第1章塑料精密注射成型的核心原理
　　1.1塑料精密注射成型的概念和意義
　　隨著宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國塑料行業(yè)迅速發(fā)展。注射成型是所有塑料成型方法中*重要的一種，是一種注射兼模塑的成型方法。注射成型作為塑料制品成型*主要的加工方式，其產(chǎn)品具有重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而在各個(gè)領(lǐng)域均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
　　注射成型是一種以高速高壓將塑料熔體注入已閉合的模具型腔內(nèi)，經(jīng)冷卻定型，得到與模腔相一致的塑料制件的成型方法。從注射成型機(jī)（又稱注塑機(jī)）的單元操作來看，其動(dòng)作大致可以表示成如圖1\|1\|1所示的基本動(dòng)作。按照時(shí)間的先后順序可繪制出如圖1-1-2所示的注射成型機(jī)工作過程循環(huán)周期圖。
　�。╝）塑化充模
　�。╞）保壓固化
　�。╟）開模脫出
　　圖1-1-1注射成型機(jī)基本動(dòng)作
　　1-模具加熱片;2-加料系統(tǒng);3-驅(qū)動(dòng)電機(jī);4-模具;5-注射成型機(jī)噴嘴;
　　6-料筒加熱冷卻裝置;7-行程開關(guān);8-注射油缸;9-成型制品
　　圖1-1-2注射成型機(jī)工作過程循環(huán)周期圖
　　二十年來，隨著信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的爆發(fā)式增長，市場對于注塑件的要求越來越高，需求量也在迅速增加，注射成型因廉價(jià)靈活的加工技術(shù)受到廣泛關(guān)注。近年來，諸如微流控芯片等醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)對精密注射成型制件也提出了新的迫切需求，此類塑件在生產(chǎn)中的重點(diǎn)是滿足很高的尺寸公差要求，并在制品的實(shí)際使用周期內(nèi)保持尺寸公差的穩(wěn)定。迫于市場的使用需求，精密注射成型技術(shù)問世。
　　精密注射成型是與常規(guī)注射成型相對而言，指成型制品的精度要求很高，使用通用的注塑機(jī)和常規(guī)注射工藝都難以達(dá)到要求的一種注射成型方法［1］。一般地，精密注塑機(jī)有兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)是制品的尺寸重復(fù)誤差；另一個(gè)是制品的重量重復(fù)誤差。前者由于尺寸大小和制品厚薄不同難以比較。而后者代表了注塑機(jī)的綜合水平，一般普通注塑機(jī)的重量重復(fù)誤差在1%左右，較好的機(jī)器可達(dá)到0.8%；重量重復(fù)誤差低于0.5%為精密注塑機(jī)，小于0.3%為超精密注塑機(jī)。目前普遍采用精密電子秤測量塑件重量的方法，間接測量出塑件重復(fù)精度。但是重量重復(fù)性只是塑件重復(fù)精度的一個(gè)側(cè)面，采用該方法測量重復(fù)精度忽略了塑件形狀、力學(xué)性能等因素的重復(fù)精度。而聚合物的PVT（壓力-比容-溫度）關(guān)系能夠提供聚合物在加工過程的一些信息數(shù)據(jù)，以便于從制品成型過程中檢測、控制塑件精度。
　　聚合物的PVT關(guān)系特性是進(jìn)行制品注塑成型流動(dòng)分析、注塑成型制品模具設(shè)計(jì)和注塑成型過程控制及工藝分析的重要依據(jù)。
　　1.2高分子材料的PVT關(guān)系特性規(guī)律
　　高分子材料的PVT關(guān)系特性描述了高分子材料比容隨溫度和壓力的改變而變化的情況，它作為高分子材料的基本性質(zhì)，也用來說明制品加工中可能產(chǎn)生的翹曲、收縮、氣泡、疪點(diǎn)等缺陷的原因，在高分子聚合物的生產(chǎn)、加工以及應(yīng)用等方面有著十分重要的作用。高分子聚合物的PVT數(shù)據(jù)提供了注射成型過程中熔融或固態(tài)的聚合物在溫度和壓力范圍內(nèi)的壓縮性和熱膨脹性等信息。以高分子聚合物PVT關(guān)系特性為核心的注射成型過程計(jì)算機(jī)模擬與控制為我國精密注塑機(jī)的研制提供了數(shù)據(jù)、檢測、控制等多方面的依據(jù)，引領(lǐng)著精密注射成型的發(fā)展方向。
　　圖1-2-1是無定型聚合物和半結(jié)晶型聚合物的PVT關(guān)系特性曲線圖［2］。從圖中可以看出，當(dāng)材料溫度增加時(shí)，比容由于熱膨脹也隨之增加；壓力升高時(shí)，比
　�。╝）無定型
　�。╞）半結(jié)晶型
　　圖1-2-1聚合物的PVT曲線
　　容由于可壓縮性而隨之降低。在玻璃化溫度點(diǎn)，由于分子具有更多的自由度而占據(jù)更多的空間，比容的增加速率變快，圖中可以看到曲線斜率的明顯變化，因而也可以通過聚合物的PVT關(guān)系特性曲線發(fā)現(xiàn)體積出現(xiàn)突變時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度。在溫度變化過程中，無論是無定型聚合物還是半結(jié)晶型聚合物都會(huì)由于分子熱運(yùn)動(dòng)發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變或玻璃化轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生明顯的體積變化，而半結(jié)晶型聚合物由于在結(jié)晶過程中質(zhì)點(diǎn)的規(guī)整排列，體積會(huì)有較大變化。因此，可以看到無定型聚合物和半結(jié)晶型聚合物的PVT關(guān)系存在很明顯的不同。在更高的溫度下，半結(jié)晶型聚合物在進(jìn)入熔融狀態(tài)時(shí)，比容有一個(gè)突升，這是由于原來結(jié)構(gòu)規(guī)則且固定的結(jié)晶區(qū)受到溫度的影響而變得可以隨意自由移動(dòng)造成的。
　　聚合物PVT曲線圖通過比容的變化，給出了塑料在注射成型過程中的收縮特性，由圖可看出聚合物的溫度、壓力對比容的影響，并獲得聚合物密度、比容、可壓縮性、體積膨脹系數(shù)、PVT狀態(tài)方程等方面的信息［3，4］。對聚合物PVT關(guān)系特性的研究，不僅可以用來說明注射成型過程中與壓力、密度、溫度等相關(guān)的現(xiàn)象，分析制品加工中可能產(chǎn)生的翹曲、收縮、氣泡、疵點(diǎn)等缺陷的原因，獲得聚合物加工的**工藝條件，更快捷方便地制定**工藝參數(shù)，還可以用來指導(dǎo)注射成型過程控制，提高注射成型裝備的控制精度，以制得高質(zhì)量的制品［5，6］。
　　聚合物PVT關(guān)系的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面［7，8］：
　　（1）預(yù)測聚合物共混性；
　�。�2）預(yù)測以自由體積概念為基礎(chǔ)的聚合材料及組分的使用性能和使用壽命；
　�。�3）在體積效應(yīng)伴隨反應(yīng)的情況下，估測聚合物熔體中化學(xué)反應(yīng)的變化情況；
　�。�4）優(yōu)化工藝參數(shù)，以代替一些通過實(shí)驗(yàn)操作誤差或經(jīng)驗(yàn)建立的參數(shù)；
　　（5）計(jì)算聚合物熔體的表面張力；
　�。�6）研究狀態(tài)方程參數(shù)，減少同分子結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系；
　　（7）研究同氣體或溶劑相關(guān)材料的性質(zhì)；
　　（8）相變本質(zhì)的研究。
　　反映聚合物加工過程中實(shí)際情況的聚合物PVT數(shù)據(jù)能使計(jì)算機(jī)模擬的粗略結(jié)果變得更為精準(zhǔn)；聚合物PVT關(guān)系特性曲線圖描述了熔體比容對溫度和壓力的關(guān)系，是使每次成型的制品總是保持相同的質(zhì)量的基礎(chǔ)。
　　1.3塑料精密注射成型的核心原理［9~11］
　　1.注射成型過程中聚合物PVT關(guān)系特性與壓力變化情況
　　為了保證成型制品質(zhì)量就需要保證模具中聚合物材料的比容變化。材料成型過程中的**壓力變化途徑能通過PVT曲線圖得到。聚合物PVT關(guān)系特性曲線圖也能通過一系列不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式（聚合物PVT狀態(tài)方程）來表述。以下針對注射成型過程，結(jié)合聚合物材料的壓力變化情況，對聚合物PVT關(guān)系特性在整個(gè)注射成型加工過程中的變化進(jìn)行詳細(xì)的描述。
　　圖1-3-1描述了聚合物PVT關(guān)系特性和模具型腔壓力曲線。點(diǎn)A是注射成型過程開始的起始點(diǎn)，此時(shí)聚合物以熔融狀態(tài)停留在注塑機(jī)機(jī)筒中螺桿前端部分。A—C是注射階段。點(diǎn)B是模具型腔壓力信號開始點(diǎn)（此時(shí)，模具型腔中的壓力傳感器首次接觸到熔體），之后壓力開始增加。點(diǎn)C時(shí)刻，注射階段完成，熔融的聚合物材料自由地填充模具型腔，后進(jìn)入壓縮階段（C—D），模具型腔壓力迅速上升至**值（點(diǎn)D）。此時(shí)，注射壓力轉(zhuǎn)為保壓壓力，進(jìn)入保壓階段（點(diǎn)D）。有更多的聚合物熔體壓入模具型腔中以繼續(xù)補(bǔ)充先進(jìn)入的熔體由于比容減小冷卻收縮而產(chǎn)生的間隙。此過程一直到澆口凍結(jié)時(shí)（點(diǎn)E）結(jié)束，在點(diǎn)E時(shí)熔體不再能夠進(jìn)入模具型腔。點(diǎn)E是保壓結(jié)束點(diǎn)，也就是澆口凍結(jié)點(diǎn)。剩下的冷卻階段（E—F），模具型腔中的熔體保持恒定體積繼續(xù)冷卻，壓力也快速降低到常壓。這個(gè)等體積冷卻階段尤其重要，因?yàn)樾枰�通過體積的恒定來獲得*小的取向、殘余應(yīng)力和扭曲變形；這個(gè)階段對于成型的尺寸精度具有決定性作用。在點(diǎn)F時(shí)，模具型腔中制品成型，成型不再受到任何限制，可以頂出脫模，并進(jìn)一步自由冷卻至室溫（F—G）。成型制品在F—G階段經(jīng)歷自由收縮的過程。
　�。╝）PVT關(guān)系特性曲線
　�。╞）模具型腔壓力曲線
　　圖1-3-1典型聚合物PVT關(guān)系特性曲線和模具型腔壓力曲線
　　可見，決定*終制品尺寸和質(zhì)量的就是注射成型過程中保壓過程的控制，這也是注射成型過程控制的核心內(nèi)容。保壓過程的控制主要是E—F階段的控制，其對于*終制品的質(zhì)量有很大影響。由于點(diǎn)F在注射成型過程中是不可直接控制的變量，對于點(diǎn)E的控制成為注射成型中聚合物PVT關(guān)系特性控制的核心點(diǎn)。點(diǎn)E的控制受到點(diǎn)D及D—E階段控制（即轉(zhuǎn)壓點(diǎn)和保壓過程的控制）的影響。為此，將注射成型過程控制的重點(diǎn)放在保壓過程控制上。
　　2.基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理
　　目前，現(xiàn)有的注塑機(jī)的控制方式中，都是針對壓力（注射壓力、噴嘴壓力、保壓壓力、背壓、模具型腔壓力、系統(tǒng)壓力、合模力等）和溫度（機(jī)筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、模具型腔溫度、液壓油溫等）這兩組變量的單獨(dú)控制，而在提高控制精度方面也是主要集中在壓力和溫度兩個(gè)變量的單獨(dú)控制精度的提高上，并沒有考慮到對材料壓力和溫度之間關(guān)系的控制。
　　基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理，主要是通過控制聚合物材料的壓力（P）和溫度（T）的關(guān)系來控制材料比容（V）的變化，從而得到一定體積和重量的制品。因此，在保證壓力和溫度兩個(gè)變量的單獨(dú)控制精度的條件下，再保證壓力和溫度之間關(guān)系的控制精度，即可在整體上進(jìn)一步提高注塑成型質(zhì)量的控制精度。由此即可將“過程變量控制”提高到“質(zhì)量變量控制”的等級。
　　注射成型過程保壓階段的控制可分為三個(gè)部分，包括注射階段到保壓階段的V用轉(zhuǎn)壓點(diǎn)的控制、保壓結(jié)束點(diǎn)的控制及整個(gè)保壓過程的控制。正確設(shè)定轉(zhuǎn)壓點(diǎn)和采用分段保壓過程控制，對制品的成型質(zhì)量非常重要。因此，根據(jù)聚合物PVT關(guān)系控制理論，北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民等分別開發(fā)了一系列的注塑成型過程控制技術(shù)，包括：熔體壓力V/P轉(zhuǎn)壓、熔體溫度V用轉(zhuǎn)壓、保壓結(jié)束點(diǎn)熔體壓力控制、保壓結(jié)束點(diǎn)熔體溫度控制、聚合物PVT關(guān)系特性在線控制技術(shù)-保壓過程熔體溫度控制和多參數(shù)組合式控制;同時(shí)，開發(fā)了專門的注射成型保壓過程控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　圖1-3-2是基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理圖，其中，Pn是噴嘴熔體壓力，Tm是噴嘴熔體溫度，Pc1是遠(yuǎn)澆口點(diǎn)處的模具型腔熔體壓力，Tc1是遠(yuǎn)澆口點(diǎn)處的模具型腔熔體溫度，Pc2是近澆口點(diǎn)處的模具型腔熔體壓力，Tc2是近澆口點(diǎn)處的模具型腔熔體溫度，Tc是冷卻液溫度，Ph是系統(tǒng)油壓，So是伺服閥開口大小，Yr是螺桿位置，Vr是螺桿速度。
　　圖1-3-2基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理圖
　　圖1-3-3是基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制系統(tǒng)流程圖。PVT關(guān)系特性控制技術(shù)主要集中在注塑成型保壓過程控制上，包括V/P轉(zhuǎn)壓、保壓過程、保壓結(jié)束點(diǎn)、時(shí)間信號、螺桿位置信號、壓力/溫度信號的選擇程序等。
　　圖1-3-3基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制系統(tǒng)流程圖

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