用高低溫交換工藝控制注塑件的特性

王塑 編譯

（全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143）

用高低溫交換工藝控制注塑件的特性

Alternating temperature technology controls parts properties

王塑 編譯

（全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143）

動(dòng)態(tài)過(guò)程控制、循環(huán)控制和變模溫控制能夠顯著提高注塑件的質(zhì)量。模具的溫度極大的影響了注塑件的摩擦性能，從而影響注塑件的性能。同時(shí)也有助于減少周期時(shí)間，提高效率。

注塑；變模溫控制；注塑溫度控制

動(dòng)態(tài)過(guò)程控制、循環(huán)控制或變模溫控制是一項(xiàng)越來(lái)越吸引加工者注意并提高注塑件質(zhì)量的技術(shù)。從本質(zhì)上講，模壁在注塑前預(yù)熱——這有益于成型，特別是對(duì)邊緣層的成型。在理想的情況下，溫度接近或超過(guò)了聚合物的結(jié)晶溫度。有針對(duì)性的聚合物的成型對(duì)機(jī)械性能和摩擦性能都有益處。

1 動(dòng)態(tài)過(guò)程控制

在加工過(guò)程中模具填充壁溫度升高帶來(lái)了許多利處，如經(jīng)濟(jì)性，以及成型的表面光潔度和強(qiáng)度等。

（1）利用未冷卻的或加熱過(guò)的模具，相對(duì)于容易散熱的模具，更容易充滿熱熔模；

（2）減少所需的注射壓力和夾緊力；

（3）降低熔體剪切應(yīng)力；

（4）使保持壓力維持的時(shí)間更久，即使在離料口最遠(yuǎn)的區(qū)段；

（5）減少作用在注射壓縮成型的光學(xué)部件的殘余應(yīng)力；

（6）促進(jìn)表面效果，比如自清洗和抗反射，微納米結(jié)構(gòu)的復(fù)制，表面非常平滑且光澤度好，以近似“鋼琴漆”的效果結(jié)束；

（7）確保注塑機(jī)中的玻璃纖維分布的更均勻；

（8）延長(zhǎng)熔體前沿的焊接時(shí)間，減少焊線；

（9）降低收縮引起的翹曲的風(fēng)險(xiǎn)，提高了尺寸精度和鑄模部分的穩(wěn)定。

在變模溫控制過(guò)程中，直到腔體被填滿，模具才會(huì)集中冷卻直至所需的脫模溫度。因此，可以在不延長(zhǎng)周期的情況下增加注塑件的質(zhì)量。通過(guò)現(xiàn)有的冷卻通道交替?zhèn)魉屠錈崃黧w的交換溫度控制系統(tǒng)可以使這種注塑方法更容易實(shí)現(xiàn)。

在注射成型中的過(guò)程控制不僅影響上述流變的效果，也會(huì)影響一個(gè)塑料件的內(nèi)部屬性和機(jī)械性能的強(qiáng)度。因此，對(duì)于半晶狀的聚合物，較高的模具溫度會(huì)導(dǎo)致更好的剛性和強(qiáng)度，由于結(jié)晶程度的增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低。不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料的塑模實(shí)驗(yàn)給出了證實(shí)。相反，垂直于流向的明顯的溫度梯度可減輕材料的結(jié)晶程度，因此更能促進(jìn)其質(zhì)地均勻、各向異性和扭曲度。

2 問(wèn)題的處理

控制模具的溫度也使得對(duì)注塑件摩擦性能的影響更有針對(duì)性（見(jiàn)圖1）。 這個(gè)事實(shí)使人們對(duì)彈性的機(jī)器零件產(chǎn)生了特別的興趣，如熱塑性齒輪。在這種情況下，通過(guò)模具高溫可獲得最佳的材料。然而，這個(gè)工藝經(jīng)濟(jì)學(xué)，可能需要最短的周期。

圖1 控制模具的溫度對(duì)摩擦性能的影響

德國(guó)紐倫堡的埃朗根大學(xué)（LKT）聚合物研究所做了系統(tǒng)的研究，表明注塑溫度控制解決了在邊界區(qū)域成型的需要和在較短周期內(nèi)低溫度的需要之間的矛盾。

在聚甲醛（POM）齒輪的模具檢測(cè)中，通過(guò)使用絕緣壓板，使壓縮腔鑲塊與主模熱絕緣。模具需保持在一個(gè)恒定的溫度以達(dá)到工藝穩(wěn)定的目的，只有型腔鑲塊的溫度（見(jiàn)圖2）可以有效的控制。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用激光剪切，型腔模塊被一層一層地由鋼粉鑄造完成。主模和矩型冷卻通道的復(fù)合絕緣特別有助于型腔的快速溫度變化。空腔壁附近的傳感器直接檢測(cè)溫度變化，使工藝過(guò)程能夠得到有效控制，特別是注射過(guò)程的溫控階段的同步。

圖2 齒輪模具上的矩形冷卻通道

3 150 ℃注射，80 ℃脫模

注塑溫度控制系統(tǒng)被用來(lái)回火模具（型號(hào)：STWS 200； 制造商:Single Temperiertechnik GmbH，見(jiàn)圖3）。該系統(tǒng)采用水作為循環(huán)流體，并裝有液壓環(huán)路交換裝置的加熱和冷卻回路。系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路，環(huán)路中的水有不同進(jìn)料溫度并提供交替的加熱和冷卻。因此，它可以在10 s內(nèi)影響一個(gè)80 ℃的模具鑲件的溫度變化。這個(gè)機(jī)器可告知波控器冷暖流體是否傳達(dá)到模環(huán)路。對(duì)于POM所使用的類型（型號(hào)：Hostaform C9021，制造商：Ticona GmbH），較高的動(dòng)態(tài)溫度控制允許模溫達(dá)到結(jié)晶溫度的程度:當(dāng)腔壁的溫度為150 ℃時(shí)，POM 熔漿注射到型腔中。腔壁的高溫可避免邊界部分的低結(jié)晶或不成型。同時(shí)，整個(gè)部分可以形成均勻的結(jié)構(gòu)。填充物料后，在保壓階段，可冷卻到80 ℃以下，這個(gè)溫度適合這些特殊物料的脫模。因?yàn)榧訜岷屠鋮s階段的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相同，冷卻階段后緊接著是加熱階段，然后是冷卻階段，并不斷循環(huán)（見(jiàn)圖1）。因此周期時(shí)間會(huì)比冷卻不導(dǎo)熱的模具物料短的多。

圖3 STWS 200溫度交換控制系統(tǒng)

4 形態(tài)改進(jìn)

型腔溫度顯著影響模具成型。對(duì)于一個(gè)技術(shù)復(fù)雜的注塑件來(lái)講，型腔溫度為100 ℃是常見(jiàn)的。避免邊緣層的形成的唯一途徑是把溫度升高到140 ℃以形成不同的微觀結(jié)構(gòu)。較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間加倍了齒輪的周期運(yùn)作時(shí)間的結(jié)論正在驗(yàn)證（圖4）。然而，在靈活的溫度交換技術(shù)下，整體周期時(shí)間不到20 s就可以被脫模。

差示掃描量熱法（DSC）通過(guò)測(cè)量齒輪齒的厚度確認(rèn)結(jié)晶均勻性。因此，在注塑溫度控制下齒輪制造比在100 ℃條件下有較高的結(jié)晶度，尤其是在摩擦壓力大的邊緣層。狹窄的融化峰值也證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)的大小分布更均勻。

圖4 溫度交換控制在沒(méi)有延長(zhǎng)周期的情況下提高了齒輪的形態(tài)

5 總結(jié)與展望

有針對(duì)性的溫度控制使得半晶狀物料的潛在性質(zhì)得到更好的利用、優(yōu)化，模件的微觀結(jié)構(gòu)更均勻，并防止弱界面層的形成。與替代方法有所不同，注塑模具溫度控制或熱絕緣模具鑲件目標(biāo)溫度控制有助于減少大量周期時(shí)間。注塑溫度控制給出了改善內(nèi)部和外部屬性和在注塑過(guò)程中增加產(chǎn)品的精度的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)溫度的精確控制，為加工過(guò)程中對(duì)結(jié)晶體施加更嚴(yán)格的控制和積極利用晶體成核和生長(zhǎng)的特定溫度時(shí)間關(guān)系提供了可能。特別是在裝備具有高強(qiáng)度和高負(fù)載的齒輪情況下，可以改進(jìn)注塑件的屬性，例如：嚙合質(zhì)量如復(fù)制的精度，機(jī)械性能如齒根強(qiáng)度，摩擦性能如牙齒磨損。

注塑溫度控制在光學(xué)和技術(shù)參數(shù)部分的影響，如殘余應(yīng)力和流體阻力，表現(xiàn)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等仍需要進(jìn)行研究。注塑溫度控制技術(shù)對(duì)注塑過(guò)程中注塑件性能的影響將不會(huì)窮盡。

編譯自“kun ststoffe international 4/2011”

（XS-04）

TQ320.662

1009-797X（2015）06-0039-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.06.006

2014-08-14