第三章 注塑成型工艺基本知识

海尔模具新员工培训教材 CAE注塑模拟分析 第三章 注塑成型工艺基本知识 第1节 注塑工艺参数的意义 1．注射压力 压力是驱使高聚物熔体在型腔中克服阻力，进行充填和保压的原动力。假如我们沿着熔体流动的路径放置许多压力传感器，就会发现注射压力按照下图所示的规律分布： 压力值越高，两点之间的压力梯度越大，熔体流动的的速度就越快。为了维持恒定的压力梯度以保证熔料充填速度的均一，必须随着流动长度的变化而相应的增加注射压力。 2．注射时间 这里所说的注射时间是指塑料熔体充满型腔所需要的时间，是真正的注射时间。在实际注射成型过程中，注塑机上所调节的注射时间要远远大于这个值，这是由于注射时将一部分保压时间也算作了注射时间。 尽管注射时间很短，对于成型周期的影响也很小，但是注射时间的调整对于浇口、流道和型腔的压力控制有着很大作用。合理的注射时间有助于熔体理想充填，而且对于提高制品的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面质量以及减小尺寸公差有着非常重要的意义。注射时间可以通过冷却时间的长短来估计。冷却时间可用以下 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 来简单的估算： 冷却凝固层厚度 这里： 注射时间要远远低于冷却时间，大约为冷却时间的十分之一至十五分之一。在作CAE分析时，只有当熔体完全是由螺杆旋转推动注满型腔的情况下，分析结果中的注射时间才等于工艺条件中设定的注射时间。如果在型腔充满前发生螺杆的保压切换，那么分析结果将大于工艺条件的设定。 3．注射温度 注射温度是影响注射压力的重要因素。注塑机料筒有5-6个加热段，每种原料都有其合适的加工温度，列表如下： ABS PP PS PC POM PVC 240 225 235 280 180 190 表3-1 常用 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的加工温度 注射温度必须要控制在一定的范围内。温度太低，熔料塑化不良，影响成型件的质量，增加工艺难度；温度太高，原料容易分解。在实际的注射成型过程中，注射温度往往比料筒温度高，高出的数值与注射速率和材料的性能有关，最高可达30度。这是由于熔料通过注料口时受到剪切而产生很高的热量造成的。在作CAE分析时我们可以通过两种方式来补偿这种差值：一种是设法测量熔料对空注射时的温度，另一种是建模时将射嘴也包含进去。 4．速度-位置 为了使得熔料在充填过程中保持恒定的熔前速度（MFV），工艺调整时必须要根据熔料流动路径的实际情况调整注射速度的大小。小型的注塑机一般分为五段射胶，较大一点的注塑机分为十段。典型的速度-位置曲线如下： 速度-位置曲线也可以帮助我们调整注塑缺陷，如浇口处的速度一般控制的较低，这有助于减小流痕出现的可能性，具体我们将在工艺控制一节中讲述。 5．保压 在注射过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的体积。如果型腔冲满后不进行保压，制件大约会收缩25%左右，特别是筋处由于收缩过大而形成收缩痕迹。保压压力一般为冲填最大压力的85%左右，当然要根据实际情况来确定。保压控制的一些原理我们将在工艺控制一节中讲述。 6．背压 螺杆反转后退储料时所需要克服的压力。采用高背压有利于色料的分散和塑料的融化，但却同时延长了螺杆回缩时间，降低了塑料纤维的长度，增加了注塑机的压力，因此背压应该低一些，一般不超过注射压力的20%。注塑泡沫塑料时，背压应该比气体形成的压力高，否则螺杆会被推出料筒。有些注塑机可以将背压编程，以补偿熔化期间螺杆长度的缩减，这样会降低输入热量，令温度下降。不过由于这种变化的结果难以估计，故不易对机器做出相应的调整。 第二节 注塑工艺参数之间的关系 1． 压力与时间的关系 如果将不同注射时间所对应的注射压力数值作一条曲线，我们就会发现如 下图所示的U型曲线。如果用较小的注射时间充填满模腔，就必须要有很高的速度，因此也就必须要有很高的压力。当注射时间很长时，熔料温度下降，粘度增加，从而增加了填充难度，因此也需要很大的注射压力。只有在曲线的中间位置出现一个最低点，此时的注射时间恰好注射压力最低。实际生产中必须要反复的采用不同的注射时间进行试模，才能绘出这条曲线，如果采用CAE分析，我们可以通过计算机分析纪录数据，从而事先找到这条曲线。 2．速度与压力的关系 将实际试模的工艺参数与CAE分析出的试模参数作一下对比，我们就会发现两个问题：一是CAE分析出的注射压力要远远小于实际成型所需的压力；二是有时当提高注射速度时会升高注射压力，有时却要降低注射压力，这两者到底存在什么样的关系，也就是说两者之间到底是谁控制谁。对于第一个问题的解答，要从注塑机基本的结构出发。注塑成型中所讲的注射压力是指从显示屏上看到的注射压力，它实际上是控制油缸的油压，这部分油压通过输油管传递到螺杆，进而传递到喷嘴。CAE分析中所指的压力就是指的注塑机喷嘴处的压力。这两个压力符合液体压强的帕斯卡定律。我们可以通过以下公式来转换： PCAE分析压力=(D螺杆直径/D油缸直径)2 * P面板显示压力 根据分析 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 ，CAE分析压力要比实际注射压力低约30-40Mpa。 对于第二个问题，由于在进行型腔充填时，注射实际上在一定程度上来说仍属于对空注射，此时只需要很小的压力便可保证注射速度，因此料筒实际需要的注射压力要比设定的压力小很多。只有当型腔充满时，注射压力才会升高到实际设定的注射压力。因此，注塑机面板上设定的压力实际上是保证螺杆按设定速度运行的上限。只要这个值不低于螺杆运行所需的注射压力，那么螺杆便正常运转，否则速度会下降。如果在保压时压力很大，此时料筒压力大约等于这个压力，就会向型腔内射进更多的料，引起制件密度变化，从而导致制件重量变化。 3．压力与温度的关系 温度和时间一样，是注塑工艺中影响压力大小的最重要的两个因素。温度升高时，原料的的粘度会下降，从而使得注射压力降低。但是升高温度只对于分子链较柔软的“温敏性“高分子有比较大的影响,例如PE等。对于分子链较刚性的”剪敏性“高分子影响却较小，例如PC等。但过分的升高料筒温度则会使得高分子降解，影响了制品的表面质量和强度。根据经验，料筒温度每升高1度，注射压力往往会下降1.5Mpa左右。另外料筒温度过高使得高聚物粘度下降很大，导致飞边的出现，和收缩痕迹加重。因此在加工生产中要合理把握好这个参数。 第三节 工艺控制 1． 充填过程控制 高聚物在充填过程中，在料筒中受到螺杆的剪切和加热圈加热而塑化。高 聚物的熔体在螺杆运动的驱使下通过喷嘴注入模具型腔。由于在充填过程中料筒的体积保持不变，高聚物的压缩比较小，密度的变化相对来说可以忽略，因此注塑机的体积注射速率正比于螺杆的线性推进的速度。我们可以利用这种关系通过控制螺杆的运动进而控制注塑机体积注射速率。螺杆的运动是由注塑机的控制油路控制。现在的注塑机基本上都采用了封闭的控制系统，因而可以实现对注塑过程的多级控制，以达到精确控制的目的。 2，保压过程控制 保压压力控制对于减小飞边和防止机械损伤有非常重要的意义。良好的保压压力控制方式有助于减小制品收缩，提高制品的外观质量。保压压力一般为注射压力的80-90%，采用如下的保压压力控制曲线有助于减小注射压力和锁模力，保持良好的制品质量。 图中1表示注射开始。3表示充填过程中发生了保压切换，螺杆停止旋转。4代表型腔已经充满，此时保压开始，充填过程进入后充填阶段。后充填阶段包含保压和冷却两个过程。 保压时间过长或过短都对成型不利。过长会使得保压不均匀，塑件内部应力增大，塑件容易变形，严重时会发生应力开裂。过短则保压不充分，制件体积收缩严重，表面质量差。保压曲线分为两部分，一部分是恒定压力的保压，大约需要2-3s,称为恒定保压曲线；另外一部分是保压压力逐步减小释放，大约需要1s，称为延迟保压曲线。延迟保压曲线对于成型制件的影响非常明显。如果恒定保压曲线变长，制件体积收缩会减小，反之则增大；如果延迟保压曲线斜率变大，延迟保压时间变短，制件体积收缩会变大，反之则变小；如果延迟保压曲线分段，且延长，制件体积收缩变小，反之则变大。 我们可以通过CAE分析的结果数据来判定保压数据。当型腔完全充满时，保压 开始；当熔料前端停止流动时，说明型腔已经补缩达到一定程度，或者说熔料已经不再前进，此时恒定保压结束，延迟保压开始；当浇口完全凝固时，喷嘴对型腔的补料结束，保压结束。任何一种塑料原料都有自己的不流动温度，不流动温度的值略大于该原料的玻璃化转变温度。当熔料温度下降到它所对应的不流动温度后，熔料便不再流动。CAE模拟中通过充填过程的动态温度显示可使我们很容易的获取熔前的不流动温度，从而确定延迟保压的准确开始时刻。当浇口的凝固层厚度为1时，浇口完全凝固，凝固层的厚度值也可以通过CAE分析结果动态的显示出来。 3．保压切换控制 注塑充填过程中当型腔快要充满时，螺杆的运动从流动速率控制转换到压力控制。这个转化点称为保压切换控制点。保压切换对于成型工艺的控制有非常大的意义。保压切换点以前主要是通过螺杆的旋转，使得熔料前进，速度和压力很快。保压切换以后，螺杆停止旋转，只是通过螺杆的向前积压推动熔料前进，压力较小。如果不进行保压切换，只是通过螺杆旋转推进塑料前进，那么当型腔充满时压力仍旧很大，造成注射压力陡增，所需锁模力也会变大，甚至会出现飞边等一系列的缺陷。保压切换的选择应该适当，过早或过迟的保压切换都对成型不利。过早的进行保压切换会使充模压力降低，充模困难，甚至出现打不满的现象。过迟的保压切换将导致注射压力增大，甚至于出现飞边。保压切换可以根据位置、体积、压力等进行。例如，当注射压力达到某一定值时即进行保压切换。如果按照体积值进行切换，一般选择型腔充填到95%时进行切换。注塑机中的保压切换一般都是按照注射位置进行的，也就是说当螺杆行进到某一位置随即发生保压切换。 下面为保压切换前后的MOLDFLOW分析数据 Flow rate Time Volume Actual Nominal Pressure Clamp force sec % cu.cm/s % MPa tonne 0.13558 5.41 37.58 100.0 9.19 0.00 0.26902 10.72 37.58 100.0 10.50 0.07 ... 2.41718 94.75 37.58 100.0 129.84 237.61 **Switch over to pressure control** 2.44119 95.80 50.70 134.9 129.84 232.92 2.45880 96.81 64.23 170.9 129.84 229.08 2.47340 97.85 77.82 207.1 129.84 225.65 2.48500 98.86 95.86 255.1 129.84 221.79 4．冷却与模温控制 模具温度对于成型的影响很大。如果模具温度太低，一方面塑料熔体冷却变快，凝固层厚度增加，熔体粘度也增加，导致成型压力变大，成型相对困难；另一方面，塑料熔体的流动不顺畅，容易出现流动痕迹，制品的轮廓不光滑，同时熔接痕的长度和清晰度都变大，制品外观质量下降。模温对制品的性能也有一定的影响，特别是结晶型塑料制品。模具温度直接影响到结晶型塑料的结晶程度和结晶质量。例如，PA6属于半结晶型材料，其结晶程度随着模温的升高而变大，结晶质量也随着模温的升高而增高。随着结晶程度的不断提高，晶相和非晶相的比例逐渐接近，制品透明程度下降。当模温为60度时，制品是完全不透明的，当模温降到20度左右时，制品是完全透明的。但模具温度也不能太高，太高会使冷却时间变长，生产效率下降。模具的前后模温度对于制品的变形有很大的影响，实践证明，制品总是向模温较高的一侧弯曲。所以模具的前后模温度尽量相等，差异最大不应超过10度。 模温是由模具冷却系统控制的。我们可以通过调节冷却水的温度和流速来控制制品的变形趋式和变形量。冷却系统的控制有两种，一种是流速控制，令一种是压力控制。现在有专门用于冷却水调节的冷却控制机。 5．其他工艺控制方式 工艺控制的方法还有很多，例如热流道温度的控制。热流道温度一般与制品的成型温度相当，但加热圈必须保证均匀加热。如果受热不均匀，局部温度过高，结果会使得塑料分解，容易产生水花等注塑缺陷。热流道控制系统必须做到精确控温。另外阀式浇口也是控制工艺的一种好方法。我们可以灵活的调整浇口的打开和关闭时间，从而控制进浇早晚，进而控制熔料在型腔中的流动，达到避免熔接痕出现，提高制品外观质量等目的。 为高聚物熔体的比热 � EMBED PBrush ��� 为高聚物熔体的密度 � EMBED PBrush ��� 为塑料的热传导参数 � EMBED PBrush ��� 为塑料的热参数 � EMBED PBrush ��� � EMBED PBrush ��� 零件的冷却时间为 � EMBED PBrush ��� 需要冷却的厚度为制件壁厚的一半 � EMBED PBrush ��� 图3-4 注射时间在整个成型周期中的位置 注射循环开始 阀式浇口打开或气辅成型中气体进入 保压切换 型腔充满 注射时间 � EMBED PBrush ��� 注射压力 注射压力 图3-3 压力随流动长度的变化简图 入口压力随着随着 流长的增加而增加 高的压力梯度 高的注射速率 � EMBED PBrush ��� 图3-2 注射压力随各因素的变化简图 厚度 体积流动速率 流动长度 熔体粘度 注射压力 注射压力 注射压力 注射压力 � EMBED PBrush ��� 路径厚度 路径宽度 体积流动速率 流动长度 熔体粘度 � EMBED PBrush ��� 按照传统注射工艺理论的解释，高聚物熔体充填浇注系统和型腔所需的注射 压力与材料的性能，制品和模具结构的设计以及加工工艺参数有很大的关系。我 们可以运用一个公式将这些参数综合到一块，公式如下所示。这里P代表注射压 力n是材料常数，它的值介于0.15-0.36之间，较常用的为0.3。 从公式中可以看出，影响注射压力的直接原因分别为熔体粘度，流动长度， 体积流动速率和制品厚度。压力与前两个原因成正比，而与厚度的幂指数呈反 比，厚度对压力的影响尤其明显。 图3-1 注射压力在熔体流动路径上的分布 流动长度 高聚物熔体 大气压 型腔 浇口 流道 主流道 压 力 入口压力 � EMBED PBrush ��� � EMBED PBrush ��� 为零件的正常厚度 体积流动速率 零件厚度 图3-5 冰箱温控器壳体的速度-位置曲线 图3-6 注射保压过程示意图 图3-7 注射压力随充填时间的变化曲线 � EMBED PBrush ��� 注射压力 注射时间 优化的注射时间区域 最低注射压力 � EMBED PBrush ��� CAE注射压力 实际注射压力 图3-8 理论与实际注射压力关系简图 油管 � EMBED PBrush ��� 射出长度 射退 图3-9 注射过程的多级控制 � EMBED PBrush ��� 保压阶段 充填时间 液压反应时间 后填充时间 开模时间 压力 保压曲线 100 75 100 0 图3-10 保压过程的控制 时间 恒定保压 � EMBED PBrush ��� 恒定保压曲线 延迟保压曲线 延迟保压 压力 后充填时间 注射时间 冷却时间 保压时间 不流动温度时刻 凝固层厚度为1的时刻 压压 图3-11 保压过程的CAE数据判定 � EMBED PBrush ��� 压 力 时 间 速度控制 型腔在压力控制下持续充填 压力控制区域 型腔充满点 速度控制转换到压力控制 螺杆运行到转化点的时间 图3-12 保压切换点的控制简图 � EMBED PBrush ��� 模温较高的一侧 模温较低的一侧 图3-13 模温对于制品变形的影响 PAGE 38