申长雨 , 等:塑料成型新工艺 329 塑料成型加工讲座(第十三讲) 塑料成型新工艺 申长雨陈静波 刘春太 李倩 (郑州工业大学橡塑模具国家工程研究 中心 4夕D眨) 摘要 简要介绍 几种 塑料成型新工 艺 。 关健词 塑料加工 成型 成型工 艺 塑料成型加工是将塑料原料转变 成具有使用价值 制品 的过程 。 传统的成型工艺有挤出 、 注射 、 吹塑 、 压延 、涂极、层 压 、传递 成型等 。 至今 , 这些技术已发展和运用得相当成熟 , 且应用得非常普遍 。 随着塑料制品应用日益广泛 , 人们对塑 料制品情度 、形 状 、 功能等提出了更高的要求 , 传统的成型 工 艺已难以适应这种要求 。 这就迫使人们在不 断改进传统的 成型工艺的基础上 , 采用新思想 、新技术 开发新的成型工艺 , 以满足 不同应用领域的需求 。 目前塑料成型工艺的发 展趋 势主要是节能 、节约原材料, 提高成型效 率 , 改进制品性能提 高其附加值 。 笔 者拟对低压注射 、熔芯注射、动态保压 注射 、 微孔塑料挤出及润滑挤出等塑料成型新工艺作简要介绍 。 1 高速低压注射成型 传统的注射成型过程可分为控制熔休人n速度的充填 过程和控制熔体人 口压力对塑料冷却收缩进行补料的保压 过程 。 充填过程中熔 体的人口速度是一定的 , 随着充填过程 的进行 , 熔体在型腔内的流动阻力逐渐增 加 , 因而熔体人口 压力也容易 随着 增高 , 在充 填结束时 人口压 力出现 较高峰 值 。 由于型腔内高压的作用 , 不仅会造成塑料溢边 、涨 模 等 不良现象 , 而且会使塑 料件内部产生较大内应力 , 塑料件脱 模后易出现翘曲和变形 , 使塑料件形状和 尺寸精度难以满足 较高要求 , 此外 这种 塑料件在使用过程 中也易出现 应力开 裂 。 为了降低或避免塑料在充填过程中由于较高的型腔压 力而使制品产生内应力 , 并将塑料件的变形 限制在较低的范 围内 , 所以应以塑料充填所需的最 低压力进 行充填 , 这样 就 可降低型腔内压力 。 低压注射成型与传统 注射成型的主 要 差别在于 , 传统注射成型充填阶段控制的是注射 速度 , 而低 压注射成型充填阶段控制的则是注射压力 。 在 低压注射过 程中 , 型腔人口压力恒定 , 所以不会出现压力峰值 , 但注射速 度是变化的 , 开始以很高的速度进行注射 , 随着注射时 间的 延长 , 注射速度逐渐降低 , 这样就可以大幅度消除塑料件内 应力 , 保证制品尺寸精度 。 但 若在低压时仍用 低速注射 , 则 由于充填时间较长而使熔体热历史产生较大差异 , 易造 成塑 料件收缩不均和变形 , 为此需用高速注射将熔体在短 时间内 充人型腔 。 高速注射的 另一作用 是利用熔体高速流动所产 生的剪切热提高熔体温度 , 降 低熔体粘度 , 使熔体在低压下 充满型腔成为可能 。 由于低压注 射的特点 是以恒定压 力进 行熔体充填 , 因而低压注射机有其独特的油压 系统 。 为了实现低 压高速 成型 , 需对传统注射机的注射系统作 必要的改进 , 目前国外已开发 出多腔液压注射系统 , 其主要 功能有 : (l )在同一油压下可多级变换最高注射压力 ; (2 )可在低注射压力下实施高速注射 。 由于低压注射成型的基本原理与一般注射成型 相同 , 所 以模具结构完全 一样 。 但由于低压注射成型用低压充填 , 不 出现压力峰值而有 利于防止细小模具型芯折断或损坏 , 有利 于提高模 具的使用 寿命 。 另一方面 , 由于低压注射成型对模 具的磨损较 小 , 对模具的 温度控 制和排 气等要求也并不很 高 , 因而可采用 由锌 、铝 合金材料制造的简易注塑模 , 这样不 仅可以降低生产成本 , 又能快速生产小批量精密塑料件 , 以 适应目前市场上多品种 、小批量生产 的需要 。 2 注射一压缩成型 这种成型工艺是为了成型光学透镜而开发的 , 其成型过 程为 : 模具首次合模时 , 动模 、 定模不完全闭合 , 保留一定压 缩间隙 , 随后向型腔内注射熔体(由于注射一压缩模具在型 芯部分设有 台阶 , 虽然模具不完全闭合 , 但型腔中熔体不会 泄漏);熔体注射完毕后 , 由专设的闭模活 塞实施下次合模 , 在模具完全 闭合的过程中 , 型腔中的熔体再一次流动并 被压 实 , 其成型原理见图 l 。 尸尸味味 仓 图1注射一压缩成型原理 与一般的注射成型相比 , 注射一压缩成型的特点是 : (l ) 熔体注射是在型腔未完全闭合情况下进行的 , 因而流道面积 大 , 流动阻力小 , 所需的注射压力也小 ; (2)熔体收缩是通过 外部施加压 力给型腔使型腔尺寸变小 即由型腔直接 压缩熔 体 来补偿的 , 因而型腔内压力分布均匀 。 因此 , 注射一压缩成型可以减少或消除由充填和保压产 生的聚合物分子取 向和制品内应力 , 提 高制品材质的均匀性 和尺寸的稳定性 , 同时降低塑料件的残余应力 。 注射一压缩 成型工艺已广泛用于成型塑料光学透镜 、激 光唱片等高精度 国家自然科学基金重点资助项目(1肠3 么】 H) 原载于工程塑料应用创洲 】 )年第3期 330 工程塑料应用加工应用论文优选 制件以及难以注射成型的薄壁塑料件 , 此 外该工艺在玻纤 增 强树脂成型中的应用 也日益普及 3 熔芯注射 成型 当注射成型结构上难以脱模的 塑料件 , 如 汽车输油管和 进排气管等有复杂形状的空心塑料件时 , 一般是将它们分成 两半成型 , 然 后 再拼 合起 来 , 致使塑料件的密封性较差 。 随 着这类塑料制品 应用日益广泛 , 人们将类似失蜡铸造的熔芯 成型工艺引人注射成型 , 形 成了所谓 的熔芯注射成型方法 。 其基本原理是 , 先用低熔点合金铸造 成可熔型芯 , 然后把可 熔型芯作为嵌件放入模具中进行注射成型 , 冷却后把包含有 型芯的制件从型 腔中取出 , 再加热将型芯熔化 。 为缩短型芯 熔出时间 , 减少塑料件变形和收缩 ,一 般 采用 油和感应线圈 同时加热的 方式 , 感应 加热使可熔型芯 从内向外熔 化 , 油加 热熔化残存在塑料件 内表面 的合金表皮层 熔芯 注射成型特别适用于形状 复杂 、 中空和 不宜机械加 工的复合材料制品 , 这种成型方法与吹 塑和气体辅助注射成 型相比 , 虽然要 增加铸造可熔型芯 的模具和设 备及熔化型 芯 的设备 . 但可以充分 利用现有的注射机 , 且成型的自由度也 较大 。 熔芯 注射成型中 , 制件是 围绕芯件制 成的 : 制 成后 芯件 随即被熔去 , 这似乎与传统工业 的熔芯铸造 方法类似 , 并不 新奇但是关键问题在于制造芯件的材料 , 传统的材料是不 可能用来制作塑料加工中的芯件的 , 一是不够坚硬 , 难以在 成型过程中保持其形 状 . 尤其 是不能承受压力和熔体的冲 击 . 更主要 的 是精度 绝 对不适 合塑料制品的 要求 . 所以 , 关键 是 要找到制作芯件的合适材料 一 月前常采用 的 是S n一 H i 和 呀 n一 P b低熔 点 合金 熔芯注射成型已发展成 一 种专门的注射成型分支 . 网球 拍 手柄是 首先 大批量 生 产的熔芯 注射 成型 J .认 用实 例另 外 , 它还伴随 着汽车I _ 业对高分 子材料 的需求而发展 . 龙其是用 于汽车发动 机 的 全塑多头集成进气管的 成型 , 已实现批量生 产 了 其它 的新 应 用领域有汽车水泵 、 水泵推 进轮 、 离心热水 泵 、 航天器 油 泵等 4 夹芯注射成型 夹芯 注射成型 是在结 构发 泡成型技术的纂 础上发 展 起 来的一种新的成型力 一 法 , 它应用的个注射 单元 . 由 一 个注射 单元光向型胶 注射一种塑料熔沐 . 而后 再 由 另 一 个注射单元 向型腔注人另 一 种塑料熔体 , 后 一 种塑 料熔体完全被第 一 种 塑料熔体包 覆而形成芯层利用夹芯 注射成型技 术可以制 造皮层为硬质材料而芯 层为发 泡材料的厚壁塑料件 , 通 过不 同材 料的 组合可以获得具有特殊性 能 的塑料制品 夹芯注射成型经历 了 : 个发履阶 段 , 即单料道 、 双料道 和 一 料道 J艺 乙 单料道 1 _ 艺中 . 通 过换向阀由 一 个位置改 变 到 另位置 使两种树脂先后 注人 型腔由于熔体的流动特性和皮层树 脂倾 向粘附于温度较低的模具表面 , 因 而形成致 密的皮层 皮层的厚度受注射速率 、 料温 、 模具温度及 两种树脂 的相容 性等因素影响单料道工艺的 主要优点是特别适十要求薄 而致 密皮层的制品 . 缺点是喷嘴的转换可能会引起制品表面 划伤 - 双或三料道工 艺 , 可使 皮层及芯层 注射连续或同时完 成 。 这两种工艺可使密实的表层 厚度得到准确控制 , 特别是 制件两侧浇口区域处试验表明 , 双或三料道工艺对于注塑 高质量的制件是十分必要的 , 生产越 复杂的制品所获得的制 件综合性能越好 。 三 料道技 术对中心浇口注塑制件 的加工 尤为适宜 。 双料道工艺对于多腔注塑更适 用 , 这是由于没有 复杂的喷嘴 , 材料及颜色变换起来很 容易 。 夹芯注射成型生产的制 品可充分利用 每一种 材料的优 势 , 作到物尽其用 , 与普通注射成型相比具有以下优点 : (l )较大的抗翘 曲变形刚性 ; (2 ) 厚壁制 件表面质量好 , 无凹陷 ; (3 )芯层料 采用回收料可降低成本 ; (4)软 、硬 配料结 合 , 可成型各种 纹理 的 塑料件 ; (5 ) 制件表面光 滑 , 不 必专门修饰 ; (6)可 生产特殊性能的 塑料件 。 为 充分发挥夹 芯 注射成型的优势 . 表层材料和 芯层材料 的 选择应遵循 : (l ) 两种材 料必 须相互之间能够粘接 ; ( 2 )两种材料 的线胀 系数和 收缩率应相近或几乎相等 , 否则会出现分层现象 ; (3)表层 和 芯层材料的热稳定性及流动性应相近 。 5 动态保压注射成型 动态保压注射成型实质是在保压阶段将振动引人型腔 , 使型 腔内的聚合物熔体产 生振动 剪 切 流 动 . 以控制制品 的内 部结 构和 微观形 态 , 从而达 到控制制品 力学性能和外观 质量 的日的将振动引 .入 型腔 的方法有螺杆 加振和辅助装置加 振两种 川螺杆 加振 螺杆加振的 L作原理是给注射油缸提供 脉动 油压 , 使注射螺杆产 生 往复 移动而实现 振动 . 注射螺杆 产 产仁的振 动作用 在熔体上 . 并通过聚合物熔体把振动传人型 腔 , 从而使型腔中的熔体产生振动 , 这种振动 的作用能 持续 到模具浇L l封闭时为L卜此种装置比较简 单 , 口J以 利用注射 机的控制 系统 , 或对 注射机的液压和 电气控制系统加以改造 来实现 _ ( 2 )辅助装置加振辅助装置加振是将加振 装置 (见图 2 )安装在模具与注射机喷嘴之间 . 注 射阶段与普通注塑 一 样 . 通常熔体仅通 过 一 个浇L J此浇r 1活塞后 退以保持流道 通 畅 , 另一活 塞则切断另 一 流道 ; 型腔充满后 , 两保压活塞在 独 立 的液压系统 驱动下 开始以同样的 频率振动 , 但其相位差 1 8任 通过两个活塞 的 往复适动 . 把振动传人 型腔 , 使型腔 中 的 熔体 边冷却一边产生振动 剪切流动实验证明这种 I 一 艺有助于消除 制品的常见缺 陷(如缩孔 、 裂纹 、 表面 沉阶 等) , 提高熔接线强度;通过合理设置浇 1位置 和数量 , 可以 控制聚合物分r或纤维 的 取向 . 获得比普通注射成型制品强 度 史高的制品 二 动 态保压注射成型过程中 聚合物熔体被注人型腔后 , 型 腔内开始出现固化层 一 在固化层附近 由f熔 体流 动速度梯 度最大所以此处 的熔体受到 的剪切作用最强烈 . 故取向程 度最大 而中心层附近 由于速 度梯 度 小 , 剪切作用小 , 因而 取向程度也小 。 在保压过 程中引人振动 . 使型腔中的 聚