CN106738737B - 薄壁塑件的注塑成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄壁塑件的注塑成型方法，包括如下步骤：将塑性原料放入料斗，经螺杆挤出机高温熔融并注射到模腔；注射压力为1500～3000kg/cm2，注射时间为0.5～2s，注射速度控制在500～1000mm/s；控制模具温度在50～220℃之间动态变化，采用高频或超高频电磁感应线圈加热对模具靠近模腔表面0.1～1mm区域进行局部加热，频率控制在100～500kHz；保压工艺，保压压力控制在400～800kg/cm2，保压时间为4～10s；降低模具温度，使其达到塑性熔体的顶出温度以下，冷却时间控制在4～10s；以及开模工艺，将成型塑件顶出。本发明可以有效降低模具的冷却时间，减少能量浪费。
Description
技术领域
本发明涉及注塑成型领域，尤其涉及一种薄壁塑件的注塑成型方法。
背景技术
随着移动互联网时代的来临，人们对智能设备“轻、薄、小、巧”的追求形成了一种风气，这使得薄壁注塑成型得到了飞速的发展。目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定义，从塑件壁厚方面来说，通常定义壁厚小于1mm或者1.5mm的注塑为薄壁注塑；从流长比(即从熔体进入模具到熔体必须充填的型腔最远点的流动长度和相应的平均壁厚之比)方面来说，则定义流长比在100或150以上的注塑为薄壁注塑。随着技术的发展，薄壁注塑成型定义的临界值也将发生变化，它应该是一个相对的概念。
与常规注塑成型相比，薄壁注塑成型具有减小产品质量及外形尺寸、便于集成设计及装配、缩短生产周期、节约材料和降低成本等优点，同时薄壁成型技术也具有一些难点：
(1)成型需要高射压、高射速和高料温的成型条件，成型过程复杂，工艺过程敏感，成型难度大，可成型性差；
(2)成型需要高流动性、大流长、高抗冲击强度的树脂材料；
(3)成型需要特别设计的高性能模具；
(4)需要专用的薄壁注塑成型机；
(5)制品刚度设计要求高，而且脱模顶出比较困难；
(6)成型过程的CAE分析技术复杂，对技术人员要求高。
薄壁塑料由于厚度较薄，在注射阶段，塑性熔体进入模腔后其流动通道会非常窄，而且由于模具的温度远低于熔体温度，熔体会粘附在模具表面阻扰后面熔体的进一步前进，这样大大增加了注塑成型的难度，影响薄壁塑料的质量。
现有技术中，公开号为CN101439575A的中国专利公开了一种薄膜塑料制品的注塑成型工艺，熔体采用推荐温度，不需要提高，根据不同塑料原料的性质以及模具结构调整模具温度在20～150℃之间，根据不同成型面积控制注射压力在1500～3000kg/cm2，注射速度400～2000mm/s，把熔体注射入模具，然后迅速切换到保压，保压分段进行，采用2或3或4段，调节各段的保压压力及保压时间，经冷却后完成成型过程。该专利虽然也规定了模具温度，但是并未对模具温度的控制进行具体说明。
现有技术中，公告号为CN202155995U的中国专利公开了一种薄壁注塑动模以及薄壁注塑模具，在普通的注塑机上通过两次合模实现薄壁注塑成型，而无需利用专用的高速注射机，从而降低了薄壁注塑成型的实现成本。该专利虽然能在一定程度上实现薄壁注塑成型，但是由于两次合模会增加注塑时间，造成塑料熔体分布不均匀，影响成型效果，而且很难克服翘曲问题
因此，如何针对上述现有技术中的薄壁塑件的注塑成型方法所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标，本发明人有鉴于此，乃思及创作的意念，遂以多年的经验加以设计，经多方探讨并试作样品试验，及多次修正改良，乃推出本发明。
发明内容
为克服现有技术中薄壁塑件注塑成型由于流通通道小而在模具表面冷凝影响熔体注射均匀及成品易出现翘曲等问题。
本发明提供了一种薄壁塑件的注塑成型方法，包括如下步骤：
步骤一：塑性原料填充，将塑性原料放入料斗，经螺杆挤出机高温熔融并注射到模腔；注射压力为1500～3000kg/cm2，注射时间为0.5～2s，注射速度控制在500～1000mm/s；控制模具温度在50～220℃之间动态变化，采用高频或超高频电磁感应线圈加热对模具靠近模腔表面0.1～1mm区域进行局部加热，频率控制在100～500kHz；采用高频或超高频电磁感应线圈加热，由于高频或超高频电磁感应的穿透深度较小，使得能量分布在模具靠近模腔的表层，实现局部加热，这样可有效降低模具的冷却时间，减少能量浪费；同样由于模具表面温度与熔体温度接近甚至略高于熔体温度，不仅可避免熔体在模具表面的凝聚，而且还可能用于平衡熔体内温度，使熔体冷却后成型的塑料成品更加均匀，有效降低翘曲现象；此外由于熔体在模腔内凝聚时间延长，这可大幅降低对注射工艺的要求，能允许适当增加注射时间，降低注射速度，降低分子之间的取向度，减少成品翘曲；
步骤二：保压工艺，保压压力控制在400～800kg/cm2，保压时间为4～10s；保压压力主要是对模腔内熔体进行再次的压实，降低体积收缩率对产品造成的影响，这里要实际操作时可选择分段操作，保压压力逐渐增大，防止因一次保压压力过大而在熔体内部产生内应力，从而造成塑件成品变形；关于保压时间的确定，其与浇口的凝固时间有关，在实际操作中，保压时间可在浇口凝固略往后位置，使浇口不再补充注射熔体后再慢慢完成保压；
这里优选分为三段，第一段保压压力为400～500kg/cm2，保压时间为2～4s，第二段保压压力为600～700kg/cm2，保压时间为1～3s，第三段保压压力为700～800kg/cm2，保压时间为1～3s；
步骤三：冷却工艺，降低模具温度，使其达到塑性熔体的顶出温度以下，冷却时间控制在4～10s；冷却工艺由于之前采用局部加热，有效减少了该阶段时间，从而降低了单次注塑成型的周期，提高了生产效率；
以及步骤四：开模工艺，将成型塑件顶出，完成一次注塑成型。
进一步，所述步骤一中，所述电磁感应线圈由内至外至少包括：第一层线圈、第二层线圈和第三层线圈，
其中，每层线圈流过驱动电流的频率均不相同，流过第一层线圈的电流频率为100～150kHz，流过第二层线圈的电流频率为200～300kHz，流过第三层线圈的电流频率为300～500kHz。电磁感应线圈加热时，其在模具表面加热受其能量穿透的影响，由于线圈与模具表面存在一定距离，单层线圈其能量在模具表面加热厚度方向存在一定的不均匀性，这样导致模具表面的温度快速向内传导，无法在熔体注射阶段进行有效的保持，这里采用多层线圈设计，通过线圈从内到外电流频率逐渐增加，能有效弥补在模具表面一定厚度区域的温度差，从而降低熔体注射阶段模具表面温度的损失。
进一步，所述电磁感应线圈的形状为方形，均匀铺设在模具内表面5～20mm位置处，每层线圈之间的距离L范围为3～8mm。在实际操作中发现，电磁感应线圈设置成圆形、椭圆形及螺旋形，其加热速度、加热均匀性均不理想，设置成方形时，加热速度可有效提高。
进一步，所述模具为双层结构，其靠近模腔表面加热层为硅铁铝镍锌合金，其硅含量为13～15wt％，铝含量为6～8wt％，镍含量为1～2wt％，锌含量为1～2wt％，其余为铁和杂质，其中杂质含量小于0.5wt％。在加热时，只对加热层区域进行加热，该硅铁铝镍锌合金不仅具有良好的热传导率，而且其表面呈现非常光滑的状态，熔体不易粘附。
进一步，将模具的加热和冷却时的温度用模型进行表征，考虑到采用的是电磁感应加热，而且需要合适的保压时间，其模型分为加热阶段和降温阶段，加热阶段时间为t1，降温阶段时间为t0-t1，所述模具靠近膜腔表面温度随时间的变化关系为：
其中，T1为塑性原料的玻璃化温度，T2为塑性原料的顶出温度，ΔT1为模具加热到最高温度时超出玻璃化温度的温度差，ΔT2为模具冷却到最低温度与顶出温度之间的温度差，t为时间变量，t0为注塑成型周期，t1为加热时间，k1为感应线圈加热常量，k2为温差控制常量，k3为冷却时间控制常量，a为冷却温差控制常量，T为在时间t时模具靠近模腔表面的温度。其中k1可通过调节感应线圈的电流，对多层感应线圈电流进行合理搭配进行控制。
温差控制常量k2满足如下关系：所述冷却温差控制常量满足如下关系：ΔT1和ΔT2满足如下关系：
且
当nt0＜t≤nt0+t1，且T＝T1-ΔT1时，开始将塑料熔体注射到模腔中；
当nt0+t1＜f≤(n+1)t0，且T＝T1-ΔT1时，完成塑料填充进入保压阶段，保压阶段时间可以和冷却阶段时间接近或略小于冷却段时间。
此外本发明还根据需要对喷嘴结构进行了改进，以配合模具温度控制系统延迟熔体冷却时间。
具体地步骤一中，在注射阶段采用直通式喷嘴，所述喷嘴由内至外包括加速段和加热段，所述加速段从机筒到喷嘴口口径呈曲线形逐渐变窄，所述加热段设在喷嘴口，其内设有加热组件，可有效补偿熔体温度，特别是补偿熔体进入模腔过程中的温度损失。
进一步，加热段表面温度高于熔体温度5～10℃，且从机筒到喷嘴口方向温度逐渐降低，在熔体注射到模腔位置处温度差为5℃。
进一步，所述加热段内表面涂覆镁锌锰镍合金材料，涂覆厚度为0.1～0.5mm，所述镁合金材料中锌含量为2～5wt％，锰含量为1.5～2.5wt％，镍含量为0.5～1.5wt％，其余为镁与杂质，杂质含量小于0.2wt％，其具有非常优良的热传导性能，在注射完成，进入保压阶段，停止加热，使喷嘴还可为补充注射熔体在一定时间内保温，使保压阶段的喷嘴口处的熔体能顺利注射到模腔中。
从上述技术方案可以看出，本发明薄壁塑件的注塑成型方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)采用高频或超高频电磁感应线圈加热，由于高频或超高频电磁感应的穿透深度较小，使得能量分布在模具靠近模腔的表层，实现局部加热，这样可有效降低模具的冷却时间，减少能量浪费；同样由于模具表面温度与熔体温度接近甚至略高于熔体温度，不仅可避免熔体在模具表面的凝聚，而且还可能用于平衡熔体内温度，使熔体冷却后成型的塑料成品更加均匀，有效降低翘曲现象；此外由于熔体在模腔内凝聚时间延长，这可大幅降低对注射工艺的要求，能允许适当增加注射时间，降低注射速度，降低分子之间的取向度，减少成品翘曲；
(2)电磁感应线圈加热时，其在模具表面加热受其能量穿透的影响，由于线圈与模具表面存在一定距离，单层线圈其能量在模具表面加热厚度方向存在一定的不均匀性，这样导致模具表面的温度快速向内传导，无法在熔体注射阶段进行有效的保持，这里采用多层线圈设计，通过线圈从内到外电流频率逐渐增加，能有效弥补在模具表面一定厚度区域的温度差，从而降低熔体注射阶段模具表面温度的损失；
(3)电磁感应线圈采用方形，均匀铺设在距离模具内表面5mm～20mm位置处，每层线圈之间的距离L范围为3～8mm；采用方形电磁感应线圈，其多层线圈分布在模具表面的能量更加均匀，相比于圆形、椭圆形及螺旋形线圈，其加热速度和均匀性均表现良好；
(4)在喷嘴口设置加热段，可有效补偿熔体温度，特别是补偿熔体进入模腔过程中的温度损失；
(5)在喷嘴口涂覆镁锌锰镍合金材料，其具有非常优良的热传导性能，在注射完成，进入保压阶段，停止加热，使喷嘴还可为补充注射熔体在一定时间内保温，使保压阶段的喷嘴口处的熔体能顺利注射到模腔中。
附图说明
图1为根据本发明实施例薄壁塑件的注塑成型方法的流程图；
图2是本发明优选之模具结构图；
图3是本发明优选之模具温度变化图；
图4是本发明优选之喷嘴结构图。
图中各标记含义如下：
1-模具； 2-加热层； 3-第一层线圈；
4-第二层线圈； 5-第三层线圈； 6-直通式喷嘴；
7-加速段； 8-加热段； 11-模腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种薄壁塑件的注塑成型方法。如图1所示，本实施例薄壁塑件的注塑成型方法包括如下步骤：
步骤一：塑性原料填充，将塑性原料放入料斗，经螺杆挤出机高温熔融并注射到模腔；注射压力为1000～1200kg/cm2，注射时间为1～4s，注射速度控制在300～600mm/s；控制模具温度在50～220℃之间动态变化，采用高频或超高频电磁感应线圈加热对模具1靠近模腔11表面0.1～1mm区域进行局部加热，频率控制在100～500kHz；采用高频或超高频电磁感应线圈加热，由于高频或超高频电磁感应的穿透深度较小，使得能量分布在模具1靠近模腔的表层，实现局部加热，这样可有效降低模具的冷却时间，减少能量浪费；同样由于模具1表面温度与熔体温度接近甚至略高于熔体温度，不仅可避免熔体在模具1表面的凝聚，而且还可能用于平衡熔体内温度，使熔体冷却后成型的塑料成品更加均匀，有效降低翘曲现象；此外由于熔体在模腔11内凝聚时间延长，这可大幅降低对注射工艺的要求，能允许适当增加注射时间，降低注射速度，降低分子之间的取向度，减少成品翘曲。
步骤二：保压工艺，保压压力控制在400～800kg/cm2，保压时间为4～10s；保压压力主要是对模腔11内熔体进行再次的压实，降低体积收缩率对产品造成的影响，这里要实际操作时可选择分段操作，保压压力逐渐增大，防止因一次保压压力过大而在熔体内部产生内应力，从而造成塑件成品变形；关于保压时间的确定，其与浇口的凝固时间有关，在实际操作中，保压时间可在浇口凝固略往后位置，使浇口不再补充注射熔体后再慢慢完成保压。
这里优选分为三段，第一段保压压力为400～500kg/cm2，保压时间为2～4s，第二段保压压力为600～700kg/cm2，保压时间为1～3s，第三段保压压力为700～800kg/cm2，保压时间为1～3s。
步骤三：冷却工艺，降低模具1温度，使其达到塑性熔体的顶出温度以下，冷却时间控制在4～10s；冷却工艺由于之前采用局部加热，有效减少了该阶段时间，从而降低了单次注塑成型的周期，提高了生产效率。
步骤四：开模工艺，将成型塑件顶出，完成一次注塑成型。
所述塑性原料可以是ABS塑料、PC塑料、ABS与PMMA混合塑料中的一种。
如图2所示，电磁感应线圈由内至外至少包括三层：第一层线圈、第二层线圈和第三层线圈。每层线圈流过驱动电流的频率均不相同，流过第一层线圈3的电流频率为100～150kHz，流过第二层线圈4的电流频率为200～300kHz，流过第三层线圈5的电流频率为300～500kHz。电磁感应线圈加热时，其在模具表面加热受其能量穿透的影响，由于线圈与模具表面存在一定距离，单层线圈其能量在模具表面加热厚度方向存在一定的不均匀性，这样导致模具表面的温度快速向内传导，无法在熔体注射阶段进行有效的保持，这里采用多层线圈设计，通过线圈从内到外电流频率逐渐增加，能有效弥补在模具表面一定厚度区域的温度差，从而降低熔体注射阶段模具表面温度的损失。
电磁感应线圈的形状为方形，均匀铺设在距离模具内表面5～20mm位置处，每层线圈之间的距离L范围为3～8mm；在实际操作中发现，电磁感应线圈设置成圆形、椭圆形及螺旋形，其加热速度、加热均匀性均不理想，设置成方形时，加热速度可有效提高。
模具为双层结构，其靠近模腔表面加热层2为硅铁铝镍锌合金，其硅含量为13～15wt％，铝含量为6～8wt％，镍含量为1～2wt％，锌含量为1～2wt％，其余为铁和杂质，其中杂质含量小于0.5wt％。在加热时，只对加热层2区域进行加热，该硅铁铝镍锌合金不仅具有良好的热传导率，而且其表面呈现非常光滑的状态，熔体不易粘附。
将模具的加热和冷却时的温度用模型进行表征，考虑到采用的是电磁感应加热，而且需要合适的保压时间，其模型分为加热阶段和降温阶段，如图3所示，加热阶段时间为t1，降温阶段时间为t0-t1，所述模具靠近膜腔表面温度随时间的变化关系为：
其中，T1为塑性原料的玻璃化温度，T2为塑性原料的顶出温度，ΔT1为模具加热到最高温度时超出玻璃化温度的温度差，ΔT2为模具冷却到最低温度与顶出温度之间的温度差，t为时间变量，t0为注塑成型周期，t1为加热时间，k1为感应线圈加热常量，k2为温差控制常量，k3为冷却时间控制常量，a为冷却温差控制常量，T为在时间t时模具靠近模腔表面的温度。其中k1可通过调节感应线圈的电流，对多层感应线圈电流进行合理搭配进行控制。
温差控制常量k2满足如下关系：所述冷却温差控制常量满足如下关系：ΔT1和ΔT2满足如下关系：
且
当nt0＜t≤nt0+t1，并且T＝T1-ΔT1时，开始将塑料熔体注射到模腔中；当nt0+t1＜t≤(n+1)t0，并且T＝T1-ΔT1时完成塑料填充进入保压阶段。保压阶段时间可以和冷却阶段时间接近或略小于冷却段时间。
在注射阶段采用直通式喷嘴6。请参照图4，所述直通式喷嘴6包括加速段7和加热段8，所述加速段7从机筒到喷嘴口口径呈曲线形逐渐变窄，所述加热段8设在喷嘴口，其内设有加热组件。
加热段8表面温度高于熔体温度5～10℃，且从机筒到喷嘴口方向温度逐渐降低，在熔体注射到模腔位置处温度差刚好为5℃。在喷嘴口设置加热段，可有效补偿熔体温度，特别是补偿熔体进入模腔过程中的温度损失。
加热段内表面涂覆镁锌锰镍合金材料，涂覆厚度为0.1～0.5mm，所述镁合金材料中锌含量为2～5wt％，锰含量为1.5～2.5wt％，镍含量为0.5～1.5wt％，其余为镁与杂质，杂质含量小于0.2wt％。在喷嘴口涂覆镁锌锰镍合金材料，其具有非常优良的热传导性能，在注射完成，进入保压阶段，停止加热，使喷嘴还可为补充注射熔体在一定时间内保温，使保压阶段的喷嘴口处的熔体能顺利注射到模腔中。
经上述工艺后的塑件与一般薄壁塑件相比，具有良好的表面性能，其表面要明显比其他薄壁塑件光滑，且翘曲性能得到了很大的改善至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种薄壁塑件的注塑成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：塑性原料填充，将塑性原料放入料斗，经螺杆挤出机高温熔融并注射到模腔；注射压力为1500～3000kg/cm2，注射时间为0.5～2s，注射速度控制在500～1000mm/s；控制模具温度在50～220℃之间动态变化，采用高频或超高频电磁感应线圈加热对模具靠近模腔表面0.1～1mm区域进行局部加热，频率控制在100～500kHz；
步骤二：保压工艺，保压压力控制在400～800kg/cm2，保压时间为4～10s；
步骤三：冷却工艺，降低模具温度，使其达到塑性熔体的顶出温度以下，冷却时间控制在4～10s；以及
步骤四：开模工艺，将成型塑件顶出，完成一次注塑成型；
所述步骤一中，所述电磁感应线圈由内至外至少包括：第一层线圈、第二层线圈和第三层线圈，
其中，每层线圈流过驱动电流的频率均不相同，流过第一层线圈的电流频率为100～150kHz，流过第二层线圈的电流频率为200～300kHz，流过第三层线圈的电流频率为300～500kHz；
所述电磁感应线圈的形状为方形，均匀铺设在模具内表面5～20mm位置处，每层线圈之间的距离L范围为3～8mm；
所述模具靠近膜腔表面温度随时间的变化关系为：
其中，T1为塑性原料的玻璃化温度，T2为塑性原料的顶出温度，ΔT1为模具加热到最高温度时超出玻璃化温度的温度差，ΔT2为模具冷却到最低温度与顶出温度之间的温度差，t为时间变量，t0为注塑成型周期，t1为加热时间，k1为感应线圈加热常量，k2为温差控制常量，k3为冷却时间控制常量，a为冷却温差控制常量，T为在时间t时模具靠近模腔表面的温度；
所述温差控制常量k2满足如下关系：所述冷却温差控制常量满足如下关系：ΔT1和ΔT2满足如下关系：
且
当nt0＜t≤nt0+t1，且T＝T1-ΔT1时，开始将塑料熔体注射到模腔中；
当nt0+t1＜t≤(n+1)t0，且T＝T1-ΔT1时，完成塑料填充进入保压阶段。
2.如权利要求1所述的薄壁塑件的注塑成型方法，其特征在于，所述模具为双层结构，其靠近模腔表面加热层为硅铁铝镍锌合金，其硅含量为13～15wt％，铝含量为6～8wt％，镍含量为1～2wt％，锌含量为1～2wt％，其余为铁和杂质，其中杂质含量小于0.5wt％。
3.如权利要求1至2中任一项所述的薄壁塑件的注塑成型方法，其特征在于，所述步骤一中，在注射阶段采用直通式喷嘴，所述喷嘴由内至外包括加速段和加热段，所述加速段从机筒到喷嘴口口径呈曲线形逐渐变窄，所述加热段设在喷嘴口，其内设有加热组件。
4.如权利要求3所述的薄壁塑件的注塑成型方法，其特征在于，所述加热段表面温度高于熔体温度5～10℃，且从机筒到喷嘴口方向温度逐渐降低，在熔体注射到模腔位置处温度差为5℃。
5.如权利要求4所述的薄壁塑件的注塑成型方法，其特征在于，所述加热段内表面涂覆镁锌锰镍合金材料，涂覆厚度为0.1～0.5mm，所述镁合金材料中锌含量为2～5wt％，锰含量为1.5～2.5wt％，镍含量为0.5～1.5wt％，其余为镁与杂质，杂质含量小于0.2wt％。
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