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注塑件成型過(guò)程中防縮痕的基本方法
注塑件成型有A級(jí)表面光潔度和加強(qiáng)筋或凸臺(tái)的制品一直被認(rèn)為是注塑件成型加工注塑件加工商的一個(gè)類似幻想式的目標(biāo)，盡管他們?yōu)榇嗽谕ǔ５淖⑺芗尚秃蛢?nèi)部氣體輔助注塑件成型技術(shù)方面做出了最大的努力。而對(duì)于廣泛多樣的工業(yè)制品，卻還在不斷提高對(duì)于有加強(qiáng)筋或凸臺(tái)的制品表面進(jìn)行毫無(wú)縮痕凹陷成型的要求。在薄壁應(yīng)用方面，如手機(jī)、汽車車體側(cè)邊成型件、轎車內(nèi)裝飾板和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器等制品，對(duì)這一要求是特別關(guān)鍵性的。除薄壁制品外，供應(yīng)商說(shuō)，外部氣體注塑件成型(EGM)在大型、平板狀制品，如蓋板、機(jī)殼、儀表板和格柵等零部件成型方面有巨大的潛力。 從1990年代早期開(kāi)始就有兩種可以選擇的加工技術(shù)專門用于補(bǔ)救注塑件成型表面缺料的缺陷。一種辦法是在注塑件模具被充模到大約98%-99%后，通入氣體到制品的一個(gè)外表面。此氣體從型芯一側(cè)進(jìn)入注塑件模具，并向相對(duì)一側(cè)的注塑件模具表面推壓，使關(guān)鍵的要求外觀的表面緊貼注塑件模具壁。另一種辦法是氣體反壓法。在反壓法中，一種氣體，通常是空氣，在熔體注射前預(yù)先對(duì)注塑件模具增壓，以確保在型腔充模前持續(xù)加壓，使熔體壓向注塑件模具表面。兩種辦法的作用都是在熔體冷卻時(shí)保證材料貼合到注塑件模具表面。“它們影響材料的方式類似于壓縮成型，”巴頓菲爾(Battenfeld)公司加工工程和開(kāi)發(fā)經(jīng)理Juergen Ehritt說(shuō)。 三種外部氣體注塑件成型技術(shù)正被五家美國(guó)公司應(yīng)用推廣，它們是美國(guó)巴頓菲爾公司的Airmold Contour工藝；由日本Asahi Kasei公司開(kāi)發(fā)，Incoe公司和CGI氣輔注塑件公司獲得許可證的外部氣體成型技術(shù)；以及由Textron汽車公司通過(guò)它的IntelliMold系統(tǒng)部門提供的氣體反壓工藝，也即IntelliMold工藝。 雖然外部氣體注塑件成型技術(shù)的采用一直很緩慢，但供應(yīng)商宣稱說(shuō)∶成型注塑件加工商的興趣正在增長(zhǎng) — 因?yàn)榭蛻舯Ｃ艿脑颍@種增長(zhǎng)不可能加以證實(shí)。“我們當(dāng)前具有數(shù)以十計(jì)的有效利用的例子和商業(yè)性應(yīng)用，但是全部都是專利所有的，”Incoe公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁John Blundy說(shuō)。 Textron汽車公司稱，它在自己的密歇根州Troy的 Trim部門有三個(gè)商業(yè)應(yīng)用采用氣體反壓技術(shù)。現(xiàn)在為IntelliMold工藝的運(yùn)轉(zhuǎn)配備了24臺(tái)成型機(jī)，它們中的大多數(shù)超過(guò)1000t，并計(jì)劃在今年年底最少有100個(gè)系統(tǒng)安裝到公司的機(jī)器設(shè)備上，制造部門執(zhí)行副總裁Jerry Mosingo說(shuō)。在Textron汽車公司去年買來(lái)該項(xiàng)技術(shù)前，此加工工藝的十幾個(gè)許可已經(jīng)被授予其他公司，也還有它的原始開(kāi)發(fā)商，密歇根州Ann Arbor的M & C 先進(jìn)加工工藝公司。 CGI公司的主席及董事Terry Pearson說(shuō)，外部氣體輔助工藝在歐洲和亞洲有許多商業(yè)應(yīng)用，并且至少有一家北美的成型加工注塑件加工商正在為一項(xiàng)汽車應(yīng)用而關(guān)注它。CGI公司是在八月間由兩家英國(guó)公司 — Cinpres，一家內(nèi)部氣體輔助技術(shù)供應(yīng)商和Gas Injection公司，Asahi公司的外部氣體工藝較早期的推動(dòng)者 — 合并建立的。Pearson說(shuō)，Asahi Kasei公司從1990年代中期開(kāi)始發(fā)出了30個(gè)許可證。“幾種應(yīng)用正在用于汽車零部件開(kāi)發(fā)，那里用任何其他方法不可能消除縮痕凹陷，”Pearson說(shuō)。 巴頓菲爾公司的Ehritt說(shuō)，它的外部氣體加工工藝被商業(yè)應(yīng)用于北美，但是詳細(xì)的細(xì)節(jié)是專屬于客戶的。 突破 部件典型的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)厚于外部的零件壁厚時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)部分冷卻得較慢。在冷卻上的這一差異在制品內(nèi)造成了內(nèi)應(yīng)力，可能在制品表面表現(xiàn)為縮痕、斑點(diǎn)、壓陷、光斑和翹曲。“當(dāng)結(jié)構(gòu)部分(加強(qiáng)筋或者凸臺(tái))冷卻時(shí)，由于正常的體積收縮，它拉動(dòng)周圍的材料，吸引制品表面的材料，”Incoe公司的Blundy解釋說(shuō)。 內(nèi)部氣體輔助注塑件成型一直用于解決凹陷的問(wèn)題，辦法是制成較厚的加強(qiáng)筋，然后用氣體部分地充入以擠空加強(qiáng)筋。這一方法的缺點(diǎn)包括可能的較高的材料用量、較高的充模壓力和較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，而這一切還不能保證不出現(xiàn)凹陷。 這些考慮打開(kāi)了外部氣體注塑件成型之門。除了解決表面質(zhì)量問(wèn)題，從而可以免除后階段的涂飾工作以外，外部氣體注塑件成型技術(shù)還能產(chǎn)生多種加工好處。其一是縮短或者無(wú)需周期中的保壓或者鎖模階段。“保壓階段至少需要50%的合模力噸數(shù)，”巴頓菲爾公司的Ehritt說(shuō)。保壓由氣體壓力實(shí)現(xiàn)了，所以對(duì)合模力噸數(shù)的要求可以降低30%以上。較低的合模力可能意味著延長(zhǎng)注塑件模具壽命，Pearson補(bǔ)充說(shuō)。 外部氣體注塑件成型是一種低壓成型方法，甚至在薄壁成型時(shí)最高也只要求13.79 Mpa(2000 lbf/in2)的壓力來(lái)消除凹陷。一種內(nèi)部氣體注塑件成型技術(shù)可能需要兩到三倍的氣體壓力，大約為6.89 到25.51 Mpa(1000到3700 lbf/in2)，而通常的注塑件成型甚至需要更高的壓力，大約為30.34到68.95 Mpa(4400到10000 lbf/in2)，而且還未必一定能解決問(wèn)題，Pearson說(shuō)。 外部氣體也能幫助將制品從型芯上推出，以減少或者消除頂桿痕跡。它能允許成型的制品壁較薄，從而降低材料用量。較低的合模壓力以及消除過(guò)度充模現(xiàn)象，有利于生產(chǎn)無(wú)內(nèi)應(yīng)力制品。較薄的壁厚以及與注塑件模具接觸的改善也能帶來(lái)較快冷卻和縮短整個(gè)周期時(shí)間的好處。 “采用一個(gè)外部氣體系統(tǒng)給與了成型加工注塑件加工商使用較低成本、較大收縮材料，例如PP的機(jī)會(huì)，”CGI公司的Pearson說(shuō)。 其他方法的局限性 外部氣體成型技術(shù)的供應(yīng)商熟知內(nèi)部氣體輔助成型方法。Incoe公司曾為成功的氣體輔助注射工作出售過(guò)注塑件模具部件，并且巴頓菲爾公司和CGI公司都向市場(chǎng)供應(yīng)內(nèi)部和外部氣體兩種工藝方法。所以，它們對(duì)內(nèi)部氣體輔助注射技術(shù)的局限性的看法可以認(rèn)為是不帶偏見(jiàn)的. “采用內(nèi)部氣體注塑件成型，氣體流過(guò)阻力最小的通道，問(wèn)題也恰恰出在那里，”Incoe公司的Blundy說(shuō)。“如果在一個(gè)區(qū)段，注塑件模具較熱或較冷，可能引起氣體通道的擴(kuò)展或者分流到較小的通道中，形成一種指形效應(yīng)。”指形效應(yīng)并非唯一的能破壞表面質(zhì)量的氣體輔助現(xiàn)象，CGI公司的Pearson補(bǔ)充說(shuō)。氣體流流過(guò)制品時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)的任何猶豫現(xiàn)象都可能在表面上形成可見(jiàn)的線條，這類似于在熔體充模時(shí)猶豫會(huì)形成斑紋一樣。內(nèi)部氣體輔助成型也能在制品上的氣體注射點(diǎn)上留下“影”跡，那里的氣體壓力最高。當(dāng)氣體壓力從氣體注入口進(jìn)一步下降除去時(shí)，可能形成凹陷或者熔接縫。內(nèi)部氣體輔助成型也需要進(jìn)氣和排氣孔，會(huì)在制品上留下斑點(diǎn)。(Hettinga設(shè)備公司的一個(gè)內(nèi)部氣體輔助成型系統(tǒng)在成型后將氣體保留在制品中。) Pearson補(bǔ)充說(shuō)，讓內(nèi)部氣體流入一個(gè)加強(qiáng)筋是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。“如果您有許多 平行的加強(qiáng)筋，實(shí)際上不可能使氣體均勻地流到每一根加強(qiáng)筋。”有不同型腔的成套注塑件模具也能表明內(nèi)部氣體輔助成型的氣體滲透是否令人滿意的問(wèn)題。 內(nèi)部氣體輔助注塑件成型還需要特殊的提供氣體的噴嘴和排氣裝置，以及供氣體替代的熔體排出溢出閥。這些項(xiàng)目在外部氣體技術(shù)中或者是取消了，或者是經(jīng)工程重新組合進(jìn)入了注塑件模具中。 外部氣體注塑件成型的加工過(guò)程也優(yōu)于通常的注塑件成型。“通常的注塑件成型嘗試用高壓保壓和鎖模來(lái)解決凹陷問(wèn)題。為補(bǔ)償收縮，一般的注塑件成型注塑件加工商在型腔中注射較多的材料以進(jìn)行保壓，但是，那樣會(huì)在制品內(nèi)造成內(nèi)應(yīng)力，而且也不能完全解決凹陷問(wèn)題，”Pearson說(shuō)。在某些情況下，注塑件加工商為防止凹陷而設(shè)置保壓和鎖模時(shí)間，代價(jià)是加長(zhǎng)了周期時(shí)間。 為說(shuō)明外部氣體注塑件成型的優(yōu)點(diǎn)，Incoe公司成型了一個(gè)645.16 cm2(100 in2)的ABS/PC合金的掃描器蓋子，使用通常的加工方法，采用或不采用保壓，以及使用它的外部氣體注塑件成型(EGM)加工方法。在所有情況下，周期時(shí)間是相同的。Blundy說(shuō)，用無(wú)保壓法制成的制品重量為246.5 g，需要41 t的合模力，并且仍有凹陷。有保壓階段方法生產(chǎn)的制品重261.5g，需要125t的合模力，仍然有凹陷。EGM零件重246.5g, 僅需41t壓力，并且沒(méi)有凹陷。 沒(méi)有能包治百病的靈丹妙藥 外部氣體注塑件成型技術(shù)不是適合所有注塑件成型注塑件加工商的靈丹妙藥，供應(yīng)商告誡說(shuō)。Pearson說(shuō)，“有許多注塑件成型工作對(duì)制品內(nèi)殘余有一定程度的應(yīng)力是可以接受的，并且對(duì)制品沒(méi)有負(fù)面影響。” 源自CGI公司、Incoe公司和巴頓菲爾公司的消息也警告說(shuō)，外部氣體成型僅僅限于只需要在制品一側(cè)表面具有高質(zhì)量光潔度的制品。“所以透明制品成型注塑件加工商不會(huì)希望采用這一加工方法，”巴頓菲爾公司的Ehritt告誡說(shuō)。 但是，Textron公司的技術(shù)服務(wù)經(jīng)理Anthony Spalding說(shuō)，它的公司正在使它的加工方法最佳化以減小這一效應(yīng)。該公司用透明ABS料制造了一塊無(wú)斑點(diǎn)的樣品板。 某些供應(yīng)商也說(shuō)高純度(至少98%)的氮?dú)馐撬鼈兊募庸し椒ㄊ褂玫淖罴褮怏w。在受壓氣體中的氧含量較高時(shí)，可能造成某些塑料熔體的氧化。使用氮?dú)庠黾恿嗽O(shè)備和/或操作成本。但是，Textron公司的發(fā)言人說(shuō)，他們?cè)谑褂脡嚎s空氣的IntelliMold反壓法技術(shù)上沒(méi)有看到問(wèn)題。還有，Incoe公司最近用清潔、干燥的車間壓縮空氣試驗(yàn)了它的外部氣體注塑件成型工藝方法，并對(duì)它們的初始結(jié)果感到鼓舞，Blundy報(bào)告說(shuō)。 供應(yīng)商指出，節(jié)約原料和周期時(shí)間將部分地抵償為采用這一加工方法所需的許可證費(fèi)用、注塑件模具的改變和附加設(shè)備所需的成本。還有，某些消息源承認(rèn)，采用外部氣體成型技術(shù)時(shí)，周期時(shí)間的減少可能是微小的。為了有效利用，在型腔充模和氣體引入之間通常有一個(gè)時(shí)間延遲。“你必須給材料一點(diǎn)時(shí)間，讓材料準(zhǔn)備好，以使氣體有東西可以推壓，”Blundy說(shuō)。供氣體進(jìn)入、保壓和排出注塑件模具的時(shí)間與通常注塑件成型的保壓和鎖模時(shí)間大致相同。 成型注塑件模具的改進(jìn) 外部氣體注塑件成型通常需要在注塑件模具內(nèi)或在提供氣體的管道內(nèi)裝一個(gè)壓力傳感器，以及氣體發(fā)生器和控制技術(shù)。氣體注射速度是重要的，壓力也是重要的。改進(jìn)注塑件模具要增加5%到20%的制模成本。成型注塑件模具改進(jìn)的最關(guān)鍵的地方是注塑件模具要緊緊地密封，以在注塑件成型期間保持均勻的氣體壓力。密封的關(guān)鍵區(qū)域是分型線、頂桿銷、型芯和排氣孔。在帶有可移動(dòng)型芯或者其他部件的注塑件模具中，供應(yīng)商建議在注塑件模具的外部部件上加一個(gè)密封塊。硅橡膠是最通常使用的密封材料。 制品設(shè)計(jì)也對(duì)有效的氣體密封做出貢獻(xiàn)。“靠近分型線的制品幾何參數(shù)必須稍作改變以建立密封，”Incoe公司的Blundy說(shuō)。常常有這樣的情況，制品上的一條加強(qiáng)筋或者凸臺(tái)就自然地密封了氣體，以致氣體只在加強(qiáng)筋之間的局部區(qū)域起作用。 排出氣體也要在注塑件模具上作某些改變。Textron公司在通常的注塑件模具內(nèi)用機(jī)械方法加工一個(gè)單獨(dú)的通道連接現(xiàn)有的排氣孔，通道起到空氣歧管的作用。其他系統(tǒng)，如Incoe公司的外部氣體注塑件成型，它是依靠在注塑件模具內(nèi)的一個(gè)金屬多孔嵌件，讓氣體進(jìn)出的。“當(dāng)氣體供應(yīng)中斷時(shí)，氣體通過(guò)此嵌件，經(jīng)阻力最小的通道反向流回，”Blundy說(shuō)。另外，可能需要特殊的閥門技術(shù)來(lái)防止氣體通過(guò)熱流道噴嘴逃逸。 三種外部氣體成型方法 巴頓菲爾公司的Airmold Contour加工方法是公司內(nèi)部氣體輔助成型技術(shù)Airmold的一種延伸。該方法使用一種可移動(dòng)的供氣設(shè)備，帶有圖像接觸屏控制裝置。“我們不控制進(jìn)入制品的氣體體積，我們控制壓力，”Ehritt說(shuō)。閉環(huán)氣體的壓力控制系統(tǒng)依靠一個(gè)時(shí)間或者熔體壓力觸發(fā)信號(hào)引進(jìn)并維持型腔中的氣體壓力。氣體通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)安裝成與型腔內(nèi)表面齊平相連接的噴嘴或氣針進(jìn)氣。 此成型機(jī)安裝在Solvay工程聚合物公司的實(shí)驗(yàn)室里，成型機(jī)規(guī)格為500 t和4000 t。這些成型機(jī)可為巴頓菲爾公司向客戶演示用，許可證費(fèi)用取決于具體的應(yīng)用。 CGI公司有Asahi公司擁有的兩項(xiàng)外部氣體注塑件成型技術(shù)的許可證。第一項(xiàng)類似于由Incoe公司在北美地區(qū)提供的技術(shù)。第二項(xiàng)包括外部氣體注射和附加的保壓功能。“甚至對(duì)于外部氣體注塑件成型技術(shù)，也有可能產(chǎn)生某些體積收縮。保壓有助于收縮進(jìn)一步減少，”Pearson說(shuō)。他拒絕說(shuō)明在什么情況下CGI公司會(huì)推薦某一種方法而不推薦另一種方法，或者是詳細(xì)說(shuō)明兩種加工方法的區(qū)別。按照Pearson的說(shuō)法，由任何一種加工方法制成的制品難以彼此加以區(qū)別。 CGI公司一種氮?dú)庾⑸湎到y(tǒng)，可在10.14 Mpa(1470 lbf/in2)的壓力下提供氣體，由安裝在注塑件模具和機(jī)器上的傳感器進(jìn)行控制。 CGI公司聲稱它的加工方法的使用者可以減小制品壁厚多達(dá)50%，縮短周期時(shí)間達(dá)40%，注塑件模具壓力至少也可降低25%。 此加工方法能按注塑件模具或者按成型機(jī)發(fā)放許可證。費(fèi)用從5000到20000美元不等，取決于所需注塑件模具或機(jī)器設(shè)備的尺寸大小。專利使用費(fèi)用是一次性的，對(duì)注塑件模具終生有效。CGI公司也提供為進(jìn)行外部氣體注塑件成型而進(jìn)行注塑件模具改造的服務(wù)。 Incoe公司的EGM加工方法施加高達(dá)10.34 Mpa(1500 lbf/in2)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)注塑件模具的型芯側(cè)到達(dá)型腔內(nèi)的熔融塑料。氣體通過(guò)一塊多孔的金屬嵌件、氣針或有孔的小珠進(jìn)入。氣體控制器需要一個(gè)來(lái)自成型機(jī)的信號(hào)，以在充模過(guò)程結(jié)束或接近結(jié)束時(shí)釋放氣體。信號(hào)可根據(jù)時(shí)間或者螺桿位置產(chǎn)生。 如要使用EGM技術(shù)，Incoe公司基于制品總體規(guī)劃的領(lǐng)域，對(duì)每套注塑件模具收取一次性費(fèi)用5000到15000美元。Incoe公司為其氣體控制用控制設(shè)備收取附加的7500到9000美元，然后，成型注塑件加工商也可以使用其他來(lái)源的氣體控制器。Incoe公司可在它的實(shí)驗(yàn)室在125 t和425 t成型機(jī)上演示它的EGM技術(shù)。 氣體反壓 Textron公司的IntelliMold外部氣體成型工藝與其他方法不同。首先，在熔體進(jìn)入前，它用空氣預(yù)先充滿注塑件模具型腔。第二，當(dāng)型腔充模時(shí)，它連續(xù)測(cè)量并控制內(nèi)部熔體壓力，目的是使制品密度均勻。在這一技術(shù)背后的概念是，在通常的注塑件成型中熔體剛一進(jìn)入注塑件模具時(shí)遇到低壓，然后在充模結(jié)束時(shí)又是很高的壓力。Textron公司稱，當(dāng)試圖采用高的保壓來(lái)對(duì)付縮痕凹陷時(shí)，這一現(xiàn)象特別明顯。在第一批和最后一批固化的材料密度之間的差異本身就是造成縮痕凹陷、應(yīng)力和翹曲之源。 “我們給注塑件模具施加1.38Mpa(200 lbf/in2)的車間空氣，它有助于控制材料的流鋒并使制品從充模開(kāi)始到結(jié)束都密度均勻，”Textron公司的Spalding解釋道。“反壓力在我們充模時(shí)包住制品，所以我們不需要對(duì)注塑件模具作過(guò)度充模處理或壓縮材料。” 壓縮空氣作為恒定的力將材料均勻地推向型腔壁。“這達(dá)到較好的尺寸穩(wěn)定性，并減少了翹曲、凹陷、匯合線和收縮，”Spalding說(shuō)。 另外，氣體的壓力保持制品的外觀側(cè)與型腔表面接觸時(shí)間較長(zhǎng)，防止制品外觀側(cè)因?yàn)槭湛s而脫離型腔表面。 這樣，僅僅是因?yàn)槊馊チ吮汉玩i模時(shí)間，即可減少周期時(shí)間達(dá)到25%，Textron公司稱。 IntelliMold系統(tǒng)使用兩個(gè)壓力轉(zhuǎn)換器，一個(gè)設(shè)在噴嘴內(nèi)，另外一個(gè)在型腔內(nèi)，設(shè)在接近充模的最遠(yuǎn)點(diǎn)。當(dāng)熔體進(jìn)入注塑件模具時(shí)，被壓縮的空氣被迫壓回，并從它進(jìn)入的排氣口排出。型腔中的轉(zhuǎn)換器開(kāi)始感受氣體壓力，而當(dāng)型腔幾乎充滿時(shí)，感受熔體的壓力。控制器每2 ms從兩只傳感器接收一次壓力數(shù)據(jù)，并用特有的算法加工這些數(shù)據(jù)，以使型腔內(nèi)的熔體壓力達(dá)到標(biāo)稱值。控制器調(diào)節(jié)注射桿的速度來(lái)維持型腔內(nèi)熔體壓力的設(shè)定點(diǎn)值。設(shè)定點(diǎn)通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)或按照原先使用的加工方法的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇。 設(shè)置IntelliMold加工方法不使用通常的注射速度或壓力變化曲線。沒(méi)有速度曲線，而壓力曲線本質(zhì)上是平坦的。這種方法被說(shuō)成是使加工過(guò)程對(duì)油液粘度、注塑件模具及其周圍溫度，以及材料粘度“透明”，或者不受影響。 Textron公司在它的實(shí)驗(yàn)室中在四臺(tái)成型機(jī)器上進(jìn)行試驗(yàn) —Van Dorn 230 t和350t，一臺(tái)Engel公司的500t機(jī)器，和一臺(tái)HPM公司的880t成型機(jī)。Textron公司在每臺(tái)機(jī)器的基礎(chǔ)上發(fā)放技術(shù)許可證。費(fèi)用根據(jù)成型的尺寸靈活確定。安裝和培訓(xùn)包括在許可證費(fèi)用中。Engel公司和Van Dorn Demag公司被許可在它們的機(jī)器上提供IntelliMold加工方法。 Textron公司也提供它的IntelliMold加工方法的兩種類型∶Xtralite和Xtrasoft，前者用于成型泡沫制品，后者是一種采用單一機(jī)筒成型雙硬度，即硬/軟制品的工藝方法。
