CN115416246A - 一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统、注塑成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塑料制品加工技术领域，具体涉及一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统、注塑成型方法。本发明可控反压系统，保证熔体注塑在模具型腔内充满反压条件下进行，降低注塑产生的内应力对齿轮性能的影响；同时，在模具型腔不同位置布置压力传感器，压力反馈系统根据监测到的压力数据将调整信号实时反馈至加压单元，通过调压阀实时调控模具型腔内压力，使得型腔内压力始终维持在稳定的状态，可有效解决传统注塑成型制品因收缩导致的严重形变问题，以及传统发泡注塑制品表面流痕的问题，成功制备得到了皮层较薄、泡孔致密度及完整度高、尺寸精度和表面质量良好的微孔注塑发泡制品。

Description

一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统、注塑成型方法

技术领域

本发明涉及塑料制品加工技术领域，具体涉及一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统、注塑成型方法。

背景技术

随着石油化工行业技术的迅猛发展，塑料工业迎来了广阔的发展前景，塑料产品在国民生产生活中占据着举足轻重的地位，其中注塑成型是塑料制品的主要成型方式。然而，传统注塑成型在制件冷却过程中存在着明显的收缩现象，尤其是加工温度与结晶度较高的工程塑料。由于各部位的收缩量差异将导致凹痕和翘曲等缺陷，使得制品的尺寸精度达不到使用标准，尤其对一些精度要求较高的齿轮类产品影响极大，严重制约着关键零部件的以塑代钢。

目前，塑料加工行业改善塑料制品尺寸精度的方法主要包括三种：一是通过调整模具的浇口数目和流道分布等结构因素，或是在统计大量存在收缩缺陷的样本基础上，扩充模具型腔的整体尺寸以中和制品冷却过程中的收缩量。但此方法存在局限性，且对模具设计人员的经验提出了较大挑战；另一种是在注塑原料中加入无机物来改变原料的结晶度从而达到降低制品收缩率的目的，但利用此方法提高制品尺寸精度往往以牺牲制品的其他优异性能为前提，例如无机物的加入会明显提高材料的刚性，与此同时材料的韧性会相应降低；此外，材料成本与生产工序都显著提升。在生产中多用增加制品保压时间的方式来降低制品的收缩率，但此法实现的收缩精度改善较为有限，却延长了产品的成型周期，并不适合工业上的大规模连续生产。

目前采用超临界流体作为发泡剂的微孔注射成型能够通过在制品填充过程中诱发内部气体膨胀，在一定程度上实现产品内部保压，通过气泡的膨胀作用抵消一部分材料的收缩，从而改善制品尺寸精度。然而，填充过程中熔体前沿气体的快速外溢与泡孔的迅速破裂，导致了材料泡孔结构分布不均，制品表面产生气痕的缺陷，使该方法在实际应用中存在诸多问题。因此，开发一种更平衡的注塑成型工艺，随着塑料移动通过注塑机，熔融塑料的压力得到更紧密和均匀的控制，消除不均匀的收缩，减少塑料中下沉和翘曲的内应力，生产出与模具型腔表面几乎完美匹配的最终产品，并大大提高了机械性能，成为了功能性塑料制品加工行业需要解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种齿轮微孔注塑成型方法，注塑过程中精准控制型腔内不同位置的熔体压力与反压压力，从而调控熔体在填充过程中的发泡行为，形成更加均一的内部泡孔结构，从而降低产品成型过程中的收缩，具备良好的尺寸稳定性。

同时，本发明的目的之二在于提供一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，包括可控反压系统，实现注塑过程中型腔内不同位置压力的精准控制，从而抑制熔体前沿泡孔破裂，避免制品表面气体流痕的产生，同时提升产品的表面质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，包括用于注入熔融塑料的模具型腔、超临界流体发生器、加压单元、用于控制模具型腔压力的压力控制单元；所述压力控制单元包括压力监测单元、与压力监测单元通信连接的压力调节单元；所述压力监测单元包括用于监测模具型腔内不同位置压力的压力传感器；所述压力调节单元包括与压力传感器通信连通的压力反馈系统，与压力反馈系统通信连通的调压阀、卸压阀，调压阀连通加压单元和模具型腔。

可选的，所述压力监测单元包括用于分别监测模具型腔内齿轮轴位置、浇口位置和齿顶圆位置的压力传感器。

可选的，所述用于监测齿轮轴位置的压力传感器包括中心对称分布的第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器。

可选的，所述用于监测浇口位置的压力传感器包括中心对称分布的第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器。

可选的，所述用于监测齿顶圆位置的压力传感器包括中心对称分布的第八压力传感器、第九压力传感器、第十压力传感器和第十一压力传感器。

可选的，还包括用于控制超临界流体发生器达到超临界状态的控制单元；用于熔体填充过程中稳定模具型腔中反压压力稳定供给的稳压阀，稳压阀与压力反馈系统通信连通；用于控制超临界流体发生器、加压单元、压力控制单元运行参数的总控制单元。

可选的，所述超临界流体发生器为高压氮气发生器，以氮气作为超临界流体物理发泡剂，作为加压模具型腔气体的介质；加压单元为空气压缩机，通过控制单元控制为模具型腔提供微孔发泡条件；空气压缩机、高压氮气发生器与模具型腔之间还设置有加压阀；所述调压阀还连通高压氮气发生器和模具型腔，调压阀由总控制单元控制；调压阀、加压阀、稳压阀，综合连通空气压缩机、高压大气发生器与模具型腔，实现模具型腔内气体的加压和稳压过程；卸压阀还连通高压氮气发生器和模具型腔，由总控制单元控制其开启和关闭，用于回收模具型腔气体卸压时排出的高纯度氮气。

一种齿轮微孔注塑成型方法，使用上述齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，包括启动加压单元、压力控制单元，设置模具型腔反压压力和反压时间，启动超临界流体发生器将物理发泡剂加工至超临界状态，与聚合物熔体混合后，在注塑压力作用下注入模具型腔，保持模具型腔中压力稳定供给至反压时间结束；压力控制单元根据模具型腔内不同位置压力增加情况，通过动态卸压维持模具型腔内压力稳定且低于泡孔成核临界压力，但高于泡孔破裂临界压力，直至聚合物熔体填充稳定；聚合物熔体填充完成后，卸压，去反压，使泡孔进一步膨胀，即完成。

可选的，所述聚合物熔体为聚酰胺66；注射速度为8～15mm/s，注射压力为2000～2500bar，冷却时间为30～60s；模具型腔温度为70～90℃；超临界流体占所述聚合物熔体的质量分数为0.2％～0.8％，超临界流体压力为150～200bar；反压压力15～20MPa，反压作用时间26～32s，控制卸压速率为1～5MPa/s。

本发明在传统注塑机的基础上引入能够为模具型腔提供反压条件的可控反压系统，保证熔体注塑在模具型腔内充满反压条件下进行，在模具型腔不同位置布置压力传感器，压力反馈系统根据监测到的压力数据将调整信号实时反馈至加压单元，通过调压阀实时调控模具型腔内压力，使得型腔内压力始终维持在稳定的状态，降低注塑产生的内应力对齿轮性能的影响。克服传统反压设备的反压压力变动范围较大且很难精确调控，存在反压压力低于临界泡孔破裂压力而使泡孔破裂、反压压力高于临界成核压力而抑制制品发泡等不利情况的缺陷。

本发明通过在传统微孔注塑发泡的基础上引入了一套可实时监测并精准调控的可控反压系统，通过控制压力传感器监测模具型腔内不同位置在填充过程中的压力变化，利用型腔压力监测单元和压力反馈单元的协同作用，快速调控型腔内不同位置的反压压力，使得熔体在发泡过程始终处于合适的压力环境下，型腔内压力始终高于气泡破裂压力，低于气泡成核临界压力，熔体在填充过程中持续形成泡核且有效按了填充过程中熔体前沿的气泡破裂，从而使制品内部形成细密均一的泡孔结构，泡孔的膨胀作用在很大程度上解决了传统注塑注塑成型制品因收缩导致的严重形变问题，泡孔破裂比例的大幅降低缓解了传统注塑发泡制品存在的表面气痕问题，提升了制品的表面质量。

使用本发明提供的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，通过可控反压系统的加压单元使模具型腔形成反压环境，设定反压压力和反压时间，聚合物熔体与超临界流体物理发泡剂在注塑机料筒内混合形成聚合物/气体单一均相体系后，注入形成反压环境的模具型腔，保持型腔内压力介于气泡破裂临界压力和气泡成核临界压力之间，在填充过程中抑制熔体前沿的聚合物发泡并避免了成核泡孔的破裂，防止溶解气体溢出形成流痕；同时，在聚合物熔体注入模具型腔的过程中，压力反馈系统根据型腔压力监测单元捕捉到腔内压力变化信息，实时发出压力调整指令，配合调压阀、加压阀和稳压阀将型腔内压力始终保持在预设值附近，保证聚合物发泡过程稳定，防止气泡破裂或不发泡现象的发生。熔体填充完成后，总控制单元控制卸压阀采用一定速率卸压，通过卸压阀将模具型腔内的的高纯度氮气回收至高压氮气发生器，开模得到具有皮层/芯层/皮层“三明治”结构、尺寸精度和表面质量良好的微孔注射齿轮制品。

利用本发明可控反压系统制备的产品发泡过程稳定，形成泡孔更为细密，通过成型过程中泡孔的膨胀消除材料在冷却结晶过程中产生的内应力和体积收缩，解决了现有改善塑料制品尺寸精度的方法所存在的问题。与传统注射成型的制品相比，本发明方法制备的微孔注射成型产品重量减轻了25％～35％，尺寸收缩率下降了30％～50％，具备良好的尺寸稳定性。由于稳定的反压作用有效抑制熔体前沿泡孔破裂，避免了表面气痕，使表面质量提升了20％～40％，无明显的流痕，银纹等表面质量缺陷，有望应用于对尺寸精度和表面质量要求较高的汽车配件、航空航天和电子设备等诸多领域。

本发明可控反压系统组装简易，制备方法绿色环保，适用于企业和科研单位的大批量生产，对复杂沟槽结构制件及精密回转件均有良好的尺寸稳定效果，同时也可用于其他装配尺寸公差小的部件，制备得到的高精度微孔注塑发泡产品具备良好的刚性和韧性，取得了制备低收缩率和高表面质量注塑产品的突破性进展。

附图说明

图1为本发明实施例提供的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统的压力传感器在模具型腔的位置布置示意图；

图3为常规反压设备微孔注塑与本发明提供的具有可控反压系统进行微孔注塑时熔体与反压压力的变化曲线对比图；其中图a表示常规反压设备微孔注塑；图b表示本发明提供的具有可控反压系统进行微孔注塑；

图4为使用本发明提供的可控反压系统运行微孔注塑发泡工艺制作齿轮产品实现的尺寸精度提升的原理示意图；

图5为使用本发明提供的可控反压系统运行微孔注塑发泡工艺制作齿轮产品的截面微观形貌图；

图6为常规注塑成型、常规微孔注塑成型与使用本发明提供的可控反压系统运行微孔注塑发泡工艺制作的齿轮产品正反表面质量对比图；

图7为常规注塑成型与使用本发明提供的可控反压系统运行微孔注塑发泡工艺制作的齿轮产品表面质量对比图；

图8为常规注塑成型工艺与使用本发明提供的可控反压系统运行微孔注塑发泡工艺制作的齿轮收缩率对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施例提供齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，如图1所示，包括用于注入熔融塑料的模具型腔1、高压氮气发生器2、空气压缩机3、调压阀4、加压阀5、稳压阀6、压力反馈系统7、卸压阀8、压力传感器9、Mucell控制单元10和GCP控制单元11组成；

其中调压阀4、加压阀5连通空气压缩机3和高压氮气发生器2组成加压单元，用于向模具型腔提供反压；GCP控制单元11控制空气压缩机3和加压阀5的开启关闭，设定反压持续时间；

稳压阀6、卸压阀8连通空气压缩机3和型腔压力监测单元12组成压力控制单元的稳压单元，用于稳定熔体注射过程中反压稳定；

调压阀4连通高压氮气发生器2和型腔压力监测单元12组成压力控制单元的调压单元；压力传感器9、稳压阀6、调压阀4、卸压阀8与压力反馈系统7通信连通，压力传感器9监测的压力信息输入型腔压力监测单元12，信息处理后反馈至压力反馈系统7，压力反馈系统7输出压力调节信号控制调压阀4开启在熔体注射过程中稳定模具型腔内压力；压力反馈系统7输出压力调节信号控制稳压阀6和卸压阀8控制熔体反压注射过程中稳定模具型腔内压力；

为了更精确和精准控制模具型腔内压力，压力传感器9包括至少11个压力传感器，如图2所示，分别在齿轮轴位置中心对称分布3个压力传感器，在浇口位置中心对称分布4个压力传感器，在齿顶圆位置的压力传感器中心对称分布4个压力传感器。

微孔发泡注塑工艺开始前，启动高压氮气发生器2和GCP控制单元11，打开高压针阀，设置合适的初始反压压力和反压作用时间，同时打开压力反馈系统7和型腔压力监测单元12，用于监测和调控模具型腔内的压力变化，并设定稳定反压压力。当注塑机接收到开始注射信号后，物理发泡剂氮气经Mucell控制单元10加工至超临界状态，被注入熔体内形成聚合物/气体混合的单一均相体系，在注射压力作用下进入模具型腔内。与此同时，调压阀4和加压阀5开始工作，使型腔内压力达到预设稳定反压压力值，熔体填充造成的型腔内压力上升将通过卸压阀8释放过盈压力，稳压阀6保持熔体填充过程中反压压力的供给稳定，直到设定的反压作用时间结束。型腔内的压力传感器9将各点的压力值实时发送至型腔压力监测单元12和压力反馈系统7，根据接收到的压力误差通过压力反馈系统进行压力补偿，自动打开调压阀使得注塑过程中模腔内反压气体能够以动态速率持续流出，从而维持模腔内压力始终稳定在发泡临界压力与泡孔成核临界压力范围内，高压反压压力的存在使得熔体内的物理发泡剂(氮气)一直处于或适当高于饱和压力水平，高压环境能够抑制熔体前沿的发泡和气泡的破裂，同时能够防止溶解气体在填充过程中的溢出，如图3所示；该过程中调压阀根据型腔内压力变化在压力反馈系统7的控制下调控腔内压强稳定，使熔体填充稳定，防止裹气现象发生；

模具型腔1内的聚合物材料经过泡孔成核、生长、定型三个阶段后生成大量直径30～50μm的球状泡孔，如图4所示，泡孔的膨胀作用抵消了制品冷却过程中产生的收缩应力，制品的尺寸精度大幅提升。靠近模具型腔的泡孔受到反压压力的限制，不易破裂并逸出气体，与传统注塑发泡相比，制品表面的流痕、银纹等缺陷减少，注射与卸压过程中模腔内流出气体均通过卸压阀8流回高压氮气发生器2，能够实现反压气体的重复使用，从而大幅降低成本。

本实施例以PA66原料生产齿轮为例，对本发明注塑成型方法做举例说明，在使用本发明提供的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统以PA66为原料制作齿轮过程中，设置参数条件为：PA66原料在80℃的烘箱内干燥2～4h，熔融温度为280～290℃，注射速度为8～15mm/s，注射压力为2000～2500bar，冷却时间为30～60s；模温机温度设置为70～90℃；超临界氮气占所述聚合物熔体的质量分数为0.2％～0.8％，压力为150～200bar，反压压力15～20MPa,反压作用时间26～32s，控制卸压速率为1～5MPa/s；其中不同工艺参数条件下制作的产品物理性能如下表1所示：

表1

通过与常规注塑成型工艺对比，使用本发明可控反压系统，基于微孔发泡的原理，注塑成型塑料制品，在适宜的腔内温度协同稳定的压力环境使得泡孔的致密度和完整性增加，如图5所示，产品的皮层厚度下降，发泡芯层厚度较传统微孔注塑发泡工艺有较大提升；相比常规注塑成型工艺，制备的产品表面更加平整，如图6、图7所示。在产品冷却收缩过程中，泡孔的膨胀对由外而内的收缩应力产生了抑制作用，同时降低了发泡齿轮的内应力，削弱了样品边缘向内收缩的趋势，如图8所示，从而提高了样品的整体尺寸精度获得高精度制品。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，包括注入熔融塑料的模具型腔、超临界流体发生器、加压单元、用于控制模具型腔压力的压力控制单元；所述压力控制单元包括压力监测单元、与压力监测单元通信连接的压力调节单元；所述压力监测单元包括用于监测模具型腔内不同位置压力的压力传感器；所述压力调节单元包括与压力传感器通信连通的压力反馈系统，与压力反馈系统通信连通的调压阀、卸压阀，调压阀连通加压单元和模具型腔。

2.如权利要求1所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，所述压力监测单元包括用于分别监测模具型腔内齿轮轴位置、浇口位置和齿顶圆位置的压力传感器。

3.如权利要求2所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，所述用于监测齿轮轴位置的压力传感器包括中心对称分布的第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器。

4.如权利要求3所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，所述用于监测浇口位置的压力传感器包括中心对称分布的第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器。

5.如权利要求4所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，所述用于监测齿顶圆位置的压力传感器包括中心对称分布的第八压力传感器、第九压力传感器、第十压力传感器和第十一压力传感器。

6.如权利要求1~5任一项所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，所述超临界流体发生器为高压氮气发生器；加压单元为空气压缩机；空气压缩机、高压氮气发生器与模具型腔之间还设置有加压阀；所述调压阀还连通高压氮气发生器和模具型腔；卸压阀还连通高压氮气发生器和模具型腔。

7.如权利要求1~5任一项所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，其特征在于，还包括用于控制超临界流体发生器达到超临界状态的控制单元；用于熔体填充过程中稳定模具型腔中反压压力稳定供给的稳压阀，稳压阀与压力反馈系统通信连通；用于控制超临界流体发生器、加压单元、压力控制单元运行参数的总控制单元。

8.一种齿轮微孔注塑成型方法，其特征在于，使用如权利要求1~7所述的齿轮微孔注塑成型用可控反压系统，包括启动加压单元、压力控制单元，设置模具型腔反压压力和反压时间，启动超临界流体发生器将物理发泡剂加工至超临界状态，与聚合物熔体混合后，在注塑压力作用下注入模具型腔，保持模具型腔中压力稳定供给至反压时间结束；压力控制单元根据模具型腔内不同位置压力维持模具型腔内压力稳定且低于泡孔成核临界压力，但高于泡孔破裂临界压力，直至聚合物熔体填充稳定；聚合物熔体填充完成后，卸压，去反压，使泡孔进一步膨胀，即完成。

9.如权利要求8所述的齿轮微孔注塑成型方法，其特征在于，所述聚合物熔体为聚酰胺66；超临界流体占所述聚合物熔体的质量分数为0.2%~0.8%。

10.如权利要求9所述的齿轮微孔注塑成型方法，其特征在于，所述聚合物熔体的注射速度为8~15mm/s，注射压力为2000~2500bar，冷却时间为30~60s；模具型腔温度为70~90℃；，超临界流体压力为150~200bar；反压压力15~20MPa，反压作用时间26~32s，控制卸压速率为1~5MPa/s。

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