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精密注塑件尺寸精度的解決方案
精密注塑件成型的概念 精密注塑件是指加工成型的注塑件制品的尺寸重復(fù)精度很高，以致使用通用注塑件機(jī)、常規(guī)的注塑件成型工藝難以達(dá)到要求的一種注塑件成型方法?！熬茏⑺芗尚汀边@一概念，主要是區(qū)別于“常規(guī)注塑件成型”，它是基于高分子材料的迅速發(fā)展, 在儀表、電子領(lǐng)域里采用精密塑料部件取代高精度的金屬零件的技術(shù)。目前針對(duì)精密注塑產(chǎn)品的界定指標(biāo)有2 個(gè)，一是制品尺寸重復(fù)精度, 二是制品質(zhì)量的重復(fù)精度。本文主要從制品尺寸重復(fù)精度方面闡述精密注塑件成型。但由于各種材料本身的性質(zhì)和加工工藝不同，不能把塑料制件的精度與金屬零件的精度等同起來。 精密注塑件成型是一門涉及原材料性能、配方、成型工藝及設(shè)備等多方面的綜合技術(shù)，精密塑料制品包括DVD數(shù)碼光盤、DVD激光頭、數(shù)碼相機(jī)零件、電腦接插件、導(dǎo)光板、非球面透鏡等精密產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)是不但尺寸精度要求高，而且對(duì)制品的內(nèi)在質(zhì)量和成品率要求也極高。成型制品的注塑件模具是決定該制品能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的尺寸公差的重要條件，而精密注塑件機(jī)是保證制品始終在所要求的尺寸公差范圍內(nèi)成型，及保證極高成品率的關(guān)鍵設(shè)備。塑料制品最高的精度等級(jí)是三級(jí)。 1.1 精密注射的特點(diǎn) (1)制件的尺寸精度高、公差小，即有高精度的尺寸界限；(2)制品重量重復(fù)精度高，要求有日、月、年的尺寸穩(wěn)定性；(3)注塑件模具的材料好、剛性足，型腔的尺寸精度、光潔度以及模板間的定位精度高；(4)采用精密注射機(jī)更換常規(guī)注射機(jī)；(5)采用精密注塑件成型工藝；(6)選擇適應(yīng)精密注塑件成型的材料。 評(píng)定制品最重要的技術(shù)指標(biāo)，就是注塑件制品的精度( 尺寸公差、形位公差和制品表面的光潔度) 。我國使用的標(biāo)準(zhǔn)是SJ1372―78，與日本塑料制品的精度和注塑件模具精度等級(jí)很接近。欲注塑件出精密的塑料制品，需從材料選擇、注塑件模具設(shè)計(jì)、注塑件成型工藝、操作者的技術(shù)水平等4大因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。 精密注塑件機(jī)要求制品尺寸精度一般在0.01～0.001mm以內(nèi)，許多精密注塑件還要求注塑件機(jī)具有高的注射壓力、高的注射速度；要求合模系統(tǒng)具有足夠大的剛性和足夠高的鎖模精度，所謂鎖模精度是指合模力的均勻性、可調(diào)、穩(wěn)定和重復(fù)性高，開合模位置精度高；要求對(duì)壓力、流量、溫度、計(jì)量等都能精確控制到相應(yīng)的精度，采用多級(jí)或無級(jí)注射，保證成型工藝再現(xiàn)條件和制品尺寸的重復(fù)精度等。 1.2 影響制品尺寸精度的因素 (1)注塑件模具精度；(2)成型收縮率；(3)制品使用環(huán)境的溫度、濕度以及波動(dòng)的幅度。 2 注塑件精密成型材料的選擇原則 機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、抗蠕變性能好、環(huán)境適應(yīng)范圍廣。常用的有四種材料： (1)POM及碳纖維增強(qiáng)( CF) 或玻璃增強(qiáng)(GF)；這種材料的特點(diǎn)是耐蠕變性能好，耐疲勞、耐候性、介電性能好，難燃，加入潤滑劑易脫模。 (2)PA及玻纖增強(qiáng)PA66，其特點(diǎn)：抗沖擊能力及耐磨性能強(qiáng)，流動(dòng)性能好，可成型0.4mm壁厚的制品。玻纖增強(qiáng)PA66具有耐熱性(熔點(diǎn)250℃)，其缺點(diǎn)是具有吸濕性，一般成型后都要通過調(diào)濕處理。 (3)PBT增強(qiáng)聚酯，成型時(shí)間短。成型時(shí)間比較如下：PBT≤POM≈PA66≤PA6。 (4)PC及GFPC特點(diǎn)：良好的耐磨性，增強(qiáng)后剛性提高，尺寸穩(wěn)定性好，耐候性、難燃及成型加工性好。 3 精密注塑件成型中的收縮問題 影響收縮的因素有四種：熱收縮、相變收縮、取向收縮以及壓縮收縮。 3.1 熱收縮是成型材料與注塑件模具材料所固有的熱物理特性。注塑件模具溫度高，制品的溫度也高，實(shí)際收縮率會(huì)增加，因此精密注射的注塑件模具溫度不宜過高。 3.2 相變收縮由于結(jié)晶型樹脂在定向過程中，伴隨高分子的結(jié)晶化，由于比容減少而引起的收縮，即叫相變收縮。注塑件模具溫度高，結(jié)晶度高，收縮率大；但另一方面，結(jié)晶度提高會(huì)使制品密度增加，線膨脹系數(shù)減小，收縮率降低。因此實(shí)際收縮率由兩者綜合作用而定。 3.3 取向收縮，由于分子鏈在流動(dòng)方向上的強(qiáng)行拉伸，使在冷卻時(shí)的大分子有重新卷曲恢復(fù)的趨勢(shì)，在取向方向?qū)a(chǎn)生收縮。分子取向程度與注射壓力、注射速度、樹脂溫度及注塑件模具溫度等有關(guān)。但主要的是注射速度。 3.4 壓縮收縮與彈性復(fù)位，一般塑料都具有壓縮性。即在高壓下比容發(fā)生顯著變化。在一般溫度下，提高壓力成型制品比容會(huì)減小，密度會(huì)增加，膨脹系數(shù)減小，收縮率會(huì)顯著下降。對(duì)應(yīng)于壓縮性，成型材料具有彈性復(fù)位作用，使制品收縮減小。影響制品成型收縮的因素與成型條件和操作條件有關(guān)。 4 精密注塑件注塑件模具 4.1 注塑件模具精度，主要取決于注塑件模具型腔尺寸精度高，型腔定位準(zhǔn)確或分型面精度是否滿足要求。一般精密注塑件注塑件模具的尺寸公差，應(yīng)控制在制品尺寸公差的1/3以下。 4.2 可加工性與剛性，在注塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，型腔數(shù)不宜過多，而底板、支承板、型腔壁都要厚一些，以避免零件在高溫、高壓作用下發(fā)生劇烈彈性形變。 4.3 制品脫模性，注塑件模具要盡量采取少的型腔數(shù)、少而短的流道以及比普通注塑件模具有更高的光潔度，這樣有利于脫模。 4.4 精密注塑件模具的材料，選擇機(jī)械強(qiáng)度高的合金鋼。制作型腔、澆道的材料要經(jīng)過嚴(yán)格的熱處理，選用硬度高(成型零件要達(dá)到HRC52左右) 、耐磨性好、抗腐蝕性強(qiáng)的材料。 5 精密注射機(jī)的特點(diǎn)與選用 5.1 技術(shù)參數(shù)方面的特點(diǎn) 從注射壓力方面劃分，普通機(jī)：147 ～177MPa；精密機(jī)：216 ～243MPa；超高壓機(jī)：243～392 MPa。精密注塑件機(jī)必須高壓的理由是： (1) 提高精密制品的精度和質(zhì)量，注射壓力對(duì)制品成型收縮率有最明顯的影響。當(dāng)注射壓力達(dá)到392MPa時(shí)，制品成型收縮率幾乎為零。而這時(shí)制品的精度只受注塑件模具控制或環(huán)境的影響。實(shí)驗(yàn)證明：注射壓力從98MPa提高到392MPa后，機(jī)械強(qiáng)度提高3%～33%。 (2) 可減小精密制品的壁厚、提高成型長度。以PC為例，普通機(jī)注射壓力177MPa，可成型0.2～0.8mm壁厚的制品，而精密機(jī)注射壓力在392MPa時(shí)可成型厚度在0.15～0.6mm 之間的制品。超高壓注射機(jī)可獲得流長比更大的制品。 (3) 提高注射壓力可充分發(fā)渾注射速率的功效。欲達(dá)到額定注射速率，只有兩個(gè)辦法：一是提高系統(tǒng)最高注射壓力；二是改造螺桿參數(shù)，提高長徑比。精密注射機(jī)的注射速率要求高。以德國制造的DEMAG精密注塑件機(jī)(60～420噸)為例，它的注射速度能達(dá)到1000mm/s，螺桿能獲得12m/s2的加速度。 5.2 精密注射機(jī)在控制方面的特點(diǎn) (1) 對(duì)注塑件成型參數(shù)的重復(fù)精度(再現(xiàn)性)要求高，宜采用多級(jí)注射反饋控制：a.多級(jí)位置控制；b.多級(jí)速度控制；c.多級(jí)保壓控制；d.多級(jí)背壓控制；e.多級(jí)螺桿轉(zhuǎn)速控制。位移傳感器的精度要求達(dá)到0.1mm，這樣可以嚴(yán)格控制計(jì)量行程、注射行程以及余料墊的厚度(射出監(jiān)控點(diǎn))，保證每次注射量準(zhǔn)確，提高制品成型精度。料筒及噴嘴溫度控制要精確，升溫時(shí)超調(diào)量要小，溫度的波動(dòng)要小。精密注塑件應(yīng)采用PID控制，使溫度精確度在±0.5℃之間為宜。 (2) 塑化質(zhì)量要求，塑料塑化的均勻性不僅影響到注塑件件的成型質(zhì)量，還會(huì)影響到熔融塑料通過澆口時(shí)所受阻力的大小，為了得到均勻的塑化，設(shè)計(jì)專用的螺桿和使用專用的增塑技術(shù)必不可少。另外，機(jī)筒的溫度也應(yīng)精確控制，現(xiàn)在螺桿、機(jī)筒溫度多采用PID控制(比例、微分、積分)，精度可控制在±l℃內(nèi)，基本可滿足精密注塑件的要求，如果采用FUZZY控制方法，就更適合于精密注塑件了。 (3) 工作油的溫度控制要高油溫的變化導(dǎo)致注射壓力的波動(dòng)，必須對(duì)工作油采用加熱、冷卻的閉環(huán)裝置，把油溫穩(wěn)定在50～55℃為宜。 (4) 保壓壓力的影響，保壓對(duì)精度塑件的影響極大，準(zhǔn)確地說，保壓能較好地補(bǔ)縮，減小塑件變形，控制塑件精度，保壓壓力的穩(wěn)定決定了塑件的成型精度，螺桿的終止位置不變是決定保壓效果的決定因素。 (5) 對(duì)注塑件模具溫度控制要求若冷卻時(shí)間相同，注塑件模具型腔溫度低的制品厚度要比溫度高的制品厚度尺寸大。如POM、PA類材料，模溫50℃時(shí)厚度為50～100μm的制品，在80℃時(shí)厚度減小到20～40μm，100℃時(shí)減小到只有10μm。室溫也對(duì)精密制品尺寸公差有影響。 5.3 精密注塑件機(jī)的液壓系統(tǒng) (1) 油路系統(tǒng)需要采用比例壓力閥、比例流量閥或伺服變量泵的比例系統(tǒng)。(2) 在直壓式合模機(jī)構(gòu)中，把合模部分油路和注射部分油路分開。(3) 由于精密注塑件機(jī)具有高速性，為此必須強(qiáng)調(diào)液壓系統(tǒng)的反應(yīng)速度。(4) 精密注塑件機(jī)的液壓系統(tǒng)，更要充分體現(xiàn)機(jī)― 電― 液― 儀一體化工程。 5.4 精密注塑件機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1) 由于精密注射機(jī)注射壓力高，這就要強(qiáng)調(diào)合模系統(tǒng)的剛度。動(dòng)、定模板的平行度控制在0.05～0.08mm 的范圍內(nèi)。 (2) 要求對(duì)低壓注塑件模具的保護(hù)及合模力大小精度的控制。因?yàn)楹夏ＡΦ拇笮∫绊懽⑺芗＞咦冃蔚某潭?，最終要影響到制件的尺寸公差。 (3) 啟、閉模速度要快，一般在60mm/s左右。 (4) 塑化部件: 螺桿、螺桿頭、止逆環(huán)、料筒等, 要設(shè)計(jì)成塑化能力強(qiáng)、均化程度好、注射效率高的結(jié)構(gòu)形式；螺桿驅(qū)動(dòng)扭矩要大，并能無級(jí)變速。 結(jié)論：無論何種精密注塑件機(jī), 最終都必須能夠穩(wěn)定地控制制品尺寸重復(fù)精度和質(zhì)量重復(fù)精度。 6 精密注射機(jī)的主要代表型號(hào) 精密注塑件成型機(jī)的研制方面代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平的生產(chǎn)注塑件加工商主要有德國的克勞斯瑪菲、德瑪格、雅寶、阿博格以及日本的日精、日鋼、東芝機(jī)械和住友重機(jī)等注塑件加工廠。德國阿博格公司推出的精密注射機(jī)合模機(jī)構(gòu)采取了箱式設(shè)計(jì)，以此來提高鎖模精度。由于三板式注射機(jī)前 板與后板均固定于機(jī)架上，當(dāng)鎖模力施加時(shí)，四拉桿的伸長受到機(jī)架的約束，從而使拉桿趨向“拱橋形”而影響鎖模精度，箱式樣設(shè)計(jì)的結(jié)果從限制不良變形的角度提高鎖模精度。注射油缸采用雙向壓力伺服控制，精確定位螺桿位置，使注射量控制精度提高一倍；采用變頻器優(yōu)化控制主泵馬達(dá)，不僅使液壓系統(tǒng)控制精度提高，而且節(jié)能效果顯著；此外，采用模塊化設(shè)計(jì)，注塑件成型機(jī)各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)用戶實(shí)際需要，采取液壓與電動(dòng)兩者的組合，鎖模系統(tǒng)和注射系統(tǒng)空間相對(duì)位置也可以有多種配置。 日精公司采用了新的控制系統(tǒng)TACT，提高響應(yīng)速度、操作穩(wěn)定性、液晶屏顯示的多語言控制界面；新的注射機(jī)構(gòu)：螺桿長徑比加大增強(qiáng) 塑化效果，五段溫區(qū)優(yōu)化塑化溫度控制，并對(duì)油壓回路進(jìn)行了優(yōu)化；油路壓力損失降低、鎖模效率提高、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性提高，開發(fā)出新的油壓式FN系列精密注塑件成型機(jī)，還開發(fā)成功了油壓式小型精密注塑件成型機(jī)NP7RealMini、AU3E、AS15 等機(jī)型。該精密注塑件成型機(jī)主要的加工材料為液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)等工程塑料。 日精NEX150 精密注射機(jī)綜合了Ultimate微型注塑件技術(shù)，可用于大批量注塑件成型加工微小的精密塑料部件，配置有優(yōu)化設(shè)計(jì)的精確計(jì)量和快速回應(yīng)注射系統(tǒng), 高精密和高剛性的合模機(jī)構(gòu), 可加工0.1～0.3g重的精密微型塑料部件，用途包括數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、硬盤、精細(xì)針孔連接器等等。日本制鋼所也開發(fā)出J-ELII-UPS超高速精密注塑件成型機(jī)。在標(biāo)準(zhǔn)保壓條件下, 制品重量的變動(dòng)幅度為0.022 克, 采用新的保壓控制方式后，制品重量變動(dòng)幅度可減小到0.006 克。
