CN1102094C - 差动压制过程 - Google Patents

Abstract

在型腔内通过容积置换使塑料不连续成形的方法，其中变形能的引入通过型腔表面至少两个可动零件进行，其中至少一个半模含有一个或多个可相对于它运动的零件，至少一部分变形能通过这些零件的相对运动引入，并且只有一部分型腔表面参与引入变形能；以及实现这种方法的装置和根据这个方法或在这个装置中制造的构件。

Description

差动压制过程

本发明涉及一种借助于差动压制过程按照在模具型腔内容积置换(Volumsverdraengung)工作原理的塑料的不连续成形过程(压制过程)以及实现这种方法的装置和按这种方法和在这种装置内制造的构件。按本发明的压制过程允许，可观地减小在按现有技术状况的压制过程中尤其是在压制过程末尾出现的必要的大的压制力以及压制功率，从而相应地减小用于压制的设施费用。

不管是在现有技术状况还是本发明的说明中都要用到一些概念，它们的定义如下：

所用的概念“型腔”定义为在成形过程中由模具表面以及模具沿其封闭的表面限定的、其表面及其体积可以改变的空间。由模具构成的型腔在成形过程末尾和待制产品(构件)的几何形状相同。通常型腔由两个半模的表面围成。对于成形过程重要的、但是不属于构件几何形状的附加型腔(例如流通)不包含在“型腔”这个概念内。

“产品浇注型腔”理解为在成形过程的当时各个时刻填充待成形材料的型腔那一部分或部分体积。

“对产品加载的表面”表示型腔的那些表面，它在成形过程的当时各时刻与待成形物料相接触。

通过容积置换的成形过程(或造形过程)的工作原理是，对可变形物料施加压力、迫使它成为一定的形状。“将能量输入待成形材料”的概念理解为用外部设施或通过给产品加载的型腔表面的相应运动把机械能加在待成形物料上。

塑料在型腔内不连续成形从型腔的缩小开始，并在用待成形物料完全填满型腔(填料阶段)的时刻结束。为了补偿收缩而进行的成形过程的后压制阶段不包括在“在型腔内通过容积置换使塑料不连续成形”的概念内。

本发明可以应用到其上的、按现有技术状况的过程是：

按现有技术状况的压制过程表示那样的成形加工方法，其中容积置换工作原理直接在型腔内进行。在成形过程中刚硬的半模闭合时两个半模之间的距离减小，由此型腔的容积缩小。随着模具开口的缩小通过对产品加载的型腔表面在待成形物料上加上成形能。

在按现有技术状况的压制方法中全部物料直接在压制过程开始之前加入打开的型腔内。压制过程本身随着一个或两个半模的运动开始，对于成形过程决定性的能量通过对产品加载的型腔表面施加在待成形物料上。在成形过程期间随着模具开口的越来越小对产品加载的型腔表面越来越大。如果半模停止运动，压制过程便告结束，从而不再输入变形能。在半模的闭合运动期间半模属于型腔表面的运动件，例如顶料器、滑板、保持其与轮廓相应的基本位置，因此在整个压制过程中两个半模的型腔表面轮廓可以看作刚硬的。

容积置换工作原理的条件是，在成形过程中形成“物质流动”。压制过程中成形过程期间物料运动或者还有物料应变的数量级同样允许将压制过程区分为成形压制法和挤压法(Fliesspressverfahren)。

成形压制法可以理解为压制件这样地成形，其中放入开口的型腔内的压制物其造型完全相应于构件轮廓的投影面，由此在成形压制过程中待压制物料不需要有大的流动。在成形压制过程中通过半模的合模运动施加的压制能量主要消耗在局部范围内的材料塑性变形和压缩功中。

在按现有技术水平的挤压法中在压制过程开始前将整个压制物放入型腔内，其中放入的压制物的质量相当于构件的质量。通过压制过程在所选的加工参数(压力、温度、时间)的条件下利用待压制压制品的流动能力，以填满型腔。因为在挤压过程中放入开口的型腔内的压制物其外形比构件轮廓的投影面小得多，放入模具内的物料经过大的流动路程成形为构件。

在压制法的一种变型方案即压铸法(Spritzpressverfahren)中压铸缸表面的一部分包围半模的一部分。在压铸方法时相当于完全封闭的型腔容积的物料在半模打开时直接放入由压铸缸额外形成的型腔内。然后半模在不施加变形能的情况下闭合到理论尺寸在待成形物料上施加的决定性的能量仅仅通过压铸缸的给产品加载的表面进行，压铸缸本身作为一个刚性体运动。当压铸缸运动到整个型腔表面的几何形状等于所希望的构件几何形状时成形过程便告结束。

在压铸法的一种特殊方法、即移位压铸法(Sonderverfahren)时首先从外界通过流道将相当于构件质量的压制品放入还没有完全闭合的模具内。这通过用外部设施，例如通过压铸机(注射过程)将变形能加入待成形物料中进行。放入型腔内的物料的进一步成形直到最终的构件几何形状按现有技术状况用一个或两个半模的合模运动进行(压制过程)。在压制过程中决定性的给放入的物料施加能量仅仅通过刚硬半模的合模运动进行。在半模合模运动期间半模的属于型腔表面轮廓的运动件保持其相应于轮廓的原始位置。压制过程期间型腔的闭合过程是一个挤压过程。

在实践中上述所有方法中成形过程的优化流变设计带来极大的困难。“成形过程的优化流变设计”理解为填充阶段期间实现最佳的流动前缘分布、流动路程长度和压力情况。经常地尤其是在纤维加强材料时还希望一定的方向性，但是用按现有技术水平的压制过程这很难达到。出于操作的原因只有少量装入物，大多数情况下只希望有一个装入开启的模具型腔内，而它决不可能总是放在对于挤压过程最佳的位置上。由于压制品制造的原因在大多数情况下受到规定的放入几何形状的限制，这进一步加大了放入状况优化的难度。

在压制过程中在允许的工艺参数和现有机器规定的压力及机械或液压的压力机功率的情况下用待压制物料完全装满型腔经常具有重要意义。使半模闭合所必需的压力在挤压过程快要结束时变得非常大，因此对于完全装满的模具必需很大的压制能量、特别是压制功率。因此用于挤压过程的压力机按其压制功率确定其规格，这尤其是通过这样的方法来达到，运动半模采用大的动能以提高最大压制功率，但是这又需要很大的费用来控制和调节这个能量。此外在挤压时在半模闭合期间存在着有危险性的模具倾侧的极大倾向，这只有通过很大的设备费用才能克服。

按现有技术水平的不挤压过程引起压制能量和功率的巨大浪费。这反映在明显的技术费用、对于相应地加大的和精确地工作的压力机的高的投资费用和压制过程中高的能量费用。此外在按照目前的技术水平的挤压过程中成形过程在压制控制方面在很大程度上并不重要。

本发明的目的是，减小在塑料压制过程中成形时所需要的压制力、能量和功率，由此可以大大节省能量和设备费用。按照本发明这通过将压制过程时间和部位区分成许多部分压制过程来达到。

因此本发明的对象是通过在型腔内的容积置换使塑料不连续成形的方法，其中变形能通过至少两个空间表面的运动零件施加在待成形物料上，其中至少一个半模含有一个或多个可相对于它运动的零件，至少一部分变形能通过这个零件的相对运动加入，而从整个成形过程来看变形能的加入在时间和部位方面分区进行控制，其特征在于：从整个成形过程来看至少一个半模的只有不平行于运动方向的型腔表面的那一部分参与加入变形能。

型腔表面的运动优选地这样控制，使得避免流动前缘的停止，或实现成形期间预期的流变流动和压力情况，其结果是可达到的构件质量、可能的构件设计和挤压过程整个过程的稳定性的有利结果。

所述的结构形式仅仅涉及型腔内容积置换的工作方式，与相应于构件的整个待成形物料是否在成形过程开始以前已经在开启的模具型腔内，还是型腔内的容积置换的工作方式与待成形物料从外部加入型腔同步进行无关。因此整个待成形材料可以在成形过程开始时已经放在型腔内。但是也可以，在成形过程期间将待成形物料从外部加入型腔内。

所述结构形式既涉及那种放入型腔的待成形物料必须走过流动路程形式的大的物料运动的成形过程，也涉及那种过程，在这种过程中局部塑性流动或者局部塑性变形形式的微小物料运动已经足以精确填满封闭成理论尺寸的型腔的几何形状，从而保证造型成预期的构件。

本发明另一种优选的实施形式是，位于型腔内的、待成形物料首先通过一个半模的运动部分地输送进一个容器(Reservoir)，这容器由型腔表面的一个运动部分退缩到一个负向的相对位置形成，接着通过型腔表面这个运动部分正向的相对运动从容器中输送到型腔的另一个部分。其中在模具的闭合运动期间待成形物料首先输送到如上面所述、由型腔表面的一部分的后退，即进行负向的相对运动并由此到达一个负向的相对位置所形成的容器内，接着重新向型腔方向运动、也就是进行正向相对运动。通过这个正向相对运动物料从容器中输送到型腔的另一个区域。通过一个或几个这种容器的相应定位和造型可以完全避免在按现有技术水平的压制过程中所要求的压制过程快要结束时很大的压制力。

使容器排空的型腔表面运动部分的正向相对运动最好在模具所有其他表面到达其最终位置并且不再进行其他运动这一时刻才开始。

在压制过程中对于成形所需要的压制能量、压制功率和允许的最大合模力可以用本发明单独地、最佳地与现有的机器大小相匹配，使得也可以使用机械的合模和锁紧系统，由此可以成本低廉地制造不同尺寸的构件。

此外本发明允许把控制和调节装置的技术费用降低到最小的程度，这种控制和调节装置是所出现的能量的动力学所要求的、也是为了克服压制过程中有危险的模具倾斜的倾向所必需的，这种技术费用的降低最终明显地降低相应于本发明的压制设备的费用。

本发明另一个对象是按照本发明的成形方法的在型腔内不连续压制塑料的装置，以及按本发明的成形方法的在型腔内移位压制(Spritzpraegen)塑料的装置，其中型腔表面的至少两个零件设计得可以这样运动，其中至少一个半模具有一个或几个可以相对于它运动的零件，使得通过这些零件的相对运动变形能的至少一部分施加在塑料上。其中型腔表面的运动零件优选是辅助压力机。优选的辅助压力机例如是机械式液压压力机或者顶料器或滑板。

按不连续差动挤压法工作的模具通常由两个半模组成。冲头一侧的半模优先地或是与一个液压活塞或是与机械的锁紧装置相连接，并执行压制模具的合模或开模运动。其中阴模一侧的半模固定安装在压力机上。

一个或两个半模具有一个或几个属于模具轮廓的运动件，它们可以进行相对于其半模的相对运动，其中半模的哪些部分进行运动，这个问题留待以后再谈。在成形过程中相对于它所属的半模作相对运动的、而且伴随它的运动把变形能加入压制物的属于模具轮廓的所有运动零件，与所述轮廓的小大无关地称作为辅助压力机。

一个辅助压力机相对于其半模的其他辅助压力机的正向相对运动在压制过程开始时就可能已经存在，但是也可以通过差动挤压过程期间的相对运动达到。一个辅助压力机相对于其半模的正方相对运动在差动挤压过程中型腔充填期间如下地利用，首先在辅助压力机轮廓范围内模拟一个较小壁厚的型腔，这对于在开始时或差动挤压过程期间形成预期的流运过程是有利的。

一个辅助压力机相对于其半模的其他辅助压力机的负向相对位置可以在压制过程开始时便已经存在，但是也可以通过差动挤压过程中的相对运动达到。差动挤压过程中充填模型期间一个辅助压力机和其半模之间的负向相对位置的目的是，在充填阶段期间创造用于临时的物料容器的模具型腔内的附加容积，因为在辅助压力机的轮廓区域内模拟一个较大壁厚的型腔。

与相应的模具相连的附加型腔可以用来补偿放入的压制物料的变化，该相应模具不是模具型腔的一部分，并且既不通过它在形状充填过程中加入压制物料，也不通过它在给产品加载的模具型腔的压制物料施加能量。

辅助压力机的主要任务是，在差动挤压过程的充填阶段期间内，型腔轮廓不保持刚硬不变，而是通过辅助压力机可能的运动在模具型腔内形成附加的预期的容积型腔，它用作临时的物料容器。在辅助压力机作正向相对运动期间压制品受到挤压，这时受挤压的压制品一方面用来形成相应模具型腔的形状，另一方面在必要情况下填充一个或几个其他物料容器，这些物料容器通过相关辅助压力机的负向相对位置形成。辅助压力机的闭合运动在所希望的构件厚度处结束，或者刚好在相应位置上面一点(收缩)。其他的部分型腔的充填类似地通过各个辅助压力机的正向相对运动进行，其中辅助压力机的单个运动在时间上可以同步地、重叠地或依次地进行。当构件表面任何一个任意部位都与模具的表面轮廓一致时差动挤压过程中构件的整个成形便告结束，在物料精确定量、并且待压制的可流动物料在差动挤压过程开始时便放入开启的模具型腔内时就是这种情况。在这一时刻整个型腔表面对工件加载。

对于运动提供必要的力并在差动挤压过程中保持各个辅助压力机的静态平衡既可以机械地也可以液压地进行。辅助压力机的机械实现的运动通过相应的连杆(曲杆)或弹簧元件进行。例如也完全可以设想，内置在模具内的顶料器或滑板的相应往复运动功能也可以承担辅助压力机的功能。但是也可以用液压的方法给各个辅助压力机提供必需的力。

辅助压力机单个运动的控制和调节既可以根据冲头行程也可以根据压制时间进行。但是辅助压力机运动的控制和调节也可以在测量机械或液压的合模力的基础上，或者也可以在模具型腔内任意部位测量的模具内压力的基础上进行。

在图1至4中表示用来实现本方法所用的装置的一种优选形式，即模具的一种优选形式，在相应于不连续差动挤压方法的方法流程的四个典型位置。在差动压制过程开始时放入型腔内的压制品质量相当于构件的质量，因此在差动压制过程中在型腔内不再放入额外的压制物质。因为在压制过程开始时对产品加载的型腔表面明显地小于成形过程结束时型腔的总表面，大部分通过压制物质的流动性能成形，其中出现比较大的流动路程。

图1表示差动挤压过程所必须的模具组件和差动挤压过程的起始位置。阴模一侧的半模1做成刚硬的并固定安装，其中模具表面轮廓和相应的构件几何形状相同。冲头一侧的半模由构成可动型腔表面的模具零件3、4和5组成。放在开启的模具型腔内的、其质量相当于构件预期质量的待压制物用2表示。放入的压制物在所选择的工艺参数条件下以可流动的形式存在。

对于各个可动模具零件的运动和为了保持必要的合模力所必需的力在所述实施形式中既可以用机械方式也可以用液压方式施加。模具零件3、4和5的单个运动在时间方面既可以同步地、重叠地也可以顺次地受控制地进行。

图2示意表示不连续差动压制过程的开始。通过模具零件3的合模运动在待成形压制物上施加成变形能，这时引起放入压力机内的压制物的变形。模具零件3的合模运动在这种情况下终止于相应于构件预期厚度的位置上，并且在差动压制过程的剩余成形期间内一直保持在这个位置上。装在模具零件3内的可动模具零件4在差动压制过程的这一阶段内执行和可动模具零件3同样的合模运动。由于在差动压制过程开始时模具零件4相对于模具零件3的负向相对位置，在模具零件4的相应型腔区域内可以建立一个临时的物料容器。可动的模具零件5在差动压制过程的第一阶段内不运动。

在图3中表示不连续差动压制过程的下一个阶段。可动模具零件5的合模运动产生冲头侧和阴模侧半模之间的形状闭合，以保证型腔的密封性，它对于完整的成形过程是必要的。由于通过可动的冲头侧模具零件5与阴模侧半模1的形状闭合达到型腔相应地提前密封不需要棱边浸入式模具(Tauchkantenwerkzeug)。随着模具零件5的合模运动可以、但是并非必须强制地把变形能通过可能的对产品加载的表面引入压制物，其余可动模具零件3和4在差动压制过程的所述流程的这一阶段内不运动，因此没有对压制物引入变形能。

按照图4仅仅通过可动的冲头侧模具零件4的合模运动进行压制物的剩余变形、以便在差动压制过程中成为最终有效的构件。因此从整个成形过程的观点来看只有至少一个半模的那些不平行于运动方向的型腔表面部分参与变形能的引入。

要求的后续加压(收缩Schwindung)通过所有那些没有通过直接的形状闭合与阴模侧的半模相接触的可动的冲头侧模具零件的附加微小闭合运动进行。

各个可动的冲头侧模具零件的不管是大小还是形状出于模具技术的原因和流变学情况都可以单独地匹配。另外可动的冲头侧模具零件的单个运动流程可以单独地控制。这些条件对于在不连续差动压制过程中寻找理想的成形过程开拓了多方面的自由度。在这个意义上实际上这里所述合模阶段的严格地依次进行的运动流程顺序以各个可动模具零件同步进行的合模运动实现。但是在本发明的意义上不连续差动压制过程的一种优选实施方案是，成形过程的最后阶段，也就是完全的形状填满阶段通过由那些具有最小型腔表面的可动模具零件的型腔表面引入变形能进行。

按本发明的方法及装置适合于用来压制所有可压制的塑料，特别是那些在压制条件下有塑性或流动性的塑料。优选采用热固性或热塑性塑料，例如尿素-密胺-或酚醛树酯，环氧化物、聚烯烃、例如聚乙烯或聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚醚酮、聚酯酮、多硫化物、聚砜、聚酰胺。所述塑料既可以是未填充的、也可以是填充的、或者添加其他添加物。按本发明的方法及装置也适合于压制金属和陶瓷材料。

本发明另一个对象是塑料构件，它们按本发明的方法制造，或者在按本发明装置中制造的构件。那些构件例如是：

汽车工业中的机械零件或构件：

例如汽车车身、门、发动机外罩、挡泥板、后盖、顶蓬、侧板、保险杠支架、电机罩、备用轮凹槽、前端、电池架、底板、仪表板、座椅盘、汽车内部和外部区域的覆盖件、摩托车覆盖件等等。

飞机、航天器和船舶的机械零件和构件：

结构元件、座椅盘、行李架、覆盖件、运输集装箱等等。

电气和电子工业构件：

壳体件、盖板、家用器具、开关箱、灯台、计算机工业的壳体和结构元件、电子构件的支承结构等等。

建筑工业、家具工业和家庭用具工业的构件：淋浴舱、游泳蓄水池、浴缸、洗涤池、化学容器和化学设备、排水沟、货柜、托盘、厨房器具、正面结构、花园长椅、顶蓬、工具箱、运输容器、半成品制造等等。

Claims (12)

1.在型腔内通过容积置换使塑料不连续成形的方法，其中通过至少两个可动的型腔表面零件将变形能引入待成形物料，其中至少一个半模含有一个或多个可相对于它运动的零件，至少一部分变形能通过这些零件的相对运动引入，同时从整个成形过程来看变形能的引入时间和地点分区地有控制地进行，从整个成形过程看只有至少一个半模的整个的型腔表面的不平行于运动方向的那一部分参与变形能的引入，其特征在于各所述的可动零件是单独操作的，和各所述的可动零件设有一导入变形能的单一的不可分割的表面，该表面定向成与所述的可动零件的运动方向不平行。

2.按权利要求1的方法，其特征在于：整个待成形物料在成形过程开始时便已经位于型腔内。

3.按权利要求1的方法，其特征在于：在成形过程期间待成形物料从外面加入型腔。

4.按权利要求1至3之任一项的方法，其特征在于：位于型腔内的待成形物料首先通过一个半模的运动送入由型腔表面的一个运动部分后退到负向的相对位置所形成的容器内，接着通过型腔表面的这个可动部分的正向相对运动从容器中送到型腔的另一个区域。

5.按权利要求1至3任一项的方法，其特征在于：在成形过程期间出现大的物料流动路程。

6.按权利要求1或2的方法，其特征在于：通过局部的塑性流动进行成形。

7.用于使塑料在包括两个半模的型腔中不连续压制的装置，其中型腔表面的至少两个零件设计得可这样地运动，其中至少一个半模含有一个或几个可相对于它运动的零件，至少一部分变形能通过这些零件的相对运动引入塑料中，其特征在于各所述的可动零件是单独操作的，和各所述的可动零件设有一导入变形能的单一的不可分割的表面，该表面定向成与所述的可动零件的运动方向不平行。

8. 用于将塑料在包括两个半模的型腔中移位压制的装置，其中型腔表面的至少两个零件设计得可这样地运动，其中至少一个半模含有一个或几个可相对于它运动的零件，使得至少一部分变形能通过这些零件的相对运动引入塑料中，其特征在于各所述的可动零件是单独操作的，和各所述的可动零件设有一导入变形能的单一的不可分割的表面，该表面定向成与所述的可动零件的运动方向不平行。

9.按权利要求7或8的装置，其特征在于：可运动零件做成辅助压力机。

10.按权利要求9的装置，其特征在于：辅助压力机由液压压力机构成。

11.按权利要求9的装置，其特征在于：辅助压力机由机械压力机构成。

12.按权利要求9的装置，其特征在于：辅助压力机由顶料器或滑板构成。

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