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    精密注塑

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    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復精度很高,以致使用通用注塑機、常規的注塑成型工藝難以達到要求的一種注射成型方法。


    “精密注射成型”這一概念,主要是區別于“常規注射成型”,它是基于高分子材料的迅速發展, 在儀表、電子領域里采用精密塑料部件取代高精度的金屬零件的技術。


    目前針對精密注射制品的界定指標有2 個,一是制品尺寸重復精度, 二是制品質量的重復精度。


    今天小維想和大家從制品尺寸重復精度方面開始,一起來討論下精密注射成型。但由于各種材料本身的性質和加工工藝不同,不能把塑料制件的精度與金屬零件的精度等同起來。


    精密注射成型是一門涉及原材料性能、配方、成型工藝及設備等多方面的綜合技術。

    精密塑料制品包括DVD數碼光盤、DVD激光頭、數碼相機零件、電腦接插件、導光板、非球面透鏡等精密產品,這類產品的顯著特點是不但尺寸精度要求高,而且對制品的內在質量和成品率要求也極高。


    成型制品的模具是決定該制品能否達到設計要求的尺寸公差的重要條件,而精密注塑機是保證制品始終在所要求的尺寸公差范圍內成型,及保證極高成品率的關鍵設備。塑料制品最高的精度等級是三級。


    1.1 精密注射的特點


    (1)制件的尺寸精度高、公差小,即有高精度的尺寸界限;


    (2)制品重量重復精度高,要求有日、月、年的尺寸穩定性;


    (3)模具的材料好、剛性足,型腔的尺寸精度、光潔度以及模板間的定位精度高;


    (4)采用精密注射機更換常規注射機;


    (5)采用精密注射成型工藝;


    (6)選擇適應精密注射成型的材料。 


    評定制品最重要的技術指標,就是注塑制品的精度( 尺寸公差、形位公差和制品表面的光潔度) 。我國使用的標準是SJ1372―78,與日本塑料制品的精度和模具精度等級很接近。


    要注塑出精密的塑料制品,需從材料選擇、模具設計、注射成型工藝、操作者的技術水平等4大因素進行嚴格控制。


    精密注塑機要求制品尺寸精度一般在0.01~0.001mm以內,許多精密注塑還要求注塑機具有高的注射壓力、高的注射速度;


    要求合模系統具有足夠大的剛性和足夠高的鎖模精度,所謂鎖模精度是指合模力的均勻性、可調、穩定和重復性高,開合模位置精度高;


    要求對壓力、流量、溫度、計量等都能精確控制到相應的精度,采用多級或無級注射,保證成型工藝再現條件和制品尺寸的重復精度等。


    1.2 影響制品尺寸精度的因素


    (1)模具精度;

    (2)成型收縮率;

    (3)制品使用環境的溫度、濕度以及波動的幅度。


    2.精密注塑成型中的收縮問題


    影響收縮的因素有四種:熱收縮、相變收縮、取向收縮以及壓縮收縮


    2.1熱收縮是成型材料與模具材料所固有的熱物理特性。模具溫度高,制品的溫度也高,實際收縮率會增加,因此精密注射的模具溫度不宜過高。



    2.2相變收縮由于結晶型樹脂在定向過程中,伴隨高分子的結晶化,由于比容減少而引起的收縮,即叫相變收縮。模具溫度高,結晶度高,收縮率大;但另一方面,結晶度提高會使制品密度增加,線膨脹系數減小,收縮率降低。因此實際收縮率由兩者綜合作用而定。


    2.3取向收縮,由于分子鏈在流動方向上的強行拉伸,使在冷卻時的大分子有重新卷曲恢復的趨勢,在取向方向將產生收縮。分子取向程度與注射壓力、注射速度、樹脂溫度及模具溫度等有關。但主要的是注射速度。


    2.4壓縮收縮與彈性復位,一般塑料都具有壓縮性。即在高壓下比容發生顯著變化。在一般溫度下,提高壓力成型制品比容會減小,密度會增加,膨脹系數減小,收縮率會顯著下降。對應于壓縮性,成型材料具有彈性復位作用,使制品收縮減小。影響制品成型收縮的因素與成型條件和操作條件有關。



    3.精密注塑模具


    3.1模具精度,主要取決于模具型腔尺寸精度高,型腔定位準確或分型面精度是否滿足要求。一般精密注塑模具的尺寸公差,應控制在制品尺寸公差的1/3以下。



    3.2可加工性與剛性,在模具結構設計中,型腔數不宜過多,而底板、支承板、型腔壁都要厚一些,以避免零件在高溫、高壓作用下發生劇烈彈性形變。



    3.3制品脫模性,模具要盡量采取少的型腔數、少而短的流道以及比普通模具有更高的光潔度,這樣有利于脫模。



    3.4精密模具的材料,選擇機械強度高的合金鋼。制作型腔、澆道的材料要經過嚴格的熱處理,選用硬度高(成型零件要達到HRC52左右) 、耐磨性好、抗腐蝕性強的材料。


    4.精密注射機的特點與選用


    4.1技術參數方面的特點


    從注射壓力方面劃分,普通機:147 ~177MPa;精密機:216 ~243MPa;超高壓機:243~392 MPa。精密注塑機必須高壓的理由是:


    (1) 提高精密制品的精度和質量,注射壓力對制品成型收縮率有最明顯的影響。當注射壓力達到392MPa時,制品成型收縮率幾乎為零。而這時制品的精度只受模具控制或環境的影響。實驗證明:注射壓力從98MPa提高到392MPa后,機械強度提高3%~33%。


    (2) 可減小精密制品的壁厚、提高成型長度。以PC為例,普通機注射壓力177MPa,可成型0.2~0.8mm壁厚的制品,而精密機注射壓力在392MPa時可成型厚度在0.15~0.6mm 之間的制品。超高壓注射機可獲得流長比更大的制品。


    (3) 提高注射壓力可充分發渾注射速率的功效。欲達到額定注射速率,只有兩個辦法:一是提高系統最高注射壓力;二是改造螺桿參數,提高長徑比。精密注射機的注射速率要求高。以德國制造的DEMAG精密注塑機(60~420噸)為例,它的注射速度能達到1000mm/s,螺桿能獲得12m/s2的加速度。


    4.2精密注射機在控制方面的特點


    (1)對注塑成型參數的重復精度(再現性)要求高,宜采用多級注射反饋控制:


    a.多級位置控制;

    b.多級速度控制;

    c.多級保壓控制;

    d.多級背壓控制;

    e.多級螺桿轉速控制。


    位移傳感器的精度要求達到0.1mm,這樣可以嚴格控制計量行程、注射行程以及余料墊的厚度(射出監控點),保證每次注射量準確,提高制品成型精度。料筒及噴嘴溫度控制要精確,升溫時超調量要小,溫度的波動要小。精密注塑應采用PID控制,使溫度精確度在±0.5℃之間為宜。


    (2)塑化質量要求,塑料塑化的均勻性不僅影響到注塑件的成型質量,還會影響到熔融塑料通過澆口時所受阻力的大小,為了得到均勻的塑化,設計專用的螺桿和使用專用的增塑技術必不可少。另外,機筒的溫度也應精確控制,現在螺桿、機筒溫度多采用PID控制(比例、微分、積分),精度可控制在±l℃內,基本可滿足精密注塑的要求,如果采用FUZZY控制方法,就更適合于精密注塑了。


    (3)工作油的溫度控制要高油溫的變化導致注射壓力的波動,必須對工作油采用加熱、冷卻的閉環裝置,把油溫穩定在50~55℃為宜。


    (4)保壓壓力的影響,保壓對精度塑件的影響極大,準確地說,保壓能較好地補縮,減小塑件變形,控制塑件精度,保壓壓力的穩定決定了塑件的成型精度,螺桿的終止位置不變是決定保壓效果的決定因素。


    (5)對模具溫度控制要求若冷卻時間相同,模具型腔溫度低的制品厚度要比溫度高的制品厚度尺寸大。


    4.3 精密注塑機的液壓系統


    (1) 油路系統需要采用比例壓力閥、比例流量閥或伺服變量泵的比例系統。


    (2)在直壓式合模機構中,把合模部分油路和注射部分油路分開。


    (3)由于精密注塑機具有高速性,為此必須強調液壓系統的反應速度。


    (4)精密注塑機的液壓系統,更要充分體現機― 電― 液― 儀一體化工程。


    4.4精密注塑機的結構特點


    (1) 由于精密注射機注射壓力高,這就要強調合模系統的剛度。動、定模板的平行度控制在0.05~0.08mm 的范圍內。


    (2)要求對低壓模具的保護及合模力大小精度的控制。因為合模力的大小要影響模具變形的程度,最終要影響到制件的尺寸公差。


    (3)啟、閉模速度要快,一般在60mm/s左右。


    (4)塑化部件: 螺桿、螺桿頭、止逆環、料筒等, 要設計成塑化能力強、均化程度好、注射效率高的結構形式;螺桿驅動扭矩要大,并能無級變速。


    結論:無論何種精密注塑機, 最終都必須能夠穩定地控制制品尺寸重復精度和質量重復精度。

    5.精密注射機的主要代表型號


    精密注射成型機的研制方面代表當今世界先進水平的生產廠商主要有德國的克勞斯瑪菲、德瑪格、雅寶、阿博格以及日本的日精、日鋼、東芝機械和住友重機等企業。德國阿博格公司推出的精密注射機合模機構采取了箱式設計,以此來提高鎖模精度。


    由于三板式注射機前板與后板均固定于機架上,當鎖模力施加時,四拉桿的伸長受到機架的約束,從而使拉桿趨向“拱橋形”而影響鎖模精度,箱式樣設計的結果從限制不良變形的角度提高鎖模精度。注射油缸采用雙向壓力伺服控制,精確定位螺桿位置,使注射量控制精度提高一倍;采用變頻器優化控制主泵馬達,不僅使液壓系統控制精度提高,而且節能效果顯著。


    此外,采用模塊化設計,注射成型機各運動系統可根據用戶實際需要,采取液壓與電動兩者的組合,鎖模系統和注射系統空間相對位置也可以有多種配置。 


    日精公司采用了新的控制系統TACT,提高響應速度、操作穩定性、液晶屏顯示的多語言控制界面;新的注射機構:螺桿長徑比加大增強塑化效果,五段溫區優化塑化溫度控制,并對油壓回路進行了優化;


    油路壓力損失降低、鎖模效率提高、低速運動平穩性提高,開發出新的油壓式FN系列精密注射成型機,還開發成功了油壓式小型精密注射成型機NP7RealMini、AU3E、AS15 等機型。該精密注射成型機主要的加工材料為液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)等工程塑料。 


    日精NEX150 精密注射機綜合了Ultimate微型注塑技術,可用于大批量注塑成型加工微小的精密塑料部件,配置有優化設計的精確計量和快速回應注射系統, 高精密和高剛性的合模機構, 可加工0.1~0.3g重的精密微型塑料部件,用途包括數碼相機、手機、硬盤、精細針孔連接器等等。


    日本制鋼所也開發出J-ELII-UPS超高速精密注塑成型機。在標準保壓條件下, 制品重量的變動幅度為0.022 克, 采用新的保壓控制方式后,制品重量變動幅度可減小到0.006克。




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