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立式注塑机-精密注塑解决方案

1 精密注射成型的概念

精密注塑是指加工成型的注塑制品的尺寸重复精度很高,以致使用通用注塑机、常规的注塑成型工艺难以达到要求的一种注射成型方法。“精密注射成型”这一概念,主要是区别于“常规注射成型”,它是基于高分子材料的迅速发展, 在仪表、电子领域里采用精密塑料部件取代高精度的金属零件的技术。目前针对精密注射制品的界定指标有2 个,一是制品尺寸重复精度, 二是制品质量的重复精度。本文主要从制品尺寸重复精度方面阐述精密注射成型。但由于各种材料本身的性质和加工工艺不同,不能把塑料制件的精度与金属零件的精度等同起来。

精密注射成型是一门涉及原材料性能、配方、成型工艺及设备等多方面的综合技术,精密塑料制品包括DVD数码光盘、DVD激光头、数码相机零件、电脑接插件、导光板、非球面透镜等精密产品,这类产品的显著特点是不但尺寸精度要求高,而且对制品的内在质量和成品率要求也极高。成型制品的模具是决定该制品能否达到设计要求的尺寸公差的重要条件,而精密注塑机是保证制品始终在所要求的尺寸公差范围内成型,及保证极高成品率的关键设备。塑料制品最高的精度等级是三级。

1.1 精密注射的特点

(1)制件的尺寸精度高、公差小,即有高精度的尺寸界限;(2)制品重量重复精度高,要求有日、月、年的尺寸稳定性;(3)模具的材料好、刚性足,型腔的尺寸精度、光洁度以及模板间的定位精度高;(4)采用精密注射机更换常规注射机;(5)采用精密注射成型工艺;(6)选择适应精密注射成型的材料。

评定制品最重要的技术指标,就是注塑制品的精度( 尺寸公差、形位公差和制品表面的光洁度) 。我国使用的标准是SJ1372―78,与日本塑料制品的精度和模具精度等级很接近。欲注塑出精密的塑料制品,需从材料选择、模具设计、注射成型工艺、操作者的技术水平等4大因素进行严格控制。

精密注塑机要求制品尺寸精度一般在0.01~0.001mm以内,许多精密注塑还要求注塑机具有高的注射压力、高的注射速度;要求合模系统具有足够大的刚性和足够高的锁模精度,所谓锁模精度是指合模力的均匀性、可调、稳定和重复性高,开合模位置精度高;要求对压力、流量、温度、计量等都能精确控制到相应的精度,采用多级或无级注射,保证成型工艺再现条件和制品尺寸的重复精度等。

1.2 影响制品尺寸精度的因素

(1)模具精度;(2)成型收缩率;(3)制品使用环境的温度、湿度以及波动的幅度。

2 注塑精密成型材料的选择原则

机械强度高、尺寸稳定性好、抗蠕变性能好、环境适应范围广。常用的有四种材料:

(1)POM及碳纤维增强( CF) 或玻璃增强(GF);这种材料的特点是耐蠕变性能好,耐疲劳、耐候性、介电性能好,难燃,加入润滑剂易脱模。

(2)PA及玻纤增强PA66,其特点:抗冲击能力及耐磨性能强,流动性能好,可成型0.4mm壁厚的制品。玻纤增强PA66具有耐热性(熔点250℃),其缺点是具有吸湿性,一般成型后都要通过调湿处理。

(3)PBT增强聚酯,成型时间短。成型时间比较如下:PBT≤POM≈PA66≤PA6。

(4)PC及GFPC特点:良好的耐磨性,增强后刚性提高,尺寸稳定性好,耐候性、难燃及成型加工性好。

3 精密注塑成型中的收缩问题

影响收缩的因素有四种:热收缩、相变收缩、取向收缩以及压缩收缩。

3.1 热收缩是成型材料与模具材料所固有的热物理特性。模具温度高,制品的温度也高,实际收缩率会增加,因此精密注射的模具温度不宜过高。

3.2 相变收缩由于结晶型树脂在定向过程中,伴随高分子的结晶化,由于比容减少而引起的收缩,即叫相变收缩。模具温度高,结晶度高,收缩率大;但另一方面,结晶度提高会使制品密度增加,线膨胀系数减小,收缩率降低。因此实际收缩率由两者综合作用而定。

3.3 取向收缩,由于分子链在流动方向上的强行拉伸,使在冷却时的大分子有重新卷曲恢复的趋势,在取向方向将产生收缩。分子取向程度与注射压力、注射速度、树脂温度及模具温度等有关。但主要的是注射速度。

3.4 压缩收缩与弹性复位,一般塑料都具有压缩性。即在高压下比容发生显著变化。在一般温度下,提高压力成型制品比容会减小,密度会增加,膨胀系数减小,收缩率会显著下降。对应于压缩性,成型材料具有弹性复位作用,使制品收缩减小。影响制品成型收缩的因素与成型条件和操作条件有关。

4 精密注塑模具

4.1 模具精度,主要取决于模具型腔尺寸精度高,型腔定位准确或分型面精度是否满足要求。一般精密注塑模具的尺寸公差,应控制在制品尺寸公差的1/3以下。

4.2 可加工性与刚性,在模具结构设计中,型腔数不宜过多,而底板、支承板、型腔壁都要厚一些,以避免零件在高温、高压作用下发生剧烈弹性形变。

4.3 制品脱模性,模具要尽量采取少的型腔数、少而短的流道以及比普通模具有更高的光洁度,这样有利于脱模。

4.4 精密模具的材料,选择机械强度高的合金钢。制作型腔、浇道的材料要经过严格的热处理,选用硬度高(成型零件要达到HRC52左右) 、耐磨性好、抗腐蚀性强的材料。

5 精密注射机的特点与选用

5.1 技术参数方面的特点

从注射压力方面划分,普通机:147 ~177MPa;精密机:216 ~243MPa;超高压机:243~392 MPa。精密注塑机必须高压的理由是:

(1) 提高精密制品的精度和质量,注射压力对制品成型收缩率有最明显的影响。当注射压力达到392MPa时,制品成型收缩率几乎为零。而这时制品的精度只受模具控制或环境的影响。实验证明:注射压力从98MPa提高到392MPa后,机械强度提高3%~33%。

(2) 可减小精密制品的壁厚、提高成型长度。以PC为例,普通机注射压力177MPa,可成型0.2~0.8mm壁厚的制品,而精密机注射压力在392MPa时可成型厚度在0.15~0.6mm 之间的制品。超高压注射机可获得流长比更大的制品。

(3) 提高注射压力可充分发浑注射速率的功效。欲达到额定注射速率,只有两个办法:一是提高系统最高注射压力;二是改造螺杆参数,提高长径比。精密注射机的注射速率要求高。以德国制造的DEMAG精密注塑机(60~420吨)为例,它的注射速度能达到1000mm/s,螺杆能获得12m/s2的加速度。

5.2 精密注射机在控制方面的特点

(1) 对注塑成型参数的重复精度(再现性)要求高,宜采用多级注射反馈控制:a.多级位置控制;b.多级速度控制;c.多级保压控制;d.多级背压控制;e.多级螺杆转速控制。位移传感器的精度要求达到0.1mm,这样可以严格控制计量行程、注射行程以及余料垫的厚度(射出监控点),保证每次注射量准确,提高制品成型精度。料筒及喷嘴温度控制要精确,升温时超调量要小,温度的波动要小。精密注塑应采用PID控制,使温度精确度在±0.5℃之间为宜。

(2) 塑化质量要求,塑料塑化的均匀性不仅影响到注塑件的成型质量,还会影响到熔融塑料通过浇口时所受阻力的大小,为了得到均匀的塑化,设计专用的螺杆和使用专用的增塑技术必不可少。另外,机筒的温度也应精确控制,现在螺杆、机筒温度多采用PID控制(比例、微分、积分),精度可控制在±l℃内,基本可满足精密注塑的要求,如果采用FUZZY控制方法,就更适合于精密注塑了。

(3) 工作油的温度控制要高油温的变化导致注射压力的波动,必须对工作油采用加热、冷却的闭环装置,把油温稳定在50~55℃为宜。

(4) 保压压力的影响,保压对精度塑件的影响极大,准确地说,保压能较好地补缩,减小塑件变形,控制塑件精度,保压压力的稳定决定了塑件的成型精度,螺杆的终止位置不变是决定保压效果的决定因素。

(5) 对模具温度控制要求若冷却时间相同,模具型腔温度低的制品厚度要比温度高的制品厚度尺寸大。如POM、PA类材料,模温50℃时厚度为50~100μm的制品,在80℃时厚度减小到20~40μm,100℃时减小到只有10μm。室温也对精密制品尺寸公差有影响。

5.3 精密注塑机的液压系统

(1) 油路系统需要采用比例压力阀、比例流量阀或伺服变量泵的比例系统。(2) 在直压式合模机构中,把合模部分油路和注射部分油路分开。(3) 由于精密注塑机具有高速性,为此必须强调液压系统的反应速度。(4) 精密注塑机的液压系统,更要充分体现机― 电― 液― 仪一体化工程。

5.4 精密注塑机的结构特点

(1) 由于精密注射机注射压力高,这就要强调合模系统的刚度。动、定模板的平行度控制在0.05~0.08mm 的范围内。
(2) 要求对低压模具的保护及合模力大小精度的控制。因为合模力的大小要影响模具变形的程度,最终要影响到制件的尺寸公差。
(3) 启、闭模速度要快,一般在60mm/s左右。
(4) 塑化部件: 螺杆、螺杆头、止逆环、料筒等, 要设计成塑化能力强、均化程度好、注射效率高的结构形式;螺杆驱动扭矩要大,并能无级变速。

结论:无论何种精密注塑机, 最终都必须能够稳定地控制制品尺寸重复精度和质量重复精度。

6 精密注射机的主要代表型号

精密注射成型机的研制方面代表当今世界先进水平的生产厂商主要有德国的克劳斯玛菲、德玛格、雅宝、阿博格以及日本的日精、日钢、东芝机械和住友重机等企业。德国阿博格公司推出的精密注射机合模机构采取了箱式设计,以此来提高锁模精度。由于三板式注射机前
板与后板均固定于机架上,当锁模力施加时,四拉杆的伸长受到机架的约束,从而使拉杆趋向“拱桥形”而影响锁模精度,箱式样设计的结果从限制不良变形的角度提高锁模精度。注射油缸采用双向压力伺服控制,精确定位螺杆位置,使注射量控制精度提高一倍;采用变频器优化控制主泵马达,不仅使液压系统控制精度提高,而且节能效果显著;此外,采用模块化设计,注射成型机各运动系统可根据用户实际需要,采取液压与电动两者的组合,锁模系统和注射系统空间相对位置也可以有多种配置。

日精公司采用了新的控制系统TACT,提高响应速度、操作稳定性、液晶屏显示的多语言控制界面;新的注射机构:螺杆长径比加大增强
塑化效果,五段温区优化塑化温度控制,并对油压回路进行了优化;油路压力损失降低、锁模效率提高、低速运动平稳性提高,开发出新的油压式FN系列精密注射成型机,还开发成功了油压式小型精密注射成型机NP7RealMini、AU3E、AS15 等机型。该精密注射成型机主要的加工材料为液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)等工程塑料。

日精NEX150 精密注射机综合了Ultimate微型注塑技术,可用于大批量注塑成型加工微小的精密塑料部件,配置有优化设计的精确计量和快速回应注射系统, 高精密和高刚性的合模机构, 可加工0.1~0.3g重的精密微型塑料部件,用途包括数码相机、手机、硬盘、精细针孔连接器等等。日本制钢所也开发出J-ELII-UPS超高速精密注塑成型机。在标准保压条件下, 制品重量的变动幅度为0.022 克, 采用新的保压控制方式后,制品重量变动幅度可减小到0.006 克。


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