模具邊緣技術之塑料注射成型機(1)

                            發布時間:2011-08-08 來源: 環球塑化網 專題: 材料研發 打印

                            塑機具有能一次成型外型復雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質地密致的塑料制品,被廣泛應用于國防、機電、汽車、交通運輸、建材、包裝、農業、文教衛生及人們日常生活各個領域。注射成型工藝對各種塑料的加工具有良好的適應性,生產能力較高,并易于實現自動化。在塑料工業迅速發展的今天,注塑機不論在數量上或品種上都占有重要地位,從而成為目前塑料機械中增長最快,生產數量最多的機種之一。

                            我國塑料加工企業星羅其布,遍布全國各地,設備的技術水平參差不齊,大多數加工企業的設備都需要技術改造。這幾年來,我國塑機行業的技術進步十分顯著,尤其是注塑機的技術水平與國外名牌產品的差距大大縮小,在控制水平、產品內部質量和外觀造型等方面均取得顯著改觀。選擇國產設備,以較小的投入,同樣也能生產出與進口設備質量相當的產品。這些為企業的技術改造創造了條件。

                            要有好的制品,必須要有好的設備。設備的磨損和腐蝕是一種自然規律,人們掌握了這種規律,就可以預防或減少設備的磨損和腐蝕,延長設備的使用周期,保證設備的完好率。

                            為加強塑料機械的使用、維護和管理工作,我國有關部門已制訂了有關標準和實施細則,要求各設備管理部門和生產企業對設備的管理和使用做到“科學管理、正確使用、合理潤滑、精心維護、定期保養、計劃檢修,提高設備完好率,使設備經常處于良好狀態。

                            塑料注射成型技術是根據壓鑄原理從十九世紀末二十世紀初發展起來的,是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一。該法適用于全部熱塑性塑料和部分熱固性塑料(約占塑料總量的1/3)。

                            1.1注塑成型機的工作原理

                            注塑機的工作原理與打針用的注射器相似,它是借助螺桿(或柱塞)的推力,將已塑化好的熔融狀態(即粘流態)的塑料注射入閉合好的模腔內,經固化定型后取得制品的工藝過程。

                            注射成型是一個循環的過程,每一周期主要包括:定量加料—熔融塑化—施壓注射—充模冷卻—啟模取件。取出塑件后又再閉模,進行下一個循環。

                            1.2注塑機的結構

                            注塑機根據塑化方式分為柱塞式注塑機和螺桿式注塑機;按機器的傳動方式又可分為液壓式、機械式和液壓—機械(連桿)式;按操作方式分為自動、半自動、手動注塑機。

                            (1)臥式注塑機:這是最常見的類型。其合模部分和注射部分處于同一水平中心線上,且模具是沿水平方向打開的。其特點是:機身矮,易于操作和維修;機器重心低,安裝較平穩;制品頂出后可利用重力作用自動落下,易于實現全自動操作。目前,市場上的注塑機多采用此種型式。

                            (2)立式注塑機:其合模部分和注射部分處于同一垂直中心線上,且模具是沿垂直方向打開的。因此,其占地面積較小,容易安放嵌件,裝卸模具較方便,自料斗落入的物料能較均勻地進行塑化。但制品頂出后不易自動落下,必須用手取下,不易實現自動操作。立式注塑機宜用于小型注塑機,一般是在60克以下的注塑機采用較多,大、中型機不宜采用。

                            (3)角式注塑機:其注射方向和模具分界面在同一個面上,它特別適合于加工中心部分不允許留有澆口痕跡的平面制品。它占地面積比臥式注塑機小,但放入模具內的嵌件容易傾斜落下。這種型式的注塑機宜用于小機。

                            (4)多模轉盤式注塑機:它是一種多工位操作的特殊注塑機,其特點是合模裝置采用了轉盤式結構,模具圍繞轉軸轉動。這種型式的注塑機充分發揮了注射裝置的塑化能力,可以縮短生產周期,提高機器的生產能力,因而特別適合于冷卻定型時間長或因安放嵌件而需要較多輔助時間的大批量塑制品的生產,但因合模系統龐大、復雜,合模裝置的合模力往往較小,故這種注塑機在塑膠鞋底等制品生產中應用較多。

                            一般注塑機包括注射裝置、合模裝置、液壓系統和電氣控制系統等部分。

                            注射成型的基本要求是塑化、注射和成型。塑化是實現和保證成型制品質量的前提,而為滿足成型的要求,注射必須保證有足夠的壓力和速度。同時,由于注射壓力很高,相應地在模腔中產生很高的壓力(模腔內的平均壓力一般在20~45MPa之間,見表1),因此必須有足夠大的合模力。由此可見,注射裝置和合模裝置是注塑機的關鍵部件。

                            1.4注塑機的操作

                            1.4.1注塑機的動作程序

                            噴嘴前進→注射→保壓→預塑→倒縮→噴嘴后退→冷卻→開?!敵觥酸槨_門→關門→合?!鷩娮烨斑M。

                            1.4.2注塑機操作項目:注塑機操作項目包括控制鍵盤操作、電器控制柜操作和液壓系統操作三個方面。分別進行注射過程動作、加料動作、注射壓力、注射速度、頂出型式的選擇,料筒各段溫度及電流、電壓的監控,注射壓力和背壓壓力的調節等。

                            1.4.2.1注射過程動作選擇:

                            一般注塑機既可手動操作,也可以半自動和全自動操作。

                            手動操作是在一個生產周期中,每一個動作都是由操作者撥動操作開關而實現的。一般在試機調模時才選用。

                            半自動操作時機器可以自動完成一個工作周期的動作,但每一個生產周期完畢后操作者必須拉開安全門,取下工件,再關上安全門,機器方可以繼續下一個周期的生產。

                            全自動操作時注塑機在完成一個工作周期的動作后,可自動進入下一個工作周期。在正常的連續工作過程中無須停機進行控制和調整。但須注意,如需要全自動工作,則(1)中途不要打開安全門,否則全自動操作中斷;(2)要及時加料;(3)若選用電眼感應,應注意不要遮閉了電眼。

                            實際上,在全自動操作中通常也是需要中途臨時停機的,如給機器模具噴射脫模劑等。

                            正常生產時,一般選用半自動或全自動操作。操作開始時,應根據生產需要選擇操作方式(手動、半自動或全自動),并相應撥動手動、半自動或全自動開關。

                            半自動及全自動的工作程序已由線路本身確定好,操作人員只需在電柜面上更改速度和壓力的大小、時間的長短、頂針的次數等等,不會因操作者調錯鍵鈕而使工作程序出現混亂。

                            當一個周期中各個動作未調整妥當之前,應先選擇手動操作,確認每個動作正常之后,再選擇半自動或全自動操作。

                            1.4.2.2預塑動作選擇

                            根據預塑加料前后注座是否后退,即噴嘴是否離開模具,注塑機一般設有三種選擇。(1)固定加料:預塑前和預塑后噴嘴都始終貼進模具,注座也不移動。(2)前加料:噴嘴頂著模具進行預塑加料,預塑完畢,注座后退,噴嘴離開模具。選擇這種方式的目的是:預塑時利用模具注射孔抵助噴嘴,避免熔料在背壓較高時從噴嘴流出,預塑后可以避免噴嘴和模具長時間接觸而產生熱量傳遞,影響它們各自溫度的相對穩定。(3)后加料:注射完成后,注座后退,噴嘴離開模具然后預塑,預塑完再注座前進。該動作適用于加工成型溫度特別窄的塑料,由于噴嘴與模具接觸時間短,避免了熱量的流失,也避免了熔料在噴嘴孔內的凝固。

                            注射結束、冷卻計時器計時完畢后,預塑動作開始。螺桿旋轉將塑料熔融并擠送到螺桿頭前面。由于螺桿前端的止退環所起的單向閥的作用,熔融塑料積存在機筒的前端,將螺桿向后迫退。當螺桿退到預定的位置時(此位置由行程開關確定,控制螺桿后退的距離,實現定量加料),預塑停止,螺桿停止轉動。緊接著是倒縮動作,倒縮即螺桿作微量的軸向后退,此動作可使聚集在噴嘴處的熔料的壓力得以解除,克服由于機筒內外壓力的不平衡而引起的“留涎”現象。若不需要倒縮,則應把倒縮停止開關調到適當位置,讓預塑停止開關被壓上的同一時刻,倒縮停止開關也被壓上。當螺桿作倒縮動作后退到壓上停止開關時,倒縮停止。接著注座開始后退。當注座后退至壓上停止開關時,注座停止后退。若采用固定加料方式,則應注意調整好行程開關的位置。

                            一般生產多采用固定加料方式以節省注座進退操作時間,加快生產周期。

                            1.4.2.3注射壓力選擇

                            注塑機的注射壓力由調壓閥進行調節,在調定壓力的情況下,通過高壓和低壓油路的通斷,控制前后期注射壓力的高低。

                            普通中型以上的注塑機設置有三種壓力選擇,即高壓、低壓和先高壓后低壓。高壓注射是由注射油缸通入高壓壓力油來實現。由于壓力高,塑料從一開始就在高壓、高速狀態下進入模腔。高壓注射時塑料入模迅速,注射油缸壓力表讀數上升很快。低壓注射是由注射油缸通入低壓壓力油來實現的,注射過程壓力表讀數上升緩慢,塑料在低壓、低速下進入模腔。先高壓后低壓是根據塑料種類和模具的實際要求從時間上來控制通入油缸的壓力油的壓力高低來實現的。

                            為了滿足不同塑料要求有不同的注射壓力,也可以采用更換不同直徑的螺桿或柱塞的方法,這樣既滿足了注射壓力,又充分發揮了機器的生產能力。在大型注塑機中往往具有多段注射壓力和多級注射速度控制功能,這樣更能保證制品的質量和精度。

                            1.4.2.4注射速度的選擇

                            一般注塑機控制板上都有快速—慢速旋鈕用來滿足注射速度的要求。在液壓系統中設有一個大流量油泵和一個小流量泵同時運行供油。當油路接通大流量時,注塑機實現快速開合模、快速注射等,當液壓油路只提供小流量時,注塑機各種動作就緩慢進行。

                            1.4.2.5頂出形式的選擇

                            注塑機頂出形式有機械頂出和液壓頂出二種,有的還配有氣動頂出系統,頂出次數設有單次和多次二種。頂出動作可以是手動,也可以是自動。

                            頂出動作是由開模停止限位開關來啟動的。操作者可根據需要,通過調節控制柜上的頂出時間按鈕來達到。頂出的速度和壓力亦可通過控制柜面上的開關來控制,頂針運動的前后距離由行程開關確定。

                            1.4.2.6溫度控制

                            以測溫熱電偶為測溫元件,配以測溫毫伏計成為控溫裝置,指揮料筒和模具電熱圈電流的通斷,有選擇地固定料筒各段溫度和模具溫度。表5列出了一些塑料的成型加工溫度范圍,可供參考。
                            料筒電熱圈一般分為二段、三段或四段控制。電器柜上的電流表分別顯示各段電熱圈電流的大小。電流表的讀數是比較固定的,如果在運行中發現電流表讀數比較長時間的偏低,則可能電熱圈發生了故障,或導線接觸不良,或電熱絲氧化變細,或某個電熱圈燒毀,這些都將使電路并聯的電阻阻值增大而使電流下降。

                            在電流表有一定讀數時也可以簡單地用塑料條逐個在電熱圈外壁上抹劃,看料條熔融與否來判斷某個電熱圈是否通電或燒毀。

                            1.4.2.7合??刂?

                            合模是以巨大的機械推力將模具合緊,以抵擋注塑過程熔融塑料的高壓注射及填充模具而令模具發生的巨大張開力。

                            關妥安全門,各行程開關均給出信號,合模動作立即開始。首先是動模板以慢速啟動,前進一小短距離以后,原來壓住慢速開關的控制桿壓塊脫離,活動板轉以快速向前推進。在前進至靠近合模終點時,控制桿的另一端壓桿又壓上慢速開關,此時活動板又轉以慢速且以低壓前進。在低壓合模過程中,如果模具之間沒有任何障礙,則可以順利合攏至壓上高壓開關,轉高壓是為了伸直機鉸從而完成合模動作。這段距離極短,一般只有0.3~1.0mm,剛轉高壓旋即就觸及合模終止限位開關,這時動作停止,合模過程結束。

                            注塑機的合模結構有全液壓式和機械連桿式。不管是那一種結構形式,最后都是由連桿完全伸直來實施合模力的。連桿的伸直過程是活動板和尾板撐開的過程,也是四根拉桿受力被拉伸的過程。

                            合模力的大小,可以從合緊模的瞬間油壓表升起之最高值得知,合模力大則油壓表的最高值便高,反之則低。較小型的注塑機是不帶合模油壓表的,這時要根據連桿的伸直情況來判斷模具是否真的合緊。如果某臺注塑機合模時連桿很輕松地伸直,或“差一點點”未能伸直,或幾副連桿中有一副未完全伸直,注塑時就會出現脹模,制件就會出現飛邊或其它毛病。

                            1.4.2.8開??刂?

                            當熔融塑料注射入模腔內及至冷卻完成后,隨著便是開模動作,取出制品。開模過程也分三個階段。第一階段慢速開模,防止制件在模腔內撕裂。第二階段快速開模,以縮短開模時間。第三階段慢速開模,以減低開模慣性造成的沖擊及振動。

                            1.4.3注塑工藝條件的控制

                            目前,各注塑機廠家開發出了各式各樣的程序控制方式,大致有:注射速度控制、注射壓力控制、注入模腔內塑料充填量的控制、螺桿的背壓和轉速等塑煉狀態的控制。實現工藝過程控制的目的是提高制品質量,使機器的效能得到最大限度的發揮。

                            1.4.3.1注射速度的程序控制

                            注射速度的程序控制是將螺桿的注射行程分為3~4個階段,在每個階段中分別使用各自適當的注射速度。例如:在熔融塑料剛開始通過澆口時減慢注射速度,在充模過程中采用高速注射,在充模結束時減慢速度。采用這樣的方法,可以防止溢料,消除流痕和減少制品的殘余應力等。

                            低速充模時流速平穩,制品尺寸比較穩定,波動較小,制品內應力低,制品內外各向應力趨于一致(例如將某聚碳酸脂制件浸入四氯化碳中,用高速注射成型的制件有開裂傾向,低速的不開裂)。在較為緩慢的充模條件下,料流的溫差,特別是澆口前后料的溫差大,有助于避免縮孔和凹陷的發生。但由于充模時間延續較長容易使制件出現分層和結合不良的熔接痕,不但影響外觀,而且使機械強度大大降低。

                            高速注射時,料流速度快,當高速充模順利時,熔料很快充滿型腔,料溫下降得少,黏度下降得也少,可以采用較低的注射壓力,是一種熱料充模態勢。高速充模能改進制件的光澤度和平滑度,消除了接縫線現象及分層現象,收縮凹陷小,顏色均勻一致,對制件較大部分能保證豐滿。但容易產生制品發胖起泡或制件發黃,甚至燒傷變焦,或造成脫模困難,或出現充模不均的現象。對于高黏度塑料有可能導致熔體破裂,使制件表面產生云霧斑。

                            下列情況可以考慮采用高速高壓注射:(1)塑料黏度高,冷卻速度快,長流程制件采用低壓慢速不能完全充滿型腔各個角落的;(2)壁厚太薄的制件,熔料到達薄壁處易冷凝而滯留,必須采用一次高速注射,使熔料能量大量消耗以前立即進入型腔的;(3)用玻璃纖維增強的塑料,或含有較大量填充材料的塑料,因流動性差,為了得到表面光滑而均勻的制件,必須采用高速高壓注射的。
                            對高級精密制品、厚壁制件、壁厚變化大的和具有較厚突緣和筋的制件,最好采用多級注射,如二級、三級、四級甚至五級。

                            1.4.3.2注射壓力的程序控制

                            通常將注射壓力的控制分成為一次注射壓力、二次注射壓力(保壓)或三次以上的注射壓力的控制。壓力切換時機是否適當,對于防止模內壓力過高、防止溢料或缺料等都是非常重要的。模制品的比容取決于保壓階段澆口封閉時的熔料壓力和溫度。如果每次從保壓切換到制品冷卻階段的壓力和溫度一致,那麼制品的比容就不會發生改變。在恒定的模塑溫度下,決定制品尺寸的最重要參數是保壓壓力,影響制品尺寸公差的最重要的變量是保壓壓力和溫度。例如:在充模結束后,保壓壓力立即降低,當表層形成一定厚度時,保壓壓力再上升,這樣可以采用低合模力成型厚壁的大制品,消除塌坑和飛邊。

                            保壓壓力及速度通常是塑料充填模腔時最高壓力及速度的50%~65%,即保壓壓力比注射壓力大約低0.6~0.8MPa。由于保壓壓力比注射壓力低,在可觀的保壓時間內,油泵的負荷低,固油泵的使用壽命得以延長,同時油泵電機的耗電量也降低了。

                            三級壓力注射既能使制件順利充模,又不會出現熔接線、凹陷、飛邊和翹曲變形。對于薄壁制件、多頭小件、長流程大型制件的模塑,甚至型腔配置不太均衡及合模不太緊密的制件的模塑都有好處。
                            1.4.3.3注入模腔內塑料填充量的程序控制

                            采用預先調節好一定的計量,使得在注射行程的終點附近,螺桿端部仍殘留有少量的熔體(緩沖量),根據模內的填充情況進一步施加注射壓力(二次或三次注射壓力),補充少許熔體。這樣,可以防止制品凹陷或調節制品的收縮率。

                            1.4.3.4螺桿背壓和轉速的程序控制

                            高背壓可以使熔料獲得強剪切,低轉速也會使塑料在機筒內得到較長的塑化時間。因而目前較多地使用了對背壓和轉速同時進行程序設計的控制。例如:在螺桿計量全行程先高轉速、低背壓,再切換到較低轉速、較高背壓,然后切換成高背壓、低轉速,最后在低背壓、低轉速下進行塑化,這樣,螺桿前部熔料的壓力得到大部分的釋放,減少螺桿的轉動慣量,從而提高了螺桿計量的精確程度。過高的背壓往往造成著色劑變色程度增大;預塑機構合機筒螺桿機械磨損增大;預塑周期延長,生產效率下降;噴嘴容易發生流涎,再生料量增加;即使采用自鎖式噴嘴,如果背壓高于設計的彈簧閉鎖壓力,亦會造成疲勞破壞。所以,背壓壓力一定要調得恰當。

                            隨著技術的進步,將小型計算機納入注塑機的控制系統,采用計算機來控制注塑過程已成為可能。日本制鋼所N—PACS(微型電子計算機控制系統)可以做到四個反饋控制(保壓調整、模壓調整、自動計量調整、樹脂溫度調整)和四個過程控制(注射速度程序控制、保壓檢驗、螺桿轉速程序控制、背壓程序控制)。

                            1.4.4注塑成型前的準備工作

                            成型前的準備工作可能包括的內容很多。如:物料加工性能的檢驗(測定塑料的流動性、水分含量等);原料加工前的染色和選粒;粒料的預熱和干燥;嵌件的清洗和預熱;試模和料筒清洗等。
                            1.4.4.1原料的預處理

                            根據塑料的特性和供料情況,一般在成型前應對原料的外觀和工藝性能進行檢測。如果所用的塑料為粉狀,如:聚氯乙烯,還應進行配料和干混;如果制品有著色要求,則可加入適量的著色劑或色母料;供應的粒料往往含有不同程度的水分、熔劑及其它易揮發的低分子物,特別是一些具有吸濕傾向的塑料含水量總是超過加工所允許的限度。因此,在加工前必須進行干燥處理,并測定含水量。在高溫下對水敏感的聚碳酸酯的水分含量要求在0.2%以下,甚至0.03%~0.05%,因此常用真空干燥箱干燥。已經干燥的塑料必須妥善密封保存,以防塑料從空氣中再吸濕而喪失干燥效果,為此采用干燥室料斗可連續地為注塑機提供干燥的熱料,對簡化作業、保持清潔、提高質量、增加注射速率均為有利。干燥料斗的裝料量一般取注塑機每小時用料量的2.5倍。

                            1.4.4.2嵌件的預熱

                            注射成型制品為了裝配及強度方面的要求,需要在制品中嵌入金屬嵌件。注射成型時,安放在模腔中的冷金屬嵌件和熱塑料熔體一起冷卻時,由于金屬和塑料收縮率的顯著不同,常常使嵌件周圍產生很大的內應力(尤其是象聚苯乙烯等剛性鏈的高聚物更多顯著)。這種內應力的存在使嵌件周圍出現裂紋,導致制品的使用性能大大降低。這可以通過選用熱膨脹系數大的金屬(鋁、鋼等)作嵌件,以及將嵌件(尤其是大的金屬嵌件)預熱。同時,設計制品時在嵌件周圍安排較大的厚壁等措施。

                            1.4.4.3機筒的清洗

                            新購進的注塑機初用之前,或者在生產中需要改變產品、更換原料、調換顏色或發現塑料中有分解現象時,都需要對注塑機機筒進行清洗或拆洗。

                            清洗機筒一般采用加熱機筒清洗法。清洗料一般用塑料原料(或塑料回收料)。對于熱敏性塑料,如聚氯乙稀的存料,可用低密度聚乙烯、聚苯乙烯等進行過渡換料清洗,再用所加工的新料置換出過渡清洗料。

                            1.4.4.4脫模劑的選用

                            脫模劑是能使塑料制品易于脫模的物質。硬脂酸鋅適用于除聚酰胺外的一般塑料;液體石蠟用于聚酰胺類的塑料效果較好;硅油價格昂貴,使用麻煩,較少用。

                            使用脫模劑應控制適量,盡量少用或不用。噴涂過量會影響制品外觀,對制品的彩飾也會產生不良影響。

                            1.5注塑機操作過程注意事項

                            養成良好的注塑機操作習慣對提高機器壽命和生產安全都大有好處。

                            1.5.1開機之前:(1)檢查電器控制箱內是否有水、油進入,若電器受潮,切勿開機。應由維修人員將電器零件吹干后再開機。(2)檢查供電電壓是否符合,一般不應超過±15%。(3)檢查急停開關,前后安全門開關是否正常。驗證電動機與油泵的轉動方向是否一致。(4)檢查各冷卻管道是否暢通,并對油冷卻器和機筒端部的冷卻水套通入冷卻水。(5)檢查各活動部位是否有潤滑油(脂),并加足潤滑油。(6)打開電熱,對機筒各段進行加溫。當各段溫度達到要求時,再保溫一段時間,以使機器溫度趨于穩定。保溫時間根據不同設備和塑料原料的要求而有所不同。(7)在料斗內加足足夠的塑料。根據注塑不同塑料的要求,有些原料最好先經過干燥。(8)要蓋好機筒上的隔熱罩,這樣可以節省電能,又可以延長電熱圈和電流接觸器的壽命。

                            1.5.2操作過程中:(1)不要為貪圖方便,隨意取消安全門的作用。(2)注意觀察壓力油的溫度,油溫不要超出規定的范圍。液壓油的理想工作溫度應保持在45~50℃之間,一般在35~60℃范圍內比較合適。(3)注意調整各行程限位開關,避免機器在動作時產生撞擊。

                            1.5.3工作結束時:(1)停機前,應將機筒內的塑料清理干凈,預防剩料氧化或長期受熱分解。(2)應將模具打開,使肘桿機構長時間處于閉鎖狀態。(3)車間必須備有起吊設備。裝拆模具等笨重部件時應十分小心,以確保生產安全。

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