（机械设计及理论专业论文）导光板精密注射成型装备关键技术及工艺的研究.pdf

摘要 导光板精密注射成型装备关键技术及工艺的研究 摘要 本文围绕精密透明光学制品 导光板的注射成型装备的关键技术 和成型工艺展开研究 导光板是l c d 背光模组里的一个重要组件 要求 有一定的透光均匀度和灰度 小尺寸导光板一般采用注射成型 能否注射 成型合格的导光板是衡量我国注塑装备水平的一个重要体现 国产注塑机成型导光板时 制品存在焦黄 黑点等缺陷 经分析主要 为塑化机构存在问题 本文主要针对导光板的塑化机构进行研究 优化设 计了导光板注塑成型专用螺杆 注射螺杆是塑料注射成型机中最关键的零 件 对物料的输送性能 塑化性能有着直接的影响 特别是在成型制品质 量要求很高的情况下 螺杆结构是否合理则成为一个非常重要的问题 本 文利用专业c f d 软件p o l y f l o w 对不同螺棱宽度 螺槽深度的注射螺 杆计量段进行了三维等温非牛顿流场模拟 通过模拟计算 讨论不同螺棱 宽度 螺槽深度对导光板物料 聚碳酸酯 p c 熔体输送性能的影响 得 到最佳结构参数 经结构优化得到的导光板专用螺杆的另一个关键问题在于螺杆的表 面处理 表面处理的目的是为了获得高的表面硬度 耐腐蚀性和光洁度 对于导光板专用螺杆来说最主要是获得和p c 料好的剥离性能 对试块进 北京化丁大学硕士学位论文 行不同的表面处理 然后在试验台上进行p c 料的剥离实验 从实验结果 可以得到 电刷镀镍钨合金 物理气相沉积两种工艺可以大幅度提高剥离 性能 而且表面光洁度高 耐腐蚀 企业试车 与常规镀硬铬螺杆相比 大幅的降低了导光板制品的次品率 试车结束后螺杆表面完好 而镀硬铬 螺杆镀层出现脱落和物料降解黏结在镀层表面的现象 研究了镀层和导光 板材料 p c 料剥离性能的关键影响因素 发现剥离性能和镀层微观表 面质量有关 解决了导光板成型装备的问题 要注射成型优质的导光板 还必须对 成型工艺进行优化 本文利用模流分析软件m o l d f l o w 对导光板成型的保 压条件 模温 熔体温度 冷却回路等工艺条件进行模拟 分析所产生的 翘曲变形量 残余应力及体积收缩率 最终确定了导光板注射成型的最佳 工艺参数 关键词 精密注射成型 导光板 注射成型工艺 螺杆 表面处理 剥离 性能 摘要 r e s e a r c h o nk e yt e c h n o l o g yo fl i g h t g u i d e p l a t ep r e c i s i o n i n j e c t i o nm o l d i n g e q u i p m e n t a n dp r o c e s s i n gc o n d i t i o n a b s t r a c t t h i sa r t i c l er e s e a r c h e do n e q u i p m e n ta n dp r o c e s s i n g f o r i n je c t i o n m o l d i n gt r a n s p a r e n to p t i c a lp r e c i s i o np r o d u c t s l i g h tg u i d ep l a t e t h el i g h t g u i d ep l a t ew a sa ni m p o r t a n te l e m e n to ft h el c db a c k l i g h t m o d u l e i t d e m a n d e dac e r t a i nd e g r e eo f t r a n s p a r e n c ya n du n i f o r m i t yo fg r a y s m a l ls i z e l i g h tg u i d ep l a t ew a sm a d eb yi n j e c t i o nm o l d i n g i ft h el i g h tg u i d ep l a t ec o u l d b em a d eb yo u rc o u n t r y si n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n tr e f l e c t e dt h el e v e lo f o u rc o u n t r y si n j e c t i o nm o l d i n g e q u i p m e n t w h e nt h el i g h tg u i d ep l a t ew a si n j e c t i o nm o l d i n gb yd o m e s t i ce q u i p m e n t t h ed e f e c t ss u c ha sb l a c ks p o t s y e l l o ww e r ea p p e a r e d t h em a i np r o b l e m s w a st h ep l a s t i c i z a t i o nb o d y f a i l u r e t h ep l a s t i c i z a t i o nb o d yf o ri n j e c t i o n m o l d i n gl i g h tg u i d ep l a t ew a sr e s e a r c h e do nt h i sp a p e r as p e c i a ls c r e wf o r i n j e c t i o nm o l d i n gl i g h t g u i d ep l a t ew a sd e s i g n e d i n j e c t i o ns c r e ww a so n eo f i i l 北京化工大学硕士学位论文 t h em o s tk e yp a r t so fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n et h a ta f f e c t e dt h em e l t c o n v e y i n gp e r f o r m a n c ea n dp l a s t i c i z a t i o ne f f e c td i r e c t l y i tw a sv e r yn e c e s s a r y f o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c tt oe s t a b l i s har e a s o n a b l es t r u c t u r eo f i n j e c t i o ns c r e w u t i l i z e dp o l y f l o w ac f ds o f t w a r e t oh a v et h r e e d i m e n t i o n a ls i m u l a t i o nf o rm e l tb o d yi nt h em e t e r i n gz o n eo fi n je c t i o ns c r e w s w i t hd i f f e r e n tf l i g h tw i d t h c h a n n e ld e p t h b ys i m u l a t i o n t h ee f f e c to n p e r f o r m a n c eo fp cm e l tc o n v e y i n gf r o md i f f e r e n ts t r u c t u r a ls c r e w sw a s d i s c u s s e d s u r f a c em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n tw a st h ek e yt od e s i g n et h es p e c i a ls c r e w f o rh je c t i o nm o l d i n gl i g h t g u i d ep l a t e t h ep u r p o s eo fs u r f a c et r e a t m e n tw a st o o b t a i nh i g hs u r f a c eh a r d n e s s c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds m o o t h n e s s a n d g o o d s t r i p p i n gp e r f o r m a n c ew i t hp cm a t e r i a l sw a st h em o s ti m p o r t a n t t e s t e da n d m e a s u r e dt h e p e e l s t r e n g t ho f p cw i t ht e s tb l o c ko fd i f f e r e n ts u r f a c e t r e a t m e n t f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s n i c k e l t u n g s t e na l l o yb r u s hp l a t i n g p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n t h et o wo fs u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s s i n gc a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e ds t r i p p i n gp r o p e r t i e s c o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n d s m o o t h n e s s c o m p a r e d t ot h es c r e wo fh a r dc h r o m i u m p l a t i n g c o m m i s s i o n i n go fs c r e w sw i t hp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o na n di o ni m p l a n t a t i o n s u r f a c et r e a t m e n ts h o w e dt h a tt h ed e f e c t i v er a t eo fl i g h t g u i d ep l a t ep r o d u c t s h a db e e nr e d u c e d i nt h ee n do ft r i a l r u n p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o ns u r f a c e t r e a t m e n ts c r e ww a si ng o o dc o n d i t i o n t h eh a r dc h r o m i u m p l a t e ds c r e w c o a t i n gw a si n v a l i d a t e d a n dw a sa d h e r e dd e g r a d a t i o np cm a t e r i a l t h e 摘要 i n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o a t i n ga n dp cm a t e r i a l s s t r i p p i n gp e r f o r m a n c ew e r e a n a l y s e d t h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i n go ft h el i g h tg u i d ep l a t ew a ss i m u l a t e d a n da n a l y s e db y u s i n gm o l d f l o w t h el i g h tg u i d ep l a t e s s i m u l a t i o n su n d e rt h e c o n d i t i o n so ft h ed i f f e r e n tp a c k i n gc o n d i t i o n s m o l dt e m p e r a t u r e m e l t t e m p e r a t u r e c o o l i n gl o o p a n ds oo n w e r ec o m p l e t e d t h r o u g ht h ew a r p a g e r e s i d u a ls t r e s sa n dt h es h r i n k a g er a t eo fc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h eb e s t i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ft h el i g h tg u i d ep l a t e s w e r e u l t i m a t e l yd e t e r m i n e d k e y w o r d s p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g l i g h tg u i d ep l a t e i n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s i n g s c r e w s u r f a c et r e a t m e n t s t r i p p i n gp e r f o r m a n c e v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立 进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担 作者签名 造 报鬓 日期 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允 许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可 以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在上年解密后适用本授 权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 作者签名 导师签名 日期 丝宰 圭里 第一章绪论 1 1 导光板成型现状n 吲 第一章绪论弟一早珀v 匕 目前导光板最大 最突出 最显著 最广泛的应用 表现在液晶显示方面 液晶 显示器 笔记本电脑 液晶电视和手机以及各类电子产品 包括传真机 复印机等办 公器材 计算器 学习机 数码相机等方面 近年来 m p 3 和m p 4 陆续走俏市场 各类学习机 记忆星都深入到人们的日常生活和学习之中 电脑的迅速发展及普及 大大刺激液晶显示器的技术不断革新 液晶显示以超强的实用性 无幅射优点 倍受 消费者青睐 而人类另一个伟大的发明移动电话 也就是手机 给人们的工作和生活 提供更为便捷途径 大大推动了导光板背光源和导光板产业的发展 由此可见 正是因为有着这样高的市场效益 导光板行业才会如此迅猛的发展 尽管原材料价格上涨 生产商获利空间仍相当可观 也在于导光板在电子产品液晶显 示方面的广泛应用 市场潜力巨大 未来的导光板市场非常广阔 1 1 1 导光板的定义 功能及分类 导光板英文名 l i g h tg u i d ep l a t e 产生于l c d 的应用 l c d 是通过背光源模组 来展现显示屏的亮度 而导光板正是背光源模组中较为重要的一个角色 导光板其实就是用来改变背光源光线传播方向 展现背光源亮度的塑胶薄板 多 用于l c d 液晶显示方面 材料多为p c 和p m m a 导光板主要功能在于将背光源入射光导向l c d 液晶显示屏 用以展现背光源和显 示屏的亮度 同时有透光辉度和透光均匀度的要求 光从背光源射出 在导光板里面进行传播 并在网点面发生折射 反射和全反射 部分光被导光板吸收 余下的光穿过导光板 入射到液晶材料 通过控制电路以实现 液晶显示 导光板按其形状分为平板和楔形板两大类 平板 从导光板入光处来看截面为 长方形 平板导光板应用广泛 因为自身厚度均一 在透光均匀度方面表现突出 但 在辉度方面不及楔形板导光板 楔形板 从导光板入光处来看一边为厚一边为薄成 楔形状 因自身厚度不一 在透光辉度方面表现突出 但均匀度不及平板导光板 导光板按制造原理分为印刷式和非印刷式两大类 印刷式导光板是在导光板上用 具有高反射率且不吸光的材料 如t i 0 2 s n 0 2 等半导体材料 在导光板底面采用网 版印刷上圆形可多边形的扩散点 它对光线折射和反射作用较高 网点制作投资小 北京化i 大学硕士学位论文 成本低 制作工艺较简单 网点设计灵活性大 但制程稳定性较差 更适合于中大型 导光板的生产 非印刷式导光板是利用精密横具成型 让导光板在射出成型中直接在导光板平面 形成密布的微小网点 此种导光板技术难度较高 投资大 网点设计加工成形后 不 可以更改 灵活性较差 但生产稳定性好 生产效率高 后期工序少 对光线折射效 果好 在透光辉度上表现优异 主要应用于小型电子产品方面 1 1 2 导光板的透光方式 反射堑 反射型透光方式 如图1 1 所示 的特点 反射型透光方式多用于室外用的摄影 机 录像机 资讯终端机等方面 其将日光 外部光 以匣射板反射回显示屏 功耗 小 导光板厚度也可减小 但不适用于夜间使用 故而为了能在夜间使用 实际加装 有冷阴极管作为光源 冷光源装在导光板后面 因而设备体积相对较大 但辉度方面 较好 圆 反驸拉 田1 1 反射型透光方式 f l g a 4 l i g h t r e f l e c t i v e t y p e 冷即擞竹 透过型透光方式特点 透过型透光方式 如图1 2 所示 多用在笔记本电脑 液晶电视等方面 因为多 采用楔形板 在均匀度方面比不上反射型透光方式 在网点设计方面有较高的要求 但聚光作用比较好 透光辉度表现突出 在手机 数码相机等产品上 平板导光扳用 得比较多 因为手机上运用t f t l c d 彩色显示 像素多 色彩和谐 亮度和清晰度 要高 因而平板导光板更具优势 第一章绪论 m u 一 斗严 窝 田1 0 透过型透光方式 f i g 1 2l i g h t t h r o u g h t y p e 11 3 成型导光扳产品的品质要求 导光板质量的具体要求有 1 不可黄变 黄变将使光源射出光的光线透过率下降 而使透光辉度变小 2 不可混有杂质 导光板中有杂质混入 导光板透光时会出现黑点 就会形成 透光辉条纹和辉点 产生透过不良 3 不可有凹陷 翘曲等成型不良 凹陷或翘曲等异常不但阻碍后处理或组装作 业 也是造成辉度条纹 透过不良的原因 4 网点成型要饱满 若网点成型不良 会产生透光辉度偏小而出现透光辉度不 良 5 无残留应力 尺寸稳定性好 板状成型品中残留的应力会影响导光板折射及 透光率 会产生辉度条纹而出现辉度和均匀度不良 1 2 精密注射装置的发展历史及现状 121 精密注射成型的定义及精密注射机塑化机构 本文所研究的是目前主要应用于小型电子产品 属于非印刷式的小型导光板 其 是利用精密注塑机和精密模具注塑成型 在注塑成型中直接在导光板平面形成密布的 微小网点 因此要制造该类型的导光板就必须首先了解精密注射装置 近年来 随着科学技术的发展 尤其是电子电器 航空航天 i t 行业 手机 光 盘业等的迅猛发展 使得精密塑料制件的需求大幅增加 且对制件高精度 高功能化 小型化 轻量化 低成本 高附加值的要求也越来越高 这些行业的快速发展带动了 精密注射成型技术的飞速发展 所谓精密注射成型是与常规注射成型相对而言 一般 是指成型制件的精度和表面质量均要求很高的工艺 这种注射成型方法使用通用的注 北京化工大学硕士学位论文 射机和常规的注射成型工艺是难以达到质量要求的h 1 精密注射成型制品的尺寸精度一般能达到0 0 1 一0 0 0 1 r a m 甚至更高 制品的 精密性和尺寸精度受到许多因素的影响 归纳起来主要有以下几方面 精密注射机 模具 材料 成型工艺控制 其中精密注射机是关键因素 有报道称制品重量重复精 度低于0 5 的注射机为精密注射机 由于精密注射机成型的制品质量要求较高 相应 的对注射成型的基础 注射机的重要组成部分注射装置提出了非常高的要求 要求对 压力 流量 温度和计量都能控制到相应的精度 黄步明曾对精密注射的注射装置提 出了具体的要求强1 注射压力 2 5 m p a 注射速度 3 0 0 m m s 制品尺寸精度0 0 0 1 m m 制品质量标准差系数 变化率 o 1 注射位置精度 保压终止点 0 0 3 m r n 预塑位置精度 0 0 3 r a m 机筒 螺杆温控精度 0 5 精密注射装置目前主要分为两类 液压式和全电动式 目前常用为液压式 全电 动式注射装置是指以伺服电机配以滚珠丝杆 齿形带来驱动注射装置进行注射 塑化 计量和射座移动等动作 与液压式相比 全电动式注射装置塑化计量 螺杆转速 注 射速度等控制精度高 反应灵敏 节能且环保 但是保压控制功能较差 而且滚珠丝 杆易磨损降低精度嫡1 德国a r b u r g 公司开发最新全电动注射机采用行星齿轮丝杆 代替滚珠丝杆 提高了丝杆的耐磨性和强度 延长了寿命 电动式注射装置由于电机 和丝杆的局限 目前局限用于中小型机器上 大型机器基本上仍以液压式注射装置为 主 目前生产全电动式注射机的公司主要集中于欧美和日本 如k r a u s s m a f f e i d e m a g a r b u r g n i s s e i s u m i t o m o j s w f a n u c 等 注射装置作为精密注射成型的关键部分 主要作用就是提供塑化均一的熔融物料 同时要求其塑化部件的塑化能力高 计量精度高 注射速度大 注射压力高 能耗少 物料的塑化均一是进行精密注射成型的基本条件 而螺杆的结构和设计则是实现塑化 均一的保证和最重要环节 因此通常在螺杆的结构上设置各种混炼元件 如屏障型螺 杆 分流型螺杆 分离型螺杆 变流道螺杆等 荷兰的c p j m v e r b r a a k 和 h e h m e i j e r 曾对多种不同压缩比普通三段式螺杆和配置p i n e a p p l e m a d d o e k e g a n 静态混合器等各种混炼元件的螺杆进行了各种性能测试 如图1 3 所示 普通三段式 分布 分散和熔体温度均匀性方面都较差 多流道m a d d o c k 型螺杆混合质量最好 配 置d r a y l a w r e n c e 和i n g e nh o u s z 混炼元件的螺杆循环周期最短 塑化能力最强 p a u lg r a r n a n n 博士和c h r i sr a u w e n d a a l 博士开发出了一种利用拉伸流实现分布和分散 混合的c r d 5 混合器 如图1 4 所示 充分改善了混合质量 并实现了低消耗和低温 4 第一章绪论 的熔体输出 妒施 o 蛐 处 图l 3 各种混炼元件 r i g a 3 v a r i o u s m i x i n gs e c t i o n s 圈1 4c r d 5 混合器 脚l 4 c r d 5 m i x e r 注塑机塑化机构的主要职能是熔化塑料 在这一阶段中 塑料熔体的质量以及塑 化能力 在很大程度上砍定着制品质量与机器的生产效率 由于注塑中塑化过程的复 杂性 目前的注塑预塑理论还相当不成熟 有关注塑螺杆的设计理论大多以挤出机的 挤出理论为基础 在实际应用中通常把注塑螺杆的塑化过程简化成挤出螺杆的塑化过 程 目前 在挤出理论指导下设计出来的各种新型螺杆己在注塑塑化装置上得到广泛 的应用 如分离型螺杆 屏障型螺杆等 但随着注射技术的不断提高 简单的把注塑 螺杆的塑化等同于挤出螺杆的塑化 始终存在弊端 因此 对注塑螺杆塑化理论的研 究从来没有停止过 目前针对注塑机塑化阶段的理论研究主要有 1 在固体输送理论方面 徐敬一 等人以d e x n e l l m o l 提出的静力学平衡的固体 摩擦理论为基础建立了一种注塑螺杆固体输送的物理模型和数学模型 在固体塞 料 筒和螺杆间的速度分析中 考虑了螺杆后退速度 使理论更正确 此外 王海宝等人 建立了单螺杆注塑机加料段固体塞的力学模型 导出了固体塞沿轴向的压力分布函 数 2 2 0 世纪7 0 年代初期 d o n o v a n i 1 采用l d p e p v c a b s 等塑料进行注射 实验 研究基于稳态挤出熔融理论模型的熔化问题 2 0 世纪8 0 年代中期 r a o 在 塑 化螺杆的c a d 一书中 应用d o n o v a n 的注塑螺杆熔融模型进行螺杆设计 由此提 丙l m零 謦料 北京化工大学硕士学位论文 出一种注塑螺杆的计算软件 此外 国内也有相关的研究人员在从事注塑螺杆的熔体 理论的研究工作 比如对固相破碎现象的研究n 羽 3 在熔体输送理论方面 目前仍以挤出螺杆的平行平板熔体输送理论 来定性分 析和近似计算注塑螺杆的塑化能力 但也有一些基于注塑螺杆的熔体输送理论研究 如王喜顺n 3 1 等学者根据注塑螺杆塑化时一边转动一边后退的特点 在螺杆计量段熔体 流动模型中引入螺杆后退速度的影响 从而提出注塑螺杆的熔体输送理论 王权等考 虑了振动力场对注塑螺杆熔体输送能力的影响 塑化机构的螺杆又是注射装置的核心部件 注射机的螺杆是从挤出机单螺杆演化 而来 所以单螺杆挤出机的螺杆技术 熔体输送理论 塑化理论的发展对注射机螺杆 有着重要的影响n 钔 随着高分子材料工业的发展 为适应新型材料及复合材料的成型力n r 对注塑机 螺杆的螺杆元件 螺杆构型 螺杆参数就有了更高的要求 西德a n k e r w e r k 公司 生产的a 1 7 1 6 5 型注射机的注射成型塑化能力较高 而美国b e l o i t 公司所采用的阶 式混炼螺杆可防止未熔固相堵塞屏障现象的出现 又可以达到提高熔融效率的目的 美国f a r r e l 公司与日本神户制钢所生产的高效能熔融注射螺杆 即销钉螺杆 则主 要偏重于塑化能力的提高 此种螺杆是采用沿料流方向排列由疏至密 由粗至细的销 钉来提高剪切能力 进而提高塑化能力 在上游部分的销钉较大 容易将未熔的固体 打碎 并由于销钉排列比较稀疏 使物料进入下一具有更密集销钉的区域 在销钉相 对密集的下游部分对物料进行进一步的剪切 混合 从而达到较好的塑化效果 英国 的p e c o 公司所生产的p e c o 螺杆和日本塑料研究所研制的d i s 螺杆则注重螺杆的混 合能力 其中 p e c o 型有止逆功能 这两种螺杆的分散混合能力强更有利于p c 物 料注射成型 另外还有b m 型屏障螺杆 主要改进常规螺杆的塑化质量 提高塑化效 率 装有m a d d o c k 元件的螺杆 对塑化和混合效果都有提高 比较常见的还有波状螺 杆 波状螺杆能获得比常规螺杆温度均匀的熔体 可减少热敏性物料的降解 既具有 分散混合的能力 又具有分布混合的能力n5 1 鉴于高分子材料的品种越来越多 一般的螺杆己无法适应当今的生产要求 伴随 着软件技术的不断发展 运用塑化熔融理论结合软件分析 对注塑螺杆的研究及其优 化设计朝着针对某类物料或解决特定问题发展 周祺庆n 砌对于热固性塑料注射螺杆的 设计进行了研究 大大简化了热固性塑料注塑机的制造和生产成本 张康生新型双波 状分离型螺杆的研究极好地解决了因能耗高而造成生产成本居高不下的难题 陈志俭 等对p v c 注塑成型螺杆进行了开发 美国x a l o yn e w c a s t l e 公司n 设计了一种新型屏 障型螺杆 使熔体在不增加平均温度的情况下均匀分布 李长勇n 砌等以熔体输送理论 为基础结合分析软件对螺杆进行优化设计 提高其注塑性能 降低了生产成本 6 第一章绪论 1 2 2 导光板专用螺杆结构的研究n 州1 螺杆是注射机的核心部件 在注射成型导光板时对塑化物料起着重要作用 导光 板的材料聚碳酸酯p c 熔体黏度高 熔体输送较困难且在较高温度下成型时易分解 出现气泡 黑点及表面色泽暗淡 而且力学性能显著下降 以致变脆而报废 所以选 择所用螺杆时 要求选用特殊设计的螺杆 而且塑化系统不允许有死角 滞料 缺口 裂缝等情况出现 目前 对专用于导光板注塑成型螺杆的研究还比较少 通常都是采 用渐变型螺杆和通用螺杆 通过改变工艺参数来获得要求的制品质量 还有一些是根 据注塑成型制品时出现的缺陷问题 依据经验来设计注塑螺杆以解决缺陷问题 由于 螺杆构型造成对p c 输送性能的影响以及导致的塑化质量好坏之间关系的研究极少 随着导光板在国防和国民经济各个方面的广泛应用 研究导光板专用注塑螺杆非常必 要的 北京化工大学的宋立娣利用专业软件p o l y f l o w 对所建立的各模型的流场进 行模拟计算 并对计算结果进行分析研究 得出矩形断面 锯齿形断面 梯形断面三 种不同螺纹断面对p c 熔体的输送性能及塑化质量的影响乜朝 1 2 3 导光板专用螺杆表面处理的研究 机筒 螺杆是注塑机的关键零件 在塑料制品生产时 塑料颗粒及填料由尾部进 入注塑机的机筒 螺杆在机筒中高速旋转运动 将塑料颗粒及填料挤压推进 在前进 中混合塑化 由螺杆头部注入模腔 此时 机筒及螺杆承受一定的高温高压 不同的 塑料 螺杆的工作温度也不同 螺杆和料筒多因磨损造成间隙过大不能正常挤 注而 报废 磨损加大螺棱与机筒间的间隙 这导致降低熔融速率及泵出能力 造成物料温 度不均匀及压力波动 使产品质量下降 同时生产率降低 能耗增加 相对机筒来说 螺杆更易于损坏失效 螺杆失效引起的损失是惊人的 据北美1 9 8 6 年的统计数据 螺杆失效损失超过2 5 亿美金 在中国 虽没有相应的统计资料 但是 据预测 到 2 0 1 0 年 中国注塑机的产量将达到3 0 万台套 可以设想 螺杆失效将导致巨大的经 济损失 尤其是近年来 随塑料制品性能的提高和种类的增加 螺杆工作环境更为恶 劣 除高硬度填料的使用导致磨损加剧外 还存在不同程度的腐蚀现象 因此 如何 提高螺杆的寿命 是当前螺杆选材及热处理 表面处理的一个重要课题啪 2 螺杆常用的表面处理技术 1 渗氮 优点是硬度高 耐蚀性较好 但是 高温长时间处理导致变形 为保 证螺杆的直线度 渗氮后还要加一道磨外圆工序 如果是氮碳共渗 即软氮化 则该 工序会将局部的白亮层磨去 而渗氮螺杆的耐磨 尤其是耐蚀性取决于该白亮层 为 了获得较高的表面硬度 螺杆材料通常选用专用的渗氮钢3 8 c r m o a i 渗氮前要对 7 北京化工大学硕士学位论文 3 8 c r m o a i 进行调质处理 2 热喷涂 优点是高硬度 高耐磨性 但耐蚀性差 要求专用设备 工艺操作 难度较大 材料成本与工艺成本都较高 双金属处理无论是堆焊还是热喷涂 工件表 面温度都很高 易于引起工件变形 厚度均匀性很差 处理后要再加工或磨削 并且 难以保证螺杆的优化设计曲线 热喷涂技术既是螺杆生产时采用的技术 也是一种可 用于螺杆修复的技术 3 化学镀镍 关于化学镀镍螺杆 美国 日本 德国等均有应用方面的报道口 化学镀优点是仿形性好 并且处理温度低 8 8 9 5 因此无变形 此外 化学 镀镍层具有优异的耐蚀性和很高的显微硬度 化学镀镍层的硬度一般为5 5 0 h v 如果 通过4 0 0 xl h 的热处理 其硬度可达1 0 0 0 h v 左右 但经过该处理 一方面耐蚀性有 所下降 另一方面如基体热处理为淬火加低温回火 则基体硬度及强度会大幅降低 化学镀镍的最大问题在于镀层薄 一般几十微米 4 渗硼处理 渗硼是一种在金属材料表面获得极高硬度的技术 将4 0 c r 钢制成 的螺杆在8 1 0 一8 2 0 x1 6 h 2 0 h 降温至7 0 0 后随罐出炉空冷 硼化物层厚 0 1 4 m m 0 1 6 m m 硬度1 4 0 0 h v 一1 6 5 0 h v 耐磨性比渗氮的提高1 2 倍啪1 5 等离子喷涂技术 等离子喷涂是采用等离子弧为热源 将金属屑或非金属屑 加热到熔化或半熔化状态 用高速气流将其收成微小颗粒 喷射到经过处理的工件表 面 形成牢固的覆盖层 从而使工件表面获得不同硬度 耐磨 耐热 耐腐蚀 润滑 以及其他各种特殊物理化学性能 其特点是 可在金属表面获得高硬度和高耐蚀的陶 瓷涂层 结合强度高 喷涂后涂层平整光滑 可精确控制涂层厚度 环保 6 电刷镀技术 电刷镀在中国又名金属涂镀 快速电镀 无槽电镀 快速笔镀 等 又称刷镀 b r u s hp l a t i n g 起源于1 8 9 9 年法国人采用的棉团电镀法 t a m p o n p l a t i n g 作为专门技术大约成型于2 0 世纪4 0 年代的欧洲 我国最早的工业应用也出现 于5 0 年代 当时称之为涂镀 大规模的推广和应用则始于8 0 年代 目前已广泛应用于 工业及民用的许多领域 并取得了巨大的经济效益 电刷镀镍钨合金镀层结晶细致光亮 耐磨性好 与基体结合力强 硬度高 高温 下维氏硬度达到1 0 0 0 以上 合金层是一种良好的耐磨材料 其涂层致密 硬度与快速 镍相近 而且耐磨性比所有单金属镀层好 同时具有良好的高温抗氧化性 耐腐蚀性 鹦 o 7 物理气相沉积 近十余年来 物理气相沉积术发展迅速 被认为是当今最富 吸引力的薄膜制造技术 在某些场合已成为唯一的 不可替代的优质薄膜沉积技术 该项技术能获得精确化学成份计量的膜层 沉积温度较低 速率较高 易于制取多层 结构 多组元成份复杂的薄膜 工艺操作比较简单 靶材选择的范围宽广 可以是固 态 也可以是液态啪1 该项技术存在的大面积沉积膜的均匀性较差 表面有微粒出现 等缺点 正逐步得到改进 1 9 9 5 年报导 已经制得了直径1 5 2 m m 的均匀薄膜 现在配 8 第一章绪论 置完备的激光物理沉积系统已经商品化 金刚石 类金刚石薄膜 光学薄膜 压电薄 膜 磁致弹性薄膜 高密度信息存贮薄膜 以及有机物质薄膜等的激光物理气相沉积 技术和应用取得了重要进展 给制造性能先进 体积微小设备 提供优质功能薄膜材 料 激光物理气相沉积l a s e rp h y s i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n l p v d 口 是在真空室内安放 靶材和基体 激光束经过聚焦照射到靶材表面 使之发生溅射 剥离下来的物质在基 体上凝聚 形成与靶材化学成份相同的纯净薄膜 因而又称为激光剥离沉积l a s e r a b l a t i o n d e p o s i t i o n l a d 使用的激光器有连续波型或脉冲型 大部分用的是脉冲型 采用脉冲型激光器进行激光物理气相沉积 英文常称之为p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n p l d 脉冲激光沉积 此外还有p u l s e dl a s e r a b l a t i o nd e p o s i t i o n p l a d 脉冲激光剥离沉积 l a s e rs p u t t e rd e p o s i t i o n l s d 激光溅射沉积和p u l s e dl a s e re v a p o r a t i o n p l e 脉冲激光 蒸镀等 激光物理气相沉积是由激光的光子溅射靶材 其剥离产物在基体表面沉积长 大成膜 1 3 导光板材料一聚碳酸酯 p c 注射成型特性 导光板材料 聚碳酸酯 p c 加工工艺特性是无明显熔点 在正常加工温度即 2 3 0 3 2 0 范围内 熔体黏度高 可达1 0 5 p a s o 黏度对剪切速率的敏感性小而对温度 敏感性大 熔体黏度对温度的变化比较敏感 聚碳酸酯的黏度在温度下降时 黏度增 大较快 在熔融状态下的流变性能接近于牛顿流体 聚碳酸酯的熔体黏度高 其加工 温度也高 所以普遍使用往复螺杆注塑机成型加工 成型聚碳酸酯的注塑机螺杆通常 用渐变型螺杆 喷嘴选用直通式 模具流道设计为短而粗 弯曲部位宜少 圆形截面 的分流道 由于分子结构中有酯基 对水分敏感 高温下树脂易水解 因此p c 成型 前必须经过干燥 注射温度对制品质量影响很大 聚碳酸酯在3 2 0 以下很少降解 在3 3 0 3 4 0 出现氧化发热 引起热氧降解 一般控制料筒温度2 1 0 2 9 0 喷嘴 温度比料筒温度低5 1 0 p c 制品成型时注射速率宜慢一些 若太快易出现熔体破 裂现象 在浇口周围会产生糊斑等缺陷或因排气不良造成制品烧焦 注射压力对成型 工艺及制品性能的影响远不如温度的影响显著 但一般注射压力还是要求较高 1 0 0 一 1 8 0 m p a 应根据制品情况选取合适压力 成型周期一般包括注射 无压冷却 开合 模三个步骤所需时间 注射时间应根据制品厚度而定 一般在2 2 0 s 之间 冷却时 间主要是根据制品厚度 凝固速度和模具温度来确定 一般来说 冷却时间应保证脱 模时不引起制品变形为原则 模具应有加热装置 使模具温度保持在8 0 1 2 0 不 宜太低或太高 否则会使制品表面不光亮 呈雾状 透明性不好 甚至产生波纹或制 品内应力大 冷却时间长而导致生产效率低 由于分子刚性大 取向都比较困难 成 型后制品的内应力较大 内应力的存在是制品在存储和使用过程中出现翘曲变形和开 9 北京化工大学硕士学位论文 裂的重要原因 因为p c 不结晶 所以收缩率较小 由此可见 p c 是一种较难加工的 塑料 因此在实际生产过程中较容易出现常见的缺陷 1 4 研究意义 内容 1 4 1 本研究的意义 随着高聚物制品在国民经济和国防工业等领域中的广泛应用 制品的精密化和 高性能化已成为全球聚合物成型加工领域所普遍关注的重要问题 注射成型作为高聚 物制品成型最主要的加工方式 已成为体现一个国家现代制造业发展水平的重要标 志 近2 0 年来 我国注射成型加工业迅猛发展 在注射成型机生产方面出现了像宁 波海天集团这样的大公司年销量超过l 万台 位居世界首位的 我国每年注射成型的 高聚物制品达到5 0 0 万吨以上 己成为注射成型制品的生产大国 与此同时 汽车和 电子通讯等高技术领域对高分子材料注射加工成型制品提出了高性能化 高精度的迫 切要求 促使我们应尽快实现由生产大国向技术强国的跨越 因此 必须着眼于世界 领先的高标准要求来加强高聚物注射成型加工领域的科学研究和技术开发 目前世界上注射成型机制造业居领先地位的公司主要都集中在德国和日本 现代 制造业中蓬勃发展的高聚物注射成型加工领域 无论是产业界还是学术界 都把精密 高速 节能 环保等目标确定为表明水平的主要指标 因此国内公司要想走向世界 向世界水平靠拢 必须通过不断创新 向市场推出精密 高速 节能 环保的注射成 型设备新产品 导光板在电子产品液晶显示方面广泛应用 市场潜力巨大 未来的导光板市场非 常广阔 同时导光板做为精密透明塑料制品 具有很高的附加值 目前国内生产导光 板的设备主要依靠进口 国内注射机企业要想占有导光板生产设备的市场 必须提高 设备技术含量 解决设备生产导光板时存在的问题 同时开展导光板成型工艺方面的 研究 1 4 2 本研究的内容 针对国内注塑机在成型导光板时 制品出现焦黄和黑点问题展开研究 1 导光板专用螺杆结构的研究 利用专业c f d 软件p o l y f l o w 对导光板专用 螺杆的结构进行优化设计 设计出适合导光板成型的螺杆 2 导光板专用螺杆表面处理的研究 研究适合加工导光板的螺杆表面处理工艺 研究镀层和聚碳酸酯的剥离性能及影响因素 3 导光板注射成型的工艺优化 利用模流分析软件m o l d f l o w 进行导光板成型工 艺条件的优化 提高导光板的良品率 1 0 第一章绪论 1 4 3 本研究的创新点 1 研究镀层和聚碳酸酯的剥离性能 建立镀层和塑料剥离力测试平台 2 利用物理气相沉积的表面处理工艺 对螺杆进行表面处理 使之满足导光板 注射成型螺杆要求 3 利用m o l d f l o w 模流分析软件对手机导光板的成型工艺进行优化分析 北京化i 大学碗 学位论文 第二章导光扳成型专用螺杆研究 国内注塑成型机成型导光板时 制品存在焦黄 黑点等缺陷 缺陷的形成主要和 成型工艺参数和成型装备 注塑机有关 经过工艺方面的反复研究分析 排除了是 由于工艺问惠造成的制品缺陷 将生产导光板的国产注塑机的塑化系统拆出 发现塑 化系统尤其是螺杆 图2 1 表面黏附有降解 焦黄的物料 并且表面有磨损 腐蚀 等现象 这是导致导光扳制品产生焦黄 黑点等缺陷的原因 如图2 2 由于p c 料为 热敏搏性物料 导光板注射成型时 p c 料长时间在塑化系统尤其是螺杆表面滞留 导致过热分解 其次 螺杆的镀层局部产生了脱落 降解的p c 料具有强的腐蚀性 腐蚀了螺杆基体 加剧了螺杆的失效 产生这个问题的原因在于螺杆设计参数和表面处理两方面的不合理 螺杆结构参 数设计不合理 局部存在死点物科停留时间过长导致降解 螺杆表面没有经过特殊处 理 螺杆表面硬度和光洁度不够 熔融的p c 料在螺杆表面流动不畅r 一段时间后 螺杆表面的物料必然会过热降解 最终反映在导光板制品产生焦黄 黑点等缺陷 或 者镀层与螺杆基体的结合力太低 在机筒高温和高注射压力共同作用下 镀层脱落 导致p c 料黏结降解 因此本章主要从螺杆结构设计和表面处理两方面进行研究 圈2 1 失效的机筒和螺轩 1 2 1 b a r r e la n ds c r e w o u t o f w o r k f k l 第 章 光扳成型专用 杆研究 圈2 2 有黑点的导光板 f i g2 2l i g h tg u i d ep l a t ew i t hb l a c ks p o t s 21 导光板 p c 专用螺杆结构设计 p c 为非结晶型塑料 硬度高且熔融温度范围较宽 因此螵杆采用渐变型螺杆 由于p c 硬度高 压实比较困难 因此螺杆加料段要