1.精密注射成型的定义
精密注射成型是与常规注射成型相对而言，指成型制品的精度要求很高，使用通用的注射机和常规注射工艺都难以达到要求的一种注射成型方法。随着高分子材料的迅速发展，工程材料在工业生产中占据了一定的地位，因为它质量轻、节省资源、节约能源，不少的工业产品构件已经被工程塑料零件所替代，如仪器仪表、电子电气、航空航天、通讯、计算机、汽车、录像机、手表等工业产品中大量应用精密塑料件。
塑料制品要取代高精密度的金属零件，常规的注射成型制品是难以胜任的，因为对精密塑料件的尺寸精度、工作稳定性、残余应力等方面都有更高的要求，于是就出现了精密注射成型的概念。
2.精密注射成型的精度要求
精密注射成型的概念，包括两方面的内容：一是指几何精度，也就是制品的尺寸精度和形位精度等;二是指机械精度，它是指除几何精度以外，根据实际情况提出的要求，如表面光滑性、透明度、刚度、力学强度、内应力。塑料制品的精度不能简单地等同于所代替的金属零件的精度，这是因为塑料制品及其原材料乃至成型手段与金属制品有许多本质的区别，精密注射成型制品精度的提高与普通注射成型也有许多不同之处，所以精密注射成型有自己的精度标准。
精密注射制品的精度必须规定合理，制品精度规定太高会导致模具及设备制造困难，增加成本;精度规定太低，满足不了要求。目前国际上对精密塑料件的尺寸界限及精度等级问题尚无统一的标准，德国的标准见表1。它反映了精密塑料件生产的实际状况，兼顾了塑料件精度和生产成本，使用较方便。
表1 德国DIN 16901 精密塑料件尺寸公差 mm
3.影响精密注射成型的因素
精密注射成型要求制品不仅具有较高的尺寸精度、较低的翘曲变形、优良的转写性，而且还应有优异的光学性能等。注射成型包括塑化、注射、保压、冷却等几个过程，因此影响精密注射成型制品质量及尺寸精度的因素很多，如材料选择、模具设计与制造、注射机、成型工艺、操作者的水平及生产的管理等。其中主要因素有成型收缩、模具设计及注射设备等。
(1)成形收缩
精密注射成型制品所要求的公差和几何精度并不是任何成型材料都能满足的。精密注射成型用材料要选择力学强度高、尺寸稳定、耐蠕变性好、环境适用范围广的高分子材料。除了要求它们必须具有良好的流动性能和成型性能之外，还要求用它们成型出的制品能够具有形状和尺寸方面的稳定性。
成型收缩是影响精密注塑制品精度的重要原因之一。由于在塑料成型过程中常出现收缩及膨胀，且每一批原材料的实际收缩率在一定的范围内有波动，使得多数情况下原材料在成型过程中的实际收缩率与设计模具时所选定的收缩率有差异，即使是同一副模具，熔料流动方向与垂直于熔料流动方向的收缩率也不相同。为了提高塑料件的精度，原材料生产厂应努力缩小各种材料的收缩率范围。收缩的主要类型有热收缩、相变收缩、取向收缩、压缩收缩4种。
热收缩是指处于高温的聚合物熔体以及模具型腔在加热或冷却时产生的收缩.是成型材料与模具材料所固有的热物理特性。如果模具温度过高，会使制品收缩率增大，因此，精密注射成型的模具温度不宜过高。
相变收缩是指结晶型树脂在定型过程中结晶时比热容减小而引起的收缩。模具温度高，结晶度高，收缩率大，同时制品密度增加，线胀系数减小，收缩率降低。因此实际收缩率由两者综合作用而定。
取向收缩是指成型材料熔融充模时分子链在流动方向上取向，冷却时大分子重新卷曲恢复在取向方向产生的收缩。分子取向程度与注射压力、注射速度、树脂温度及模具温度等有关，但主要是注射速度。充模速度愈快，分子取向作用愈强。
压缩收缩是指塑料在高压下比热容发生显著变化而引起的收缩。压力取消后，比热容有一定量的恢复，称为弹性回复。温度一定时，压力提高，成型制品比热容减小，密度增加，膨胀系数减小，收缩率会显著下降。从模具中取出制品时，制品体积会产生弹性恢复而使制品收缩减小。
(2)模具设计
普通的注射成型涉及到“料、艺、机、模"4个方面，而精密注射成型中精密注塑模具更为重要。
保证制品精度的先决条件是原材料本身的收缩率小，塑料件最终所能达到的精度还与模具有关。如果模具精度足够高，同时工艺条件也控制得很好，这时可以忽略制品的收缩率，那么制品的精度将只受模具精度所控制，这样才能保证制品有较高的再现精度。所以模具设计和制造的好坏决定着制品的质量和成品率。
只有保证模具精度才能有效地降低制品的收缩，提高制品的精度。为此相应地制定了模具制造公差。模具公差的制定也要合适，因为模具的加工公差过高，则相应地提高了生产成本，增加了模具制造的难度;而加工公差过低则难以保证塑料件的精度。通常规定模具的加工公差约为相应塑料件公差值的1/3。
(3)注射成型机
精密注塑工艺特点是注射压力高、注射速度快、温度控制精度高。为了满足这些工艺条件，对注塑机的性能也有较高的要求，精密注塑设备在技术参数、控制精度、液压系统及结构等方面有其独到之处。
注射装置是精密注射成型的关键部件，主要作用是为精密注射成型提供塑化均一的熔融物料。同时，要求其塑化部件的塑化能力强，均化程度高，注射速度高，注射压力高，螺杆的驱动扭矩大，可实现无级调速。精密注射成型机一般都要求满足以下条件：
①技术参数要求注射功率大、注射压力高、注射速度快;
②控制精度要高，采用多级反馈控制，包括位置、速度、保压、背压和螺杆转速的多级控制，以保证精确控制注射速度、注射压力、保压压力、背压、螺杆转速等工艺参数。
成型条件稳定性要好，重复精度要高，并能在确定的行程位置进行准确的切换。精度控制还包括料筒及喷嘴温度采用PID控制，工作油温必须采用加热冷却的闭环装置控制，模具温度的精确控制，合模力大小的精确控制以及对环境温度的控制等;
③液压系统要求反应速度快，液压元件灵敏度高;
④精密注塑机结构要求合模系统的刚性高、合模机构效率高、塑化部件塑化能力强。
(4)成型工艺
注射工艺过程由于其非稳态性而比其它成型工艺要复杂，至今尚未找到一个能描述全过程的数学模型。压力、温度、速度、时间等主要工艺参数稍有变动，制品质量就随之变化。为能抵抗内外各种干扰因素影响，保持已设定的工艺参数，精密注射要求注射机具有良好的综合控制性能。
通过严格控制压力、温度、速度及时间等参数，保证塑化时提供数量一定、温度均匀的熔料，充模时有适合模腔特点的稳定流动状态，保压冷却时有合适和稳定的状态条件，从而得到稳定和优质的精密制品。
选取最佳的成型工艺参数能够减少塑料制品的收缩率。塑料的收缩特性是指塑料的热收缩、弹性回复、塑性变形、后收缩和老化收缩的综合反映,通常是因材料吸水或分子链重排而引起,具体表现为线性收缩率和体积收缩率的变化,常用收缩特性值表示。
热塑性塑料注塑制品成型时收缩率波动较大,特别是对于结晶性塑料注塑制品更加明显,由于结晶度不仅取决于化学结构,而且还受到加工过程中冷却参数(冷却速率、熔体温度、模具温度、制品厚度)的影响,给模具设计确定型腔尺寸和控制制品尺寸精度带来困难,所以迫切需要了解注塑工艺参数对各种塑料收缩率的影响规律。
制件壁厚的差异一般认为是由两个方面的因素引起的：一是高压熔体引起的模具型腔轻微变形;二是当模具开模后材料的弹性膨胀。一般来说,质量精度能够很好地控制尺寸精度,而在较高的模具温度里熔体的粘度较低,所以粘度梯度较小,在一定的螺杆背压下,制件的质量精度就能够得到精确的控制。
然而对于液晶聚合物(LCP)来说,它恰恰需要较低的模具温度,这是因为LCP 遇冷后会迅速冷却定形。LCP 有低的熔解热和有序的结构状态,因此在液体晶态向固体晶态转变之间有较小的变化,当充分冷却时,液-固转变几乎是在瞬间完成。在较冷的模具中,当型腔充满时,型腔中的大部分材料和浇口已经固化,因此压缩阶段很难补充熔体,因而制件的尺寸与未变形的型腔尺寸十分接近。
(5)质量管理
由于精密注塑的精度要求越来越高,质量管理也变得越来越困难。为了保持稳定的精密注塑,一方面在注塑机上配备了自动监测系统及自动化废品筛选系统,发现机器实际运行参数超出了设定值,注塑机就会在屏幕上显示出来,并及时报警通知操作人员马上调整。如不及时处理,机器便会自动停机。同时自动化废品筛选系统将不符合工艺条件的零件自动分出,如ARBURG公司的自动翻板结构。
有的公司则配有自动检验系统,通过机械手将零件放在精密天平上(精度为±0.11mg) ,观察零件重量的变化,通过测得的重量数值与合格零件的重量数值的对比来判断零件的合格与否,合格的零件被送到包装区,不合格的零件被分出。这是目前世界上最先进的控制方法之一。但是有了这种方法,并不是说人工检验就不需要了,为了确保零件的优良质量,操作人员也应定期检查所产塑件,发现异常,及时解决。这样产出的塑件才会有可靠的质量保证。 |
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