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注塑成型中填充过程解析

注塑成型加工制品的要求逐渐朝高精度、超微或者超大型、超厚超薄以及特殊环境要求制件等方向迈进,注塑制品的外观及功能性要求也越来越苛刻及精细化,标准注塑机、万能注塑机等传统生产模式的份额不断萎缩,定制注塑机的比重也越来越大,同时对注塑从业人员技能要求也越来越细分化和专业化。本文就注塑成型中最重要的塑料充模机理作解析,期望为注塑工程师制定注塑工艺带来一定帮助。

塑料填充过程中的速度和压力

注塑机将熔好的塑料熔体从注塑机前端送到模具型腔内,就是注塑成型过程中的一次填充过程,在注塑机操作面板上,给予注塑机的指令如下图所示:

这是一个薄壁产品的注塑填充工艺:射胶压力2750 kgf/cm2,射胶时间3秒,5段速度是15、45、85、190、20 mm/s,以位置来切换速度。在国产注塑机上面,注塑压力也和注塑速度一样分很多段控制,每段速度对应给一段压力,这是因为国产注塑机一般都是开环控制,很多时候设定的速度转换得不到机器执行,因此每段速度单独给予压力控制,可以让机器对每一段速度都进行执行。

事实上,很多从业者并不很了解注塑速度与注塑压力之间的关系,以为压力和速度是两个概念。其实不然,真实情形可以理解成这样:一台理论上完全精密无瑕疵的注塑机,可以用其100%压力做注塑方面的工作,注塑工程师完全可以不做任何注塑压力方面的调整,甚至在注塑机操作面板上都不需要列出这个参数,只要注塑速度控制精准无误就行了。注塑压力就是注塑速度的必要条件,能让注塑速度准确无误执行就是注塑压力的使命。当注塑压力没有的时候,注塑速度不管设置多少都是无法执行的。另一方面,从注塑机的角度考虑,“注塑”这一动作就是油阀通油到油缸,推动油缸活塞向前从而推动注塑机螺杆向前运动达成注塑的目的。当注塑速度增大,单位时间内就需要更多液压油进入油缸推动螺杆向前运动以达到目的。

事实上,在注塑填充过程中,在注塑螺杆运动的某一段路程上,用低速注塑和用高速注塑在同一路段上所填充进去的塑料量是完全不同的,如注塑速度是10 mm/s,可能填充的注塑量是10克;而注塑速度是60 mm/s,填充的注塑量是35克。这和融化后塑料的粘度、注塑时模具温度、注塑流道结构、注塑时塑料温度变化以及注塑机螺杆与料筒配合间隙都有密切关系,注塑速度小,熔料在机筒内损失较多,通过射嘴、流道、模具进胶口及产品壁厚上能量损失大,因此注塑量也相应变小。

注塑速度变换的方式

注塑机在注塑填充过程中,螺杆向前推动塑料熔料挤到模具完成注塑过程,注塑速度的大小变化是为了以下几个方面满足要求:

1、更快将熔料射入模具,防止充填不足的问题出现;

2、料流融合处夹线强度及外观调整;

3、进胶点处防止气纹;

4、产品薄壁处防止熔体破碎,避免银纹或料流纹产生;

5、困气;

6、模具分型面或者某些薄弱位置披锋。

注塑速度变化也意味着熔料在相同路程上注塑量的变化,这使得注塑过程变得更复杂,就算是注塑中模具温度不同,注塑过程中产生的结果也完全不一样。熔料在模具中保持同样路程和速度,模具温度高和模具温度低,所注塑量完全不一样:同样注塑速度,模具温度低,熔料冷却快,凝固层厚,注塑量会变小;模具温度高,凝固层薄,注塑量会变大。这就使得注塑机指令执行后,产品注塑的真实情况必须要试模才能真实把握。

我们知道,注塑速度的产生,在注塑机上是注塑油缸进油,推动螺杆向前完成动作。如果我们将某段注塑速度设置为50 mm/s(大部分注塑机以百分比显示注塑速度,原理一样),那注塑机从0 mm/s到50 mm/s,需要多少时间和路程?而当注塑机到某个位置从50 mm/s速度变成0 mm/s速度,又需要多少时间和路程?这在注塑机设计上是个非常重要参数,响应太慢相当于注塑速度执行不到位,这速度就没意义,特别是在高速注塑的注塑机上,响应的快慢直接决定注塑能否生产出合格的产品。

而注塑机执行速度指令响应足够快,如前面所示190 mm/s能完美在20毫秒内执行,那190 mm/s后一个指令速度变成20 mm/s,很多注塑机根本执行不了20 mm/s。因为190 mm/s这个指令运行所产生的惯性直接覆盖了20 mm/s这个指令,使20 mm/s的指令根本得不到执行,即给注塑工程师的感觉就是参数怎么调都没用,机器控制不了。要使20 mm/s这个指令能执行,需要等190 mm/s这个指令所产生的惯性向前冲完成后才能执行。这和汽车高速前进时刹车的原理一样,若要在预备的位置把车子停下来,需要提前开始刹车才有用。

在注塑机设计上,闭环控制系统就是为了让190 mm/s这个指令能更好地执行,但并非有闭环控制系统就能完美执行190 mm/s这个指令。其实,大多数注塑机根本没有闭环控制系统,注塑工程师设计的很多工艺指令注塑机并不能执行,所以在精密注塑成型上就无法生产出尺寸要求精确的制品。

注塑工程师在设计注塑工艺时,在响应时间足够快的注塑机上,注塑速度的实现是依赖于足够注塑压力的。一个50 mm/s速度的参数,在执行时注塑机显示的实际压力已经达到注塑工程师设定的压力,这速度大多是没有执行到的,注塑工艺中真实的注塑速度是在该注塑压力下能达到的最高速度,而并非工程师设计的速度。而该速度执行到的位置,是注塑机螺杆位置惯性速度低于后一段速度时开始的位置。如上190 mm/s本来执行到12 mm位置,但因190 mm/s速度惯性原因,后面20 mm/s在12 mm处没有执行,闭环控制系统可能使螺杆在11.5 mm处速度低于20 mm/s,注塑机就从该处开始执行20 mm/s速度,没有闭环控制的话,注塑机可能直接冲过11 mm,而20 mm/s这个速度就完全得不到执行了。

为了使注塑工艺和指令一致,工程师在设计注塑工艺时,速度必须有注塑压力保障,指令执行到的位置必须是受工艺控制的,这样的工艺才可能是稳定的。

注塑工艺保压切换点选择

注塑从充模到保压切换,称为V-P切换,就是速度到压力切换,一般选择在产品填充量到95-98%时进行V-P切换。切换过早导致产品缺胶,切换过晚则导致产品披锋、内应力大。切换一般有以下几种方式:

1、时间切换:设定一个注射时间,时间一到,马上进行保压。这种方式一般用于高速高压注塑,螺杆位置很难精确停位,产品都非常薄,要求非常短时间(2秒内)能将材料射入模腔;

2、压力切换:压力切换有模腔压力切换、射嘴压力切换及系统压力切换方式,模腔压力切换和射嘴压力切换都要在相应位置装压力传感器才能实现,真正做到精密度高的压力切换是型腔压力切换,缺点是成本较高,每一套模具都要制作一套传感器;

3、位置切换:以螺杆位置来作为注塑V-P切换依据,这也是目前注塑生产最常用的方法,成本低也比较准确,但与型腔压力切换相比,精度不够高。

在实际注塑生产现场,很多时候V-P切换并不严谨,如下图所示:

该参数设定是位置切换方式,但转保压位置设定是0 mm,注塑机在执行工艺时,指令只能执行到射出一段或者射出二段,射出时间到了,工艺不再执行下去,实际上只是一个以时间切换方式完成的V-P切换(有的注塑机程序会报警不再执行)。在产品对工艺要求严格的场合,不严格的注塑工艺肯定是不稳定且产品合格率不高的工艺。