（机械电子工程专业论文）超薄塑件成型特性研究.pdf

摘要 本课题在选题过程中综合了国内外微成型技术的实际发展情况，提出了超薄塑件 成型特性的研究，超薄塑件属于结构较简单哟微型塑件中的一种超薄塑件成型特性 研究足丌展微成型! 技术研究的基础。，目前微成型技术的研究还处于初期发展阶段，只 有十儿年的历史；还没有确切的关于微成型技术的定又，理论体系尚没有形成，有关 的试验数据掌握的也非常少。开展超薄担件成型特性的研究有助于积累经验，为深入 开展微成型技术的研究打下良好的基础。 为此，本文设计了一一套超薄塑件注射成型模具。应用模流分析软件对超薄塑件的 成型过程进行了分析。通过大量的注塑试验对各个t 艺参数对超薄塑件成型的影响进 行_ 研究。具体方法是保持其他工艺参数不变，改变目标参数，做批量的注塑试验， 找出其埘超薄塑件的成型的影响规律。本文重点研究了注射压力、注射速度、模具温 度以及熔体温度的影响。 试验结果表明，超薄塑件的充模率随着注射压力的增大而增大，注射速度的提高 也使充模率提高，并且比注射压力的影响明显。模具温度是超薄塑件成型过程中最为 关键的一个因素，在较高的模具温度下，即使注射速度不高，塑件的充模率也较火。 熔体温度对塑料的流动性有较大的影响，因此对超薄塑件的成型特性也有一定的影 句。 关键词：微成型；超薄塑件；成型特性；工艺参数；注塑成型 a b s t r a c t m i c r os y s t e mh a sb e e na p p l i e d w i d d yi nm e d i c a l ，t e l e c o m m u n i c a t i o n ，a u t o m o t i v e ， e n v i r o n m e n t ，a f t e rt e n so fy e a r s d e v e l o p m e n t a so n eo fi m p o r t a n ti n d u s t r i a l m a t e r i a l s ， p l a s t i cp l a y sa ni m p o r t a n tp a r t i n m i c r o s y s t e m ，s om i c r om o l d i n gw h i c hc a nm o l dp l a s t i c p a r t sw i t hm i c r o s t r u c t u r ea p p e a r e dn o w , i th a sb e c o m ean e wb r a n c ho fi n j e c t i o nm o l d i n g a n db e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi th a so n l yt e n so f y e a r s h i s t o r y t h es y s t e mi n f oh a sn o tb e e n e s t a b l i s h e d ，a n dt h ed a t ao ne x p e r i m e n ti sv e r yl i t t l e s u p e r - t h i np l a s t i cp a r ti sm i c r op a r tw i t h s i m p l es t r u c t u r e ，s t u d yo n i ti st h eb a s er e s e a r c ho nm i c r om o l d i n g ，i tw i l lg i v eh e l pt of u r t h e r s t u d yo n m i c r o m o l d i n g a ni n j e c t i o nm o l dw a sd e s i g n e df o rm o l d i n gs u p e r - t h i np l a s t i cp a r t sa n dt h em o l d i n g p r o c e s s o ft h e mi ss i m u l a t e d b yf l o w i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r et h e m o l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s a f f e c t so nt h ef i l l i n gr a t i oo fs u p e r t h i np l a s t i cp a r ta r ei n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t b a t c h i n j e c t i o nm o l d i n ge x p e r i m e n t s w e r e d o n e ，b yk e e p i n g o t h e r p a r a m e t e r s c o n s t a n t ，c h a n g i n gt h ea i mp a r a m e t e r t h ei n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nv e l o c i t y , t h em o l d t e m p e r a t u r ea n dt h ep l a s t i cm e l tt e m p e r a t u r ea r em a i n l yi n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l te x p r e s s e dt h a tf i l l i n gr a t i oo fs u p e r t h i np l a s t i cp a r ti n c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo f i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nv e l o c i t y ，t h em o l dt e m p e r a t u r ea n d t h ep l a s t i cm e l t t e m p e r a t u r e a n dt h em o l d t e m p e r a t u r e i st h em o s t i m p o r t a n t f a c t o ro ft h e i n j e c t i o n p a r a m e t e r s w h e nt h em o l dt e m p e r a t u r ei s h i g h ，t h ep a r t s f i l l i n gr a t i oi sv e r yg o o d e v e nt h e i n j e c t i o nv e l o c i t yl sv e r ys l o w k e yw o r d s ：m i c r om o l d i n g ；s u p e r - t h i np l a s t i cp a r t s ；m o l d i n gc h a r a c t e r i s t i c ；p r o c e s s p a r a m e t e r ：i n j e c t i o nm o l d i n g ； 超薄塑件成型特件研究 1 绪论 注射成型( 称注塑) 是塑料的主要成型方法，其生产效率高，能成型外形复杂、尺 寸精确或带嵌件的注塑制品；对各种塑料的加工适用性强，因此广泛应用于国防工业、 航空、交通、电气、机械、建筑、文教、卫生、日用品等各个领域。 1 1 注塑理论的发展 注塑是一种以高压高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后，得到和 模具型腔形状一致的塑料制品的一种成型方法。因此，注塑的必要条件为：一是塑料必 须是以熔化的状态进入模腔；二是塑料熔体必须具有足够的压力和流速，以保证能够及 时充满模腔。所以，注塑机必须具备塑化、注射和成型三个基本职能。注塑机主要由注 射装置和锁模装置两大部分组成。注塑装置的主要作用是完成塑料的塑化和注射两个基 本职能。注射装置应具有塑化良好，计量准确，且在注射时能给塑料熔体提供足够的压 力和速度。锁模装置应保证成型模具可靠开合，使模具完成基本职能。锁模装置应具有 足够的合模力，以防止注射时在熔体的压力作用下使模具打开，从而使制品产生飞边或 精度下降。 注塑中的塑化过程是将固体状的塑料颗粒料经过加热、压实、混炼，从而使之转变 为均化的粘流态的过程。所谓均化，是指将塑料熔体混合，使之温度达到均匀地分布， 并使塑料熔体具有均匀的密度、粘度和组分。已塑化的塑料以熔融状态储存于料筒的存 料区中，在注射压力的作用下，熔料以一定的速率流经料筒、喷嘴，模具浇注系统等处 注入模腔中，整个过程就是塑料熔体的注射过程。 1 1 1 塑化理论发展简介 注塑的塑化阶段的主要职能是熔化塑料，这一阶段中塑料熔体的质量( 如塑化均匀 性、温度分布均匀性等) 以及塑化能力，在很大程度上决定着制品质量与生产效率，备 受人们关注。 目前有关注射螺杆的设计理论，大多仍然以挤出机螺杆三个职能划分为基础，即加 料段的固体输送理论、熔融段的熔融理论、计量段的熔体输送理论，合起来通称挤出理 论，以挤出理论作为注射螺杆的理论依据。由于注塑中塑化过程的复杂性，把注射螺杆 的塑化简化成挤出螺杆的塑化过程是可以理解的，在一定条件下是可以接受的。在挤出 理论指导下设计出来的各种新型螺杆已在注塑塑化装置上得到了广泛地应用，如分离型 螺杆，屏障型螺杆等。 2 0 世纪7 0 年代初期，d o n o v a n 采用了l d p e 、p v c 、a b s 等塑料进行注射试验研 究，研究基于稳态挤出熔融模型的熔化问题；以瞬态行为作为研究前提，提出了往复螺 超薄塑件成型特性研究 杆式注塑机瞬态熔融理论模型。1 9 7 2 年s c h o n e w “d 等人首次研究了注射过程熔体温度 的影响因素，同年p e t e r 也研究这一问题。研究表明，螺杆转速和背压对熔体温度的变 化没有影响而c h a n d r a 的研究表明，熔体温度的变化受螺杆注射压力和背压的影响。 此后，人们加强了对注射塑化过程熔体温度变化及其分布规律的理论、试验及测量方法 等方面的研究。1 9 8 6 年k a m a l 等人在总结前入研究成果的基础上采用了新的测量方 法，评估了背压以及机筒加热区各温度对熔体温度的影响。1 9 8 8 1 9 9 0 年a m a n o 等人 研究了成型工艺条件对熔体温度的影响，从而得出了熔体温度的轴向分布规律及三维熔 体温度分部规律，此后又研究了螺杆几何参数对熔体温度的影响。研究结果表明，熔体 温度变化及分布规律主要取决于螺杆的几何结构和成型条件，这些影响因素将决定狙化 过程物料的热历程。 11 2 注射理论研究发展简介 为了探索注射理论，人们对注射阶段的充模过程的数学模型和理论进行了大量的研 究。 2 0 世纪5 0 年代初期，s p e n c e r - g i l m o r e 利用圆盘形模腔及可视化手段，发表了有关 充模过程研究的开创性文献，这些文献提出了等湓充模模型并进行熔体流动机理、熔 体前沿位置、充模压力损失、熔接痕的形成，并导出相关的经验公式。通过对充模过程 的观测，创立了充模过程的可视化研究方法。 2 0 世纪6 0 年代，注射理论主要研究在特定条件下，塑料能否容易注塑。b a l l m a n 等人研究了矩形模腔的充模模型，同时还提出了注射充模过程中的分子取向理论。后来 由r o s e 提出的充模过程的“喷泉效应”，用于描述熔体流动前缘区的流动分析。p e r s o n 提出了矩行模腔的非等温充模模型，并提出一系列的模拟和数值分析方法，还提出了中 心浇口圆盘充模的非等温模型。 2 0 世纪7 0 年代，研究者们开始研究充模过程的动量和热量传递问题，h a r r y 等人 把能量方程应用于矩形模腔的研究，创立了一维半稳态充模模型。 2 0 世纪8 0 年代是计算机模拟充模流动的年代，主要对两大类模拟类型进行研究。 第一类模拟类型是研究除模腔厚度方向外的其余两个方向上的二维流动问题。探讨这种 二维流动的目的是获取充模过程中的熔体压力分布、速度分布等可成型参数，由此预测 熔体在模腔流动过程的前沿形状和熔接缝位置。第二类模拟类型是研究熔体流动前缘在 模腔厚度方向和熔体流动方向上的二维喷泉流动。k a m a l 和l a f l e u r 等人认为，一个真 实模拟熔体充模过程必须满足三个方面：首先是该模拟过程能够描述成型过程中材料的 热一机械历程和可成型参数。如充模过程中流道系统、模腔以及熔体前缘的温度场、压 力场和速度场：其次是该模拟过程能够描述制品的微观结构，如结晶分布、晶体组织、 分子取向和残余应力等，再次是模拟必须能够预测制品的性能。如机械性能、光学性能 等。因此，一个完整的模拟过程既要判断制品能否成型，又要评估制品的质量。 进入2 0 世纪9 0 年代，计算机模拟熔体的充模流动得到了进一步的发展，且研究内 容多元化，所用的数值方法更加严密。有的研究把对充模分析的结论反馈给计算机系统， 用以及时调整注塑参数。在模具充模过程分析的计算机软件，如c f l o w 、c m o l d 、 超薄塑件成型特性研究 m o l d f l o w 等得到了广泛地应用。有些研究者自行开发注射充模分析应用软件。充模过程 的研究已成为最活跃的研究注塑理论研究领域”。 1 2 微成型技术的产生以及发展现状 12 1 微成型技术产生的背景 注射成型是目前世界上最普遍采用的一种重要的成型方法。它是根据金属压铸原理 从1 9 世纪末发展起来的。经过1 0 0 多年的发展，除极少数塑料外，几乎所有的热塑性 塑料和部分热固性塑料都可采用此法成型；采用这种方法可以在高生产率下成型各种形 状、满足各种要求的高精度、高质量塑件。目前通用的模具与注射机生产的塑件在精度 上可以达到i t 5 或更高，在重量上可达几万克。但随着科学技术的进步与发展，工业产 品正在向精密化与小型化发展，相应地对塑料成型也提出了同样的要求。 微系统技术经过十几年的发展，现己取得了长足的进展，它己在流体、医疗、光学 和电信等颁域取得了广泛的应用。为了开发微系统技术的潜力，实现微型部件的批量生 产具有重要的意义。现有的微型生产方法可以生产三维的单晶硅、纯金属和一些二元合 金部件；然而，多数情况下生产成本是非常高的。塑料在微系统中也是一种不可缺少的 原料，因为它可以通过注射成型技术进行批量部件的生产。微成型技术是一种可以进行 重复的批量生产复杂丽有精密微细结构塑件的制造技术。它是注射模具的一个新的分 支。应用微型注塑模具成型微系统中的构件，与目前应用在微系统领域的硅基材料构件 相比，其制造成本低，生产周期短，成型工艺简单，构件质量更易于保证。 1 2 2 微成型技术的概念 与常规注射成型技术一样，微成型技术包含微型注塑模具与微型注塑机两部分。目 前，还没有对微成型技术的确切定义，只是随着科学技术发展，所谓微型塑件的外形尺 寸以及重量的度量正在向微米和毫克级发展。微型模具是注射模具技术的一个颏的分 支，但它与常规注射模具有很大的不同。它们之间的最大区别就是他们的组成部分的尺 寸不同，以及它们的精度不同，微型模具的尺寸小，加工精度高。但也不是单纯的“小”， 它还有许多的问题存在，主要包括：模具、模具材料以及工人的操作部分与检测设备【2 j 。 微成型技术对注射机也有与常规注射成型不同的要求，德国亚琛理工大学的塑料科技学 院经过十几年的研究总结出微成型技术是对注射机的要求p 】：a ) 驱动单元准确性高， 噪音低，无污染。电动单元可满足要求，因为它的准确性高，工作效率高，无污染，并 且可以节省能源。b ) 配料单元要确保不吸入空气，并具有自动进料、干燥和计量功能。 c ) 塑化单元应能达到4 0 0 c 的温度，能使熔料均匀化，在此单元滞留时间短，因为熔 料在高温下易分解。d ) 注射单元最小注射量应能达到l 毫克，最大注射压力6 0 0 b a r ， 无泄漏。 超薄塑件成型特性研究 1 2 3 微成型技术的发展过程及现状 早期的微型注塑模具主要用于手表和照相机行业，日本的s a n y u 精密公司早在3 0 年前就为手表制造业开发了微型注塑机，以代替金属压制。但对现代意义上的微型塑件 以及对必要的精度生产出它们的装置和加工能力的需求始于1 9 8 5 年，并从此迅速增长 一】。微型塑件应用的例子举不胜举：手表和相机的零件、汽车安全触发气囊、硬盘和c d 驱动器的读写头、医用传感器、外科仪器以及电信元器件等。 进入2 0 世纪9 0 年代末期，微成型技术得到了快速和深入的发展，许多国家都对此 展开了研发工作。美国的m a k u t a 公司是美国微型模具制造业的先锋，它可制造体积只 有1 m m 5 ，尺寸误差在1 0um 之内，重量只有o 0 1 9 甚至更轻的塑件【5 1 。日本的s a n y u 精密公司在本国和东南亚已拥有3 5 0 余台微型注塑机，其7 0 的产品是打印机部件，其 为激光打印机加工的齿轮具有3 “i l l 的同轴度和2 1 1m 的表面精度。很多的注射机制造 商都十分关注微成型技术，德国的d r b o y 公司开发的锁模力为1 2 0 k n 的1 2 a 注射机， 注射量仅为o 0 1 5 9 。 奥地利的b a t t e n f e l d 公司在1 9 9 8 年的展览会上展出了其适用于医学、自动化和手表 制造业的能成型重量小于o 1 9 塑件的m i c r o s y s t e m 5 0 单元系统，其柱塞肖径只有5m m ， 集成型、检测、包装功能于一体；它已不是常规意义上的注塑机，它类似于一个微型工 厂。其在展览会上展出的塑件包括一种高精度的重量为o 0 0 2 9 的传感器( 材料为p c ) ， 一个手表上的齿轮( 材料为p o m ) ，还有一个用4 0 玻璃纤维增强的l c p 做成的重为 o 0 1 6 9 的凸轮从动杆。这三种塑件都是采用一模四腔结构生产出来的。该系统工作过程 如下：动模型腔安置在一个工作台上，注射成型后旋转1 8 0 。塑件脱模。塑件的脱模是 由吸附垫完成的，它还能保证塑件间的分离和定向，使塑件便于后续的质量检测和包装。 接下来有一专门的成像装置用来保证1 0 0 的质量监控，不合格的产品会被自动抛弃【4 】。 成型和照相检测之后立即进行气泡包装，它会保护塑件不受损坏和便于后续的操作。系 统是完全封闭的，避免了环境对塑件的污染以及该系统对环境的污染。 关于微成型技术的基础研究工作，各国也同期进行。德国亚琛理工大学的塑料加工 学院与f e r r o m a t i km i l a c r o n 公司合作开发了一种螺杆与柱塞复合式注射系统，并在1 9 9 4 年开始投入市场，它的注射量在o 1 4 9 6 1 。在此之前，微型塑件的直接生产还是一个问 题，因为没有合适的注塑机能胜任单个微型塑件的生产，所以一般采用虽然精确但很大 的浇口来实现必须的注射量。如m a r k l i n 迷你俱乐部铁路机车头灯的光导元件，材料是 有机玻璃，其重量分别为0 0 2 4 9 和o 0 0 9 9 ，但是包括浇1 2 1 在内的注射量却达0 5 5 3 9 。微 型塑件的重量只占全部注射量的1 6 。由于回收材料性能达不到光导装置的质量要求， 浇口的回收料不能用于同一塑件的生产，9 4 的材料摆浪费了【6 】。为了达到新的注射范 围( 小于o 0 l g ) ，德国亚琛理工大学的塑料加工学院又开发了一种新型的微型注塑机。 其喷嘴是一圆锥形喷嘴，它能够被单独的加热并与其他零部件很好的绝热 6 。此后，针 对不相容聚合物制造的微型结构和微型装配，他们又开发了复合微系统的微装配注塑成 型技术，可以将不同中的塑料组合在一起产生特定的功能结构 7 。 其他在微成型方面具有代表性的研究有： 美国的路易斯安那州大学的微系统工程研究组开展了利用l i g a 技术生产微型嵌件 超薄塑件成型特性研究 具有大高宽比的微型结构的塑件微成型研究【8 1 。 新加坡南洋理工大学开展了微型制品的粉末注射成型技术的研究【9 】，其目的是为弥 补塑料在电、磁、化学等性能方面的不足，来扩大微成型技术的应用范围。 德国美因兹微细技术研究所开展了工程塑料微成型行为的研究以及在晶片上制造 微型结构塑件的研究【i 。 德国卡尔斯鲁厄的r r u p r e c h t 等人扩大微成型技术的研究范围，将热压成型、反应 注射成型、微型精密铸造等技术应用于大高宽比微型塑件的成型 1 1 , 1 2 。 1 3 课题的提出以及研究内容和方法 本课题在选题过程中综合了国内外微成型技术的实际发展情况，提出了超薄塑件成 型特性的研究，超薄塑件属于结构较简单的微型塑件的一种，超薄塑件成型特性研究是 开展微成型技术研究的基础。如上所述，微成型技术的研究还处于初期发展阶段，它是 注塑模具一个崭新的分支，微成型技术的研究只有十几年的历史。目前还没有确切的关 于微成型技术的定义，理论体系尚没有形成，有关的试验数据掌握的也非常少。开展超 薄塑件成型特性的研究有助于积累经验，为深入开展微成型技术的研究打下良好的基 础。 本课题设计制造了一套超薄塑件注塑成型模具，专门用于超薄塑件的成型试验。 应用c m o l d 模流分析软件分析该模具中塑件的成型过程，并分析模具温度、熔体温 度等工艺参数对充模行为的影响。 试验研究超薄塑件的成型特性，主要研究注射压力、注射速度、模具温度、熔体温 度等工艺参数对塑件充模率的影响规律。 具体方法是保持其他工艺参数不变，改变目标参数，观察其对塑件充模率的影响。 并与模流分析软件得出的结果进行比较，检验模流分析软件分析结果的准确性，因为现 有的模流分析软件都是基于常规注射成型技术开发的，是否能够对微型塑件的成型过程 进行准确的模拟有待进一步验证【l ”。 超薄塑件成型特性研究 2 塑料成型基本理论 2 1 注塑塑料及其性能 2 11 塑料组成 塑料属于有机高分子材料，其基本成分是天然树脂或合成树脂。树脂是高分子化合 物，其分子由无数个单体构成，这些单体单元称为链节。树脂的一个分子中可以包含数 百、数千甚至数十万个链节，因此树脂的相对分子质量( 即分子量) 可以由数万、数十 万到数百万。树脂的一个大分子中所含链节数称为聚合度。一种树脂的无数个大分子中， 聚合度会有很大差别，使相对分子质量具有很大差别，称为分子质量的多分散性。这是 由于生成树脂时，单体之间的反应过程中，分子链的增长是一个随机的过程，又受各种 复杂因素影响，使各个大分子的链长有很大差别。因此，树脂的相对分子量总是用平均 值来表示。同一种树腊，平均分子质量相同，相对分子质量的分散性可能会有差别。平 均相对分子质量和相对分子质量分散度对树脂的许多性能，特别是力学性能，例如拉伸 和弹性、流动性都有重大影响。平均相对分子质量越大，流动性越差。平均相对分子质 量相同，相对分子质量分散性愈小，力学性能愈好。 2 1 2 塑料热性能 在进行塑料模设计及其分析时，材料的热力学数据必不可少。通常，这些数据是温 度和压力的函数。材料热力学数据可否取为常数，取决于所考察特定体系的温度和压力 范围。在注塑模中，聚合物熔体均处于熔融区或结晶温度以上，因而塑料的热力学数据， 经常可以取做常数。 ( 1 ) 密度和比体积 聚合物的比体积v 。它和密度d 的关系为 y 。= 圯对一般聚合物，v p 随温度的升高增大。 7 ， ( 2 ) 导热系数如图2 - i 所示，导热系数凡为温度的函数。有资料表明：压力 小于3 0 m p a 时， 随压力的变化小于5 ，而且常被流动过程中分子取向的各向异性所 掩盖，因此考虑压力对九的影响，意义不大。 ( 3 ) 热扩散率 在稳态温度场时，仅需考虑材料的导热系数。但在非稳态过程中( 如注射模的充模 与冷却分析) ，导热系数x 与熟储存能力的比值很重要。此比值称之为热扩散率，其表 达式为 a 2 去 c p 是比热容口图2 - 2 是热扩散率a 与温度t 的关系a 超薄塑件成型特性研究 螽。 缁 蕞 曲 a 0 l d p i 攀 e p v c划 _ _ 一r p m m a k 乙一 ， p s p p a 5 01 0 0l5 02 0 0 2 5 0 温度 囤2 一l 导热系数图 e e 口 舞 蜗 接 b n b p 。p e | l 乡 l d p 测 = 鲁= 旨 h d p i ：_ ，j 一 、w 造 涉 诒 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 温度c 图2 - 2 热扩散系数与温度关系图 f i g2 - 2r e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r e a n dc o e f f i e i e n to fh e a td i f f u s e ( 4 ) 热焓 热焓h 是在特定温度下单位质量的材料之热含量。焓不能绝对的量度，它总是与某 一参考温度( o 。c 或2 0 。c ) 有关。在计算塑料模具加热或冷却时间的能量转换时， 须使用热焓。 ( 5 ) 不流动温度 不流动温度是指塑料在一定的载荷和阻力下，不发生流动的最高温度。它的作用是 在注射模分析过程中，作为温度的截止点。也就是当实际温度低于塑料不流动温度时将 其剪切速率设定为零。不流动温度也叫做滞流温度。 ( 6 ) 特征温度 塑料的特征温度有玻璃化温度t | 、熔点t 、流动温度t f 、分解温度t ，t 。是聚合物 材料一个重要的特征温度。是聚合物工作温度上限。聚合物由高弹态转变为粘流态的温 度称为流动温度t 。，处于粘流态的聚合物，模量进一步大幅度下降，完全丧失了承载能 力。几乎所有聚合物，成型加工时都必须加热至粘流态，利用粘流态时的流动性获得各 种要求的形状，再冷却到玻璃态或通过化学铰链固化成为能保持这种形状的产品。因此， 流动温度t 。是聚合物的又个重要特征温度，是聚合物加工温度的下限。 对于结晶型聚合物，个重要的特征温度是从结晶相转变为熔体的熔融温度r 成为 超薄塑件成型特性研究 熔点，以t ，表示。t 。相当于无定形聚合物的t ，但它是一个相变温度，比t ，具有更窄的 数值也不像t f 那样受相对分子质量大小的影响。t 是结晶型聚合物的加工温度下限。 处于粘流态的聚合物，当温度进一步于 高时，就会健分子链鸽降解加尉，当温度升 高到使聚合物分子链明显降解时，成为分解温度，以t 。表示。聚合物的加工温度，应控 制在低于t d 的温度范围内。不同聚合物的t 。与t 。的差值( t 。一t 。) 不同，( t 。一t ：) 愈大， 聚合物允许加工的温度范围愈宽，愈有利于成型加工。 21 3 热塑性塑科的流动往 所有塑料都是在熔融塑化状态下成型托工抟，流动性是指塑料材科加工为酃品的过 程中所应具备的基本特性，它标志着塑料在成型条件下充满模腔的能力。流动性好的塑 料容易充满复杂的模腔获得精确的形状。热塑性塑料的流动性是用熔体流动速睾指数， 简称熔融指数( m f i ) 来表示的。熔融指数是指将塑料在规定的温度下使之熔融并在规 定压力下从一个规定直径和长度的仪器口模中挤出。在l o m i n 内挤出的材料克数“。熔 融指数愈大，材料流动性愈好。熔融指数是热望性塑料规定品级的重要数据。同一品种 的塑料材料，规定出各种不同的熔融指数范围，以满足不同成型工艺的要求。注塑级的 塑料就比挤塑和中空吹塑用料具有较大的熔融指数。由于熔融指数不仅与相对分子质量 有关，还与相对分子质量的分散性有关，平均相对分子质量相同，但相对分子质量分散 性不同的树脂，熔融指数亦不相同，因此，熔融指数与材料的工艺性能并无严格的对应 关系。 2l3l 粘性流动行为 在塑料成形过程中，除极少数几种工艺外，均要求塑料处于粘流态。因为在这种状 态下的塑料不仅易于流动，而且易于形变，这给其输送和成型制品带来极大方便使之 大规模的工业化生产成为可能。熔体流动和形变都是在外力的作用下实现的。其中最为 重要的是剪切应力，因为成型时塑料熔体在设备或模具中流动的压降、所需功率以及制 品质量等均受其制约。剪切力还直接影确郅溶体轱度。 ( 1 ) 牛顿粘性定律 牛顿在研究低分子液体的流动时，发现剪切应力和翦切速率存在羞一定关系可表 示为：r = ( 害) = y表明液层单位面积上所施加的剪切应力t 与液层间的速度梯 度( d ，d ，) 成正比。这就是著名的牛顿粘性定律。其中u 为比例常数，称为牛顿祜度， 它是液体本身固有的性质，其大小表征液体抵抗外力流动变形的能力。 ( 2 )粘性系统流体 根据非牛顿型液体的剪切应力与剪切速率问呈现非线性关系的不同特征，非牛顿型 流体又可以分为粘性系统、有时间依赖性系统和粘弹性系统三大类。其中与模具密切相 关的是粘性系统。这类流体流动时，其剪切速率只依赖于所施加剪切应力的大小，而与 剪切力所施加的时间无关。它的普适性亳占流方程可表示为：y = ( r ) ，根据漉体函数关 超薄塑件成型特性研究 系式性质的不同，又可分为： 1 ) 宾哈流体( b i n g h 8 1 1 1f l u i d ) 其粘性流动方程可表示为：t t ，= 1 1 。 ，( - t ，) 式中，p ，为流体的粘度或刚性系数。宾哈流体之所以有这种流交行为，原因是当 外加应力超过t ，时，这种流体内部的凝胶性结构才全部崩溃，并开始流动。在塑料工 业中，几乎所有聚合物的浓溶液和凝胶性塑料的流变行为，都与宾哈流体相近。 2 ) 假塑性流体 描述假塑性流体流动行为的经验方程中，具有使用价值的要推冥律函数方程： r = 七( 考 ”= 后；4 c n l 。 - 一l 即f = 盯y署叩。= j ( 鲁“= k y 显然，这种流体具有剪切变稠的特性，属不适宜用剪切力加工成型的材料。幸运的 是这类塑料熔体极少。 2l3 2 影响粘性流动的因素 粘度是描述塑料熔体流动行为的重要量度，为塑料模具设计不可缺少的工艺数据 分析了解其影响因素非常重要。 ( 1 ) 温度的影响 粘性流动通常可用阿雷尼厄斯( a r r h c n i u s ) 方程来描述粘度对温度的依赖性。 叩= 仉e x p 【鲁( 争一寺) 式中e 流体的活化能( e ( ，) 或e ( f ) ) ( k i m 0 1 ) ； r 分子能常数( 8 3 2j f m o l k ) t 流体温度( 。c ) 9 超薄塑件成型特性研究 t o 基本温度( 。c ) 吼基本温度下的粘度( p a s ) 。 ( 2 )压力的影响 聚合物的聚集状态，实际上存在很多微小空穴，即所谓“自由体积”，从而使聚合 物熔体有了可压缩性。在模塑过程中，塑料熔体受到自身的流体静压力和外部施压的双 重作用。熔体中“自由体积”减小，大分子间的距离缩短，链段活动范围变窄：而分子 间的作用力增加，以致于流体的粘度增大。 在生产控制过程中，通过改变压力或温度，都能获得相同的粘度变化效应，通常把 这种相关的变化效应称之为压力，温度效应，并以符号( t p ) 。表示之。 ( 3 ) 剪切速率的影响 塑料熔体的一个显著特征是具有非牛顿性，其表观秸度随剪切速率或剪切力的升高 而降低。在相同情况下高，下的粘度值可比低，下的粘度值小几个数量级。 2 2 注塑原理 2 2 1 螺杆式塑化过程 注塑中的塑化过程是将固体状的塑料颗粒料经过加热、压实、混炼，从而使之转变 为均化的粘流态的过程。塑化过程中热源有如下三种方式。第一，热从外界热源中传入， 靠塑料自身的导热性进行传递。用于柱塞式注塑机，例如，注塑机的料筒借助于电热元 件从外部加热，料简内的塑料通过热传导和热交换吸收外部的热量，使塑料软化和熔融。 第二，部分的热量是靠塑料的导热性从外部热源中引入。另一部分的热靠摩擦力( 剪切 力) 所做的功转化为热量而得到，如螺杆转动所产生的摩擦热或剪切热。第三种热仅靠 摩擦及剪切所消耗的机械功转化，通过机械能转化为热能，使塑料软化，即所谓的“自 热”。第二、第三种方式应用于带螺杆的塑化装置的注塑机或挤出机。柱塞式注塑机塑 化时，靠加热的料筒把热量传给塑料使其软化和熔融，但物料的混合程度较差，料筒中 的塑料熔体无论在横截面上( 径向) 或是长度方向上( 轴向) 都存在着很大的温度梯度。 在螺杆注塑机的塑化过程中，塑料熔体在螺槽内做横向流动，使塑料熔体在螺槽内产生 翻转运动并形成环流，这促进了物料的混合，所以在径向上熔体可以达到很大程度的均 匀性。但是在轴向上仍保持一定程度的不均匀性，这可以通过改善螺杆的结构和尺寸来 加以改善。 塑化时，若不考虑热量的损失，则能量的平衡条件为： h _ h 1 + h 2 + h 3 + h 4 h 塑料所吸收的总热能； h 。塑料吸收对流热交换的热能； h ：塑料吸收热传导的热能； h 3 塑料吸收由机械摩擦热产生的热能； 1 0 超洱墅件成型特性研冤 _ 地塑料吸收由剪切力作用所产生的热能。 ( 1 ) 工作过程 注塑机中的螺杆式塑化装置如图2 3 所示，塑料通过转动的螺杆的输送作用，不 断沿螺槽方向向前运动。塑料在这种运动过程中，经历了料简的加热、螺杆摩擦热及剪 切热的共同作用，逐步受热软化，最后成为熔体( 即处于熔融粘流状态) 。熔体在螺杆 的转动作用下被推至螺杆头部并贮存在料简前端的区域( 即存料区) ，存料区中的熔体 具有一定的压力，熔体压力作用于螺杆上推动螺杆往后退，螺杆能否后退及后退的速度 的大小，取决于螺杆后退时所要克服的各阻力的大小( 如摩擦阻力、注射油缸内工作油 的回泄阻力即注射油缸的背压，也称螺杆背压) 。螺杆退至一定距离后，就停止转动， 存料区中熔体体积( 即注射量) 也就被确定下来。此时预塑计量过程结束。注射时，螺 杆做轴向运动，将存料区中经计量好的熔料注射入模腔中。 图2 - 3 螺杆式辇化装置图 f i g2 - 3e q u i p m e n to f s c r o wm e l t 1 螺杆2 机筒3 料斗4 注射油缸5 - 液压马达6 - 移动油缸7 - 导柱 若改变螺杆的背压，也就是说改变了螺杆塑化时头部的熔体压力，塑料在螺槽内的 流动状态会发生相应的变化，从而使塑化状态得到了相应的调整。螺杆背压对螺杆塑化 能力和塑化温度的影响见图2 - 4 所示。当螺杆背压增加时，熔料在螺槽中的倒流( 回流) 增加，这样便增加了塑化时间，同时由剪切产生的热量也相应增加。所以提高背压，可 以改善熔料的均匀化程度，但相应的熔料温度会增高，螺杆的输送能力则会下降。 塑 化 能 力 背压背压 图2 - 4 r i g2 - 4 综上所述，注塑机螺杆的工作是在周期性工作条件下连续进行的，根据螺杆不同工 作状态，其塑化过程主要包含两个阶段。 第一阶段为螺杆转动阶段。这一阶段与挤出过程相似，可以借鉴挤出机的工作原理， 但必须注意螺杆工作时的特点，即螺杆一边转动塑化物料，一边后退，螺杆后退距离由 超薄塑件成型特性研究 注射量所决定。 第二阶段为螺杆静止阶段。这一阶段的固体床继续熔融的热量仅来自外部热源。当 螺杆再次转动时，已增厚的熔膜会被螺棱逐渐刮入熔池，使固体床与熔膜的界面恢复到 原分布状态。注射螺杆的结构按塑料在螺槽所处的不同状态，可以划分为加料段、熔融 段和计量段，见图2 5 所示。塑料在注射螺杆中的物态变化以及螺杆的三段的基本职能， 如图2 - 6 所示。 一a 旋转 图2 - 5 注射螺杆基本结构 f i 9 2 5s t r u c t u r eo rs c r e w 图2 - 6 塑化过程简图 f i g2 - 6p r o c e s s & p l a s t i cm e l t i n g ( 2 ) 固体输送过程 塑料从加料斗进入螺杆后，在转动的螺杆作用下。通过料筒壁面和螺杆表面的摩擦 作用向前输送和压实。 ( 3 ) 熔融过程 注射螺杆的塑化过程主要发生在螺杆的熔融段，在这一段中塑料的熔融是逐渐产生 的，螺杆的塑化过程就是螺杆轴向后退移动的计量过程，螺杆的后移使螺杆的有效工作 长度逐渐减短，这样塑料在注射螺杆的一次塑化过程中，先前和其后加背入的塑料所经 受的热历程就存在明显的差异，因此注射螺杆的塑化能力随螺杆有效工作长度的缩短而 逐渐下降，同时塑化了的熔体温度沿螺杆长度方向上的分布是不均匀的。 1 2 超薄塑件成型特性研究 当螺杆计量结束后，注射螺杆就处在静止( 停止旋转) 状态。在螺杆静止阶段，从 机筒传导而来的热量会使固体床继续熔融，使熔膜增厚，当螺杆再次转动时，熔膜将被 逐渐刮入熔池，使固体床与熔膜的界面回复到原先的分布状况。 综上所述，注射螺杆在周期性的工作过程中，其塑化过程主要包括两个阶段。第一 阶段为转动塑化阶段，其熔融过程与螺杆相似。第二阶段为螺杆静止阶段，在这一阶段 熔膜厚度会继续增厚。 ( 4 ) 熔体输送与计量过程 当注射螺杆转动塑化时，熔化了的塑料熔体从螺杆计量段中流出，这时熔体聚集在 料筒前端形成存料区，存料区中存储的熔体体积即为注射螺杆的计量m ，同时由于螺杆 头部存料区中存在一定的熔体压力p 。在熔体压力作用下，螺杆后退，其后退距离成为 计量行程( 嫘杆行程) 。因此，注射螺杆转动塑化过程就是熔体的输送过程，也是熔体 的计量过程。 2 2 2 注塑过程 已塑化的塑料以熔融状态储存于料简的存料区中，在螺杆注射压力的作用下，熔料 以一定的速率流经料筒、喷嘴、模具浇注系统等处注入模具型腔中。螺杆注射时作用在 熔料上的压力要克服熔料所流经的各部分流动阻力而逐渐下降，熔料能否充满模腔，主 要取决于注射压力、熔料温度、模具温度、浇口及喷嘴的形状尺寸等因素。在其他工艺 条件一定的情况下，熔料所能流过的路程长短，主要取决与熔料的压力和流动速度，见 图2 7 所示。 流 入 长 度 注射逮度 图2 7 熔料流入长度与压力及速度的关系 f i g 2 - 7r e l a t i o nb e t w e e np e n e t r a t i o n l e n g t ha n dt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo fi n j e c t i o n 2 3 注塑操作过程及工艺 2 3 1 注塑操作过程 注塑过程从所要完成的工艺内容可以大致分为：预塑化、合模、注射座前移、注射、 保压、注射座复位、制品冷却开模、制品顶出等动作组成的周期性过程。如图2 8 所 示。 超薄塑件成型特性研究 图2 8 工作循环周期图 f i g2 - 8c y c l eo f i n j e c t i o nw o r k 择 ( 1 ) 合模和锁紧注塑周期通常以合模动作为起点。在合模过程中，模具闭合过程 中的移动速度应该是慢侠慢的变化过程。慢速启动后，模具首先以较低的压力快速闭 合，当动模与定模快要接近时，合模装置的动力系统在电气和液压系统的控制下，自动 切换为低压低速，在确认动、定模之间的模腔无异物存在时，再切换成高压将模具合紧 ( 即高压锁紧) 。 ( 2 ) 注射当确认模具合紧后，注射过程开始。 ( 3 ) 保压当塑料熔体被注射到模腔里后，由于模壁的冷却作用，注入模腔内的塑 料熔体便产生冷却收缩，为了得到致密的制品，必须对熔体保持一定压力进行补缩，以 填补熔体在模腔中收缩的空间，此时螺杆作用于熔体上的压力称为保压压力。在保压过 程中，螺杆因补缩的作用会有一定量的轴向位移。能否正确选择保压压力和保压时间， 对制品的质量有很大影响。 ( 4 ) 制品冷却和预塑化当模具的浇口封闭后，再也没有熔体进入模腔，此时保压 阶段结束，注射油缸的保压压力油被卸去。一方面制品在模腔内继续冷却、固化定型， 另一方面在机简内的螺杆在驱动力的作用下，来自料斗的塑料被向前输送；在杌筒外部 加热及螺杆转动的共同作用，塑料开始塑化，经塑化后熔体进入机筒的存料区。 ( 5 ) 开模顶出制品模腔内的制品经过一定时间的冷却定型后，合模装置开启模具， 并顶出制品。 2 3 2 注塑工艺参数 2 32 1 注射部分的工艺参数 ( 1 ) 注射压力注射压力是籀注射时螺杆头部作用于烙体上的压力。注射压力可由 如下公式求得：螺杆作用熔体上的总推力等于液压油缸推动螺杆的力，即： 注射压力螺杆截面积= 液压油缸压力x 油缸的有效受油面积 1 4 超薄塑件成型特性研究 注射压力在注塑中所起的作用是，克服熔料从机简流向模具型腔的流动阻力，给予 熔料以一定的充模速度，并对熔料进行压实。 注射压力的选择取决于诸多因素。如塑料性能、制品几何形状、模具结构、模具温 度等。归纳起来主要有以下三个方面： 1 ) 影响塑料熔体流动性的因素如塑料的熔体指数m i 、塑料温度、模具温度及注射 速率等； 2 ) 影响流动阻力的因素如制品和浇注系统的形状和尺寸、模具流道等； 3 ) 对制品精度的要求。 根据目前对注射压力的实际使用情况，注射压力的选择可按如下原则进行确定： 1 ) 加工流动性好的塑料，形状简单的厚壁制品。注射压力可取7 0 m p a 以下； 2 ) 加工的塑料具有粘度较低，制品形状一般，对精度有一般要求的制品注射压力 取7 0 1 0 0 m p a ； 3 ) 加工的塑料具有中等粘度如聚乙烯、聚碳酸酯等制品形状一般；但有一定精度 要求，注射压力取1 0 0 1 4 0 m p a ； 4 ) 自n - f - 塑料具有较高得粘度如有机玻璃、聚苯醚等，薄壁长流程，制品壁厚不均 匀且精度要求高的制品，注射压力约取1 4 0 1 8 0 m p a 。对加工优质精密微型制品，注 射压力甚至高达2 3 0 2 5 0 m p a 以上。 表2 1 列出了部分塑料在注塑时所需注射压力。 加工条件 塑料 易流动厚壁制品中等流动长度难流动、薄壁窄浇口制品 a b s8 0 u 01 1 3 01 3 0 1 5 0 聚苯乙烯8 0 1 0 01 0 0 1 2 0 1 2 0 1 5 0 有机玻璃 1 0 0 1 2 01 2 0 1 5 0 1 5 0 聚酰胺 9 0 1 1 0l l o