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1、6 62 0 0 1 年中国工程塑料加工及模具技术研讨会论文集机械振动的注射成型工艺及模具设计探讨。李又兵申开智张杰(四川大学高分子材料科学与工程系成都6 1 0(J 6 5)斗摘要通过对机械振动技术在塑料注射成型中的应用，探讨振动注射成型工艺及其模具设计方法。关键词机械振动注射成型-艺模具众所周知，用传统的注射设备和工艺生产的塑料制品，往往容易出现熔接痕、凹陷、翘曲、缩孔、应力开裂等缺陷，因此，制品的质量难以有效控制，很难满足生产和使用的要求。然而，近年来发展起来的聚合物熔体振动成型技术能够解决生产中这些问题在很大程度上满足了部分制品的使用要求。振动技术在注射成型中的应用，就是在塑料熔体充模
2、、保压阶段，通过机械、电磁、声波、微波等振动源，在流道或模腔内部引入振动，使塑料熔体受到周期性的压力或剪切作用，从而改变塑料熔体的流变性能和结晶形态，生产出预期的制品。振动技术已应用于聚合物加工各个方面。按振动的方式可以将振动分为剪切、压力、剪切和压力联合的3 种形式，各种振动装嚣的设计也是为了实现这3 种振动模式。笔者对聚合物熔体振动技术在塑料注射成型模具中的应用进行了探讨。1 单点进浇注射成型现有的机械振动技术应用于单点进浇注射成型中主要是在模具和喷嘴之间加一个辅助振动装置，图l I l l 是单点进浇注射模具示意图。囝1单点进浇注射模具币意图螺杆旋转将塑料熔体输送到模具型腔和储料筒，在保
3、压阶段，活塞不停地来回抽动，致使熔体受到压力作用，熔体分子链呈取向状态，这种取向在冷却过程中固定下来，并保留在脱出的制件中。对制件进行扫描量热(D S C)分析发现，振动场使制件中形成大量细小的晶体，而且这种晶体尺寸的分散性更好。这种方法的关键在于浇口熔体在尚未冻结之前，把振动引入模腔并使模腔中的熔体振动充分。因此浇口直径应设计得比较大，常采用直接浇口。目前，这种装置主要用于生产短纤维增强热塑性塑料，以及厚度大于5m m 的制件，并能有效地消除空隙、表面缺陷和制件的残余应力，提高制件的力学性能。四J i I 大学申开智等0 1 设计出如图2 的剪切一压力振动装置和模具。挤出机供料，并由螺杆将塑
4、化好的熔体送人储料筒，关闭浇口，由振动机构带动振动头进行振动，从而实现储料筒中熔体的剪切和压力振动。振动充分后，打开注射浇口，熔体在注射活塞的推动下对模腔进行充填，在充填的过程中振动头也可以进行振动。用此装置研究聚合物的流变性能时发现，H D P E、P S 和A B S 的表观粘度分别比未振动时的粘度下降5 3 2、6 0 3 和2 6 4。对P P和H I)P E 振动制件进行拉伸强度的测试，拉伸强度分别提高1 2 和1 2 5。这样既改善了聚合物的加工流变性能又提高了制件的力学性能，注射成型的产率也相应地得到提高。I 一模具；2-挤出机；3 一阀；4-储料筒；5 一振动斗；6-注射活塞；
5、7 一振动杆圈2 剪切一压力振动装置2 多点进浇注射成型多点进浇注射成型中加入振动，就是由多个浇口的联动将振动引入模腔中。英国B e v i s 研制成功了多点进浇注射模具”j，如图3。熔体进入模腔后，微机控制两个活塞交替地进行来回抽动，使熔体在进浇口和型腔中形成振动通路，实现熔体的剪切振动。熔体进入模腔后，接触到冷的模壁要形成一层*国家自然科学基金资助项目(2 9 8 7 4 0 2 5李又兵，等：机械振动的注射成型工艺及模具设计探讨6 7冻结层，在压力和剪切的作用下，熔体发生了取向和分子链的有序排列，并在冷却的过程中固定下来，形成新的冻结层，如此进行，直到冷却充分。模具。从图5 可见，模具
6、流道较长，因此，最好采用流动性较好的塑料或有短纤维增强的热塑性塑料进行注塑。当然，流道的尺寸要大才行，模具的温度也点：采用的注射压力较低。产品设计更加自由化。可以设计并生产出满足使用要求的取向制件。熔接痕的强度得到了改善，如生产3m 的制件，熔接痕的强度提高了5 0，有的高达8 5 以上。可以生产非常厚的制品。有的高达1 1 0m l n 以上。不足之处在于这种成型方法需要足够长的时间，生产周期比传统的生产要延长1 0 左右，而且模温要高。为了使振动在模腔中得到延续，模具的浇注系统尺寸要设计得比较大，最好采用热流道。四川大学申开智等“5 1 对图3 进行了改进，将来回振动的活塞安装在模具的热流
7、道板上，图4 是多点进浇注射模具(改进)示意图。控制不同的振动频率和不同的相位差，生成了多种保压振动模式。制成H D P E(7 0 0 6 A)、P P、A B S 等材料的试样，发现H D P E 试样的拉伸弹性模量和拉伸强度分别由原来的】G P a、2 3M P a 提高到5G P a、9 3 P a。P P 试样的拉伸强度和拉伸弹性模量由3 2M P a、1 4G P a 提高5 7 8M P a、3 0G P a，A B s 试样的拉伸强度从4 6 咖)a 提高到5 4M P a。应用扫描电镜(S E M)、D S C 等手段对H D P E和P P 试样进行结构表征，发现有串晶结构
8、生成，分子链沿流动方向的取向和结晶更为完善。囤卜一注塑机；2 两路进料装置；3 振动活塞；4 一定模；5 一型腔；6 一动模；7 一空气层；8 分流梭图4 多点进浇注射模具(改进)示意图利用多点进浇注射装置的组合可以实现制品双向性能的提高。图5 是四浇V I 双向增强注射成型A 一双活塞动态保压头；B-模具图5 四浇口双向增强注射成型模具3 推拉注射成型图6 是推拉注射模具示意图。它是通过两个注射单元A、B 螺杆的协调动作完成注塑的，首先A、B螺杆同时向模腔进料；保压时，A 进B 退，接着A 退B 进，如此重复，使模腔内的塑料熔体产生振动，形成剪切流动。这个过程中，熔体在剪切作用下获得了取向，
9、并在模腔中流动逐渐趋于均匀，熔接痕逐渐模糊，以至于消失。这种状态在冷却的过程中逐渐保留了下来。此工艺的特点是周期比较长，往复次数1 0 次左右，有的高达加次。而且要求补料充足，通过推拉作用使熔体在型腔和浇口形成的流动通道中来回流动，以达到消除熔接痕、缩孔、疏松、裂纹等缺陷的目的。要实现这种来回的剪切流动，模腔及浇口尺寸要设计得比较大，单元螺杆的前进和后退的距离大约为1 0 1 5m l n，以容纳螺杆推拉作用而溢出模腔的熔体。这种装置对于获得制品特定方向的增强十分有效。用这种注射工艺对玻璃纤维增强的液晶聚合物(L C P)进行实验研究“1，结果表明，与常规注射成型相比，拉伸强度和弯曲弹性模量分
10、别提高了4 2 0 和2 7 0。BABAB幽幽幽A 一主注射黑杆；B -辅助注射螺杆图6 推拉注射模具示意图4 振动气体辅助注射成型气辅注射成型就是预先向模具型腔中注入塑料熔体，再向塑料熔体中注入压缩气体，借助气体的作6 82 0 0 1 年中国工程塑料加工及模具技术研讨会论文集用推动熔体充填到模具型腔的各个部分，最后形成中空断面而保持完整外形。图7 是振动气辅注射成型示意图。振动气辅注射成型的应用主要在于控制熔体的流动和形态。气体的振动主要用于以下三种目的”】：在注射前通入振动气体，可以改变充模方式，融合熔接痕并使充模充分。对于欠量注射的情况，气体振动可以诱导取向的形成，并使充模均匀，制件
11、的壁厚均匀。特定气道的设计，有利于熔体充模，在局部形成中空部分，在多模腔的模具中应用振动气体，可以起到平衡流动的作用。振动气体的振动频率和振幅的控制在成型中是比较重要的，不同的振动模式对制件的性能的影响是不同的，如低的振动频率(1 3 0 k)主要影响熔体的弹性和熔接痕的强度，高的振动频率(1 5 2 0 龇)主要影响熔接痕的位置和强度，熔体的结晶度以及流动充模的方式。气缸图7 振动气辅注射戚型示意图5 振动模具的设计要点对于振动模具的设计，主要围绕实现三大振动模式来进行。为了获取需要的振动效果，通常要求模具的流道和型腔的尺寸设计得大一些，以有利于振动过程的连续充分地进行。为保证熔体在振动导人
12、的过程中不至于被冻结，常又采用热流道或对流遭进行加热。有的为了使振动在模腔中进行，在熔体流动的末端采用可以退让的设计，比如将流动末端的型腔设计成可以让振动得以延续的弹簧结构，利用弹簧的伸缩特性来适应振动造成的熔体被压缩和膨胀的过程。为安全起见，锁模力要设计得大一些。总的来说，振动模具的结构设计与常规的模具设计并无多大的改动，变化也主要从有利于振动方式的实现为原则。6 结语振动技术作为一种新兴而富有成效的技术，与注射模结合主要有以下三个方面的显著功效。(1)改善聚合物熔体的流变性能和充模流动方式。熔体振动致使熔体之间发生剪切作用，剪切发热从而使其粘度降低，这样可以将生产中的温度和压力有所下降，使
13、流动性差、难于加工的塑料易于成型。同时也可以提高生产率。(2)改善制品的性能。推拉成型技术使熔接痕融合，以至于消失，熔体在振动方向的取向使制件的力学性能得到显著的提高。(3)改变制品内部的微观形态。气体辅助成型加工中，控制气体的振动来改善聚合物内部的微观结构和形态而获取良好的力学性能、热性能和外观质量。参考文献1hJPc o n 呻l0 f 曲”p 1 删b yn l d tv i b r a t i c ot h n o l o K v：Ar e v i e wP o l y r a e rE n 曲H d l ga n dS c i e n c e，1 9 9 8，3 8(1)：12 严正
14、等振动场对注射成型制件力学性能作用的实验研究高分子材料科学与工程，2 0 0 1 1 7(4)：8 23 】皿日出M d d m d f o rM o 娃n gA M m e d dUSP a t e n t5 1 6 0 粕-1 9 9 2 1 l 0 34 官青，等动态应力场中成型的自增强聚丙烯的结构与性能高分子学报1 9 9 6 6(3)：3 7 85C,u a nQ i l l g，e tdS t n l e t u r ea n dp r o p e r t i e s0 fs e l f-t e i n f o w e dp o l y e t h y l ep r e p a r
15、 e dh y d【I a 血唔p 日c h 唔i n i e c t i o n m _ d i l 培u r-=I e r l o w JA p p tP o l y ms c i，1 9 9 5 5 5(1 3)：1 7 9 76M i c h a e lW，da l 洲E CT e d aP a p e r s，1 9 9 3，3 9：5 3,；7I b a rJPV i b r a t e d 驴s 一删H mm o k h s：I t sb 日瑚i nr e j e c t i o nm o l d i n ge l m l i o g 晰m 目i，1 9 9 9，5 5(1 1)
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17、1 1 t A C rT h ev i b r a t i o n 叫e c t i o nm o l d i n ga n dm o l dd e s 咖m e t h o da r ed i s c t db yt h ea p p l i c a t i o no ft h em e c h a n i c a lv i b r a t i o nt e c h-n o l c g yi nt h ei n j e c t i o nm o l d i n go f0 1 a s t i c s K E Y W O R I m e c h a n i c a lv i b r a t i o n，i n j e c t i o nm o l d i n g，t e e t m o l n g y。m o l d机械振动的注射成型工艺及模具设计探讨机械振动的注射成型工艺及模具设计探讨作者：李又兵，申开智，张杰作者单位：四川大学高分子材料科学与工程系(成都)相似文献(1条)相似文献(1条)1.期刊论文 李又兵.申开智.张杰 机械振动注射成型工艺及模具设计的探讨-工程塑料应用2001,29(12)通过对机械振动技术在塑料注射成型中的应用,探讨振动注射成型工艺及其模具设计方法.本文链接：http:/