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        薄壁注射

        日期:2011年12月22日 10:39

        薄壁注射

         

         

          為了防止熔融在模腔注滿前凝固,高速注射是薄壁注射中必須的條件。一般鎖模力150噸以下的注塑機,注射速度超過100毫米/秒,比大機為快。有日本注塑機製造商更聲稱己達到800毫米/秒以上的注射速度。以下描述三種增加注速的裝置,分別為﹕

          1. 加大油泵、

          2. 再生/可變注射唧筒、

          3. 蓄能器。

        注射速度及注射速率

          注射速度及注射速率都是量度注塑機能否作薄壁注射的準繩。其一或兩者

        通常都在注塑機規格列出。

          注射速度是注射時螺桿的最高直線速度。它與油泵最大流量的關係示於式(1)。請參閱圖1。留意我們假設有兩個注射唧筒。請參閱圖6。注射速度與螺桿直徑無

        關。

          s = 100000 * Q / (3 * 3.1416 * (D12 - D22))-------------------------------------------------------(1)

          s = 最高注射速度,毫米/秒,

          Q = 油泵最大流量,公升/分,

          D1 = 注射唧筒直徑,毫米,

          D2 = 注射唧筒桿徑,毫米。

         

         圖1 如何算出注射速度

          最高注射速率是每一個單位時間內熔融被注射到模腔的最高容量。它與螺桿直徑及最高注射速度有以下的關係。

          r = 3.1416 * d2 * s / 4000--------------------------------------------------------------------------(2)

          r = 最高注射速率,厘米3/秒,

          d = 螺桿直徑,毫米,

          s = 最高注射速度,毫米/秒。

          比較不同牌子的注塑機時最好以注射速度為準則,因它不受螺桿直徑影響。

          最終還是要看注射速率;因為它決定了填滿模腔的時間。最短填滿模腔的

          時間與最高注射速率 的關係如下。

          t = v/r-------------------------------------------------------------------------------------------------(3)

          t = 最短填滿模腔的時間,秒,

          v = 模腔容量(包括流道及澆口),厘米3,

          r = 最高注射速率,厘米3/秒。

          從式(2)及(3)得知,在既定的注射速度下,較大的螺桿直徑可減少填滿模腔的時間。

          達明機器廠的ME75 III注塑機的注射速度及注射速率在下表列出。

        螺桿直徑,毫米

        35

        39

        43

        注射速度,毫米/秒

        141

        注射速率,厘米3/秒

        135

        168

        204

        表1 標準裝置的ME75 III的注射速度及速率

        何謂薄壁?

          從絕對的觀點看,壁厚小於0.5毫米可以算作薄壁。因為冷卻量正比於模腔面積而熔融所含的熱量則正比於模腔的容積,薄壁注射的冷卻很快。此時,凝固在模腔壁的塑料會降低流道的橫切面,需要較高的注射壓力來克服阻力。注射壓力是螺桿頂端的熔融壓力。請參閱圖2。增加模溫可以減低對注射速度及注射壓力的要求,但有延長冷卻時間的副作用。

        圖2 薄壁注射

         

          對工程有興趣的人仕,下式表示最高注射壓力與最高油壓的關係。

          P = 2 * Ph * (D12 - D22) / d2 --------------------------------------------------------------------------(4)

          P = 最高注射壓力,

          Ph = 最高油壓,

          D1 = 注射唧筒直徑,毫米,

          D2 = 注射唧筒桿徑,毫米,

          d = 螺桿直徑,毫米。

          式(4)顯示,增加螺桿直徑會降低最高注射壓力,其下降的比例與式(2)增加的最高注射速率相同。因此,用戶可用螺桿直徑來權衡注射壓力及注射速率。

          圖3的模腔壓力曲線是用來估計足夠合模的鎖模力。它考慮了成品的壁厚及流程/壁厚比。因澆口及流道有壓力降,模腔壓力比注射壓力略低。鎖模力是模腔壓力與模腔投影面積的成績。流程是從澆口量到成品的極端。

          從相對的觀點看,流程/壁厚比大於250可以算作薄壁。從圖3可見,當流程/壁厚比超過250時,曲線在 壁厚減小 時驟升。結論是薄壁注射也需要高的鎖模力。

        圖3 模腔壓力是壁厚及流程的函數

        加大油泵

          有些廠商提供加大油泵的選擇:加大泵的最高流量會增加注射速度。為了避

        免驅動的電馬達過載,馬達的功率也要相應加大。

          從式(1)可見,注射速度與油泵流量是成正比的。在同一系列內,油泵的大小是以級數跳升,每級若大25%。一般的替代油泵衹用大一級,因油路的設計裕度限制了更大的改動。

          油閥、油管及油喉都有額定流量。它們的大小也是以級數跳變,如3/8吋,4/8吋等。除非 注射裝置的這些 油壓元件也加大,它們會成為使用更大油泵時 流量的瓶頸。

          注塑成品製造商如沒有查詢注塑機廠商便自行加大油泵,很可能發現更換後的注射速度增長並不明顯。這是因為很多注塑機在設計時都沒有保留足夠的流量裕度給大油泵使用。

          加大油泵的ME75 III的注射速度及注射速率在下表列出。

        螺桿直徑,毫米

        35

        39

        43

        注射速度,毫米/秒

        176

        注射速率,厘米3/秒

        170

        211

        256

        表2 加大油泵的ME75 III的注射速度及速率

        再生

          再生是油路的一種設計。此技術使唧筒背後的油回流到前端再使用,因此增加了流量。請參閱圖4。在注塑機上,合模動作通常是使用再生的。有些廠商也使用再生來增加注射速度。在這種注塑機上,注射再生使用與否是可自行選擇的。注射再生一般可以增加流速約60%。

          再生技術只適用於以下的情況﹕流出唧筒背後的流量小於流入唧筒前端的總流量。從流量不變定律,總流量 = 再生流量 + 油泵流量。

          此式可改寫成

          再生流量 = 總流量 - 油泵流量。

          要滿足這個條件,再生桿的直徑D3要比唧筒桿徑D2大。請參閱圖4。

        圖4 再生增加注射速度

          注意再生油的壓力與油泵的壓力相同。這與圖1唧筒背部的壓力是零不

        一樣。

          用了再生後,式 (1)變成

          sr = 100000 * Q / (3 * 3.1416 * (D32 - D22))------------------------------------------------------(5)

          sr = 用了再生的最高注射速度,毫米/秒,

          Q = 油泵最大流量,公升/分,

          D3 = 注射唧筒再生桿徑,毫米,

          D2 = 注射唧筒桿徑,毫米。

          同樣,式 (2),(3)及(4)變成

          rr = 3.1416 * d2 * sr / 4000-------------------------------------------------------------------------(6)

          rr = 用了再生的最高注射速率,厘米3/秒。

          tr = v/rr-------------------------------------------------------------------------------------------------(7)

          tr = 用了再生的最短填滿模腔時間,秒。

          Pr = 2 * Ph * (D32 - D22) / d2 ------------------------------------------------------------------------(8)

          Pr = 用了再生的最高注射壓力。

          其實再生是以注射壓力換取注射速度。從直觀來看,唧筒的後端的壓力與前端相同。兩邊的面積相差產生在注射方向的凈力。此凈力比沒再生時低。請比較圖4及圖1。

          注射壓力下降的百分率與注射速度增加的百分率相同。請參閱從式(1),(4),(5)及(8)得出的式(9)。

          Pr = P * s / sr ------------------------------------------------------------------------------------------(9)

          Pr = 用了再生的最高注射壓力,

          P = 沒有用再生的最高注射壓力,

          sr = 用了再生的最高注射速度,

          s = 沒有用再生的最高注射速度。

          當降低了的注射壓力達不到注塑要求,此法不能使用。

          ME55 III注塑機使用及不使用再生時的注射速度、注射速率及注射壓力在下

        表列出。

         

        不使用再生

        使用再生

        螺桿直徑,毫米

        30

        33

        36

        30

        33

        36

        注射速度,毫米/秒

        104

        185

        注射速率,厘米3/秒

        74

        89

        106

        131

        159

        189

        注射壓力,公斤力/厘米2

        2133

        1763

        1481

        1200

        992

        833

        表3 標準裝置的ME55 III使用及不使用再生

          加大油泵與再生是可以同時使用的。加大油泵的數據在下表列出。

         

        不使用再生

        使用再生

        螺桿直徑,毫米

        30

        33

        36

        30

        33

        36

        注射速度,毫米/秒

        128

        228

        注射速率,厘米3/秒

        91

        110

        131

        161

        195

        232

        注射壓力,公斤力/厘米2

        2133

        1763

        1481

        1200

        992

        833

        表4 加大油泵的ME55 III使用及不使用再生

        可變注射唧筒

          可變注射唧筒技術是基於再生的原理,以注壓換取注速。有別於再生技術的是它有數個注射速度可供選擇。用了3種不同大小的注射唧筒的組合,有個廠商更提供了7 (= 23 - 1) 種注速。請參閱圖5。

          注壓與注速的權衡從式(1)及(4)普及化成以下兩式。

          si = 25000 * Q / (3*Ai)-----------------------------------------------------------------------------(10)

          si = 使用注射唧筒總面積Ai時的最高注射速度,毫米/秒,

          Ai = 注射唧筒組合的總面積,毫米2。

          Pi = 8 * Ph * Ai / (3.1416 * d2)-------------------------------------------------------------------(11)

          Pi = 使用注射唧筒總面積Ai時的最高注射壓力,

          d = 螺桿直徑,毫米。

          若其中一個注速及注壓的組合能夠達到薄壁注塑的要求,便可以採用。

        圖5 三個唧筒的七個組合

        蓄能器

          蓄能器是儲蓄能量,增加注射速度的較常見裝置,與再生及可變注射唧筒相比,此法並不以注壓換取注速。注速可以高達原注速的3倍。

          在沒有注塑機動作的冷卻階段,油泵的流量用來對蓄能器充油,待注射

        時再放出來。另一方案是用獨立油泵專責充蓄能器用。

          注射時,蓄能器的流量合共油泵流量將螺桿推前。

          總流量 = 蓄能器流量 + 油泵流量。

          若有需要,控制注射唧筒入油及出油的油閥、油管及油喉也要加大,以避免造成瓶頸。亦需要採用一個減速設計使快速前進的螺桿在行程末端慢下來。

        圖6 充了油的蓄能器協助油泵供油到注射唧筒

          配蓄能器的ME75 III的注射速度及注射速率在下表列出。

        螺桿直徑,毫米

        35

        39

        43

        注射速度,毫米/秒

        395

        注射速率,厘米3/秒

        378

        470

        571

        表5 配蓄能器的ME75 III的注射速度及速率

        注壓技術

          注壓技術雖非高速技術,但也被有效地用於薄壁注塑。它更有降低鎖模力及成品殘餘應力的優點。

          注射開始時,模具並沒有完全閉合(例如相差1毫米)。注射後,模具合攏,將己注射的熔融壓到模腔的極端。

          注壓技術要求特別設計的模具;注塑機也要有配合注壓的特別設計。注塑機的鎖模裝置及注射裝置採用獨立油路,因模具移動與注射同時進行。為了避免注壓產生飛邊,每次注射時注射量的準確性尤為重要。模具移動的準確也同樣重要。

         

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