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新型注塑件成型技術(shù)
1. 共注塑件成型（芯層注塑件成型） 采用共注塑件成型有助于觀察到制件中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。塑料“甲”先注射充入部分型腔，然后塑料：“乙”緊跟著“甲”注射進(jìn)入型腔并保持初始推動(dòng)流動(dòng)壓力場(chǎng)。根據(jù)表皮區(qū)和芯層的尺寸大小，按正確的比例關(guān)系計(jì)量出“甲”和“乙”的用料量，可制得1個(gè)內(nèi)芯層為“甲”外表完全由“乙”包裹的制件。 另外，在化妝品應(yīng)用方面，有小部分的表皮“甲”料放在“乙”料之后注射，以使?jié)部诓糠值谋砥つ芡耆]合。用2種不同顏色的樹(shù)脂進(jìn)行共注塑件成型的制件，形成一個(gè)容易區(qū)分的表皮和芯層區(qū)間（認(rèn)識(shí)到所有的注塑件成型件中存在有類(lèi)似的表皮和芯層這一點(diǎn)非常重要。）如果沒(méi)有先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，通常難以區(qū)分表皮—芯層的區(qū)域及其分界面。 共注塑件成型并非一門(mén)新的工藝技術(shù)。英國(guó)ici公司早在70年代就開(kāi)始應(yīng)用這一技術(shù)，并取得了包括基礎(chǔ)理論，生產(chǎn)產(chǎn)品及機(jī)器設(shè)備等幾項(xiàng)專(zhuān)利。現(xiàn)普遍采用的ici生產(chǎn)工藝類(lèi)似“三明治模塑”，由于模塑外層表皮的材料與中間或芯層的材料不同，因此兩種材料必須有一定的相容性，并且芯層材料要求具有可高度輻射、發(fā)泡成型和100%回收利用等性能。選用材料應(yīng)經(jīng)多種選擇比較而定。 共注塑件成型工藝問(wèn)世15年后，才真正得以普及推廣。一種采用共注塑件成型的厚齒輸制作橫截面。 表皮材料是非填充尼龍，而芯層材料是玻璃-珠料-填充尼龍。芯層中玻璃珠粒料收縮率極低，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。尼龍表皮賦予齒輪齒牙良好的潤(rùn)滑性并避免了珠粒料容易產(chǎn)生的磨蝕問(wèn)題。 基于共注塑件成型的基礎(chǔ)理論目前已開(kāi)發(fā)出幾種新型加工改進(jìn)方法。例如，模內(nèi)“上漆”和氣體輔助模塑成型擴(kuò)大了采用這種工藝的范圍。模內(nèi)上漆加工方法是采用低分子量聚合物作為外層材料，而氣體輔助模塑成型是采用氮?dú)饣蛄硪环N氣體作為芯層（或部分芯層）材料。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)加工設(shè)備的不斷完善改進(jìn)，將滿(mǎn)足各種新應(yīng)用和新技術(shù)的需求，共注射技術(shù)必將成為富有潛力的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)工藝方法。 2. 氣體輔助注塑件成型 氣體輔助注塑件成型技術(shù)主要是為了減輕重量和（或）節(jié)省循環(huán)時(shí)間等而逐漸發(fā)展起來(lái)的。 通常的共注塑件成型中，首先注射外層材料，并只部分填充型腔。然后氣體通過(guò)噴嘴注射或直接進(jìn)入模腔內(nèi)，模腔制件的芯層部位。液化氣體也可注射到待成型制件的芯層部分。一般而言，在芯層內(nèi)氣體壓力推動(dòng)熔料向前流動(dòng)，直至完全充滿(mǎn)型腔，并防止制件表層在固化階段從模腔壁凹下，相連的表皮層緊貼著模腔壁，氣體則保存在模塑制件的芯層區(qū)間。由于注入氣體的壓力高于大氣壓力，故此該氣體的壓力必須在制件頂出之前降低，以避免當(dāng)起限位作用的模腔壁移動(dòng)時(shí)，造成制件變形。 高度壓縮的氣體難于控制其形狀及定位氣體芯的位置，但隨著工藝及工序的不斷改進(jìn)，將可重復(fù)生產(chǎn)出合格的制件。 在機(jī)器化控制的條件下，通常采用各項(xiàng)工藝程序控制。隨著注塑件加工基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，控制方法下淘汰控制壓力的方法而采用真正的工藝程序控制，對(duì)物料的響應(yīng)進(jìn)監(jiān)測(cè)，調(diào)節(jié)乃至控制。對(duì)諸如注射速率等加工參數(shù)的改進(jìn)，對(duì)成型制件尤其是對(duì)其機(jī)械特性及表面特性將會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。射料桿速度與熔料注射速度并不相等，了解這一點(diǎn)很關(guān)鍵。粘彈性材料的響應(yīng)與澆灌能夠過(guò)程相互關(guān)聯(lián)，而且一定是同步進(jìn)行的?？傊?，想直接觀察到材料的響應(yīng)既不可能也很不現(xiàn)實(shí)。過(guò)去由此而產(chǎn)生了可重復(fù)性次序處理或控制物體的設(shè)備 。該工序流程中關(guān)鍵步驟是經(jīng)常采用干式循環(huán)測(cè)量機(jī)器設(shè)備。有重復(fù)性的模壓工序當(dāng)然重要，但應(yīng)最優(yōu)先考慮具有重現(xiàn)性的熔體特性。由此，通常要求在控制器上加設(shè)輔助探測(cè)器，以保存記錄塑料熔體壓力及溫度，是有關(guān)熔體狀況的重要參數(shù)，但并不足夠以調(diào)節(jié)材料的非線(xiàn)形響應(yīng)。輔助性的調(diào)節(jié)控制設(shè)備正不斷地開(kāi)發(fā)應(yīng)用于成型高度復(fù)雜的注塑件制件。例如，機(jī)械式的閥控澆口應(yīng)用于熱流道體系中，在流道內(nèi)可更好地調(diào)控分配壓力，并可消除熔接痕和減少翹曲。 3. 低壓注塑件成型 低壓注塑件成型已經(jīng)出現(xiàn)在最近的有關(guān)加工工藝報(bào)道中。其實(shí)這也并不是一種新的工藝，但采用的加工方法，可使設(shè)備工序能更好地與預(yù)料中的熔體響應(yīng)相匹配。常規(guī)的成型條件下，注射初始時(shí)熔體因過(guò)度受壓而產(chǎn)生巨大的不穩(wěn)定效應(yīng)。由此引起粘度急劇增高，同時(shí)熔體由于受到壓縮而儲(chǔ)存了彈性能量。而低壓注塑件成型工藝與此相反，熔體流過(guò)噴嘴和流道。由于熔體粘度伴隨壓力增加而增大，而低壓注塑件成型熔體的粘度較低，從而可更好地控制熔體的粘流特性。另外，料筒內(nèi)熔體的壓力增大速度越快，將更呈現(xiàn)出類(lèi)似固態(tài)的空體響應(yīng)。粘彈性塑料熔體從純液態(tài)到純固態(tài)過(guò)程中，都具有寬頻的響應(yīng)特性。熔體的響應(yīng)或松弛時(shí)間等具體特性是由聚合物主鏈上的化學(xué)成分所決定。避免流動(dòng)條件的突然改變或瞬間大幅度變動(dòng)，更有利于形成所需的類(lèi)似液態(tài)特性。事實(shí)上，低壓注塑件成型只是控制或調(diào)節(jié)塑料粘彈特性的一種加工方法。樹(shù)脂生產(chǎn)注塑件加工商一般把高流動(dòng)性樹(shù)脂的分子量降低，以求降低其粘彈性，從而適合于生產(chǎn)薄壁制品等的需要。隨著對(duì)加工環(huán)境認(rèn)識(shí)的深入，采用低壓注塑件成型將使塑料熔體更能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的要求。 目前有幾項(xiàng)工業(yè)化產(chǎn)品是采用低壓注塑件成型方法。大多數(shù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目已著重于將低壓注射與再注射塑料成型結(jié)合一起使用。如汽車(chē)門(mén)內(nèi)飾板的成型，就是將紡織物或非紡織物放置入注塑件模具內(nèi)，再直接向注塑件模具注射熔料。模內(nèi)加標(biāo)簽方法是超越簡(jiǎn)單印刷的另一種成型方法。在每次循環(huán)生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)，單獨(dú)的標(biāo)簽或接連的薄膜可在模內(nèi)轉(zhuǎn)換位置。薄膜除了可印刷之外，不定期具有很多動(dòng)能，（如高抗行擊、韌性樹(shù)脂）或者薄膜可含有助劑和穩(wěn)定劑，以保護(hù)成型制件表面。 4. 交變注塑件成型 相比較而言，交變注射是一個(gè)比較新的注塑件成型選擇參數(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的最大難點(diǎn)在于當(dāng)加工條件突然改變時(shí)，對(duì)塑料熔體將呈現(xiàn)出怎樣的變化行為知之甚少。有關(guān)熔體流變學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，不僅僅是固定的剪切粘度。確切地說(shuō)，熔體響應(yīng)（粘性和彈性行為）需要表達(dá)的特性，不僅是通常的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)速率或剪切速率及溫度，也包括壓力及瞬間流動(dòng)速率。這些特性包括很多內(nèi)容而且十分難于弄清楚。然而，如果在異型材注射方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，將需制訂出多種不同塑料的具體操作規(guī)程。另還需增加通用的累試法，以求得到成熟和精確的控制方法。 在常規(guī)的注塑件成型中，型腔壁固定不變，某些情況下，還有利用在充模和保壓陷段移動(dòng)模壁?？刹捎?種不同的方法：移動(dòng)型腔壁方向垂直于分模線(xiàn)；旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)型腔壁。在充模階段旋轉(zhuǎn)型芯以增加對(duì)制件尤其是表皮部分分子的變軸取向。通過(guò)這種加工工藝，制件的彎曲性能與其它機(jī)械性能得到了極大的提高。聚苯乙飲水杯和聚丙烯注射器就是采用這種加工方法獲得重大改變突破地2個(gè)產(chǎn)品。 5. 注射—壓縮成型 注射—壓縮成型中型腔壁移動(dòng)方向垂直于分模線(xiàn)。采用這種方法成型時(shí)，在充模階段，按工序產(chǎn)生壓力驅(qū)熔體流動(dòng)，但這一個(gè)流道的深度是可變化的。在較深的流道中，壓力下降得較低，以使大面積的制件成型中熔體沒(méi)有過(guò)度受壓，并避免了瞬間的材料響應(yīng)，這2種因素同樣會(huì)阻礙熔體的流動(dòng)。注塑件成型過(guò)程中，型腔深度可能是最終制件厚度的14%，在塑料填充了大致60%—75%的型腔后，停止注射，模腔壁周?chē)瑫r(shí)受到推壓，直至最終制件的壁原成型為止。制件的最終尺寸在這階段確定。 如果在模壁按工序移動(dòng)之前充滿(mǎn)了型腔，該種工藝通常稱(chēng)為鑄壓成型。大體上，鑄壓成型是在一個(gè)可變體積的型腔內(nèi)采用不變的壓力對(duì)制件進(jìn)行保壓。鑄壓階段是增加密度的階段，密度緊接著在介于熔體和固態(tài)塑料之間起變化。采用鑄壓方式成型致密圓盤(pán)，可把殘留應(yīng)力減至最低程度，制件上的殘留應(yīng)力可產(chǎn)生變折射現(xiàn)象。 鑄壓成型的改進(jìn)型活動(dòng)式型腔壁是一種新技術(shù)，其由注射全體制件固化階段通過(guò)多孔的金屬型腔壁以“保壓”制件。這種方法已有人稱(chēng)為外部氣體輔助成型法，其實(shí)這是一種誤解，因?yàn)闅怏w并沒(méi)有影響塑料熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)。在常規(guī)的注塑件成型當(dāng)中，保壓就是在保持型腔體積不變的同時(shí)，在壓力流的作用下，添加入更多的塑料。 聯(lián)同在型腔內(nèi)的保壓流形成了不均勻的壓力分布，有可能在受高壓的澆口位置產(chǎn)生制件缺陷。 6. 注塑件模具的冷卻 注塑件模具的冷卻是一項(xiàng)關(guān)鍵的工藝技術(shù)。大部分的成型周期都是由傳導(dǎo)熱量傳遞過(guò)程。能量可從熱的熔體傳遞至冷的注塑件模具上是由于存在溫差所至。注塑件模具壁邊的塑料表皮有效地隔離著芯層，從而使得這種熱傳遞方式非常低效?？墒?，注塑件模具冷卻通常到設(shè)計(jì)的最后階段才得以注意。較好的冷卻設(shè)計(jì)樣式可縮短20%—30%或更短的循環(huán)生產(chǎn)時(shí)間，并提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 在生產(chǎn)循環(huán)周期中，注塑件模具的表面溫度不斷地“高—低”周期性變化著，當(dāng)熱的熔體逼壓著模壁時(shí)，模溫就高，頂出制件后，下次注射之前，空模腔的模溫就低。為了將冷卻時(shí)間縮短至最低限度，人們一直在探求能生產(chǎn)合格制件的最低注塑件模具溫度。模溫所起的重要作用就是影響型腔內(nèi)的熔體流動(dòng)以及表皮與芯層之間的尺寸比例大小。模溫越低，表皮尺寸越厚而型腔內(nèi)壓力下降越大。脈行冷卻技術(shù)是在注射塑料進(jìn)入模腔后，通常采用循環(huán)冷卻管內(nèi)非常凍的冷凍液體來(lái)調(diào)節(jié)冷卻的一項(xiàng)技術(shù)。制件頂出后，如果沒(méi)有循環(huán)，下一次射料熔流進(jìn)入模腔后，模腔壁的溫度就顯著上升。采用脈行冷卻方式后，其型腔壁溫度將更高，但比常規(guī)注塑件模具冷卻方法所探測(cè)的溫度稍低。脈行冷卻可廣泛應(yīng)用于薄壁制件的成型；要求重復(fù)精確 表面的制件成型，以及流道深度變化范圍材料突變行為。例如逆滯流動(dòng)。對(duì)于脈行冷卻的加工優(yōu)勢(shì)和其它相關(guān)限特性在潛在優(yōu)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，有關(guān)脈行冷卻的成本花費(fèi)是否過(guò)高的爭(zhēng)論已顯得不那么重要。 7. 熔芯成型工藝 熔芯成型法是一種比較新的工藝方法，便于加工內(nèi)部有交叉復(fù)雜的渠道、凹槽或切槽的制件。生產(chǎn)管道夾具、泵外殼和體育運(yùn)動(dòng)商品等小型制件的生產(chǎn)注塑件加工商們，早在15年以前就開(kāi)始考慮鑒定是否采用這項(xiàng)工藝了。最近，汽車(chē)制造公司已采用該項(xiàng)工藝生產(chǎn)大型零部件，如輕質(zhì)的動(dòng)力系統(tǒng)樣件和進(jìn)氣支管等。這個(gè)型芯與常規(guī)注塑件模具一樣具有可折將式的型芯功能，設(shè)有限定的內(nèi)腔壁的嵌件型芯。主要區(qū)別在于型芯的結(jié)構(gòu)，這種型芯不能在模內(nèi)拆卸也不能用機(jī)械方法抽出到模外。另外，這種型芯若不是由電感加熱熔融掉，如低熔點(diǎn)（138oc）的錫-鉍合金或另外的錫合金，就是在二次操作中被（可溶性丙烯酸類(lèi)聚合物）行洗掉。這種熔芯成型采用常規(guī)的工藝方法，兩者的主要區(qū)別在于型芯的熱性能及型腔材料不同。型芯的熱性能直接影響制件上流動(dòng)表皮-芯層結(jié)構(gòu)的厚度。根據(jù)實(shí)際加工條件，頂部及底部表皮厚度可大不相同，在某種情況下，可能產(chǎn)生翹曲的缺陷，而另一種情況下，有可能減少或消防易出缺陷制件的翹曲現(xiàn)象。 熔芯成型法當(dāng)中，型芯僅僅作為模壁。充模過(guò)程不因固態(tài)嵌件而改變。由于金屬合金型芯或聚合物型芯的熱性能大不一樣，故其所要求的壓力也有所不同。聚合物型芯起到隔絕壁的作用，并且在成型制件中產(chǎn)生非常薄的流體表皮；金屬型芯成為散熱點(diǎn)而在制件上形成相對(duì)厚的流體表皮。如果塑料熔體流過(guò)時(shí)型芯表面已熔化，將產(chǎn)生流動(dòng)根本性變化。已有報(bào)道采用冰條作為型芯。液態(tài)薄膜在冰與塑料界面存在著非常復(fù)雜的加工問(wèn)題得以解決之前，這種方法用于高精度制件是切實(shí)可行的。 8. 計(jì)算機(jī)輔助成型 采用計(jì)算機(jī)輔助工程（cae）對(duì)加工設(shè)計(jì)及分析有助于縮短設(shè)計(jì)周期并可避免代價(jià)昂貴的機(jī)械失誤。商業(yè)性仿真代碼常用于流道上標(biāo)明尺寸，以平衡熔料在流道系統(tǒng)及型腔內(nèi)的流動(dòng)，同時(shí)確定澆口的最佳開(kāi)設(shè)置和澆口的數(shù)目。計(jì)算注射壓力和合模噸位要根據(jù)不同的加工條件和材料而定。收縮率及翹曲率結(jié)合初始流向也可準(zhǔn)確估算出來(lái)。重要的是要使得這種設(shè)計(jì)工具幫助熟練分析人員在某個(gè)設(shè)計(jì)方案或加工研究時(shí)進(jìn)行判斷的操作。結(jié)果必須理解為以研究對(duì)象和加工/材料為前提。當(dāng)考慮采用這種方法準(zhǔn)確輸入數(shù)據(jù)后，可取得巨大的效益。另外，這種分析經(jīng)濟(jì)性可使設(shè)計(jì)周期更短和所需的生產(chǎn)時(shí)間更短。 應(yīng)該提醒注意的是，商業(yè)性的cae程序通常是不可直接使用的。充模仿真可產(chǎn)生有價(jià)值的見(jiàn)識(shí)，但結(jié)果必須重新對(duì)其局限性進(jìn)行重新考慮估計(jì)。應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)進(jìn)行注塑件成型模擬試驗(yàn)，僅限于純粘性流體（不包括粘彈性的熔融塑料）?？深A(yù)測(cè)熔體流入型腔的實(shí)際流動(dòng)速率組成結(jié)構(gòu)和性能公布等，如可進(jìn)行高精度的粘彈性分析。目前所采用的任何其它加工方式都不可能達(dá)到這種先進(jìn)水平，并且最近幾年來(lái)，由仿真設(shè)備的工業(yè)界帶頭者和大學(xué)里的研究小組已取得了良好的進(jìn)展。有幾家公司正在努力探索仿真技術(shù)，以求能正確地解釋更多現(xiàn)實(shí)的塑性行為和加工現(xiàn)象。例如，聚合物主鏈的取向?qū)植康奈锢硇阅芎托阅芊植嫉挠绊憽＜庸の锢韺W(xué)是非常復(fù)雜的，而某些粘彈性體現(xiàn)象仍然沒(méi)有完全弄清楚，更完善合理的加工方式目前正緩慢形成。這些更強(qiáng)的有力的方式將獲得大大超過(guò)目前所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力。
