾板或固定板上,測量模板在鎖模力下的彎曲應變。另一方法是將應變儀附在拉桿上,測量拉桿在鎖模力下的拉伸。這裏假設了四條拉桿的拉力是均勻的。若模具厚薄不均勻,模腔不對稱或出廠時拉桿拉力不平衡,四條拉桿的拉力都是不均勻的。應變儀的輸出被放大並以數字顯示。顯示是以噸讀出。此裝置可以協助操作員開始時(調節容模量時)設定一足夠的鎖模力。當鎖模力(在鎖模後但注射前)超越設定值如5%後,操作員可再作一個容模量調整把鎖模力還原。

          另一方法是注塑機上的電腦在調模時設定初始的鎖模力,其後在鎖模力達到指定的偏差時再作調整。

        II. 注射

          注射熔融進模腔內是由三個階段組成 : 填充、擠壓及保壓。

          此三階段可用模腔壓力曲線闡述。圖9是最佳切換到保壓時的理想曲線。此切換也叫速度至壓力轉換。速度是指注射速度﹔壓力是指保壓壓力。填充階段從點1開始。填充就是將熔融以某速度注射入模腔。熔融於點2抵達模腔壓力感應器。由於熔融有黏性,壓力開始上升。熔融於點3填滿模腔。螺桿繼續往前便將熔融擠壓到點4,在那時注塑機從注射壓力轉換到較低的保壓壓力。在保壓階段,成品冷卻,由低的保壓壓力以熔融補充收縮。澆口在點5凝固,因此可以卸去保壓並打開模具。1-2-3構成填充階段,3-4是擠壓階段,4-5是保壓階段。在5-6,成品繼續冷卻。

        圖9 理想的模腔壓力曲線

        過擠及填不滿

          圖10b顯示一條過擠的模腔壓力曲線。它的特徵是在擠壓階段有個壓力高峰。由於延遲了才轉換保壓,高的注射壓力在填滿模腔後產生此高峰。轉換到低的保壓壓力後,壓力便釋放。這是一個常被忽視的產生飛邊的原因。若有模腔壓力感應的話便容易察覺。

        圖10 過擠及填不滿的模腔壓力曲線

          請參考式(2)或圖7。短暫的壓力高峰可能產生一個很大的短暫的開模力Fc,足夠使剩餘的鎖模力降低到零。因此模具開啟,產生飛邊。去除飛邊的直覺方法是增加鎖模力。若已用盡注塑機的鎖模力,用戶甚至將模具移到更大的注塑機。就算加大鎖模力避免了飛邊,過擠會增加成品的重量及內應力,並使成品較難脫模。另一方法是降低注射壓力,但過低的注射壓力會產生凹陷的缺陷。其實最簡單的解決方法是較早轉換保壓,回復到理想的模腔壓力曲線。

          在精密注射的範疇,過擠的成品是個廢品。

          圖10a顯示一條填不滿的模腔壓力曲線。它的特徵是在擠壓階段有個壓力低谷。原因是太早轉換保壓,此時模腔還未填滿。部份的填充由低的保壓壓力來執行。螺桿繼續往前使壓力回升。此成品的尺寸較小,重量較輕,會有凹陷及表面缺陷。它也是個廢品。

          一個剛在模腔填滿時轉換保壓的裝置避免過擠及填不滿的問題,並產生理想的模腔壓力曲線。切換在圖9的點3開始,在點4完成。

        切換的方法

          一台現代的注塑機有以下幾種切換的方法,以遞增的準確性排序︰

        • 注射時間
        • 螺桿位置
        • 油壓
        • 噴咀壓力
        • 模腔壓力

         

        注射時間切換

          溫度影響熔融的黏度而黏度阻礙螺桿的前進。增加阻力會減慢螺桿的速度,使在既定的注射時間內模腔填不滿。相反,降低阻力使成品過擠。在沒有感應螺桿位置及壓力的注塑機上,只可以使用注射時間來切換保壓。

        螺桿位置切換

          螺桿位置切換不受溫度及黏度影響。在有螺桿位置電子尺的注塑機上,宜選擇此法。如注射時間一樣,此法也屬於開環,因螺桿位置測不出模腔填滿了沒有。漏膠的噴咀會誤導電腦在未填滿前轉換。磨損的螺桿及料筒亦然。再者,若螺桿直徑較模腔的容量的三次方根大,0.1毫米的偏差可能會導至過擠或填不滿。雖然此法的缺點也不少,但它是現代注塑機最常用的切換方法,原因大概是螺桿位置電子尺乃標準裝置(並非附加裝置)。

        油壓切換

          熔融在模腔的擠壓是由推螺桿前進的油壓抵消的。油壓在注射時的驟升可用作切換的訊號。

          由於一約10:1的雙注射唧筒與螺桿的截面面積比,注射唧筒的油壓比螺桿頂端壓力低約10倍。在澆口及流道的壓力降使模腔壓力有別於螺桿頂端壓力。處於模腔與螺桿頂端的熔融壓縮量延遲了模腔壓力被感應的時間。因此,油壓並非是感應模腔填滿點的準確方法。然而,測量油壓的優點是感應器的工作環境不苛刻(如溫度在攝氏50度以下,壓力通常是如140巴的系統壓力)及感應器是獨立於模具(並非附在模具上)。在一台現代的注塑機上,油壓感應通常是個附加裝置。

          測量油壓,噴咀壓力及模腔壓力的位置示於圖11。

        噴咀壓力切換

          噴咀壓力也叫注射壓力。它是熔融在噴咀或螺桿頂端的壓力。因免除了螺桿頂端熔融的壓縮量,噴咀壓力較接近模腔壓力。工作環境是很苛刻的,涉及高至攝氏400度的溫度,1400巴的壓力及磨損性或腐蝕性的熔融。感應器表面要與料筒內壁平。此法在研究領域外不常使用。

        圖11 壓力測量位置

        圖12 噴嘴壓力感應器

        模腔壓力切換

          察覺模腔填滿的最準確方法是測量模腔壓力。這可分為直接與間接兩種。直接模腔壓力測量將感應器放在模具裏測量熔融在模腔的壓力,是兩者較準確的一種,但需要在模具鑽孔來放置感應器。因為拆卸感應器並不方便,一般都是每個模具專用一個感應器。在多模腔模具上,此法更需要每腔一個感應器,增加了感應器的投資。

          間接壓力測量將力感應器放在頂針的底部,而頂針的頂部是與熔融接觸的。從力/頂針截面積可算出模腔壓力。感應器所受的溫度遠比熔融的低。況且感應器與模具獨立,使時常更換模具時提供方便,並降低感應器的投資。因頂針滑動時有摩擦力,此法的準確性比直接法低。

          當成品的表面不容許感應器或頂針留下痕跡時,可以用附在模具上的應變儀來測量模具的變形。以具備模腔壓力感應器的試驗模具校正後,便可使用沒有模腔壓力感應器但有應變儀的生產模具來測量模腔壓力。

        圖13 直接模腔壓力感應器

        圖14 間接模腔壓力感應器

          使用模腔壓力感應器的裝置可以準確地測出模腔填滿的一點。測出的壓力與圖9點3的壓力比較便可開始切換。

          另一方法是使用奇石樂公司開發的智能放大器來測出模腔填滿點。智能放大器有一個適合石英模腔壓力感應器使用的電荷放大器及一個採用人工智能原理來偵察模腔壓力曲線上在模腔填滿點的折點的晶片。通常在頭兩次注射後,晶片便學習完畢,再次注射時便正常工作。

        模腔壓力曲線監察

          模腔壓力曲線提供的數據比噴咀壓力及油壓的為多。噴咀壓力感應器永遠是被熔融圍繞,因此不能測出冷卻時的模腔壓力。噴咀壓力及油壓也測不出圖9的凝固點,此點之後可開啟模具。能夠測出凝固點可以縮短注塑週期。

          研究顯示最高壓力及壓力曲線下的面積分別決定性地影響薄壁及厚壁注塑的品質。圖15顯示三條薄壁注射(如杯子及杯蓋)的重疊曲線。最高壓力的偏差與成品的品質有莫大的關係。監察偏差可以作品質控制用。

          圖16顯示三條厚壁注射(如齒輪)的重疊曲線。曲線下的面積的偏差與成品的尺寸有莫大的關係。監察偏差可以作品質控制用。

         

        圖15 最高壓力在薄壁注塑的重要性
         

        圖16 曲線下的面積在厚壁注塑的重要性

         

          奇石樂公司的AQCS(自動品質控制系統)是個既能監察最高壓力或曲線下之面積,又能偵察出切換點的一個儀錶。達明的MEIII系列注塑機可以支援奇石樂公司的智能放大器及AQCS介面。

        重現模腔壓力曲線

          若能每次注射都能重現理想的模腔壓力曲線,成品品質便有保障。要達到這個境界,首先要找出理想曲線,將之紀錄,並要求注塑機上的電腦在以後的注射週期把它重現。注意熔融溫度及模具溫度也對模腔壓力曲線有很大的影響,因此也要保持恆定。

          有此功能的注塑機一定要有個反應敏捷的閉環伺服控制注射裝置。把測出的壓力與理想曲線比較,通過控制注射壓力及速度來將偏差減至最低。這與模腔壓力切換保壓裝置或AQCS不一樣,此功能並非附加裝置能達到的,而是需要一嶄新設計的注塑機。在此提及只不過是它與模腔壓力曲線有關,給讀者一個較全面的觀點。

         

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