吳宏武 瞿金平
華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心
華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室
510640 廣州天河五山
摘要：介紹聚合物動態注射成型技術以及實現該技術的塑化注射裝置。注射成型加工過程中使注射螺桿產生軸向脈動的激振力，可以利用電磁、機械、液壓等方式來產生。電磁式振動塑化注射裝置結構緊湊、振動頻率高；模塊化設計的液壓激振裝置結構簡單，輸出功率高，方便對傳統塑料注射機進行改造。新技術具有加工能耗低制品質量高等特點，通過控制振動頻率與振幅可以對制品的質量進行調控。
關鍵詞：脈動 注射成型 振動
一、前言
在傳統的注塑成型過程中，塑料的熔融完全是靠外加熱與機械剪切來完成的，最后的充模流動則是在穩定的外力作用下進行的。由于塑料本身傳熱性能差，因此在傳統的注射機上，要使料筒中的塑料完全熔融，往往需要比較高的外加熱溫度，才能真正將熱量傳遞給靠里層的塑料。同時因為在塑化與注射過程螺桿沿軸線前后運動，造成了塑料在料筒中的停留時間不均一，其所承受的加熱、剪切歷程也就不等，要使停留時間短的塑料在短時間那徹底熔化，必然需要提高料筒的外加熱溫度。在進行注射充模填充時，由于熔體本身同時具有高粘性高彈性的特點，只有在較大的外力作用下才能使其流動。也就是說要使塑料熔體能夠填充模腔，并將模腔中的空氣排出，要么就是進一步提高熔體溫度，使其粘度降低，容易流動；要么就是施加高的注射壓力，強制使熔體進入模腔進行充模。因此傳統注射成型加工過程中的能耗都比較高，而且制品內部存在有較大的殘余應力。本文介紹一種新的注射成型加工技術——聚合物動態注射成型技術。
二、動態注射成型技術
如果在注射成型過程中引入振動，使注射螺桿在振動力的作用下產生軸向脈動，則成型過程料筒及模腔中熔體的壓力將發生脈動式的變化[1]，如圖1所示。改變外加振動力的振動頻率與振幅，熔體壓力的脈動頻率與振幅也會發生相應的變化，熔體進入模腔進行填充壓實的效果也必然會發生相應的變化。通過調控外加振動力的振動頻率與振幅，可以使注射成型在比較低的加工溫度下進行，或者是可以降低注射壓力和鎖模力，從而減小成型過程所需的能耗，減小制品中的殘余應力，提高制品質量。
三、動態塑化注射裝置 動態注射成型加工過程中使注射螺桿產生軸向脈動的激振力，可以利用電磁、機械、液壓等方式來產生。電磁式振動塑化注射裝置結構緊湊、可達到比較高的振動頻率。圖2是電磁式振動塑化注射裝置的結構示意圖。
液壓激振的輸出功率大、效率高，可產生比較大幅值的脈動。特別是當前大多數螺桿往復式注射成型機所使用的驅動系統都是液壓傳動系統，由液壓馬達、注射油缸驅動注射螺桿旋轉和前后運動，完成熔融計量、注射保壓動作。如果能夠利用模塊化的激振裝置產生液壓激振壓力，并通過合適的結構在不約束螺桿的旋轉運動與前后直線運動的情況下，將激振壓力與系統注射壓力疊加后作用到螺桿上，就可以實現動態注射成型加工。模塊化液壓激振的動態注射成型設備與傳統設備的結構基本相同，應用該模塊化的液壓激振裝置對傳統螺桿往復式注射成型機進行改造的費用也不大，可以在無需增加較大投入的情況下對傳統注射機進行改造，大幅提升塑料制品加工廠的技術水平，而使用與維護仍然符合用戶的原來習慣。
圖3是雙注射缸的動態注射裝置結構原理示意圖[2]。在交變外力F的作用下，激振源油缸中油壓的發生脈動，并傳遞到激振源油缸中作用在螺桿上。熔融計量時，螺桿在背壓力與激振油缸中脈動壓力的聯合作用下，一邊旋轉，一邊脈動式后退，使螺桿頭前面的熔體壓力脈動變化。注射和保壓時，注射油缸的注射壓力和激振油缸中活塞的軸向脈動油壓疊加，使螺桿脈動式向前運動，進行動態注射成型。
圖4是單缸直射式動態注射裝置結構原理示意圖[2]。與雙缸注射不同的是單缸注射的注射油缸同時充當激振油缸的作用。由定量液壓泵，經單向閥﹑換向閥﹑單向節流閥提供的油壓和激振源油缸提供的油壓疊加后產生脈動油壓，并作用到注射油缸的活塞上，從而使螺桿在注射成型全過程中產生軸向脈動，完成動態注射成型。
四、動態塑化注射過程
圖5是實測的動態注射成型過程中螺桿脈動幅值與時間的關系曲線[1]。由圖可以清晰地看到，在動態注射成型過程中，塑化計量、注射、保壓階段螺桿均處于周期性脈動狀態。圖6和圖7是不同外加振動頻率與振幅下，動態注射充模過程的模腔壓力變化情況[1]。外加振動頻率或振幅為零的情況相當于傳統的注射成型充模。對比圖上的曲線可以發現，動態注射充模過程的模腔壓力上升比較快，而且可以達到比較高的峰值，表明該過程的壓力損耗要小，這主要是熔體表觀粘度下降的結果。相應地，熔體的充模能力也將有所提高。
五、動態塑化注射制品性能
圖8和圖9分別是用動態注射成型技術生產的HDPE試樣拉伸強度隨振幅以及頻率而變化的曲線[3]。從這兩個圖上可以看到，與沒有施加振動的傳統注射工藝生產的試樣相比較，動態注射成型的試樣拉伸強度較高。而且隨著振幅或頻率的增大，制品的拉伸強度有所增加。在振頻10Hz、振幅0.05mm時拉伸強度為27.44MPa，比穩態加工的25.38MPa提高了8.2％。iPP在優化的動態注射成型條件下沖擊性能最大可以提高42％，而拉伸性能最大提高8％[4]。因此，通過控制振動場的振動頻率和振幅，可以有效地提高制品的強度，達到自增強的目的。
參考文獻
1. 許海航. 動態注射充模過程模腔壓力響應研究. 華南理工大學碩士論文，2004
2. 瞿金平. 聚合物動態塑化成型加工理論與技術. 科學出版社，2005
3. 許超. 動態注塑過程對制品聚集態結構和性能影響的研究. 華南理工大學碩士論文，2004
4. 鐘磊. 動態注射成型聚丙烯制品性能與工藝優化. 華南理工大學碩士論文，2004
論文來源: 2005年塑料加工年會
