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了解注塑原理

品牌: 环彩   所属分类:塑料加工工艺   来访:8

一.预塑计量过程

 

  预塑过程是物料在料筒中进行塑化的过程:把固体粒料或粉料经过加热、输送、压实、剪切、混合、均化使物料从玻璃态经过粘弹态转变为粘流态。所谓“均化”是指熔体的温度均化、黏度均化、密度均化和物料组分均化,以及聚合物分子量分布的均化,此过程统称为塑化过程。在塑化过程中要完成注射前的计量程序。由于聚合物的热机特性决定了预塑过程是热能输入和转换过程。

 

预塑过程的热能的输入方式如下:

 

1.  料筒通过电热组件加热,料筒中的物料通过热传导吸收外部供热使其软化和熔融。

 

2.  物料靠螺杆旋转使机械能转换为热能,通过剪切机理和摩擦机理,加热自身,使其熔融。

 

3.  物料加热通过①、②方式的结合。料筒中物料的塑化一部分靠外部传导热,另一部分靠螺杆旋转的剪切能量。

 

塑料在螺槽中吸热首先取决于传热过程,在此过程,塑料的导热性、热容量、密度以及筒壁与物料之间的温差,是影响吸收热能的因素,其中,料筒温度将起重要作用。当螺杆旋转时,还有一部分机械能转化为热能,被物料吸收;在此过程中,塑料粘度及其对剪切速度或温度敏感性以及固体料对料筒壁的摩擦系数是影响物料吸能的主要因素,所以螺杆转速将起重要作用。物料热能来源主要是靠机械能转换,而料筒的外加热主要用来补偿热能耗散,起到平衡热量的作用。

 

物料在螺杆的不同段,由于剪切作用的强度和热历程不同,物料的形态各异:在入口的加料段(L1),塑料呈固体状态,又称玻璃态;在计量段(L3),塑料经过长期剪切作用和热历程之后,已全部呈熔融状态;而在两者之间的塑化段(L2),则是塑料从固态到熔融态的过渡过程,在螺槽中,塑料是处于固体与熔体的共存状态,塑料呈黏弹态或高弹态,是个比较复杂的过渡过程。塑料在不同阶段的形态决定着不同的输送机理。在各段螺槽中物料的状态虽然不同,但在螺杆恒定转速下物料沿螺槽仍形成稳态分布。

 

螺杆旋转时,物料从输送段经过塑化段,最后通过均化段的螺槽聚集在储料室中,并建立起熔体压力,称背压。螺杆正是在背压的作用下克服了系统阻力才实现后退动作,一直到预塑行程终止,与此同时螺杆旋转也终止,预塑过程结束,等待注射充模。由于预塑选行程与螺杆向前输送料时的行程一致,所以又称计量行程。

 

在预塑阶段,影响塑化质量的因素主要来自两个方面:一方面是预塑过程的工艺参数,如料筒温度、螺杆行程、螺杆转速、预塑背压等;另一方面是聚合物的热物理性能和流变性能对熔体温度的影响。制品质量与储料室的熔体质量有关,因此注射成型十分强调预塑过程及其质量,塑化过程所追求的主要指标是:塑化能力、塑化品质及计量精度。

 

在预塑过程中需要控制的工艺参数有:料筒及喷嘴温度、螺杆行程、螺杆转速及预塑背压。

 

1.料筒和喷嘴温度

 

料筒温度是塑化装置的唯一外部供热,指料筒表面的加热温度,根据聚合物在料筒中的塑化机理,可分为三段加热,第一段是固体输送段,温度要低一点,但在加料口处要进行冷却以防止温度过高而引起“架桥”现象,使加料不顺畅;第二段是压缩段,温度要高于第一段20~25℃;第三段是计量段,一般高于第二段20~25℃,以保证物料在熔融态。料筒的表面温度和料筒内壁温度存在温度梯度,而料筒内壁温度才接近熔体的温度,有时在预塑时,储料室中熔体因吸收一部分剪切热而使其实际温度高于料筒的温度。储料室中熔体的温度与料筒温度、螺杆行程、螺杆转速和背压有关,但是在螺杆转速和背压一定的条件下,熔体温度和料筒温度大致成比例地变化,而熔体温度直接影响熔体的黏度和流动性,所以,稳定料筒温度对控制储料室中的熔体温度有重要作用。

 

喷嘴温度对保证工艺同样重要,因为喷嘴有加速熔体和提高温度的作用。对喷嘴温度一般进行单独控制。

 

2.螺杆行程(计量行程)

 

每次注射程序终止后,螺杆处于料筒的最前位置,当预塑程序到达时,螺杆开始旋转,物料被输送到螺杆头部,螺杆在物料的反压力作用下后退,直到设定的终止位置为止,螺杆后退的距离称为螺杆行程或计量行程。物料在螺杆头部所占有的容积就是螺杆后退所形成的计量容积,也就是注射容积。因此,制品所需的注射量是用计量行程来调整的。即

 

          

由此可知,注射量的大小与计量行程的精度有关:如果计量行程调节太小会造成注射量不足,如果计量行程调整的太大,使料筒前部每次注射后的余料太多,使熔体温度不均或过热分解,计量行程的重复精度的高低会影响注射量的波动。

 

料温沿计量行程的分布是不均匀的,增加计量行程会加剧料温的不均匀性。

 

3.螺杆转速

 

螺杆转速影响物料在螺杆中输送和塑化的热历程和剪切效应,因此它是影响塑化能力、塑化质量和成型周期等因素的重要参数。

 

随着螺杆转速的提高,塑化能力增加,塑化质量下降,熔体温度的均匀性增加及温度提高;随着螺杆转速的提高,剪切作用加强,外部加热能量下降。

 

现代注塑机对螺杆转速采用多级控制,即在预塑行程中,设定各段位置及其相应的螺杆转速。

 

4.预塑背压

 

预塑时的背压简称背压,表示螺杆在预塑时,计量室中熔体的压强。预塑时,只有螺杆头部的熔体压力克服了螺杆后退时的系统阻力之后,螺杆才能后退。

 

背压对熔体温度的影响:不同物料在一定工艺条件下,熔体温度会随背压增加而提高,这是因为背压增加了熔体内压力,加强了剪切效果,形成剪切热,使大分子热能增加,从而提高了熔体的温度。

 

背压的提高有助于螺槽中物料的密实,赶走物料中的气体。背压的增加使系统阻力加大,螺杆退回速度减慢,延长了物料在螺杆中的热历程,塑化质量也得到改善。但是过大的背压会增加计量段螺槽熔体的反流和漏流,降低了熔体输送能力,减少了塑化量,而且增加功率消耗;过高的背压会使剪切热过高或剪切应力过大,使高分子物料发生降解而严重影响到制品质量。

 

背压的调整应考虑物料的性质以及制品表观质量和尺寸精度。现在有许多注塑机对背压实现多级控制,即在预塑行程中,设定各段位置及其相应的背压。背压的多级调整应和转速相匹配,即在注射完成后,留在储料室中的剩余熔体温度已很高,如果这时背压也很高,就会造成熔体的过热和各处温度不均,使制品残余应力加大,引起制品变形等,所以预塑开始时,要降低背压,当储料结束时,螺杆转速应放慢,以减少惯性冲击,提高计量精度,使用多级控制有利于消除轴向温差并提高塑化品质。

 

二. 注射充模过程

 

注射充模过程是螺杆在注射油缸推力作用下,螺杆头部产生注射压力,将储料室中的熔体经过喷嘴、模具流道、浇口注入型腔。此过程是熔体向模腔高速流动的过程。

注射时,在螺杆头部熔体所建立起来的压强称注射压力;螺杆推进熔体的速度称注射速度,其流率称注射速率;其行程称注射行程,在数值上与计量行程相一致。在注射阶段,必须使熔体有足够的压力和速度,才能完成好充模过程,保证制品质量。

注射充模曲线如图27所示。

 

图27  注射充模曲线

      图中曲线1是储料室中熔体压力(注射压力)随时间变化的曲线,称注射压力曲线。2是喷嘴末端的压力曲线,称喷嘴压力曲线。3是浇口流道的末端、模腔起始处的压力曲线,称模腔压力曲线。4是型腔末端的模腔压力曲线。

      图中的OA段是熔体在注射压力Pi作用下从储料室流入模腔始端的时间,A点是模腔起始点,B点是压力升点,当喷嘴内动压力达到Pz时,模腔始端压力才达到与之相对应的压力PB,模腔压力开始增高。喷嘴压力随模腔压力而变化。

      当熔体充满模腔后,模腔压力开始增加,当模腔始端压力从PB增到PC时,模腔末端压从PB1增到PC1,与此同时,喷嘴压力也迅速从PZ增加至接近注射压力的最大值PZmax。

      tA—tB是充模时间,是最重要的时刻,聚合物熔体在这段时间内必需能克服流道阻力迅速地充满模腔;否则如果压力不足,速度不够,流动就会停止。同时,由于剪切速率的作用,聚合物大分子将发生取向和结晶作用。这是在动压作用下高压、高速的充模过程。

模腔入口压力PB和末端压力PB1之差取决于模腔压力损失的大小。

      tB—tC时间内,是压实熔体过程。 从喷嘴充模压力曲线和模腔压力曲线的比较中可以得到,当喷嘴压力(可近似的看成注射压力)达到最大值时,模腔压力只达到B点,模腔中的压力并没有达到极大值,也就是说,模腔压力极大值要滞后于注射压力一段时间。从B点C点是熔体致密流动过程,到达C点时,充模压力已传递到模腔最边远处。在C点以后就进入保压阶段,C点就是压实阶段到保压阶段的切换点。切换点的控制,对保证制品质量有重要的意义。

      对于一般的热塑性塑料熔体,在模腔中多形成扩展流动,即熔体从浇口流出后,不断的形成波前峰,后面高温熔体不断的推动前面的熔体扩展直至充满为止,当前沿熔体和型腔壁接触后,由于模壁温度低于熔体的玻璃化温度,逐渐的冷却成固体层。随着充模时间的延长,固体层厚度不断地增加使所形成的通道变小,流动阻力不断地增加直至充填完毕到浇口被封堵为止。由此可以看出,充模速度和模具温度非常重要,工艺条件必须保证在浇口被封之前,熔体将全部型腔充满,否则将得不到高质量制品。

      保证能够良好充模的注射压力,除与流道的几何形状尺寸有关外,还与塑料熔体的性质有关,熔体的黏度除受温度影响外,还受剪切速率的影响。

1.注射压力

      注射充模时,位于螺杆头部的熔体要经过喷嘴、流道进入模具型腔,要克服沿程压力损失。注射压力必须克服压力损失后才能使熔体充满模腔。但是,如果注射压力过大,不仅会造成制品溢边、胀模等不良现像,还会造成压力波动,甚至系统会超载。

2.注射速率

      注射速率是重要注射参数之一,对许多工艺因素起影响,注射速率提高将使充模压力提高,这是因为高速率充填可以维持熔体有较高的温度,熔体粘度低,流道阻力损失小,故可得到较高的模腔压力。由于同样的原因,可使流动长度增加并使制品质量均匀而密实。但是,过高的充模速率会造成熔体的不稳定流动或由于熔体速度头的冲击,造成胀模溢边现象,且注射速率高时熔体在流动时产生的剪切效应大,尤其对剪切比较敏感的聚合物来说,剪切效应会产生大量的剪切热,所以必须防止由于剪切作用而引起的物料的过热分解。

      在充模过程中,充模速率是主导因素。

 

 

 

三.保压补缩过程

 

当高温熔体充满模腔(即充模曲线中的C点)以后,就进入保压补缩阶段,一直持续到浇口冻封为止,以便获取致密制品,即为保压补缩阶段。在注射充模曲线(图27)的tC—tD 即为保压时间。

    保压阶段的特点是:熔体在高压下慢速流动,螺杆有微小的补缩位移,物料随冷却和密度增大使制品逐渐成型。在保压阶段,熔体流速成很小,不起主导作用,而压力却是影响过程的主要因素,在保压阶段,模内压力和比容是不断地变化的。

    保压阶段的注射压力称保压压力,在此压力作用下,模腔中的熔体得到因冷却而补缩,制品得到压缩与增密。在此过程中,保压压力起主导作用。

    在注射成型调试压力时最要注意的就是注射压力到保压压力的切换点和保压时间的长短。从图27中可以看出,从B点到C点,模腔压力增加迅速,以C点附近,很小的时间变化就会引起很大的压力变化,所以,C的准确性会对成型有较大的影响。即注射和保压的切换点很重要。

    在此过程中,应控制的工艺参数是保压压力和保压时间,速度不起主导作用。

1.保压压力

    在保压阶段,保压压力必须足够大时才能克服浇口阻力进行补缩,而浇口阻力由于熔体粘度增加而加大。提高保压压力会使凝固推迟,有助于减少制品收缩率。保压压力对制品的密度也有很大的影响,提高保压压力,可以提高制品的密度;但是保压压力过高会增加制品的内应力,使制品难以脱模。

2.保压时间

    保压时间和制品重量之间呈现一种非线性关系。在保压的初期阶段,制品重量随保压时间的而上升,但达到一定时间后,则重量则不再增加。如果保压时间不足,即保压压力过早切换,模内熔体在浇口冻封之前发生倒流,导致制品由于补缩不足而出现孔穴,凹陷及内部质量下降等,制品收缩率加大,密度变小。但是过长的保压时间不仅会延长成型周期,增加能耗,而且会引起浇口处的应力集中,制品断裂。

 

四.倒流与冷却定型阶段

 

1.倒流阶段

注射充模曲线中的tD—tE阶段。浇口封冻之后,外面的熔体再无法通过浇口进行补缩,保压过程终止,螺杆预塑退回。这时,虽然浇口已封冻,但在模腔压力的作用下,会有少部分熔体倒流引起起模腔压力的下降,保压时间的长短对倒流会有影响,即若在模腔流道入口还没有冻封就撤除保压压力,则熔体在较高的模腔压力作用下就会发生大的倒流,使模腔压力很快的下降。

2.冷却定型过程

注射充模曲线中的tE—tF阶段,是从保压开始至制品脱模止。使模内则成型好的制品具有一定的刚性和强度,防止脱模时顶出变形。过早的脱模,会引起顶出变形,损伤制品;但过晚会增加成型周期。

 

 

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