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罗百辉,金模网(gmold.info)CEO、深圳市金模整合营销顾问有限公司董事长、模力时代会议展览(深圳)有限公司总经理、美国格理专家团资深投资顾问、国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务副会长兼秘书长、深圳市模具技术学会专家委员、深圳市管理咨询行业协会会员、华通咨询公司特聘培训专家、《国际模具机械产业》杂志社长,多家工业媒体专家顾问/编委、价值中国最具影响力百强专家、中国谋士联盟实战派谋士,国内“段位式”新概念管理创导者,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。

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精密注塑件注射压塑技术生产内应力的消除  

2011-03-06 15:18:44|  分类: 国际制造产业研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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具有高的尺寸精度的注塑件,也就是精密注塑件可以采用注射压塑技术生产。注射机的控制和调节系统必须保证连续的加工步骤即塑化、计量、注射、保压和冷却可以反复进行。
      注塑件的精度能否达到和保持更多地取决于注塑件的设计以及模具的设计和加工。判断的标准是注射件的设计是否宜于加工塑料,而且模具浇口的充模性能要良好,模具的冷却系统能够均匀冷却。
       必须不带残余应力的注塑件可用注射压塑技术生产。在注射压塑技术中,成功地完成的各个步骤彼此重叠。注射机必须安装一套快速反应的液压系统,机器控制采用的测量装置必须具有很高的精度。

      注射压塑降低残余应力
      注射件除了尺寸必须精确外,还要满足其他的质量要求(表1)。因此,光学(图1)零件必须不产生残余应力。 例如,透镜中的残余应力会产生双折射,因此降低了再现的真实性。对于光学载体来说,这限制了所储存的信息密度。

      注射压塑生产的零件实际上是不产生残余应力的,这主要在于将熔体注入到模具后,合模时一直保持一定间隙。间隙的大小视注射件而变化,从1mm-20mm不等,甚至还可以宽至50mm。只有在注射完全完成后,模具才完全关闭,建立起锁模力。因此,注射压塑需要全压式模具。

 

      根据注射件以及其要求的保压条件,可能需要在注射周期的最后1/3时同时启动压缩过程。另一方面,还有一些情况如模内层压装饰材料,注射开始时刚好模具打开一定距离。直到注射的最后阶段才启动压缩的合模运动 (图2)。

      由于在将物料注射到半开的模具这一过程中有大的流道出现,因此注射压缩所需要的注射压力比传统的注射工艺下降5-10倍。即使在熔体结块形成注射件这一成型过程中,模腔的压力以及熔体所受的剪切应力也很低。因此,压缩模塑件实际上不存在残余应力。

      注射模塑的光盘的存储容量为650MB,而低应力数字光盘(DVD)可以采用注射压缩成型,其存储容量为17000MB。产生这一差别的原因是双折射,注射件的双折射远远大于注射压缩件的双折射。

      除了应力诱导双折射这一重要的质量标准外,光盘存储载体表面上的针孔结构必须能够真实再现。 例如,只读DVD ROM要求的针孔深度仅为10nm(图3左图),而相比之下,可写DVD RAM就要求很高的保真度,所需的针孔深度增加到30nm(图3右图),这是因为DVD RAM 包含附加的信息。为了得到这样的针孔结构,必须充分利用所有的加工能力。这不仅需要很高的模具温度,同时还需要高压缩速度下的复杂压缩过程。

      此外,注射压缩还可用于在汽车内饰件成型之前将织物装饰材料或者软质发泡薄膜压缩到汽车内饰件上(图4)。在这种情况下,低的模腔压力使装饰材料不受剪切、应力和压力的作用。

      往复移动需要快速测量技术
      注射压缩使用功能与注射机相同的机器成型。在注射模塑中,成型过程顺序完成。由于这种明确的分工,机器的控制系统可以顺次控制每一个工序。

      在注射压缩过程中,由压力和时间决定注射过程时间的超前必须与由动模板位置决定的间隙的超前过程精确匹配(见图2)。这两个过程重复再现的误差必须很小。注射机的安装工序如下∶
为了精确测量位置、速度和压力,需要高精度和高液压的测量系统;
为了保证控制系统在短的注射周期内有效工作,需要高速扫描速率,并且读数要快速转换为可处理的参数;
注射机需快速反应的液压系统适应控制参数变化引起的处理参数变化。
与传统注射机相比,前两点不需增加额外的投资就能实现。螺杆前移和动模板移动采用超声波定位测量装置是有利的,因控制系统接收绝对值,定位测量装置返回的读数的精度在±10μm。

      液压系统的压力传感器和模腔压力传感器应该精确到最终测量值的0.01%。至于温度测量,标准传感器的精度和动力就足够了,因为温度的变化比其测量的参数的变化慢得多。

      如果定位测量装置以相对高的频率1kHz进行扫描(抽样速率1ms),那么控制系统就能接收足够的数据确定现有位置和导出的速度,精度足够。

      液压系统采用伺服阀
      对于液压装置来说,液压储油器必须保证所有的机器的动作独立而且同时执行。为了降低能耗而安装了直接由电马达驱动的螺杆的注射机也是如此。

 

      不同液压电路控制响应的另一个需要考虑的问题是油的压缩性。当油的体积很大时,这种压缩性可能引起时间滞后,比如引起注射曲线和合模速度的斜变,直至变为光滑过渡。

      获得必需的精度和重复性有两个关键措施。所有油压缩区域的正确设计以及制动器的正确定位会得到小的油体积,同时会降低压缩性。伺服阀或者比例阀使液压系统的响应时间加快。对于注射过程来说,在螺杆前移的过程中采取这些措施是非常重要的。在注射过程中,交换点即使有很小的定位误差,注射速度也会产生很大的偏差,因为借助于螺杆前移的速度控制系统也会补偿位置偏差。

      电动机械直接驱动的控制系统的停机时间比液压系统短。对比研究表明采用了液压储油器和伺服或者比例阀的注射机能够达到与电驱动同样低的过程偏差和同样高的动力性能。位置控制系统以及注射速度指定曲线也同样如此。如果要避免压力峰值,需要螺杆和液压缸的快速制动,尤其是注射量低时。快速液压系统的这一概念同样适用于大型机械,不同于机电驱动。

      注射压缩成型机在液压方面的额外消耗可以从其低的锁模力要求而节省的费用得到补偿。模板的厚度以及其质量减小,而机器的刚性不会下降。因此小型液压装置就足够了。

      对于两板锁模装置来说,注射压缩的先决条件对其模具锁模半模非常有利。开合模过程中的快速运动由两个移动的油缸完成。锁模力由四个压力垫建立起来,这四个压力垫的液压装置的油体积很小。因此,液压系统的可变位移泵可以直接供应模具合模装置。

      在低载荷阶段,可变位移泵给液压储油器加载,液压储油器为注射机的运动提供驱动力。这种设计完全将压缩间隙同注射过程分开,而压缩间隙是由合模装置的位置决定的。比例控制阀安装在注射机的机筒上,所以要调节的油量非常少。阀门开关的频率为200Hz,即响应时间为5ms。比例阀对污染物的敏感度比具有类似性能的伺服阀低。

      展望即使是自称为注射压缩成型,相比而言液压注射机也不贵。因为如此,再加上工艺本身的优点,注射压缩成型在未来数年内将越来越重要,尤其是其能够生产没有残余应力的注射件,而且不增加成本。

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