確定合適的合模噸位

文/RJG公司Jeremy Williams

在注塑生產(chǎn)中，為成型部件確定適當(dāng)?shù)暮夏嵨豢梢员苊庖缌虾湍＞邠p壞。而施加過高的合模力會使部件、模具和機(jī)器產(chǎn)生問題。

確定一臺注塑機(jī)能否持續(xù)一致地成型部件就必須考慮許多因素。注射裝置必須有正確的注射量，以避免降解和不熔。它還必須有足夠高的壓力和流量，為適當(dāng)?shù)牟考淠?chuàng)造條件。

塑性變量也必須加以考慮，從“塑性的觀點(diǎn)”來看，它們對于注塑過程非常重要，例如：將材料干燥至適當(dāng)?shù)乃趾?，在推薦的熔融溫度下加工，為注射選擇正確的流量，應(yīng)用適當(dāng)?shù)谋簳r(shí)間和壓力，冷卻足夠長的時(shí)間以保持尺寸穩(wěn)定性，這些都十分關(guān)鍵。然而，這些變量只集中在注射過程上。機(jī)器的合模端負(fù)責(zé)提供合模力來對抗注射裝置施加的壓力。采用多大的噸位、合模力施加的位置、合模機(jī)構(gòu)的類型和模具底座的尺寸都會影響成型過程成功與否。確定合適的合模噸位不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。它為避免溢料和模具損壞提供了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。然而，選定的合模力是否有可能太大了，導(dǎo)致在注入熔融材料之前縮小工藝窗口呢？

在下面的例子中，我們將聚焦于一個(gè)采用分段注塑成型II工藝的成型上。在這個(gè)過程中，型腔充模與保壓階段分開。充模階段形成一個(gè)目測達(dá)到95%～98%完成度的部件，使得型腔末端的壓力為零。

隨著機(jī)器從速度控制轉(zhuǎn)移到保壓階段的壓力控制，型腔充滿。額外的材料被壓入型腔中，以最大限度地減少凹陷和減少尺寸的變化。針對型腔內(nèi)部壓力的增加，合模系統(tǒng)必須提供足夠的力來克服型腔內(nèi)產(chǎn)生的壓力。

確定合模的噸位

正確確定合模噸位是從計(jì)算單個(gè)部件的投影面積開始。任何空心表面面積都應(yīng)從單個(gè)部件的總表面面積中去除。確定了部件的總表面面積，再用模具中的型腔數(shù)與它相乘。如果模具有一個(gè)冷流道，則其表面面積也必須考慮進(jìn)去。

在獲得所有部件加上冷流道的總投影面積后，需將該面積乘以一個(gè)噸位系數(shù)。過去是在材料規(guī)格表上找到噸位系數(shù)，但是現(xiàn)在這些信息很少會出現(xiàn)在這些數(shù)據(jù)表上。典型的噸位系數(shù)是在2～10 t/in2（1 in=25.4 mm）的范圍內(nèi)，我們建議將3 t/in2作為起始點(diǎn)。

舉個(gè)例子，我們打算用一副8腔熱流道模具為一種方形的餐盒成型一個(gè)蓋子（如圖1所示）：

型 腔 面 積=長×寬=4.6 in×4.6 in= 21.16 in2；

部件面積=型腔面積×腔數(shù)= 21.16 in2×8 = 169.28in2；

噸位=部件面積×噸位系數(shù)= 169.28 in2×3 t/in2= 507.84 t。

現(xiàn)在我們已有一個(gè)起始點(diǎn)來確定這副模具適于采用多大的合模噸位。但是還必須考慮其他因素，以確定所需的噸位系數(shù)是高于還是低于3 t/in2。這些因素包括：熔體流動指數(shù)（MFI）或熔體流動速率（MFR）、流程、壁厚、澆口位置、澆口尺寸、澆口數(shù)量及樹脂體積。

根據(jù)投影面積計(jì)算噸位后，首先需要考慮的是材料的流動性如何。MFI或MFR可以從供應(yīng)商的材料數(shù)據(jù)表上找到。一種高M(jìn)FI或MFR的材料將需要來自注射裝置較小的注射壓力來完成保壓階段，因此，其要求的噸位將較低。

當(dāng)評估MFI或MFR時(shí)，務(wù)必僅在同類型樹脂的牌號之間進(jìn)行比較。這是因?yàn)锳STM測試對每一類樹脂都采用不同的溫度、孔的大小和砝碼重量。鑒于ASTM測試方法和注塑機(jī)實(shí)際操作的不同，這些數(shù)值與實(shí)際成型并沒有直接關(guān)系。MFR或MFI與保壓階段聯(lián)系更加密切，因?yàn)楸和ǔＪ窃诹髁勘瘸淠ｋA段更低的情況下進(jìn)行的（如圖2所示）。

圖1 這個(gè)蓋子選用的材料是一種低黏度的LDPE，表明需要來自注射裝置的部件保壓壓力將很低

圖2 熔體黏度與需要的合模噸位相關(guān)，但是MFI不能可靠地反映成型過程中的實(shí)際熔體黏度，并且不能在不同類型樹脂之間進(jìn)行比較。例如，PC不管MFI是2 g/10min還是25 g/10min，通常在成型過程中都顯示高黏度；MFI同為10 g/10min的PP和PC，它們的成型黏度卻并不相同

圖3這副模具以所需噸位的4倍合模，導(dǎo)致陰模體在兩個(gè)位置分離

在成型蓋子的這一案例中，我們選擇的材料是LDPE。該材料具有非常低的黏度，這表明需要來自注射裝置的部件保壓壓力將很低。因此，根據(jù)材料選擇，蓋子成型所需的噸位系數(shù)可能低于典型的3 t/in2。

下一步，我們需要評估流程和壁厚。這被稱為長厚比，是流程（從澆口到充模端）與壁厚的比值。一般來說，長厚比小于150∶1，出現(xiàn)凹陷、欠注射或尺寸問題的風(fēng)險(xiǎn)很低。在我們成型蓋子的例子中，流程是3 in，壁厚為0.100 in，因此，長厚比=流程/壁厚 = 3.00 in/0.100 in= 30∶1。

采用非常低的長厚比，則該部件保壓所需要的壓力將降低，從而進(jìn)一步減少模具閉合所需的合模噸位。除了噸位較低外，出現(xiàn)成型凹陷、欠注射或超差部件的概率也會降低。

接下來，我們需要評估澆口尺寸和澆口數(shù)量。一個(gè)較大的澆口直徑有一個(gè)大得多的面積使材料流過，因此需要來自注射裝置較少的壓力來充模和使部件保壓。澆口的數(shù)量將影響充模和保壓過程中的注射壓力。如果有更多的澆口數(shù)和更大的澆口面積，或者如果連續(xù)充模需要更低的注射壓力，則最終所需的合模噸位將會更低。

此LDPE蓋子成型模具有一個(gè)直徑為0.030 in的單澆口，澆口面積=直徑×直徑×0.7584= 0.030in×0.030in×0.7854 =0.0007 in2。

這是一個(gè)非常小的表面積，每腔僅注入23 g的材料。鑒于這種少量材料和澆口尺寸，預(yù)計(jì)保壓階段的注射壓力要稍高一些，因此噸位要求會稍大于3 t/in2。

最終，確定所需噸位的最佳方法是用正確的幾何形狀、特征材料和全流道系統(tǒng)進(jìn)行模擬。如不能模擬，則可從評估部件的幾何形狀、材料選擇、澆口尺寸、澆口位置和澆口數(shù)量等方面來得出結(jié)論。綜合這些因素，預(yù)測這副模具的合模噸位范圍很可能是339～508 t（噸位系數(shù)為 2～3 t/in2）。一個(gè)好的起始點(diǎn)應(yīng)是420 t。

噸位過大的影響

既然我們已經(jīng)把重點(diǎn)放在如何確定適當(dāng)?shù)暮夏嵨簧?，那么讓我們來看看施加過高噸位的影響。當(dāng)合模噸位太高時(shí)，部件上幾乎可以立即看到一些典型的成型缺陷，如焦燒、欠注射及光澤度變化。

當(dāng)采用過高的合模噸位時(shí)，并不只是部件質(zhì)量受到影響。過高合模力的長期影響是損壞模具和機(jī)器。在模具方面會帶來壓壞的排氣口、卷起的分模線、損壞的嵌件，以及破裂的模芯或陰模體。

圖3是一個(gè)以所需噸位的4倍合模造成模具損壞的例子。根據(jù)表面積、材料和澆口，該模具大約需要100 t（噸位系數(shù)為3 t/in2）。但成型商缺乏經(jīng)驗(yàn)，把合模噸位設(shè)定為機(jī)器最大值的400 t（噸位系數(shù)為12 t/in2）。盡管模具設(shè)計(jì)堅(jiān)固、鋼材優(yōu)質(zhì)、加工適當(dāng)和熱處理恰當(dāng)，但過高的噸位導(dǎo)致陰模體在兩個(gè)位置分離。每個(gè)分離覆蓋了型腔從分模線到合模板的整個(gè)深度（大約為10 in）。這是一次災(zāi)難性的事故，造成生產(chǎn)推遲和加急制造一個(gè)新陰模體的10萬美元費(fèi)用。

當(dāng)施加過大的合模力時(shí)，注塑機(jī)上也可能會出現(xiàn)一些故障，如液壓缸托模板破裂、模板變形及機(jī)架斷裂。

在圖4中，有兩個(gè)因素引起了這款立式C-合模成型機(jī)機(jī)架滑軌斷裂。首先，需要約10 t合模力的模具，其合模噸位卻被設(shè)置為100 t。其次，覆蓋的模架尺寸在兩個(gè)方向上不到壓板的2/3。多年來這兩種不良做法結(jié)合在一起不僅破壞了機(jī)器的導(dǎo)軌，而且造成了成型缺陷和模具故障。沒有

圖4兩個(gè)因素造成了這臺立式注塑機(jī)機(jī)架滑軌斷裂。其中之一是需要約10 t合模力的模具，其合模噸位卻被設(shè)置為100 t

人能確定故障何時(shí)在機(jī)器上發(fā)生，但是可以確定何時(shí)首次發(fā)現(xiàn)故障并記錄它隨時(shí)間的進(jìn)展情況。從材料上看，更換機(jī)器的兩條導(dǎo)軌只需花費(fèi)數(shù)千美元。但如果把拆裝近乎整臺機(jī)器的工時(shí)以及在滑軌出故障之前多年來產(chǎn)生的廢品計(jì)算在內(nèi)，損失的費(fèi)用可能很容易超過20萬美元。