注塑成型加工製品的要求逐漸朝高精度, 超微或者超大型, 超厚超薄以及特殊環境要求製件等方向邁進, 注塑製品的外觀及功能性要求也越來越苛刻及精細化, 標準注塑機, 萬能注塑機等傳統生產模式的份額不斷萎縮, 定製注塑機的比重也越來越大, 同時對注塑從業人員技能要求也越來越細分化和專業化. 本文就注塑成型中最重要的塑料充模機理作解析, 期望為注塑工程師制定注塑工藝帶來一定幫助.
塑料填充過程中的速度和壓力
注塑機將熔好的塑料熔體從注塑機前端送到模具型腔內, 就是注塑成型過程中的一次填充過程, 在注塑機操作面板上, 給予注塑機的指令如下圖所示:
這是一個薄壁產品的注塑填充工藝: 射膠壓力2750 kgf/cm2, 射膠時間3秒, 5段速度是15, 45, 85, 190, 20 mm/s, 以位置來切換速度. 在國產注塑機上面, 注塑壓力也和注塑速度一樣分很多段控制, 每段速度對應給一段壓力, 這是因為國產注塑機一般都是開環控制, 很多時候設定的速度轉換得不到機器執行, 因此每段速度單獨給予壓力控制, 可以讓機器對每一段速度都進行執行.
事實上, 很多從業者並不很了解注塑速度與注塑壓力之間的關係, 以為壓力和速度是兩個概念. 其實不然, 真實情形可以理解成這樣: 一台理論上完全精密無瑕疵的注塑機, 可以用其100%壓力做注塑方面的工作, 注塑工程師完全可以不做任何注塑壓力方面的調整, 甚至在注塑機操作面板上都不需要列出這個參數, 只要注塑速度控制精準無誤就行了. 注塑壓力就是注塑速度的必要條件, 能讓注塑速度準確無誤執行就是注塑壓力的使命. 當注塑壓力沒有的時候, 注塑速度不管設置多少都是無法執行的. 另一方面, 從注塑機的角度考慮, '注塑' 這一動作就是油閥通油到油缸, 推動油缸活塞向前從而推動注塑機螺杆向前運動達成注塑的目的. 當注塑速度增大, 單位時間內就需要更多液壓油進入油缸推動螺杆向前運動以達到目的.
事實上, 在注塑填充過程中, 在注塑螺杆運動的某一段路程上, 用低速注塑和用高速注塑在同一路段上所填充進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. 這和融化後塑料的粘度, 注塑時模具溫度, 注塑流道結構, 注塑時塑料溫度變化以及注塑機螺杆與料筒配合間隙都有密切關係, 注塑速度小, 熔料在機筒內損失較多, 通過射嘴, 流道, 模具進膠口及產品壁厚上能量損失大, 因此注塑量也相應變小.
注塑速度變換的方式
注塑機在注塑填充過程中, 螺杆向前推動塑料熔料擠到模具完成注塑過程, 注塑速度的大小變化是為了以下幾個方面滿足要求:
1, 更快將熔料射入模具, 防止充填不足的問題出現;
2, 料流融合處夾線強度及外觀調整;
3, 進膠點處防止氣紋;
4, 產品薄壁處防止熔體破碎, 避免銀紋或料流紋產生;
5, 困氣;
6, 模具分型面或者某些薄弱位置披鋒.
注塑速度變化也意味著熔料在相同路程上注塑量的變化, 這使得注塑過程變得更複雜, 就算是注塑中模具溫度不同, 注塑過程中產生的結果也完全不一樣. 熔料在模具中保持同樣路程和速度, 模具溫度高和模具溫度低, 所注塑量完全不一樣: 同樣注塑速度, 模具溫度低, 熔料冷卻快, 凝固層厚, 注塑量會變小;模具溫度高, 凝固層薄, 注塑量會變大. 這就使得注塑機指令執行後, 產品注塑的真實情況必須要試模才能真實把握.
我們知道, 注塑速度的產生, 在注塑機上是注塑油缸進油, 推動螺杆向前完成動作. 如果我們將某段注塑速度設置為50 mm/s(大部分注塑機以百分比顯示注塑速度, 原理一樣), 那注塑機從0 mm/s到50 mm/s, 需要多少時間和路程?而當注塑機到某個位置從50 mm/s速度變成0 mm/s速度, 又需要多少時間和路程?這在注塑機設計上是個非常重要參數, 響應太慢相當於注塑速度執行不到位, 這速度就沒意義, 特別是在高速注塑的注塑機上, 響應的快慢直接決定注塑能否生產出合格的產品.
而注塑機執行速度指令響應足夠快, 如前面所示190 mm/s能完美在20毫秒內執行, 那190 mm/s後一個指令速度變成20 mm/s, 很多注塑機根本執行不了20 mm/s. 因為190 mm/s這個指令運行所產生的慣性直接覆蓋了20 mm/s這個指令, 使20 mm/s的指令根本得不到執行, 即給注塑工程師的感覺就是參數怎麼調都沒用, 機器控制不了. 要使20 mm/s這個指令能執行, 需要等190 mm/s這個指令所產生的慣性向前沖完成後才能執行. 這和汽車高速前進時刹車的原理一樣, 若要在預備的位置把車子停下來, 需要提前開始刹車才有用.
在注塑機設計上, 閉環控制系統就是為了讓190 mm/s這個指令能更好地執行, 但並非有閉環控制系統就能完美執行190 mm/s這個指令. 其實, 大多數注塑機根本沒有閉環控制系統, 注塑工程師設計的很多工藝指令注塑機並不能執行, 所以在精密注塑成型上就無法生產出尺寸要求精確的製品.
注塑工程師在設計注塑工藝時, 在響應時間足夠快的注塑機上, 注塑速度的實現是依賴於足夠注塑壓力的. 一個50 mm/s速度的參數, 在執行時注塑機顯示的實際壓力已經達到注塑工程師設定的壓力, 這速度大多是沒有執行到的, 注塑工藝中真實的注塑速度是在該注塑壓力下能達到的最高速度, 而並非工程師設計的速度. 而該速度執行到的位置, 是注塑機螺杆位置慣性速度低於後一段速度時開始的位置. 如上190 mm/s本來執行到12 mm位置, 但因190 mm/s速度慣性原因, 後面20 mm/s在12 mm處沒有執行, 閉環控制系統可能使螺杆在11.5 mm處速度低於20 mm/s, 注塑機就從該處開始執行20 mm/s速度, 沒有閉環控制的話, 注塑機可能直接衝過11 mm, 而20 mm/s這個速度就完全得不到執行了.
為了使注塑工藝和指令一致, 工程師在設計注塑工藝時, 速度必須有注塑壓力保障, 指令執行到的位置必須是受工藝控制的, 這樣的工藝才可能是穩定的.
注塑工藝保壓切換點選擇
注塑從充模到保壓切換, 稱為V-P切換, 就是速度到壓力切換, 一般選擇在產品填充量到95-98%時進行V-P切換. 切換過早導致產品缺膠, 切換過晚則導致產品披鋒, 內應力大. 切換一般有以下幾種方式:
1, 時間切換: 設定一個注射時間, 時間一到, 馬上進行保壓. 這種方式一般用於高速高壓注塑, 螺杆位置很難精確停位, 產品都非常薄, 要求非常短時間(2秒內)能將材料射入模腔;
2, 壓力切換: 壓力切換有模腔壓力切換, 射嘴壓力切換及系統壓力切換方式, 模腔壓力切換和射嘴壓力切換都要在相應位置裝壓力感測器才能實現, 真正做到精密度高的壓力切換是型腔壓力切換, 缺點是成本較高, 每一套模具都要製作一套感測器;
3, 位置切換: 以螺杆位置來作為注塑V-P切換依據, 這也是目前注塑生產最常用的方法, 成本低也比較準確, 但與型腔壓力切換相比, 精度不夠高.
在實際注塑生產現場, 很多時候V-P切換並不嚴謹, 如下圖所示:
該參數設定是位置切換方式, 但轉保壓位置設定是0 mm, 注塑機在執行工藝時, 指令只能執行到射出一段或者射出二段, 射出時間到了, 工藝不再執行下去, 實際上只是一個以時間切換方式完成的V-P切換(有的注塑機程序會報警不再執行). 在產品對工藝要求嚴格的場合, 不嚴格的注塑工藝肯定是不穩定且產品合格率不高的工藝.