如何成型不弯曲的活铰链

作者:Injection Molding Solutions John Bozzelli 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2017-03-29
活铰链可应用于许多领域,从普通的上翻盖到诸如止血钳的医疗器械.想要生产一款顶出时不会弯曲的活铰链,有5个要素需要得到关注和完善,这样才能减少加工中的问题,获得更高的利润.

与其他材料相比,塑料的一项突出优势是能成型为活铰链。活铰链可应用于许多领域,从普通的上翻盖(如盖子和牙线盒)到不太常见但灵巧的医疗器械(如止血钳)。虽然应用的范围各不相同,但是成型它们的规则都一样。

止血钳是活铰链一个应用实例

大多数加工商在成型活铰链方面碰到的问题,可以归结于他们将成型看作了一门艺术而非一门科学。因为笔者职业是专注于“使成型更接近于一门科学”,所以本文的目的简单直接,就是讨论如果能够生产出在顶出时不会弯曲的铰链。

活铰链是一个很好的例子,它解释了为什么必须遵循传奇的塑料设计师Glenn Beall提出的针对一个成功应用的策略。在他提倡的5个关键要素中,可以说每一个要素对于生产功能性铰链都十分关键,而且这些要素之间的相互作用是高度相联的。这5个要素分别是:零部件设计、树脂选择与处理、模具设计、加工和测试。

加工商们需要把这五个要素连同它们的子要素都安排妥当。如果认为可以跳过其中任何一个,那可以说是在自找麻烦。每一个要素都需要认真关注,这可以摆脱常见的生产问题,如铰链顶出后会立即出现弯曲。虽然弯曲可以补救,但是如果每个要素都处理好,则可以避免这项多余的工作。换句话说,弯曲的活铰链正在浪费加工商的生产时间,使其蒙受损失。但问题是,许多成型商只想尽快把模具制造好然后开始加工部件,却没能对细节进行认真研究。在本文中,让我们来回顾一下每个要素,看看它们是否真的准备就绪。

部件设计

有几篇覆盖活铰链设计的文章可用。有两篇必读的文章,作者分别是Beall(short.ptonline.com/beall)和Proto Labs(short.ptonline.com/proto)。重复介绍这些大师写的东西毫无意义,读者们可以自行查阅。总之,想要成型一个真正的功能性活铰链,正确的设计是必须的。

树脂选择

均聚聚丙烯(PP)经常被推荐作为成型活铰链的首选材料;但是《Plastics Technology》的专栏作家Mike Sepe有另外的观点,笔者尊重专家建议。Sepe推荐使用无规共聚聚丙烯或轻微改性的嵌段共聚物。一般来说,韧性越高越好。当铰链弯曲时,注意发白(应力发白)。较高的分子量和低的熔体流动速率会使铰链的性能更好,但也熔体也更难注入模具。当然,聚丙烯不是唯一的树脂选择,尼龙(PA)和聚乙烯(PE)也可以使用。

材料的成核和适当的分子取向也很重要。成核速率与树脂和过程相关。分子取向与加工和模具(浇口位置)相关。

另外,颜色和颜色载体也是需要关注的重要问题。在开始大批量加工之前,要热循环部件,测试所有的颜色和着色剂载体,以确保铰链的性能合格,然后再开始生产。加工本色树脂并把结果与所有的颜色对比,如果有问题,及时联系着色剂供应商。

值得一提的是,不同的颜色会改变结晶度。由于成型铰链的树脂所需结晶度较低,因此好的着色剂供应商可以调节成核,在你的颜色范围内提供更均匀的结晶度。在成型车间里,常会看到一种或两种颜色连续引起问题,这意味着生产效率低、人工和机器时间的浪费、性能不佳以及利润损失,因此要购买必须要正确选购着色剂。

模具设计

模具实际中蕴含了无数的细节。其中,浇口位置是一个非常关键的因素。加工商们都不希望在铰链区附近出现熔接线,对此,确保形成一个对称的流锋并使其稳定通过铰链是非常关键的。浇口必须确保熔体流动垂直于铰链,以优化横跨铰链的分子取向。

模具充模模拟是确定充模能力、熔接线形成区域以及定位急需的放气口位置的一种理想方法。在仿真模型的铰链区域中,细化网格元素的尺寸和形状,以捕捉真实的压力损失是非常重要的。要确保正确的浇口位置,以便当流锋到达铰链区域时可以产生适当的压力,推动熔体通过铰链而没有停滞。另外,使分子取向垂直于铰链也很关键,对此,横跨铰链的稳定的熔体流动是必需的。

如果加工商想成型出无凹陷的部件,在“后铰链”(当物料流入型腔时)部分设计肋和凸台并不是一个好选择。因为铰链的冻结先于浇口冻结,所以对铰链的后一段保压是很困难的一件事。

冷却也是模具结构设计中的一个重要方面,特别是在铰链区域。这对于能否生产出高品质的铰链(没有弯曲)和延长铰链寿命至关重要。通常情况下,这个区域需要有一个平行的水路,并尽可能接近铰链运行,这将会最大限度地减少结晶,提高铰链的寿命和强度。

加工

熔体质量是关键,所以要避免通用(或“无目的”)螺杆。螺杆L/D值最小为20:1,且其设计应该确保即便在没有混合机的情况下也能提供优异的熔体均匀性。注射量应小于机筒容量的60%,以确保良好的熔体质量。螺杆转速的设定要使大部分的部件冷却时间与螺杆复位时间相重合。

树脂的均匀性应该得到首要关注。聚丙烯、聚乙烯和尼龙是半结晶材料,比无定形树脂更难以熔融,因此每磅材料熔融所需的热量(单位BTU)是无定形树脂的两倍。

推动材料通过铰链约0.008in.标称壁的压力损失是比较大的,因此要确保机器不受压力限制。为了应对各种铰链应用,机器应该至少有30000psi(1psi=6895MPa)的压力。

另外,想成型一个好的活铰链,还要确保高速度充模。分子取向应垂直于铰链,而不是与其平行。缓慢充模或者当物料到达铰链区域时有任何的迟滞都可能降低铰链的强度,使其容易撕裂和/或只能工作几个周期。需要注意的一点是,更快的充模速度也需要极佳的排气,而且可能需要真空排气。

为了采用一个合适的流动模式,以确保分子的取向垂直于铰链,可以做一个欠注射的研究,从100%填充到欠料,然后观察铰链区充模采用的模式。它必须是对称的,没有迟滞,并以较快的速度使分子垂直于铰链取向。由于铰链的标称薄壁一般都冻结得很快,发生在浇口冻结之前,因此对铰链外的区域进行保压也常常变得很困难。

冷却时间大约要占周期时间的95%,这也许是保持分子取向垂直于铰链的最关键的要素之一。另外,要确保铰链区冷却迅速,以尽量减少结晶。为了达到此目的,模具的铰链部分必须快速冷却,这需要使用约15℃的低水温。

测试

和往常一样,热循环部件并测试几个周期和应力发白。通过Mike Sepe推荐的粒料与部件的熔体流研究以检查降解。变化最好不要超过30%~40%的变化。另外要对所有的颜色进行测试。

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