微孔注射成型裝置（第三部分）

木彐摘編

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微孔注射成型裝置（第三部分）

木彐摘編

摘要：微型注射成型工藝不僅具有節(jié)省材料、降低能耗、縮短成型周期這些既明顯又誘人的優(yōu)點，還大大提高了注塑件的尺寸穩(wěn)定性、促進了注塑件的固化和創(chuàng)新。微孔注射成型可以加工費結晶性塑料、半結晶性塑料、熱固性樹脂、熱塑性彈性體和生物塑料等通用塑料和工程塑料，本講座著重介紹微孔注射成型裝置的結構及成型階段原理。

關鍵詞：微型注射成型裝置；結構；成型階段；工藝

作 者：Jingyi xu [美]

翻 譯：張玉霞 王向東

編者按：隨著近年來微孔塑料注射成型技術的快速發(fā)展，為推進這一技術廣泛應用本刊經相關出版單位同意從國外機械譯叢《微孔塑料注射成型技術》一書，摘編了注射成型技術與裝備有關內容共分四部分并發(fā)表，使之更好地為科研教學產品研發(fā)、設計、生產、維修等提供應用與指導，為橡塑行業(yè)技術創(chuàng)新奠定理論基礎。

1　微孔注射成型機筒設計

薇孔注射成型所用機筒需要改進：類似于排氣機筒，兩者都有孔供機筒中部的排氣閥使用，不同之處是孔的作用不同。微孔注射成型時機筒上的孔是供SCF注射器使用的，而排氣機筒上的孔是供排氣閥使用的，將濕氣或者化學蒸氣從機筒中排出。此外，SCF注射器、破裂盤和壓力傳感器的特殊布置是三者固定在同一截面上，因為氣體注射器是大多數微孔注射成型螺桿的標準構型。討論如下：

（1）壓力傳感器必須安裝在SCF注射器的同一軸向位置處，這一點十分重要，因為要用這一壓力讀數設置準確的SCF計量壓力，不論螺桿設計如何，這都是確定SCF輸送或者計量壓力的最好辦法。這也是SCF計量壓力自動跟蹤這一位置處的熔體壓力變化唯一可靠的電子信號。

（2）在加工溫度低于通常的加工溫度時，需要有空氣冷卻的加熱圈，加熱圈安裝在接近螺桿混合段的機筒前半部分。在多數情況下，這并不是一種經濟的解決方案，實際上也沒有廣泛使用。

（3）軸向和周向方向上都可能需要不止一個SCF注射器。如果螺桿回位行程長，就需要在軸向上安裝多個SCF注射器，這不僅增加了有效的SCF計量行程，也縮短了自潔段的長度。下面將給出結果分析。周向上的多個SCF注射器用于增加氣體加入量，進行大劑量計量。此外，機筒上還需要破裂盤。破裂盤必須設置在螺桿頭與中間單向閥之間，而且必須保證螺桿頭不超過破裂盤的位置。

（4）富SCF物料在機筒內的注射壓力比不含氣體的至少低30%，但是仍然推薦采用傳統(tǒng)注射壓力時的高強度機筒，因為有時可能需要先用不含氣體的物料測試模具，有時富SCF物料用于充模，而且只有100%充模的注塑件尺寸穩(wěn)定性才高，在充模即將結束時需要高的注射壓力。

（5）黏度極低的SCF與塑料熔體混合，得到低黏度的富SCF物料，這將大大降低螺桿的產率。為了彌補產率的降低，有時需要用開槽機筒促使加料控制的輸送系統(tǒng)螺桿提高產率，其不受氣體計量過程的影響。所以，此時的產率不僅與不含氣體的物料一樣高，而且不同物料中氣體含量不同時也都一致。

1.1機簡體的安全裝置

不發(fā)泡工藝的傳統(tǒng)安全操作要求將默認噴嘴打開作為安全規(guī)定，也就是在出現(xiàn)意外損失或者是緊急停車時機筒內的壓力通過打開噴嘴得以釋放。與純熔體相比，氣體.熔體混合物（單相或者部分單相溶液）或者純氣體（氣袋）在富氣體熔體中儲存的能量更多。所以，夾氣工藝將安全操作規(guī)定從默認噴嘴打開改為默認噴嘴關閉。美國塑料工業(yè)協(xié)會機械分會夾氣指導委員會研究了夾氣工藝的安全問題，并于2003年5月發(fā)布了臥式注射成型機夾氣工藝的指導原則。為了更好地理解這一指導原則，下面將討論安全法規(guī)的基本原理以及與安全有關的一些實驗。

氣體輔助注射成型和氣體發(fā)泡工藝常用的技術之一就是使用超高壓氣體。氣體輔助注射時，在注射氣體時，氣體壓力為2.5～30 MPa，迫使熔體為氣體在注塑件中空出氣道。而發(fā)泡過程中單相溶液所需的熔體壓力為6.9～34.5 MPa。所以，對于這兩種工藝而言，儲存在氣體中的能量幾乎一樣。式（1）是計算受壓氣體所儲存能量的公式：

式中：

U——儲存在氣體中的能量J； 、

pg——氣體壓力，MPa；

pa——大氣壓力，MPa；

κg——等熵指數（對于N2為1.41）；

V1——氣體體積，cm3。

式（1）的計算基于一定氮氣氣體的可逆絕熱膨脹。很明顯，pg越高、V1越大，氣體中儲存的能量U越多。同樣，熔體中儲存的能量如式（2）所示：

式中

B——熔體本體模量，MPa；

Pld——液體壓力，MPa。

一般來說，同樣條件下，儲存在液體中的能量大大低于儲存在氣體中的。例如，230℃時本體模量為857 MPa的通用型聚苯乙烯，單位體積所受壓力為34.48 MPa，儲存的能量約為0.69 J；同樣條件下，壓力為34.48 MPa時，儲存在單位體積N2氣體中的能量約為68.68 J。所以，同樣條件下，純氣體儲存的能量約是塑料熔體的100倍。氣體-熔體混合物也是如此，在同樣的壓力和體積時，氣體儲存的能量也高于熔體本身。

因此，如果在出現(xiàn)意外壓力損失或者緊急停車而沒有預警的情況下，有人仍然在模具區(qū)丁作而報警裝置打開時，默認噴嘴打開和閥門打開就都有潛在的危險。發(fā)泡工藝將噴嘴默認關閉作為安全規(guī)定來設計和設置機器控制裝置。對于往復式螺桿注射成型機，積聚在螺桿頭處的物料的壓力必須通過螺桿的自由運動得以釋放，而不是通過噴嘴打開。為了保證以這種方式釋放壓力，在動力損失后螺桿應該能夠自由運動。在有與沒有自由行程的往復式螺桿微孔發(fā)泡注射成型機上進行了驗證實驗。所用螺桿直徑為60 mm，物料為GPPs，氮氣用量為0.5%（質量分數），熔體溫度為230 ℃，熔體壓力為20.7 MPa。實驗選用了兩種螺桿自由行程，一種是滿注射量注射，螺桿滿行程，剩余行程為0%；另一種情況是螺桿用掉了90%的行程，還剩下10%的行程。在熔體壓力保持在20.7 MPa時按下緊急停車，模擬意外動力損失，記錄機筒壓力隨著時間的變化情況。動力切斷l(xiāng) min后，剩余行程為0%時，機筒內殘存的壓力從20.7 MPa下降到13.4 MPa；剩余行程為10%時，殘存壓力也快速地從20.7 MPa下降到6.3 MPa。此外，剩余行程為10%時殘存壓力只有0%時的一半。建議微孔成型時往復式螺桿不要使用滿行程。

在意外壓力高于69～83 MPa時，螺桿頭與中間單向閥或螺桿限流元件之間的壓力應使用破裂盤或者釋壓閥釋放。但是這種釋壓閥只用于保護機簡體上的部件不受損害，而不是保護附近的工作人員。一般需要很長時間才能將機筒內富氣體熔體的壓力完全釋放掉。

2　微孔注射螺桿頭

螺桿頭（也稱截止閥）是微孔注射成型重要的截止閥，其主要有下述三個作用：

（1）防止注射過程中螺桿中部壓力突增。

（2）所有循環(huán)間的注射量都保持恒定。

（3）保持螺桿不運動期間壓力恒定。

截止閥是注射成型機的重要部件，固定在螺桿頭處，起截止作用。傳統(tǒng)注射成型所用截止閥有很多種不同的設計，但是大多數都對微孔注射成型不起作用。所以，快速關閉或者預關閉（也稱自動關閉）的螺桿頭是微孔注射成型螺桿所必需的。一開始，微孔注射成型螺桿所用螺桿頭主要是起預關閉作用的，后來在一些特殊應用中出現(xiàn)了失效，使用有所減少。2000年TTexel的Xu發(fā)明了一種新型螺桿頭設計，并于2002年公開了其應用。這種螺桿頭的獨特之處是基于兩階關閉原理，簡單、可靠。在這種截止閥中，采用改進的標準滑塊環(huán)關閉，兩階動作，即分為預關閉階段和最終關閉階段，既可以用在所用微孔注射成型螺桿的前部作為螺桿頭，也可以在傳統(tǒng)發(fā)泡和微孔發(fā)泡中用作中間限制元件。下面將詳細討論所有成功用于微孔注射成型的螺桿頭。

2.1預關閉螺桿頭

微孔注射成型要求使用快速關閉閥或者預關閉閥，因為在螺桿閑置期間和整個注射行程內都必須維持高的熔體壓力。此外，氣體.熔體混合物的黏度比較低，因此，要求截止閥的性能要更好。有中間限制元件的微孔螺桿構型使大多數截止閥的性能都不可靠。下面討論幾種典型的微孔成型用預關閉截止閥。

圖1所示為Spirex的典型截止閥，具有自動關閉功能。在螺桿轉動時，螺桿中所建立的熔體壓力降低提升閥2打開，使熔融物料從閥體1入口向前流向閥體和提升閥人口間所形成的出口。一旦螺桿停止轉動，提升閥在彈簧的作用下自動后退，提升閥頭接觸閥體座，閥出口自動關閉。提升閥在注射前關閉，防止螺桿停轉和注射行程過程中熔融物料向后流過閥體。這種閥的缺點是在提升閥與閥體之間的間隙可能有流向彈簧室的漏流，導致自動關閉功能失效。在應用實驗中還有更多的問題，如冷起時閥體有可能漏流；閥體的外徑處有磨損，因為它隨著螺桿一起轉動；如果閥沒有完全關閉，在注射過程中，提升閥的軸彎曲等。不過，仔細設計，充分考慮上述問題，自動關閉閥仍然是通常黏度、未填充材料加工時有用的螺桿頭。

圖1　自動關閉的截止閥

Md塑料公司研制出了一種改進型的自動關閉螺桿頭（稱為Posi-Trol閥），其上的環(huán)不隨螺桿轉動，這樣就解決了外徑處的磨損問題。球形面導向頭使環(huán)與機筒導向環(huán)轉動柔性對中。有兩個銷釘限制打開位置時環(huán)的軸向運動，迫使軸隨著螺桿一起轉動，這樣鎖緊彈簧位置的螺母就不會失效。但是，這種設計使軸承受轉矩的能力下降，截面處的銷釘或者軸在螺桿冷起時會斷裂。一旦螺桿停止轉動，高強盤簧迅速將環(huán)關閉。這種閥的主要缺點是可能向彈簧室漏料（與上述Spirex的自動關閉閥一樣）。在靜止頭測試過程中，這種螺桿頭表現(xiàn)出優(yōu)異的快速關閉性能和極好的密封。不過，這是一種復雜的設計，加工和維修都很昂貴。

市場上還有多種截止閥被用作自動關閉閥。常用閥中有一種是濕式彈簧球閥，它可以快速、徹底地關閉。缺點是：①閥隨著螺桿轉動，因此閥外徑處有磨損；②內部結構復雜；③小球閥槽內限制流動。

Zeiger工業(yè)公司研制了一種濕式線簧加載環(huán)形閥。它通過線簧主動將環(huán)關閉，但是環(huán)隨著螺桿轉動，而且環(huán)本身可能存在一些死角，熔融物料有滯留。溫度高于345℃后，彈簧的作用可能不好。

美國閥門公司的往復閥根據柱塞不同面積上熔體壓力的平衡產生自動關閉作用。不過，這種閥只在一定面積比及很窄的黏度范圍內起作用，而且在螺桿回位過程中通過柱塞的壓力損失很大。螺桿頭體隨著螺桿轉動，外徑處磨損很快（存在與Spirex公司的自動截止閥、球閥等一樣的問題）。

2.2兩階關閉的螺桿頭

這是一種簡單的截止閥（圖2），固定在注射螺桿頭處控制熔融物料只向前流動。截止閥頭體與螺桿剛性連接。環(huán)相對于頭體運動，以便在環(huán)處于打開位置時使熔融物料向前流動，在環(huán)處于關閉位置時阻止熔融物料向后流動。后座固定在頭體和螺桿頭處，支承處于關閉位置的環(huán)，在環(huán)和座之間形成密封面。這里利用兩階關閉原理設計這種螺桿頭。第一次關閉稱為預關閉階段，建立起類似于喉嚨（如間隙、小孔等）的狹窄流槽。閥完成第一次關閉之后，就開始第二階關閉。隨著時間的持續(xù)，兩階關閉持續(xù)進行，直到閥門完全關閉為止。

圖2中截面圖的上半部分是兩階關閉環(huán)設計的全剖視圖，下半部分是傳統(tǒng)OEM環(huán)設計的全剖視圖。其后座需要改進，多一次關閉過程。環(huán)就采用傳統(tǒng)的設計，不用改進。兩階關閉產生了一個很窄的間隙作為預關閉距離或者一次關閉量。所有標準的OEM設計通常的關閉量都是環(huán)關閉的全部量，包括二次的量。除了環(huán)或者后座需要改進外，總的來說這是一種簡單設計。

其設計理論也很簡單。首先，預關閉的距離很短，是傳統(tǒng)環(huán)形閥關閉量的20%左右，也就是說預關閉的速度是傳統(tǒng)環(huán)形閥全關閉速度的5倍。這種閥入口的打開面約為槽面積計量值的60%～70%，在閥打開時，對于自由流動區(qū)域，沒有限制問題，這一點很好。此外，這種螺桿頭打開過程中剩下的間隙很小，因此在閥打開時，其限流效果就像液壓節(jié)流閥一樣，向前流動的壓力損失很小。表1給出了各種閥的流量比較。與其他截止閥相比，這種新型兩階關閉閥的流量可以接受，高于所有自動關閉閥，如Spirex、Posi-Trol Md閥等，但比傳統(tǒng)環(huán)形閥低7%～13%（表1）。

表1　采用不同螺桿頭時螺桿塑化裝置的流量實驗

這種閥的關閉分析可參考圖2中的設計。漏流槽的幾何形狀可以簡化為窄槽，寬度為πD2、高度為δ，兩者之間滿足條件πD2>>δ。漏流量（體積流率）Qa可以用下述簡單公式進行計算：

式中

Qa——螺桿頭處漏流的體積流量；

D2——環(huán)的公稱內徑或者座階的公稱外徑；

n——冪指數；

Δpr——通過螺桿頭環(huán)的壓力降；

La——環(huán)內徑與后座外徑之間重疊的軸向長度；

δr——環(huán)內徑與后座外徑之間的徑向間隙。

標準環(huán)形閥在注射 前環(huán)打開至少2 mm，而相比之下，注射前，兩階關閉閥的間隙很小，只有0.2 mm，為前者的1/10。流量正比于間隙的二次方，因此其漏流量只有傳統(tǒng)環(huán)形閥的l%左右。在這種情況下，漏流可能只會引起開始時的漂移，在環(huán)移動的距離大于開始時打開的距離后就會完全封閉。

整個螺桿頭處的壓力降是環(huán)上下兩側的壓力差，隨著環(huán)不斷關閉，直到完全關閉，壓力降都在增大。此外，由于間隙很小，因此，即使磨損了，壓力降也總是很大，足以使環(huán)不斷關閉，因為壓力降越大，作用在環(huán)下方的力越大（圖2中左側）。

兩階關閉螺桿頭的缺點是，這種方法只對在螺桿完成回位后采用位置控制方法的注射成型機才有效。采用壓力控制方法時，這種螺桿頭有初始漂移問題。所以，預關閉螺桿頭是采用壓力控制方法的注射成型機的唯一選擇。

如果在螺桿完成回位后注射成型機采用的是位置控制方法，那么也沒有任何問題，因為壓力會很快在螺桿頭處與單向閥中間達到平衡。這樣，螺桿剛好保持其位置，環(huán)也是如此，打開的間隙就一直保持著，直到螺桿中間的壓力低于螺桿頭處的壓力。于是，這一壓差就成為螺桿頭和中間閥自動關閉環(huán)的驅動力。

如果主要參數設計得正確，那么就能實現(xiàn)自由流動和快速關閉問的良好平衡。從性能上看，所有其他閥都不能滿足快速關閉和自由流動要求。兩階關閉閥具有下述特點：

（1）快速預關閉保持螺桿頭處和螺桿中部的熔體壓力。

（2）環(huán)形閥只由機頭導向，并不隨著螺桿轉動，因此外徑處的磨損輕。

（3）最后的關閉取決于座表面，座表面強度很大，能夠承受很高的注射壓力，這樣，就不會有破裂部件問題，如spirex自動截止閥的破裂軸等。

（4）冷起時沒有破壞兩階關閉環(huán)形閥零件的危險。

（5）磨損部件如環(huán)、后座等都是標準件，是很具互換性的零件。

（6）在兩階關閉閥內沒有死角，因此，沒有換色、換料時產生的降解問題。

（7）可以承受任何靜止頭測試，這樣，即使噴嘴凝固了，也沒有破壞機筒中部破裂的危險。

（8）兩階關閉閥要么是非彈簧加載的閥，要么只是部分彈簧加載（只有滿行程的20%）的閥。因此，其動作時沒有小的彈簧初始漂移，這樣彈簧不能及時反應時也就沒有破壞破裂盤或者加工不穩(wěn)定的危險。

（9）這種兩階關閉閥也是解決所有物料加工問題包括漏流<低黏度物料）和磨損（高度增強的物料）最為可靠的設計。

這種設計的另外一個重要應用是作為微孔螺桿中部的限制元件。在微孔螺桿上，中間兩階關閉環(huán)形閥的預關閉和中間閥最后的關閉都動作得很好，因為中間閥的后側（上方）是朝著料斗方向開著的，而料斗在螺桿停止轉動后，上方壓力立即下降。這樣，中間閥上方的壓力（與螺桿前部的熔體壓力一樣）迅速成為關閉中間環(huán)形閥的巨大驅動力。如果主要的幾何參數設計得恰當，就能實現(xiàn)自由流動和快速關閉間的良好平衡。從性能上看，所有其他閥都不能滿足快速關閉和自由流動要求。

2.3螺桿頭和中間單向閥的關閉順序

由于微孔螺桿中間總是有單向閥或者限制元件，因此螺桿頭和中間單向閥的關閉順序就可能成問題。根據圖3中ps和pt間的壓差可以很清楚地解釋這一點。壓力ps是靠近氣體注射器處熔融物料的壓力，壓力pt是螺桿前部所積聚物料的壓力。眾所周知，ps和pt這兩個壓力都必須保持在最低壓力要求值，將氣體保持在溶液中但沒有預發(fā)泡。但是在螺桿完成回位、注射之前，壓力ps必須低于壓力pt。因為臨界壓差保持著關閉動作，使螺桿頭首先關閉，然后中間閥關閉。如果中間閥關閉得比螺桿頭早，注射開始時的第一個壓力峰值將傳過螺桿頭，將壓力突增傳遞到中間閥。結果是安全破裂盤立即被這一壓力峰值破壞，自動生產將不得不停止。這種壓力差的唯一例外是小注射螺桿上有反向槽限制元件，反向槽截面人口槽和出口槽間的小剪切間隙總是開著的，這樣注射開始時的第一個壓力峰值將通過反向槽截面的間隙，避免破裂盤破壞。

圖3　微孔泡沫注射成型用螺桿的一般結構

做了一個專門的實驗來測量螺桿頭與中間單向閥（靠近氣體注射器）間的壓力ps，注射機螺桿直徑為60 mm，用的是環(huán)形螺桿頭和中間球形單向閥。在同樣的螺桿頭上測試了兩種不同的環(huán)。一種是通常的OEM環(huán)，關閉量為5 mm；一種是兩階關閉環(huán)，將關閉量從5 mm減小到1.5 mm。加工材料為PP（Montell，XMA6170P，熔體流動速率為35 g/l0 min）。兩個實驗的注射速度相同，都為0.076 m/s。在注射開始時通過螺桿頭環(huán)的壓力降速率與假設中間閥首先關閉而此時螺桿頭并不完全關閉的情況下夾在混合段間的物料的壓力突增相當。實驗表明，通常的OEM環(huán)的關閉量大（5 mm），注射過程中在螺桿頭之后產生了壓力峰值（圖4），然后這一壓力峰值在用兩階關閉螺桿頭將關閉量從5 mm減小到1.5 mm時消失了。圖5中的壓力突降表明環(huán)關閉性能良好。這一實驗結果證實，兩階關閉螺桿頭優(yōu)于帶中間單向閥的微孔螺桿常規(guī)螺桿頭。

最后，將有關螺桿頭和中間單向閥的順序總結如下：

（1）關閉時間順序為螺桿頭一中間單向閥，這樣，螺桿頭前部的熔體壓力將高于螺桿頭與中間單向閥之間的壓力。因此，螺桿頭前部就真正處于關閉位置，因為其熔體壓力高，能夠克服螺桿頭后部的低壓，緊緊關閉。但是，螺桿頭與中間單向閥之間的熔體壓力必須維持在最小值，這一壓力值足以保持單相溶液同時又低于螺桿頭前部的壓力。

圖　4注射過程中環(huán)形螺桿頭的壓力曲線（關閉量為5 mm）

圖　5注射過程中環(huán)形螺桿頭的壓力曲線（關閉量為1.5 mm）

（2）打開時間順序為中間單向閥-螺桿頭。保持螺桿頭前部關閉這一點很重要，避免在熔體建立起很高的壓力之前螺桿頭與中間單向閥之間的高壓單相溶液漏過螺桿頭。還需要將機器設計得在注射完成之后熔體壓力ps和pt總是保持得一樣。

根據所討論的技術細節(jié)，表2列出了推薦的螺桿頭和中間壓力限制元件的實際結構。

表2　螺桿頭和中間壓力限制元件的實際結構

2.4注射螺桿與螺桿頭的系統(tǒng)分析

為了分析塑化塑料的能力與氣l本向塑化裝置中的溶解性能，需要將螺桿和螺桿頭（包括中間閥）看做一個體系。將所有這些部件放在同一臺注射成型機中，是最為復雜的系統(tǒng)，因為作為一種典型的微孔成型手段，其中有螺桿、螺桿頭以及機筒中間處的單向閥等。

3　鎖緊裝置

除了鎖模力要求低外，微孔注射成型機的鎖緊裝置與常規(guī)注射成型機的設計一樣。但有更多特殊要求。一個是模具裂開發(fā)泡（反向壓制、反向注射壓制），另一個是順序注射壓縮排氣。鎖模裝置不僅要盛放微孔模具，還提供注射成型操作所需的所有運動。

由于微孔發(fā)泡成型不需要充?；虮簛矸乐拱己?，而且熔體黏度低，因此與不發(fā)泡注射成型相比，鎖模力的降低可以高達40%～60%。型腔壓力是解釋為什么鎖模力有如此大下降的最好參數。例如，在微孔注射成型機上成型發(fā)泡與不發(fā)泡的PBT、注塑件，不發(fā)泡時，測得的最大型腔壓力是105 MPa；而發(fā)泡時，最大型腔壓力僅為45 MPa。微孔發(fā)泡注塑件的鎖模力減小了57%。在大多數應用中，實際的鎖模力減幅取決于模具設計、流長比、物料的黏度、氣體用量和種類、注射線速度、型腔壓力以及模具和熔體壓力等。

3.1模板設計

微孔注射成型所要求的鎖模力降低使設計人員可以將注射成型機設計得拉桿之間的間距更大以及模板更薄。下面是微孔注射成型時所要求的模板厚度和拉桿間距的一些計算。

假設典型注射成型機的模板1與模板2都符合下面的條件：

（1）模具載荷均勻作用在模板中心部件上（圖6）。

（2）模板具有簡支梁結構，固定在兩端的支承上（圖6）。

（3）模具承載長度與支撐總長之比固定在0.65左右。

（4）模板在1 m距離上的變形量廠不超過0.2 mm。

（5）兩個模板所用材料相同，梁截面的慣性矩相同。

（6）傳統(tǒng)注射成型機和微孔注射成型機的模板支承總長度分別為L1和L2，承受的總載荷分別為W1和W2。

圖6　鎖模模板的簡支梁示意圖

那么，載荷比與支承問總長度比之間的關系如下：

式中

W1——標準模板上的載荷；

W2——微孔成型模板上的載荷；

L1——標準模板支承間的距離；

L2——微孔成型模板間的距離。

對于大多數的微孔發(fā)泡成型，注射成型機所需的鎖模力只有不發(fā)泡注射成型時的一半。所以，微孔成型模板的拉桿間距可以長26%，這意味著微孔成型模具的投影面積比標準模具大59%。另一個選擇是模板厚度比標準模板薄20%。

3.2最大和最小模具面積

為了控制一定壓力下充模過程中模板的平直度或者變形，根據拉桿間距和最大鎖模力為每一個鎖模裝置規(guī)定了最小模具面積。這只是根據作用載荷W和支承間距離L的變形量來計算的。微孔注射成型不需要采用最大鎖模力，所以最小模具面積就會相應減少。但是，在大多數情況下，需要考察最大模具面積，以充分利用模板面積注射成型最大的注塑件，而不必購買鎖模力更大的注射成型機，這是低鎖模力微孔注射成型機的主要優(yōu)點。表3給出了相同單位變形量（跨距1 m，變形量0.2 mm）時，傳統(tǒng)注射成型機和微孔注射成型機推薦的最大模具面積與最大鎖模力。從上述假設3）可知，如果模具承載長度與支撐總長度之比固定在0.65左右，則采用每一最大鎖模力時注射成型機鎖模模板的最大面積可以用表7.8中給出的模具面積乘以2.37來計算。對于無拉桿注射成型機，優(yōu)點更為突出，因為微孔發(fā)泡成型使加丁廠商能充分利用模板面積。

表3　微孔注射成型機和傳統(tǒng)注射成型機的最大模具面積與最大鎖模力

3.3模具開模力

一般來說，微孔注射成型的開模力改變得不是很大，但是，有時需要增大而不是減小，即泡孔壓力沒有完全釋放，注塑件在模具內膨脹，在型腔和注塑件間產生摩擦力。摩擦力一般為零，因為塑料收縮很大，所以模具打開時型腔不會與注塑件接觸。總的來說，成型微孔注塑件時模具的開模力應該小于未發(fā)泡注塑件，因為開模力要克服的大部分力是在大噸位壓縮過程中的模具變形、模具內的真空、在高壓力保壓過程中的局部澆口區(qū)變形等。所以，微孔成型的開模力在大多數情況下一般都應該減小。

3.4微孔注射成型時鎖模裝置的特殊作用

Dolphin Skin開發(fā)的一種新技術成為一個非常吸引人的課題，其利用反向壓制技術在一面制得光滑表面，在另一面用泡沫制得具有柔軟觸感的表面。實驗時注射成型的是一種轎車儀表板，圖7給出了這種模具的構造示意圖。注塑件是用兩臺完全相反的臥式注射成型機順序注射成型的。第一階段是成型玻璃纖維增強的PBT/ASA共混物（巴斯夫的Ultradur S4090），形成未發(fā)泡的光滑表層。過一段時間后，表層材料固化，足以支撐在其上進行下次注射。第二階段是注射富氣體材料，在第一階段注射的表層上疊塑。所發(fā)泡的材料是一種特殊聚酯（Pibiflex，P-Group公司一種易于發(fā)泡的熱塑性聚酯）。兩次注射都首先進行100%充模，因此冷卻階段就沒有發(fā)泡，富氣體物料保持厚度S1。在表層固化充分后，自延遲注射時開始，富氣體物料就一直處于熔融狀態(tài)。然后，鎖模裝置解壓縮，把模具從S1位置微開到S2位置，且S2>S1。之后，未發(fā)泡表層后面的富氣體物料膨脹，通過均勻發(fā)泡填充（S2-S1）之間的空間。這樣，發(fā)泡一側也會有一個光滑表面，因為在發(fā)泡之前形成了表層。

圖7　反向壓制模具構造示意圖

3.5低鎖模力降低能耗

微孔注射成型鎖模力低所帶來的能耗降低是有關微孔成型優(yōu)點的有趣話題。薄模板、采用小鎖模力的大模具等肯定降低了成本。此外，運行低鎖模力的合模裝置的也能降低能耗。從零件損耗上看，鎖模力低能延長合模裝置上關鍵零件的壽命，如拉桿和模板等。但是，合模裝置本身的降耗還不夠，因為整個注射成型機的液壓系統(tǒng)是按照注射裝置的大部分要求設計的。這是因為注射壓力峰值和高的注射線速度是整個成型周期中耗能的最高峰值，必須由注射成型機動力源來配備。采用電動螺桿和蓄能器改進的液壓系統(tǒng)來降低能耗是一個好的思路。

4　微孔注射成型裝置的結構及參數

微孔注射成型機的結構類似于傳統(tǒng)注射成型機，只不過其要求高的注射速度和低的注射壓力。注射裝置上的相關關鍵部件有注射缸、液壓馬達或者電動機，還有推力軸承，注射裝置常用規(guī)格的推力軸承可用于微孔成型。但是，由于一旦形成單相溶液，熔融聚合物的黏度就會降低，模具只填充滿注射量（完全不發(fā)泡）的80%～90%，因此微孔注射成型的平均壓力比傳統(tǒng)注射成型低60%。微孔注射成型的另外一個重要特點是不需要注射壓力峰值或者保壓壓力。沒有保壓過程這一點很重要，因此微孔注塑件中沒有殘留應力。不過，微孔注射成型時，最好采用大的體積流量，以提高減重幅度，改善泡孔結構，但并不總是需要。微孔注射成型的另外一個基本要求是必須一直保持作用在螺桿頭上的背壓，不論螺桿轉動還是不動。換句話說，也就是注射裝置總是處在壓力之下。盡管第6章從加工方面已對有些細節(jié)進行了討論，但在下面的章節(jié)中還將討論優(yōu)選高注射速率和注射裝置設計問題的有關理論和實驗。

4.1螺桿與噴嘴（或者閥澆口）之間的特殊關系

與在螺桿設計中討論的一樣，注射動作的精確度取決于螺桿頭截止元件。此外，注射動作必須按照注射和噴嘴或閥澆口打開的正確順序來控制。

（1）與螺桿頭的關系 從注射的觀點看，螺桿頭截止閥有兩個主要作用：

①通過截止閥自動將螺桿頭從螺桿中間截面分開，在注射開始的時候防止螺桿中間部位壓力突增。

②在所有循環(huán)間都維持恒定的注射量和最低的熔體壓力。

快速截止或者預關閉螺桿頭是保證微孔注塑件恒定注射量和質量不變的關鍵。對于環(huán)形閥來說，一定不能采用在注射之前通過解壓快速關閉螺桿頭這一傳統(tǒng)方法，因為解壓會立即破壞單相溶液，產生額外的空間預發(fā)泡。另外一種快速關閉螺桿頭的方法是開始時快速注射。低黏度物料微孔成型時，開始時的高速注射確實有助于迅速將螺桿頭關閉。

（2）與螺桿的關系通常建議，微孔成型螺桿盡可能選擇得大一些，這是因為微孔成型所需的注射壓力低。注射機筒與螺桿直徑的常見強化比為8～12。大直徑螺桿要求短的回位行程，這樣可以使微孔成型稍微容易一些。這是因為大直徑螺桿的回位行程短不僅有利于機筒上只有一個SCF注射器的SCF計量，還有利于快速注射。大直徑螺桿短注射行程的主要優(yōu)點如下：

①具有微孔注射成型所必需的高體積注射速率。

②注射時間短，有利于注塑件獲得更好的均勻泡孔成長歷史。

要注意的另外一點是螺桿回位的高背壓設置，這是制得單相溶液的必需要求。背壓最低約為6.9 MPa，最高為34.5 MPa，即螺桿頭前部的熔體壓力。這可能會在機筒內產生過量的機械熱。另外，還會在螺桿回位過程中在推力軸承上產生軸向力。一般來說，螺桿尾部的推力軸承要設計得具有很高的承載能力和很長的使用壽命。

（3）與截止噴嘴和閥澆口的關系 有關截止噴嘴最為重要的問題是在除注射和保壓過程外的整個成型過程中都保持壓力。所以，注射和噴嘴打開的動作必須按下面的順序進行：首先注射，然后再打開噴嘴，滯后打開時間約為0.5 s。對于彈簧加載的截止噴嘴和彈簧加載的閥澆口，這種關閉順序自動保持。但是，采用動力制動（液壓缸或者氣缸）時，注射成型機的控制柜必須按上述正確順序設置。否則，噴嘴或者閥澆口中的高壓富氣體熔體在噴嘴或者澆口打開時會自由地注射到模具中，而不能及時獲得隨后必需的壓力。

4.2高的注射體積流量與低的注射壓力

注射速度控制著均勻成核和小的泡孔。在新泡孔成核比已有泡孔長大容易時，才出現(xiàn)微孔的均勻成核。在大的壓力下降過程中，單相溶液經歷了SCF在聚合物中的溶解度下降。從溶液中流出的SCF要么進入已有的成核泡孔中，要么輔助成核新的泡孔。微孔發(fā)泡要求在壓力下降過程中產生最多的泡孔。產生大量泡孔的條件是，從溶液中流出的SCF最好形成新的泡孔，而不是進入已有的、正在長大的泡孔中。出現(xiàn)均相成核的第一個條件是形成成核點所需的時間必須大大短于SCF擴散進已有泡孔的時間。第二個條件是，SCF進入新泡孔的距離必須小于穩(wěn)定長大泡孔的間距。從實際意義上講，實現(xiàn)這一點的唯一辦法就是保證成型過程中注射階段出現(xiàn)很高的壓力降速率。進一步講，有可能將壓力降速率與注射體積流量以及注射系統(tǒng)的噴嘴、流道和澆口設計聯(lián)系起來。利用這一理論，可以定量表示出壓力降速率概念如何影響成核過程，而以前的模型不總是能全面解釋如何將理論用于實際的注射成型。

Park等人發(fā)現(xiàn)了全飽和物料中微孔泡沫成核所需的最小壓力降速率。對于PS-HI材料而言，用質量分數為10%的CO2發(fā)泡時，在壓力降速率dp/dt從0.18×109Pa/s增大到0.9×109Pa/s時，泡孔密度從109個泡孔/cm3增大到109個泡孔/cm3。理論上講，泡孔密度109個泡孔/cm3會產生約為10 m大小的泡孔。所以，用SCF飽和Ps-HI時，要得到10 m的泡孔所需的壓力降速率為109Pa/s。非常重要的一點是，單相溶液的飽和壓力變化時，實現(xiàn)均相成核所需的壓力降不同。

實際上，滿足最小壓力降要求所需的注射速率與很多參數有關，包括模具澆口尺寸、物料、氣體種類及其用量、熔體溫度等。目前從實際的成型結果看，所需的最小壓力降速率dp/df約為109Pa/s，甚至更高。但是，實際上，對于大多數熱塑性塑料，100 Pa/s這樣的壓力降速率dp/dt就足以實現(xiàn)均相成核。重要的是，在實現(xiàn)最小壓力降均相成核時，成核過程仍然被看做是均相成核和異相成核的混合成核。換句話說，也就是一旦實現(xiàn)了均相成核，會得到微孔泡沫，填料產生異相成核，聚合物的多相性只是使總的泡核點增加了而已。所以，一旦達到109Pa/s的壓力降速率，大多數熱塑性塑料和應用都能得到微孔泡沫（假設為全飽和的聚合物溶液）。大多數實際情況表明，異相成核十分有助于成核。所以，對于填充材料，109Pa/s的實際壓力降速率可能就不再需要了。

注射成型的結果表明，最高密度在澆口處，最低密度在流動末端。顯然，線性注射速度越高，密度分布越均勻。另外，低線性注射速度充模更慢，形成的表層更厚，這樣流槽變窄。結果在澆口附近產生過充模，在流動末端欠保壓。

此外，線性注射速度是控制微孔注塑件表面粗糙度的重要參數，需要很高，以保證充模時間最短，這樣流動前沿的氣體就不會逃逸。如果氣泡有足夠的時間變成大氣泡，就會穿過塑料熔體流動前沿而破裂。氣泡留下的孔洞被剪切區(qū)拉伸，被剪切速度差推向模具表面（剪切速率在模具表面最大，在熔體流中間層最小）。

對于大多數往復式螺桿注射成型機，標準注射體積流量（未對注射裝置和液壓系統(tǒng)進行改進）很高，這樣單是噴嘴尖內可能的壓力降速率就高于最小壓力降速率109Pa/s，表4列出了不同孔徑的三種噴嘴尖，除了直徑為30 mm的螺桿與9.525 mm的噴嘴尖孔組合不滿足壓力降速率要求外，均是微孔注射成型最為常用的尺寸。但是，事實上9.525 mm的噴嘴尖孔從來也不會在直徑為30 mm的螺桿上使用，表4中所列的數據只是表明可能不恰當的組合，得到合適的壓力降速率。所以，表94組合涉及了所有OEM注射成型機目錄中的螺桿、噴嘴尖和合理線性注射速度的實際范圍。

圖8給出了微孔發(fā)泡聚烯烴所需的標準OEM注射體積速率與經驗值的比較。聚烯烴材料難以制備微孔注塑件，所以，其經驗注射體積流量是確定微孔成型必需的注射體積流量的基準。直徑80 mm螺桿的標準注射體積流量已經高于經驗值。但是，即使所有直徑螺桿的注射體積流量都小于經驗值，這些值也都彼此很接近。結論就是標準注射體積流量很合理，足以處理大多數要加工成微孔注射成型結構的材料。

表4　采用標準OEM注射體積流量時螺桿直徑與噴嘴尖孔

圖8　微孔發(fā)泡聚烯烴所需的標準OEM注射體積速率與經驗值的比較

此外，在有些情況下傳統(tǒng)注射成型機不能產生很高的注射體積流量滿足特定材料的要求，此時，液壓蓄能器就是提高注射體積流量的最好辦法，而這遠超過了標準OEM的能力。液壓蓄能器方法將在液壓裝置設計的章節(jié)討論。

4.3注射線性速度曲線

高壓下的富氣體熔體儲存了很多能量，可以用式（1）計算。所以，微孔注射成型的特殊之處就是開始時的注射恰好是這一儲存能量完成的。這是噴嘴或閥門打開時高壓氣體與熔融物料混合物的噴涌，這就是避免開始時低速注射的原因所在。根據式（1）中已知的儲存能量，可能的對空注射速度可以估算出來。另一方面，如果開始時的注射速度太高，則有可能出現(xiàn)噴射。不合適的初始注射速度是下列幾種可能缺陷的主要原因之一：

(1）初始注射速度不合適可能在澆口處產生大的氣旋。

(2）初始注射速度太高可能在模具內產生噴射，在注塑件上產生弱點。

(3）初始注射速度必須跟上可能產生的初始高壓氣體一熔融聚合物物料的噴涌，避免平穩(wěn)、持續(xù)注射的中斷。

(4）延遲噴嘴或澆口打開是避免嘗試最佳注射速度的最好辦法。此外，需要計時器控制噴嘴或閥澆口打開與初始注射的順序。

常規(guī)注射控制要么是恒定速度控制（一般是回油模式），要么是恒定壓力控制（最大壓力模式）。在注射行程的大部分過程中都采用恒定速度控制，而恒定壓力控制只用于最后的保壓過程。眾所周知，發(fā)泡不需要保壓，所以在微孔注射成型中可能不需要恒定壓力控制。此外，對于微孔注射成型來說，注射速度比注射壓力更為重要，因為注射速度是影響成型結果的關鍵參數。一般來說，在通常的微孔成型過程中，在注射行程的大部分過程中都采用恒定速度控制更有意義。

一旦注射速度的設定跟得上氣涌，注射行程其余部分就能設定成核和充模一些特殊要求的恰當注射速度。理論上講，注射速度曲線必須滿足下述標準：

(1）總的注射時間必須在氣體逸出自由流動前沿的范圍內。

(2）在整個注射行程內，通過噴嘴或澆口的壓力降速率必須保持為相同的值，或者在一定范圍內變化。

對于第一個標準，總的注射時間可以根據流長比和模具結構得以控制。但是，第二個標準很復雜，因為它要求所需的壓力降速率從開始到充模結束都要保持一致。壓力隨著模具內充模體積的增加而增大。最為有效的方法是記錄控制器上的動態(tài)壓力曲線，然后找出注射行程每一位置處的壓力值，進而根據公式①求出注射速度曲線。一個成功的快一慢（在行程的前67%內是200 mm/s的快速注射，在最后的33%行程內是3 mm/s的慢速注射）注射速度曲線使得到的試樣在整個注塑件內都具有好的泡孔。其他的快速注射試樣或者慢速注射行程太短的試樣都不能在整個注塑件內得到均勻的泡孔。有很多原因能解釋這種結果，其中之一就是高速注射時澆口是壓力最大之處。如果模具中留有的發(fā)泡空間過大，可能不僅有更多的空間發(fā)泡，而且還會降低澆口處的壓力。另一方面，由于最后33%的行程時發(fā)泡有足夠的時間在自由空間內膨脹，同時很低的注射速度為澆口處泡孔長大釋放更多的壓力提供了機會，推動物料流到模具內。換句話說，就是在如此低的注射速度時發(fā)泡所致的壓力釋放速度比澆口處的壓力建立速度高。

4.4保壓過程與保壓壓力

微孔成型不需要保壓，因此，也就不需要保壓壓力。但是，有時注射成型機需要一個很短的保壓過程，從而在螺桿回位開始之前使液壓系統(tǒng)從注射過程平穩(wěn)過渡到螺桿頭前部恒定的熔體壓力。另一方面，節(jié)省了保壓時間。

不需要保壓壓力，也是因為只需要充模80%～ 90%，具體程度取決于減重幅度。有一種新的思路可以降低澆口附近的壓力、使?jié)部谔幍呐菘赘啵瑢嶋H上就是從螺桿向后運動時開始解壓，而后，在解壓一定行程之后，盡可能快地關閉噴嘴或者閥門，避免物料從模具澆口處向后流。在螺桿頭前部停留的物料中有過大的壓力降之前，這一動作必須快速完成。換句話說，也就是必須將某一最低壓力作為解壓的下限值。在下一個回位動作開始之前，必須建立起新的壓力，以使螺桿頭前部再次處于高壓狀態(tài)。如果模具制造商能在澆口處制造一些釋壓元件釋放澆口壓力，也能在澆口處產生更多的泡孔。這是微孔成型的一個特殊要求，因為在最終的注射之后要馬上解壓。所以，這一思路還沒有用于注射成形機控制中。

4.5低壓注射、零保壓和保壓過程所帶來的節(jié)能

能夠進行微孔注射成型的注射成型機實際的節(jié)能源于注射裝置。表5中的數據為在目前全液壓鎖模注射成型機上進行的節(jié)能分析。例如，微孔成型的注射壓力可以降低高達50%，而注射速度不變。注射裝置的能耗（占總能量的13.5%）遠高于鎖模力建立的能耗（占總能耗的3.1%），這樣注射裝置的節(jié)能也會十分巨大。此外，省掉了保壓過程（占總能耗的6.9%）也省掉了。

表5　鎖模力為1 500 t、螺桿直徑為160 mm、螺桿長徑比為24:1的傳統(tǒng)注射成型機的能耗和所用時間

在大多數肘桿式鎖模裝置中，在很短的時間內注射裝置占用了動力的大部分，注射成型機總動力消耗相應地就由這一能耗決定了，使電動機在短時間內過載50%?，F(xiàn)在，可能不需要根據整臺注射成型機的注射峰載來配備總的動力。這種注射成型機用于微孔注射成型時節(jié)省的能耗會更多。所以，低注射壓力所占的節(jié)能比例可能更高，可與低鎖模力相比，因為肘桿式鎖模裝置本身就是一種節(jié)能裝置。

Microporous injection molding device (Part 3)

(R-03)

Microcellular injection Molding (Part 3)

Excerpted by Mu Xue

Key words：microporous injection molding apparatus; structure; forming stage; process

Abstract：Microporous injection molding process not only has obvious and compelling advantages such as saving materials, reducing energy consumption, shortening molding cycle, but also greatly improves the dimensional stability of injection molded parts, and promotes innovation and curing of injection molded parts. Microporous injection molding can be processed in non-crystalline plastics, semi-crystalline plastics, thermosetting resins, thermoplastic elastomers and bio-plastics and other common plastics and engineering plastics, this seminar focuses on the structure and forming stage principles of Microporous injection molding device.

中圖分類號：TQ330.662

文章編號：1009-797X(2016)12-0106-17

文獻標識碼：B

DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.044

作者簡介：機械工業(yè)出版社出版的《微孔塑料注射成型技術》