薄壁注塑工藝的研究

李文平

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

1 薄壁注塑的定義

近年來(lái)，很多產(chǎn)品中的塑料零件要求小而輕，因此，薄壁注塑成型技術(shù)迅速發(fā)展。關(guān)于薄壁注塑，還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。Whetten 和Fasset認(rèn)為所成型塑件的厚度小于1mm，同時(shí)塑件的投影面積在50cm2以上的為薄壁注塑成型。Maloney和Mahishi認(rèn)為應(yīng)與流長(zhǎng)厚度比L／T，即從熔體進(jìn)入模具到熔體必須充填的型腔最遠(yuǎn)點(diǎn)的流動(dòng)長(zhǎng)度L和相應(yīng)平均壁厚T 之比有關(guān)。其數(shù)值在150以上的注塑為薄壁注塑。隨著技術(shù)的發(fā)展，薄壁注塑成型定義的臨界值也將發(fā)生變化，它應(yīng)是一個(gè)相對(duì)的概念。

2 薄壁注塑成型過(guò)程分析

2.1 塑料充填過(guò)程分析

在注塑成型中，塑料的充填過(guò)程與塑料的冷卻過(guò)程是交織在一起的。塑料在充填時(shí)，模具即使在預(yù)熱的情況下，模具的溫度相對(duì)于熔融塑料的溫度低。在充填時(shí)熔融塑料會(huì)在流動(dòng)方向上逐漸冷卻，其降溫最先是表層的塑料流體，然后是心部塑料流體，而且會(huì)隨著流動(dòng)長(zhǎng)度的增加，其降溫的表層塑料流體的厚度增大，心部塑料流體的厚度逐漸減小，如圖1 所示。熔融塑料在流動(dòng)方向上逐漸凝固，且厚度逐漸增加，流動(dòng)通道越來(lái)越窄，直至完全消失。對(duì)于常規(guī)注塑而言，由于注塑通道足夠大，這種影響不明顯。但對(duì)于薄壁注塑而言，由于流長(zhǎng)比太大，這種影響就很大，將使塑件填充不完整。為防止這種情況發(fā)生，塑料的充填速率必須大于通道塑料的冷凝速率。

圖1 塑料充填過(guò)程示意圖

另外，若增加澆口，由于制件薄，會(huì)產(chǎn)生熔接痕的問(wèn)題。熔接痕不僅影響零件美觀，還會(huì)影響零件的強(qiáng)度。

2.2 薄壁零件冷卻過(guò)程分析

由于零件薄，成型面積大，薄壁塑料件容易產(chǎn)生翹曲。模具成型零件在運(yùn)行過(guò)程中，其各個(gè)部位散熱不可能一致，導(dǎo)致成型制件時(shí)，薄壁塑料件受熱不均，而且薄壁塑料件各個(gè)部位散熱也不可能一致，造成薄壁塑料件各個(gè)部位出現(xiàn)溫度差。又由于零件面積大而薄，出現(xiàn)的溫度應(yīng)力，將使薄壁塑料件較常規(guī)塑料件更易產(chǎn)生翹曲［1］。

3 薄壁注塑工藝

薄壁制品的設(shè)計(jì)原則與常規(guī)厚壁制品的有很大不同，而且還受到成型局限性和塑料原料選擇的影響。這需要從薄壁塑料件原料選擇、零件結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)以及注塑工藝等方面分析。

3.1 注塑原料選擇

為避免充填不完整，塑料的充填速率必須大于通道塑料的冷凝速度，因此，在滿足使用要求的情況下，需要選用流動(dòng)性好的塑料。塑料的流動(dòng)性一般由聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量、熔融指數(shù)、阿基米德螺旋線長(zhǎng)度、表觀黏度以及流動(dòng)比等指標(biāo)衡量。相對(duì)分子質(zhì)量小，熔融指數(shù)高，螺旋線長(zhǎng)度大，表觀黏度小，流動(dòng)比大，則塑料原料的流動(dòng)性好。這類(lèi)塑料主要有 尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維、聚甲基戍烯等。

另外，由于薄壁件有時(shí)采用高溫注塑，因此，還應(yīng)選擇有一定耐熱性的材料。為防止翹曲變形，可以選擇導(dǎo)熱性好的材料。

3.2 薄壁零件結(jié)構(gòu)

薄壁零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循的原則：在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡可能考慮所選擇成型材料的性能能否在現(xiàn)有的薄壁注塑技術(shù)下成型出所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滿足零件注塑所需的強(qiáng)度等要求。

3.3 模具設(shè)計(jì)

薄壁零件注塑一般需要專(zhuān)用模具。與常規(guī)制品模具相比，薄壁制品模具在澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、脫模系統(tǒng)和緊固支撐系統(tǒng)等方面都將發(fā)生重大變化。

3.3.1 澆注系統(tǒng)

為避免塑料溫度下降過(guò)快，在模具方面，如果選擇非熱流道模具結(jié)構(gòu)，其澆注系統(tǒng)應(yīng)盡可能短，主流道及分流道的直徑應(yīng)盡可能大。在不影響塑料件的使用要求下，可增加澆注點(diǎn)，但可能產(chǎn)生熔接痕。這可采用模流分析軟件，如modflow 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如果選擇熱流道模具結(jié)構(gòu)，需要控制塑料在流道的停留時(shí)間，以防止塑料高溫分解［2］。

另外，如果選擇高壓注塑，主流道的材料應(yīng)選擇耐蝕性好、強(qiáng)度高、耐磨性好的材料，如SM4Cr13、SM4Cr5MoSiV 等鋼材。由于承載的力較大，其強(qiáng)度和剛度安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)選大一些［3］。

3.3.2 冷卻系統(tǒng)

為防止因模具零件冷卻不一致，導(dǎo)致塑料零件受熱不均，塑料件因熱應(yīng)力產(chǎn)生翹曲。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，模具成型零件各部分的冷卻速率應(yīng)一致。

3.3.3 排氣系統(tǒng)

一般采用高壓注塑，其充填速率較快，因此，模具的排氣系統(tǒng)應(yīng)良好。但應(yīng)防止溢料、飛邊的產(chǎn)生。

3.3.4 脫模系統(tǒng)

薄壁塑料件因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的原因，模具頂出機(jī)構(gòu)一般選用頂桿脫模。但由于塑料件壁薄，強(qiáng)度不足，因此，應(yīng)適當(dāng)增加頂桿數(shù)量及增大頂桿直徑。

3.3.5 緊固支撐系統(tǒng)

由于采用高壓注射，模具緊固支撐零件承受的力較大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)選用零件的剛度、強(qiáng)度安全系數(shù)要稍大。與一般注射模具的零件相比，起支撐固定作用的，如支撐板、固定板、螺釘、銷(xiāo)釘?shù)某叽缫源蟆?/p>

3.4 注塑工藝

薄壁零件的注塑一般需要專(zhuān)用注射成型機(jī)。與常規(guī)注射相比，其注射過(guò)程在注射、溫度控制上不同。

3.4.1 注射

為防止注塑材料冷凝過(guò)快，在流動(dòng)比很大情況下，就需要高速充填，讓注塑材料快速充填滿型腔。

目前實(shí)現(xiàn)這種高速注射的方式主要有兩種：（1）高壓注射，能提高注射速率。但是這種方式會(huì)增加鎖模力，降低模具使用壽命。常規(guī)的注塑機(jī)不能提供高壓。（2）低壓注射。這種注射方式需要一個(gè)類(lèi)似于沖壓壓力機(jī)的飛輪裝置——儲(chǔ)能器，在注射的間歇期儲(chǔ)存能量。目前采用較為成熟的是氮?dú)馄康脑O(shè)計(jì)，高壓氮?dú)鈨?chǔ)存在橡膠囊內(nèi)，而氮?dú)馄康氖Ｓ嗫臻g則充以高壓的壓力油［4］。在注射時(shí)，壓力油釋放出來(lái)。

另外，在整個(gè)注射時(shí)間里，需要以最大注射速率注射的有效時(shí)間所占比例應(yīng)盡量大。這就需要注射時(shí)，注射速率從零加速到最大注射速率時(shí)間應(yīng)盡可能短。

3.4.2 溫度控制

對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，以降低熔融塑料的冷凝速率。必要時(shí)在材料允許的情況下，采用高溫注塑，讓模具處在高溫狀態(tài)。為了使塑料件受熱和冷卻均勻，應(yīng)監(jiān)測(cè)模具成型件各部分溫度。因此，注塑機(jī)應(yīng)有準(zhǔn)確的溫度控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析壁厚小于1mm 或者L／t＞150的薄壁塑料件注塑成型特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)影響注塑效果的主要因素：（1）注塑材料由于壁厚薄而提前冷卻，進(jìn)而降低注塑材料的流動(dòng)性，導(dǎo)致充填不完整等缺陷；（2）由于冷卻不均，導(dǎo)致注塑件翹曲變形。解決的措施主要從塑料的選擇、塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和注塑成型過(guò)程等方面延緩注塑材料提前冷凝，并確保薄壁塑料件受熱均勻，避免充填不完整、翹曲和熔接痕等缺陷。

［1］顏克輝.薄壁注塑成型技術(shù)［J］.上海塑料，2007（2）：35－37.

［2］屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2007：13－71.

［3］申開(kāi)智.塑料模具設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：10－78.

［4］張華，李德群.氣輔注塑成型工藝過(guò)程及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.塑料科技，1998，26（3）：11－17.