提高成型工艺能力(第二部分):五大关键要素的作用

作者:Fimmtech公司 Suhas Kulkarni 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-03-05
作为与注塑部件的质量密切相关的五大要素,注塑机、材料、模具设计和模具制造、成型工艺以及部件设计有必要在生产开始前得到优化。

在注塑成型过程中,注塑机、材料、模具设计和模具制造、成型工艺以及部件设计这五大要素与注塑部件的质量密切相关。因此,它们之中的每一个要素都必须在生产开始前得到优化。

在由两部分组成系列文章的第一部分(见PT《现代塑料》2018年11月刊)中,讨论了加工能力概念和压力-体积-温度(PVT)图。部件的最佳保压将导致较少的变化,从而提高加工能力(Cp)和加工能力指数(Cpk)。因此,每个阶段的目标都应该是努力实现最佳的部件重量。

达到这种最佳重量与充模与保压阶段有关,因此必须考虑所有相关的问题。在部件顶出时也必须考虑部件的温度,因为它与尺寸稳定性有关。

五大要素对于注塑件的质量十分关键(如图1所示)。在生产部件之前必须细致考虑和优化每个要素。Cp和Cpk是成型过程能生产好部件的量度。数字越大,成型合格部件的机会就越大——或者废品的可能性就越低。由于工艺开发和建立成型工艺构成了五大关键要素中的最后一个要素,因此改进Cpk往往成为工艺工程师的责任。然而,在每一个要素的每个阶段都应该考虑达到所需的Cpk。

决定注塑件的质量的五大要素
图1 五大要素决定着注塑件的质量,在生产部件之前必须细致考虑和优化每个要素

在充模阶段,熔融塑料充满型腔。在保压阶段,额外的塑料被压入以补偿收缩。挑战是在冷却熔体达到其不流动温度之前添加塑料。如果部件保压不足而且型腔内的塑料温度低于不流动温度,则没有任何压力会有助于圧入额外的塑料。在超过不流动温度的情况下,随着保压时间和压力的增加,部件重量增加。并且,压力越高,时间越长,部件重量就会越大。

在较大的部件重量下,型腔内的分子数量开始稳定,注射之间的变化减小。而这种变化上的减小有助于提高加工能力。因此,目标应该是在不使型腔过度充模的前提下实现最大的保压。

保压压力影响部件重量的试验
图2 该实验结果表明,较高的保压压力将减少部件重量的变化,这反映在部件质量和尺寸上

图2的试验数据可以对此进行验证。该试验采用双腔模具,并用2000psi(1psi=6.89kPa)和8000psi的塑料充模压力成型30个部件。然后称量这30个部件,并计算范围。结果清楚地表明,较高的充模压力将减少部件重量上的变化,这会反映在部件质量和尺寸上。

五大要素

五大要素中的每一个要素都在实现减少重量变化的目标中起着重要作用。请注意,下面提到的要素不是独立的因素。一旦成型商理解了努力实现最佳保压的目标,则他们必须设法实现。

1.部件设计

部件设计中的一个重要原则是拥有使塑料充分流动的流动长度,不仅可以流入填充末端,而且能够实现完全充满。流动长度是通过某种材料部件的长度与厚度比(L/T)来定义的。薄壁经常需要增加充模压力,这会使填充末端受到影响。薄壁部分获得的保压压力不一致,将导致充模的特定体积产生变化,反过来又会造成部件尺寸在注射之间产生变化,从而降低了加工能力。通常,如果流动长度较长,则充模结束时的尺寸会与加工能力所要求的不一致。而在部件薄的部分开浇口,然后尝试充满厚的部分也会在厚的部分中产生一致性的问题。

2.材料

当熔体充模进入型腔中时,它会冷却并减少体积。这种收缩必须与注射一致,以实现加工能力。当然,与那些具有较低收缩值的材料相比,具有高收缩值的材料将会有更高的变化。例如,由于PP的收缩率是1.5%~2%或更大,ABS的收缩率是0.7%~1.2%,因此PP会有比ABS更多的注射之间的变化。填料也会影响收缩率,通常降低收缩值。因而材料可以影响到加工能力。

要获得更高的加工能力,需选择收缩率较低的材料。不过,考虑部件的尺寸也很重要。尺寸越大,收缩的绝对值就越大。如果一种给定的材料收缩1%,那么1in部件上的总收缩量将是0.01in,但是在一个10in的部件上,总收缩率会增加至0.1in。由于10in部件的收缩变化显著高于1in的部件。因此前者的加工能力可能较低。(同样的原因,在微成型中尺寸控制非常容易,导致高的Cp值即高加工能力)。

3.模具设计和模具制造

浇口位置、排气量和冷却是影响加工能力的一些因素。请记住,在部件设计中,L/T对填充部件至关重要。浇口位置应使部件的L/T不接近材料的L/T极限,否则将导致注射之间的不一致。在某些情况下,浇口位置的选择取决于部件外观和/或模具成本的经济性,这有可能导致更低的加工能力。因此,应该让成型客户意识到这一点。

模具中的排气口有助于将空气推出型腔并用塑料替代。如果排气口数量和/或排气口深度和/或排气口溢料面不足,则空气不会以所需的速率流出模具,从而限制了塑料流动。由于这种限制,就会产生夹气、空隙、欠注和焦烧等缺陷。

这会再次造成注射之间的充模不一致,导致较低的加工能力。在部件被顶出之前,其温度必须降至材料的顶出温度。在此温度下,材料具有足够的机械性能,从模具中顶出不会变形。但树脂分子仍然可能有足够的能量来移动并且在选择的位置上固定,导致成型后收缩。为了使部件均匀冷却(考虑再次翘曲)和周期时间高效,必须对模具温度实施有效的控制。因此冷却管线的设计是非常重要的。

冷却管线直径、冷却管线与部件的距离以及彼此之间的距离,应该使得在部件被顶出时,没有再次导致收缩和翘曲不一致的“热点”,以免影响加工的一致性。冷却时间取决于从型腔中去除热量的速率。为了缩短周期时间,成型商可以减少冷却时间。这样部件尺寸虽然可以实现,但是注射之间的变化可能很大,导致较低的加工能力。

4.注塑机

熔体必须均匀同时不会降解。料筒和螺杆在实现这个目标中起着重要作用。必须正确选择注塑机料筒,使塑料在其内部停留足够长的时间来熔融,但时间也不宜太长以致降解。因此,料筒的使用百分比不应太低或太高。

这个百分比通常被选择在低侧为15%~20%,在高侧为70%~80%。数字越低,降解的机会就越高,特别是对于热敏树脂和/或周期时间较长的部件。

螺杆旋转的剪切力也必须最小化。剪切越高,将会带来越多的熔体均匀性问题。所有这些问题都会导致熔体的不一致,从而引起加工能力降低。因此,料筒规格的选择很重要。另外,加工过程还必须不受到压力限制。

5.成型工艺

作为中心问题,部件的最佳保压将提供最佳的加工能力。以上四个因素都有助于实现这一目标。工艺工程师必须意识到不要为了加工能力而牺牲部件尺寸。换句话说,保压不足的部件可以达到所要求的尺寸,但可能不具有一个良好的Cp值。

将五大要素结合在一起

除了五大要素的作用之外,还有其他一些共同的因素:

1.成型工艺窗口

这主要与部件设计、模具设计和模具建造有关。成型窗口越大,加工过程就越稳定,加工能力也就越大。较小工艺窗口的主要表现是部件在其保压压力略高于充满压力时开始溢料。这可能由于模具关闭不充分,也可能是因为部件中的一个部分太厚,而需要使用过大的压力。如果机器的吨位不足,则部件将在保压到达最佳水平之前溢料。而加工者随之使用较低的保压压力,就会产生不一致。

2.压力限制过程

这与材料选择、部件设计、模具设计或机器选择有关。压力限制过程将不允许有足够的压力来充模和保压部件,从而导致不一致。具有低L/T限制的材料可以限制过程压力。成型商通常被建议使用黏度较低的材料,以帮助他们在较低的压力下更容易充模。部件设计中薄的部分也可以增加所需要的压力,从而限制过程压力。浇口的位置必须位于让塑料更容易流入填充末端的区域,使其不易受到压力限制。有时候在薄壁部件中,所需的压力可能超过30000 psi的熔体压力,因此必须选择具有较高压力的机器。

以上是一些需要考虑的因素。本文没有提到其他几个因素。重要的是,每个项目都要采用综合考量的方法,避免只考虑一方面的因素。这将确保项目的成功。

在这项研究过程中,还有在型腔与型腔之间加工能力所获得的另一个令人感兴趣的试验结果。这将在后面的文章中进行讨论。

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