微孔注射成型裝置（第四部分）

木彐摘編

微孔注射成型裝置（第四部分）

木彐摘編

編者按：隨著近年來微孔塑料注射成型技術(shù)的快速發(fā)展，為推進這一技術(shù)廣泛應(yīng)用本刊經(jīng)相關(guān)出版單位同意從國外機械譯叢《微孔塑料注射成型技術(shù)》一書，摘編了注射成型技術(shù)與裝備有關(guān)內(nèi)容共分四部分并發(fā)表，使之更好地為科研教學(xué)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維修等提供應(yīng)用與指導(dǎo)，為橡塑行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新奠定理論基礎(chǔ)。

微型注射成型工藝不僅具有節(jié)省材料、降低能耗、縮短成型周期這些既明顯又誘人的優(yōu)點，還大大提高了注塑件的尺寸穩(wěn)定性、促進了注塑件的固化和創(chuàng)新。微孔注射成型可以加工費結(jié)晶性塑料、半結(jié)晶性塑料、熱固性樹脂、熱塑性彈性體和生物塑料等通用塑料和工程塑料，本講座著重介紹微孔注射成型裝置的結(jié)構(gòu)及成型階段原理。

微型注射成型裝置；結(jié)構(gòu)；成型階段；工藝

1　微孔注射成型的液壓系統(tǒng)

設(shè)計微孔注射成型機的液壓和控制系統(tǒng)時有兩個必須滿足的要求，一個是在螺桿回位與SCF計量過程中可控的背壓以及螺桿閑置過程中恒定的背壓，另一個是如前所述的最小注射速度。另一方面，控制系統(tǒng)必須與SCF計量要求相匹配，根據(jù)螺桿內(nèi)自潔段的位置按順序開啟氣體注射器。液動螺桿或者電動螺桿必須配備主動型加工設(shè)置，一般是高的螺桿轉(zhuǎn)速在冷卻的最后完成螺桿回位和SCF計量。這是在最佳條件下利用成型周期縮短設(shè)置每一個動作來運行微孔成型的關(guān)鍵。此外，微孔成型注射成型機的液壓系統(tǒng)必須根據(jù)美國塑料工藝協(xié)會推薦的安全指導(dǎo)原則來設(shè)計。

1.1機筒內(nèi)的液體背壓控制

發(fā)泡裝置有特殊的液壓設(shè)計，液壓要保持恒定，在螺桿停止轉(zhuǎn)動后保持單相溶液所需的最低壓力，一般在6.9 MPa以上和34.5 MPa以下，具體大小取決于所用塑料以及熔體中的氣體用量。另一方面，微孔注射成型時在螺桿回位過程中仍然要求可控的螺桿背壓。

（1）液體背壓曲線微孔成型的液體背壓曲線實現(xiàn)的方式類似于傳統(tǒng)注射成型機，可以根據(jù)物料加工和螺桿設(shè)計設(shè)置多達10條不同的背壓曲線，制得均勻的單相溶液，實現(xiàn)精確的注射量。大多數(shù)情況下，SCF計量需要在整個螺桿回位過程中都有相同的背壓設(shè)計，因為恒定的SCF計量是指在整個計量過程中熔體壓力都沒有變化。但是，如果螺桿的幾何結(jié)構(gòu)在SCF計量位置處使壓力發(fā)生變化，如反向槽螺桿設(shè)計，背壓曲線就需要進行相應(yīng)地設(shè)置。在整個螺桿行程期間反向槽螺桿在固定SCF注射器位置處的壓力曲線表現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢。如果預(yù)置的SCF計量壓力只比熔體壓力高出0.35 MPa，那么，這一位置處的熔體壓力在整個螺桿行程中就會從20.66 MPa增大到23 MPa。這一2.34 MPa的壓力增加值肯定不僅僅是持續(xù)降低SCF計量速率，而且也會使SCF過早地在某處停止計量，因為螺桿自身產(chǎn)生的熔體壓力增加也已經(jīng)超過了SCF和熔體壓力之間設(shè)置的最大壓差21 MPa。但是，如果根據(jù)已知的壓力曲線在控制柜中將背壓設(shè)置為持續(xù)下降，那么，就能得到壓力測量位置圖中的水平壓力曲線。所以，微孔注射成型中仍然需要通常壓力控制曲線所設(shè)置的背壓曲線。

（2）螺桿閑置期間恒定的液體背壓在微孔注射成型中，液壓裝置必須改進，在螺桿完成回位、閑置等待注射的過程中維持恒定的壓力。液壓裝置需要比例閥或者伺服方向閥來控制每一個周期間的最終注射量保持—致，并且在螺桿閑置期間維持其不變。有幾種不同的液壓裝置可以滿足這一要求，討論如下。

由液壓裝置實現(xiàn)位置控制是螺桿閑置期間恒定液體背壓控制的最簡單方法，它只是保持完成回位之后的螺桿位置。采用這種方法時，能夠?qū)㈤e置期間的螺桿位置和背壓保持在一個可以接受的變化范圍內(nèi)。事實上，這種液壓控制不僅經(jīng)濟，而且也是保持單相溶液中熔體壓力的可靠方法。其工作原理是伺服閥非常精確地控制螺桿最終的回位位置。螺桿尾部的初始位置存其停止轉(zhuǎn)動時可能不能保持不變。螺桿會被積聚在螺桿頭處的單相溶液中的氣體壓力向后推，然后，位置偏差會被伺服閥立即糾正，即伺服閥通過注射缸的向前運動推動螺桿向后回到預(yù)設(shè)位置。這一動作會自動使所需維持的背壓得到恢復(fù)，最終平衡的背壓可能不會與預(yù)設(shè)的背壓完全一樣，但是非常接近。一旦由于位置控制的最終平衡而產(chǎn)生壓力損失，可以將這一壓力損失加到預(yù)置的壓力中最終維持背壓和位置，不會有任何損失。這種位置控制方法是大多數(shù)小噸位微孔注射成型機最為常用的方法。

另一種常用的方法是直接進行壓力控制，精確保持預(yù)設(shè)恒定壓力。這同樣適用于微孔成型，因為其要求恒定背壓。采用這種方法在螺桿回位之后維持壓力的困難在于螺桿頭處的瞬時密封。一旦螺桿完成回位，螺桿頭必須立即關(guān)閉，在設(shè)定壓力下螺桿頭處不能有漏流。否則，螺桿會向前漂移，因為螺桿頭處有漏流，而且注射量也減小了。這樣，一旦螺桿的位置變化量超過極限，注射成型機就會停機。圖1給出的典型微孔螺桿頭漂移實驗結(jié)果表明，精確控制壓力的液壓裝置沒有萬全的方法控制螺桿頭?？梢越邮艿姆椒ㄊ菍⒙輻U位置偏差的許用范圍設(shè)置得寬一些（最大偏差許用值為2 mm左右）。只要每個成型周期中預(yù)關(guān)閉截止閥所需的漂移距離恒定，對于微孔注塑件來說，這一許用范圍仍然合理。有了這種特殊的液壓系統(tǒng)和控制參數(shù)設(shè)置，圖1中除了標準的OEM三元件環(huán)形閥V4外，所有螺桿頭都是合格的。

圖1　在靜止頭測試中五個螺桿頭的漂移距離比較

另一方面，對于圖1中測試的所有螺桿頭，在螺桿回位過程中，位置控制也不會有漂移問題，它比壓力控制方法對螺桿頭磨損和密封問題有更大的承受能力。

2002年Engel公司開發(fā)了一種安全裝置，而且還申請了專利。該技術(shù)提供了一種工藝和裝置，在安全裝置打開的過程中避免了對單相溶液的破壞，將流道料或者注塑件從模具中取出，同時維持其安全標準。圖2給出了這種特殊液壓回路的示意圖。它在螺桿回位之后保持螺桿位置，通過截止閥7將通向注射缸的油人口關(guān)閉；然后，控制器（圖2中未示出）根據(jù)與注射柱塞相連的螺桿位置控制傳感器8和螺桿9檢查位置偏移信號。如果糾正螺桿的位置變化需要從液壓系統(tǒng)中得到更多的油和更大的壓力，那么方向控制閥3將打開，使旁路的油通過減壓閥4、節(jié)流閥5和單向閥6供應(yīng)，校正柱塞的位置，保持螺桿的位置。這種壓力系統(tǒng)的螺桿確實是低速運動（節(jié)流閥控制的低流量），能夠維持單相溶液但沒有危險。液壓要盡可能地低，只要能夠維持單相溶液即可。如果出現(xiàn)異常壓力損失或者緊急停止按鈕被按下，需要立即釋放注射成型機的液壓。

圖2　維持恒定壓力和螺桿位置安全所進行的液壓回路改進

維持螺桿頭處背壓恒定的另外一種典型液壓設(shè)計是圖3所示的蓄能器回路。一旦注射缸的壓力低于設(shè)定值，方向控制閥4電路起動。蓄能器1中的液壓油流過減壓閥3、方向控制閥、節(jié)流閥5和單向閥6，提高注射缸中的壓力。壓力開關(guān)打開，從系統(tǒng)泵中給蓄能器充油。8是緊急釋放或排放閥，可以是手動的，也可以是自動的。為了保證微孔成型過程的操作安全，推薦采用自動釋放閥。

圖3　用蓄能器改進液壓回路維持恒定壓力

最后，介紹一種簡單的液壓方法，即對傳統(tǒng)注射成型機進行改造，加裝微孔注射成型功能?，F(xiàn)在廣泛采用這種設(shè)計對現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)進行改造。先導(dǎo)式單向閥是雙向、電磁控制的座閥，一般都是開著的，剛好裝在注射缸入口與主閥（現(xiàn)有閥與注射缸相連）A口之間。一旦螺桿完成回位，單向閥的電磁鐵迅速起動，將液壓注射缸中的高壓油與已有的閥隔離。這種閥要選大尺寸的，以處理通常注射過程中的油流，而且不應(yīng)對注射成型機常規(guī)操作有影響。即使是最好的密封閥也有一些滲漏，所以，這種方法只在螺桿閑置時間不是很長時才有效，理想的時間是不超過1 min。

1.2螺桿驅(qū)動系統(tǒng)的液壓設(shè)計

低黏度SCF注入聚合物熔體時起到增塑劑的作用。一旦SCF和聚合物形成單相溶液，溶液的黏度就會大幅度下降，使螺桿轉(zhuǎn)矩減小。表1表明，將CO2氣體（典型用量為質(zhì)量分數(shù)為6%）添加到GPPS熔體中后，所需的螺桿轉(zhuǎn)矩約下降10%，這就是說可以在不增加液壓馬達功率的情況下提高螺桿轉(zhuǎn)速。上述發(fā)現(xiàn)意味著對于傳統(tǒng)的往復(fù)式螺桿注射成型機，一般只需要采用一個新的微孔螺桿和機筒（帶氣體注射器），而一般不需要對液壓馬達或者塑化裝置進行升級改造。但是，必須提高液壓馬達的轉(zhuǎn)速來彌補氣體的增塑作用以及SCF計量的高背壓所致的產(chǎn)率損失。螺桿驅(qū)動系統(tǒng)的液壓設(shè)計結(jié)果也適用于電動螺桿驅(qū)動系統(tǒng)，只不過是用電動機和齒輪箱代替液壓馬達而已。

表1　加與不加氣體時，直徑105 mm螺桿所需的轉(zhuǎn)矩

還有一種可能，就是將螺桿用作SCF計量的加氣部件。在這種情況下，氣體通過螺桿尾部到達螺桿中，從而實現(xiàn)SCF的計量加氣。所以，這就需要液壓馬達軸的中間是空的，用于螺桿計量系統(tǒng)。

1.3注射液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計

微孔注射成型的液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計必須提供高的注射體積流量，解決方案有兩種，即采用蓄能器和大的體積泵。眾所周知，傳統(tǒng)注射成型機用的通用注射缸有兩種回路，一種是最大壓力回路，一種是回油回路（也稱為最大速度回路）。圖26給出了這兩種回路的示意圖。那么，可以用下面的公式計算力和速度。

在圖4所示的最大壓力回路中，最大注射壓力為

式中：

pmax——最大注射壓力；

As——螺桿大徑處的面積；

圖4　注射缸的兩個基本液壓回路

A2——注射缸反向一側(cè)柱塞截面面積；

d2——注射缸簡直徑。

A2/As稱為液壓缸的強度比，工業(yè)標準值為8～12。從圖4中可以看出，如果油直接流向油箱，那么，柱塞桿沒有產(chǎn)生阻力。回路的背壓是由回油回路的長度、回路直徑以及單向閥采用很小開啟壓力的可能性決定的。但是，為簡化計算，在式（1）中一般將壓力設(shè)為0。不過，這種回路總是要在注射壓力和注射速度之間進行平衡。如果一個增大了，另一個就必須按比例減小。假設(shè)油的流量已知，則圖4所示的最大壓力回路中的注射速度為

式中:

υp——壓力最大時，運行設(shè)定的注射速度；

Qp——注射缸液壓油的流量。

在圖4所示的回油回路中，回油運行設(shè)定的注射壓力由下式給出：

式中:

preg——回油運行時設(shè)置的注射壓力；

A1——注射缸柱塞桿截面面積；

d1—注射缸柱塞桿的直徑。

很明顯，回油運行時注射壓力低于最大壓力運行時的注射壓力，因為柱塞桿一側(cè)的壓力不再是0，而是等于柱塞反向面一側(cè)的壓力。所以，相同的油壓poil推動的有效面積就從A2減小到（A2-A1）。但是，回油時，注射速度增大，即

式中：

υreg—— 回油時設(shè)定的注射速度。

如桌柱塞的面積比A2/（A2-A1）=2，那么結(jié)果就是注射速度增大一倍?？偟膩碚f，微孔注射成型只需要一個回油運行，因為低注射壓力時的高速度決定了大多數(shù)微孔注射成型的應(yīng)用。因此，即使高速注射時需要使用蓄能器，設(shè)計也要關(guān)注回油回路。

圖5所示為高速注射時采用蓄能器的典型液壓回路示意圖。在使用能夠?qū)Ω吡髁孔龀隹焖俜磻?yīng)的插裝閥時推薦微孔注射成型采用蓄能器控制閥。溢流閥7控制閥6的打開，閥6是注射的主要插裝閥。一旦溢流閥7打開，蓄能器1中的油會立即得到釋放，與快速注射泵中的油混合。一旦緊急停車起動，閥3控制著閥4的自動釋放，使用蓄能器中的油。

1.4單向噴嘴（或者閥澆口）的液壓沒計

單向閥或者閥澆口的液壓設(shè)計類似于推桿或者抽芯回路設(shè)計。圖6給出了典型的液壓回路示意圖。單向閥或者閥澆口的液壓設(shè)計必須是正向（或默認）關(guān)閉。所以，這種特殊的液壓回路在系統(tǒng)壓力p可能低于液壓缸中必須設(shè)置的關(guān)閉壓力時用小型蓄能器保持液壓缸中的壓力。另一方面，這種回路有一個先導(dǎo)式單向閥8。當泵操作系統(tǒng)時，壓力p由先導(dǎo)式單向閥8保持，蓄能器正常操作。但是，在泵停止時，系統(tǒng)中不再有壓力，先導(dǎo)式單向閥將打開，使蓄能器安全、自動排油。這是機器上有蓄能器時為保證安全所必需的。要注意的是，實際上總是用簡單的單向閥7將蓄能器與泵隔開。這種回路的另外一個突出設(shè)計特點是液壓缸采用液壓控制的單向閥3。如果出現(xiàn)緊急動力損失，它能維持液壓缸中的壓力。這只是針對微孔注射成型，傳統(tǒng)注射成型采用相反的方法來操作單向噴嘴，就是立即釋放液壓缸中的壓力，在動力損失后單向閥仍然是開著的。

為了安全使用液壓回路，如果注射成型機長時間停機，必須在機筒上使用手動壓力釋放裝置（或者是噴嘴——Herzog標準單向噴嘴釋放裝置），最后釋放機筒內(nèi)的壓力和富氣體熔體。

圖5　高速注射時采用蓄能器的典型液壓回路示意圖

2　微孔注射成型的控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)注射成型機相比，微孔注射成型機的控制系統(tǒng)有數(shù)個重大變化。單向噴嘴或者閥澆口與注射之間的順序控制是保證首先注射、然后再打開止逆元件的重要因素之一。另一個就是多SCF注射器的順序開關(guān)。此外，在螺桿回位過程中，SCF注射器必須是開著的，且打開得滯后一些，關(guān)閉得提前一些。對于一些敏感材料，SCF壓力設(shè)置需要有自適應(yīng)控制，自動跟上機筒內(nèi)的熔體壓力變化。最需要說明的是，對于短螺桿行程，要采用特殊的SCF計量，即脈沖計量。

2.1微孔注射成型順序控制

微孔注射成型的螺桿回位、SCF計量、單向閥開關(guān)和注射等動作有特殊的控制順序。如果只考慮微孔成型的特殊動作，下面討論幾個動作的順序。

（1）單向閥比注射開始時間晚0.5 s左右打開。如果初始注射不能與自動高壓物料排放相匹配的話，這是一種已經(jīng)得到證明、能防止可能的富氣體熔體自由對空注射到模具的方法。

（2）SCF計量必須在螺桿回位過程中完成。在回位開始后晚1 s左右打開，在回位結(jié)束之前關(guān)閉。關(guān)于SCF計量有幾個重要問題。因為在氣體注射器剛打開時，高壓氣體會突然釋放，所以，它只能在螺桿建壓并開始以設(shè)定的螺桿回位速度軸向運動之后打開，而且還要保證SCF能被熔融物料流從SCF計量位置處帶走。同樣的原因，SCF計量必須在螺桿回位結(jié)束之前關(guān)閉。

（3）保壓結(jié)束時，單向噴嘴必須關(guān)閉，使螺桿開始回位。

（4）開模時，單向噴嘴或者閥澆口必須關(guān)閉，安全操作。

（5）如果機筒上采用多SCF注射器計量，它們必須響應(yīng)一些重疊注射時間，以與螺桿自潔段長度匹配。如果假設(shè)機筒上有兩個SCF注射器，注射器設(shè)置總的建議如下：

①第一個注射器在0.2 D處打開（最小打開位置，D為螺桿大徑）。

②第一個注射器在2.1 D處關(guān)閉。

③第二個注射器在1.9 D處打開。

④第二個注射器在整個行程的0.8倍處關(guān)閉。

注射器按時間還是位置關(guān)閉，視哪一個先行。上述設(shè)置是在自潔段最大長度為2.2 D的情況下設(shè)定的。如果沒有第二個注射器，自潔段至少還要長4.2 D才能在4. 2D的長度內(nèi)覆蓋整個SCF計量行程。那么，這種螺桿可以設(shè)計得自潔段只有2.5 D，節(jié)省2 D給額外的混合段，以使SCF更好地分散和混合。

圖6　采用單向閥的典型蓄能器液壓回路

2.2SCF計量控制

SCF計量可能要解決兩個問題，一個是壓力適應(yīng)控制；一個是回位時間短時，采用脈動計量。這兩種方法都得到成功的商業(yè)應(yīng)用，下面將進行討論。此外，對于所有微孔螺桿來說，有一個總的SCF計量控制規(guī)律。

（1）SCF計量的壓力適應(yīng)控制 這是在螺桿回位過程中壓力持續(xù)不斷地變化時螺桿的特殊控制方法，螺桿回位過程需要這種適應(yīng)性控制。這種適應(yīng)性控制能保持SCF計量全過程中的壓力差一致。換句話說，也就是SCF計量壓力設(shè)定隨著壓力傳感器測得的熔體壓力變化而動態(tài)變化，然后讓SCF設(shè)定壓力隨測得的熔體壓力變化，高于熔體壓力恒定壓差。這樣，SCF流量就會保持一致，計量流量也一致。

所以，需要開發(fā)一種界面控制系統(tǒng)，進行適應(yīng)性控制。這種界面控制基本上就是完整的一條線或者完整的環(huán)路（出SCF裝置、返SCF裝置）控制恒定的壓力（輸送壓力）。這一壓力可以由電動調(diào)節(jié)器根據(jù)SCF裝置的壓力來控制。電動調(diào)節(jié)器能夠獲取SCF入口壓力調(diào)節(jié)器的反饋信號，控制器程序控制維持SCF液體流回路與熔體壓力之間的壓差。這樣，注射器就要重新設(shè)計SCF入口和出口以及一個旁路閥。這將在SCF輸送系統(tǒng)設(shè)計中詳細討論。

（2）脈沖SCF計量這種方法成功用于快速回位，即使采用適應(yīng)性方法，也能盡可能快地穩(wěn)定SCF計量。這種簡單的方法實際上就是利用SCF注射器打開時間的快速脈沖。已經(jīng)證明將脈沖時間控制得很短能夠避免在很短的回位時間內(nèi)SCF計量量太多。

（3）SCF計量設(shè)置的總原則 必須開發(fā)微孔注射成型特殊軟件，控制SCF計量的時間順序和螺桿回位行程（不是螺桿轉(zhuǎn)動時間）。一般來說，SCF注射器在機筒內(nèi)達到穩(wěn)定的熔體壓力之前不應(yīng)被打開。編寫微孔注射成型軟件有幾項原則。準確確定這一打開位置的一種方法是取注射行程和螺桿轉(zhuǎn)動之前位置之差，在螺桿轉(zhuǎn)動開始之前再將這一差值的5%加到螺桿位置上。傳統(tǒng)注射成型中的緩沖設(shè)置從未用于微孔注射成型，因為微孔成型沒有保壓過程。一般是在保壓的最后階段出現(xiàn)這種情況；如果沒有保壓，就在注射結(jié)束時出現(xiàn)；螺桿在機筒內(nèi)稍微向后移動，同時解壓縮。之后，在螺桿開始轉(zhuǎn)動之前，解壓縮驅(qū)動SCF注射器打開位置處的反向槽。反向槽中出現(xiàn)這種情況時，就會在機筒內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓力突增，因為反向槽產(chǎn)生了高壓，那么，機筒開始建壓的速度將

快于界面系統(tǒng)中的SCF輸送壓力。這種情況只發(fā)生在反向槽螺桿中，會使SCF計量過程無法控制。不過，只要能夠為最佳單相溶液保持最低壓力，其他的微孔螺桿也能夠承受這種解壓縮。

3　美國塑料工業(yè)協(xié)會氣體計量過程的指導(dǎo)原則

2003年，美國塑料工業(yè)協(xié)會發(fā)布了《臥式注射成型機夾氣工藝推薦原則》（EG-PHIMM）文件。這一指導(dǎo)原則給出了臥式注射成型機夾氣工藝的設(shè)計、安裝和應(yīng)用的推薦意見。

夾氣工藝就是將高壓氣體注入注射成型機機筒、集料器、混合器和噴嘴內(nèi)熔體中的工藝。將氣體混合到聚合物熔體中，并將其保持在一定的壓力下，防止其在注射成型機下述任一部件中發(fā)泡：機筒、集料器、混合器和噴嘴。同樣，將化學(xué)發(fā)泡劑添加到塑料原料中，然后將其加熱和混合。將塑料熔體與化學(xué)發(fā)泡劑的混合物加熱到發(fā)泡劑的分解溫度，然后釋放出氣體。之后將塑料熔體與氣體保持在一定壓力下，避免預(yù)發(fā)泡。幾項主要的括導(dǎo)原則討論如下。

3.1壓力釋放裝置

建議在需要之處設(shè)置壓力釋放裝置（破裂盤或類似裝置），釋放壓力，保護注射成型機上一些強度低的部件。

在壓力釋放處應(yīng)該設(shè)置安全保護裝置。在沒有報警的情況下釋放壓力時安全保護裝置必須能抑制可能的塑料熔體噴射。

3.2截止噴嘴

夾氣工藝總是在機筒內(nèi)維持一定的壓力。建議噴嘴截止動作能主動制動，由于加工的原因，要監(jiān)控其關(guān)閉位置和關(guān)閉力。

可能的備用監(jiān)控裝置包括但不限于：監(jiān)控入口壓力和截止噴嘴的位置。

關(guān)于截止噴嘴的一項新規(guī)定是其必須設(shè)計成關(guān)閉位置為默認值，在緊急制動或者突然斷電時發(fā)揮作用。

3.3釋壓

在臥式注射成型機安全門打開緊急制動時，注射制動器應(yīng)該能自由向后運動(行程的10%)，釋放壓力。

夾氣工藝總是在機筒內(nèi)保持一定的壓力。所以，建議如下：噴射保護(不用工具也能移動)或者非操作一側(cè)是打開著的，而且噴嘴內(nèi)的熔體壓力應(yīng)該立即釋放掉。

3.4安全

《臥式注射成型機夾氣工藝推薦原則》(EGPHIMM)的安全作用必須滿足ANSI/SPIB151．

1的所有要求，截止閥除外。

3.5維護

在關(guān)機之前，微孔注射成型機要清洗含塑料熔體和氣體混合物的機筒，然后參考注射成型機廠商提供的維修程序說明進行操作。

4　擠出機與注射成型機的結(jié)合

這種成型機用擠出螺桿進行塑化，用柱塞進行注射，也稱為兩階螺桿-柱塞注射成型機。盡管這是一種老式設(shè)計，但其已被廣泛用作橡膠、熱固性塑料、結(jié)構(gòu)泡沫、微孔成型和包裝的機械，也是微孔注射成型機的一種替代技術(shù)。1997年Trexel成功地開發(fā)出首臺微孔成型用螺桿一柱塞式注射成型機，但其從未用作微孔注射成型的商用機。2000年Shimb。報遭了用螺桿和柱塞成型的微孔發(fā)泡結(jié)果。Park和他的學(xué)生也開發(fā)了這種螺桿一雙柱塞發(fā)泡成型機，并將其稱為先進結(jié)構(gòu)泡沫成型機。這不僅是結(jié)構(gòu)泡沫，也是微孔發(fā)泡的一個很好的思路。

事實上，這種微孔發(fā)泡成型方法并不比在線發(fā)泡成型復(fù)雜，因為保持單相溶液這一要求獨立于回位和注射這一往復(fù)過程?？偟膩碚f，常規(guī)螺桿一柱塞成型機用于微孔成型時需要一些改進。

4.1擠出機上的SCF計量裝置

在擠出機上加裝的SCF注射器必須進行改進。螺桿轉(zhuǎn)動要完成兩個功能：將塑料塑化，同時進行SCF計量，產(chǎn)生單相溶液。但是，這種螺桿沒有往復(fù)的注射和回位運動。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是塑化和SCF計量與注射或往復(fù)運動完全分開。與注射成型機上的往復(fù)式螺桿擠出機相比，這將使這種擠出機的操作更為簡單，更加穩(wěn)定。除了沒有快速關(guān)閉的螺桿頭這一點外，SCF計量結(jié)構(gòu)與往復(fù)式螺桿一樣。除了沒有軸向相對運動外，所有的自潔段、適合于SCF的計量壓力曲線的凸起環(huán)、快速SCF擴散混合以及均勻的SCF一熔體混合物都與往復(fù)式螺桿一樣。擠出機機筒可以設(shè)計得類似于排氣機筒，但仍然需要壓力傳感器來正確設(shè)置SCF計量。將安全裝置——破裂盤或者壓力釋放裝置保持在機筒上SCF注射器相同的位置，這一點很重要。帶SCF計量的擠出螺桿設(shè)計與帶SCF、計量的往復(fù)式螺桿設(shè)計之間的不同之處如下：

（1）擠出螺桿的自潔段短，而且沿著機筒軸向不需要多個SCF注射器，因為螺桿和機筒的位置固定不變。

（2）SCF計量不必有順序，其將隨著螺桿轉(zhuǎn)動持續(xù)同步動作（除了螺桿在等待柱塞注射這一閑置時間內(nèi)的慢轉(zhuǎn)）。

（3）對于擠出機內(nèi)單相溶液的滿注射而言，SCF計量、混合歷史相同。所以，不需要為保持單相溶液的均勻性而設(shè)置高的背壓，由于往復(fù)運動，螺桿的速度曲線彌補了這種差異。

4.2注射柱塞裝置

作為這種成型機的特殊結(jié)構(gòu)，在擠出機下面有一套注射系統(tǒng)（柱塞兩側(cè)是雙缸，或者在與柱塞同軸處有一個單缸）。那么，往復(fù)運動將從柱塞：①向后，在柱塞頭前部集料；②向前注射、充模。注射運動由直接與柱塞相連的注射系統(tǒng)提供。將擠出機與柱塞分開的一個關(guān)鍵部件是球閥，球閥使擠出機制得的單相溶液通過球閥積聚在柱塞前。球閥在注射成型機的兩個動作過程中關(guān)閉，一個是柱塞的注射，在柱塞機筒內(nèi)產(chǎn)生高壓。這種球閥能保護擠出機，沒有高注射壓力傳遞到擠出機中的危險。這就是說，擠出機機筒的壓力可以設(shè)計得低一些，而這是SCF計量所必需的。所以，擠出機內(nèi)的最高熔體壓力可能只有34.5 MPa。但是，柱塞機筒內(nèi)的壓力會高達138 MPa，甚至更高。即使微孔成型要求低的注射壓力，一般也都將其設(shè)計得與往復(fù)式螺桿的注射壓力一樣。另外，一旦螺桿完成了注射回位，柱塞可能通過稍高一些的壓力壓縮機筒內(nèi)已有的單相溶液，這不僅能夠保持壓力，而且不會使球閥在注射前關(guān)閉。此外，球閥還必須有一些輔助力如彈簧力等，在螺桿完成回位和注射開始之后起動即時關(guān)閉。

柱塞直徑可以靈活設(shè)計，不需要與擠出機螺桿匹配。對于微孔注塑件而言，柱塞直徑可以設(shè)計得稍大一些，充分利用微孔成型注射壓力低這一優(yōu)勢。如果注射行程一樣，那么柱塞直徑增加注射量會更大，注射體積流量也比往復(fù)式螺桿高。此外，柱塞直徑大，注射時間也可以縮短，因為其大大縮短了注射行程。

4.3 保持擠出機內(nèi)壓力的方法

球閥將擠出機與柱塞腔分開，這樣通過柱塞一注射系統(tǒng)的控制裝置，積聚些方法可液內(nèi)的壓力可以維持在所需的高位。但是，擠出機螺桿內(nèi)的壓力在螺桿停轉(zhuǎn)后可能迅速下降，其下降得太快可能使SCF計量處與柱塞注射成型機的擠出機螺桿頭之間已有的單相溶液預(yù)發(fā)泡，而預(yù)發(fā)泡材料是下一步注射所不能接受的。

為了解決擠出機閑置期間的問題，有兩種方法保護SCF計量處與柱塞注射成型機的擠出機螺桿頭之間已有的單相溶液。一種方法是使螺桿以維持其內(nèi)壓力所需的低速不停地轉(zhuǎn)動，另一種方法是在SCF計量注射器上方的擠出螺桿內(nèi)加一個可靠的中間單向閥。

（1）閑置期間螺桿持續(xù)轉(zhuǎn)動

這種方法已在螺桿．柱塞注射成型機上試驗過，需要一些特殊的設(shè)置。首先，螺桿必須以一定的速度轉(zhuǎn)動，以保持SCF計量處與柱塞注射成型機的擠出機螺桿頭之間富氣體熔體區(qū)所需的壓力。為了避免產(chǎn)生太高的壓力，料斗中的物料必須暫時截流，這樣螺桿就只壓縮機筒內(nèi)已有的物料。采用這種方法時，不僅維持了壓力，而且還有助于已有SCF的剪切、混合以及向熔體中的擴散。缺點是操作步驟復(fù)雜，需要改進機器的控制器。

（2）加中間單向閥

上述討論的往復(fù)式螺桿所用的壓力限制元件也能很好地滿足這一要求。一旦螺桿停止轉(zhuǎn)動，機筒內(nèi)的壓力會迅速下降，而通過中間閥的漏流會使閥自動關(guān)閉。事實上，這種改進是解決這一問題的簡單方法，而且也是已經(jīng)在很多材料應(yīng)用中得到證明的方法。

4.4螺桿-柱塞式注射成型機的發(fā)展

采用注射成型機的難題是間歇成型，這就使SCF計量成為非連續(xù)過程。在加拿大多倫多大學(xué)Park實驗室開發(fā)了一種先進的結(jié)構(gòu)泡沫成型機。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，這種先進的結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型機可以稱為螺桿．雙柱塞式成型機，它有可能解決注射成型時間歇成型的SCF計量問題，因為它將氣體溶解過程與注射操作完全隔離開來。其上有一個正位移泵和輔助柱塞，裝在擠出機筒與第一個單向閥之間。在這種情況下，單向閥主動制動，擠出螺桿持續(xù)轉(zhuǎn)動，還將不斷地產(chǎn)生單相溶液，不被注射和模具冷卻所中斷。如果注射和模具冷卻還在進行，那么單相溶液會被儲存在輔助柱塞中；然后，制動器將輔助柱塞中積聚的物料排到主柱塞中，閥打開，單向噴嘴保持關(guān)閉；此后準備下一次注射，而不中斷擠出機進行SCF計量。在主柱塞將物料注入模具中時，閥仍然是關(guān)著的，單向噴嘴保持開啟狀態(tài)。其缺點是有附加動作，即物料在柱塞間的傳遞，而這要花費額外的時間；如果兩個柱塞間的壓差大，可能會產(chǎn)生兩次成核，在模具內(nèi)產(chǎn)生拉伸的泡孔。另外，多一個柱塞和制動器也會增加設(shè)備的成本。

（R-03)

Microcellular injection Molding （Part 4）

Microporous injection molding device （Part 4）

Excerpted by Mu Xue

Microporous injection molding process not only has obvious and compelling advantages such as saving materials， reducing energy consumption， shortening molding cycle， but also greatly improves the dimensional stability of injection molded parts， and promotes innovation and curing of injection molded parts. Microporous injection molding can be processed in non-crystalline plastics， semi-crystalline plastics，thermosetting resins， thermoplastic elastomers and bio-plastics and other common plastics and engineering plastics， this seminar focuses on the structure and forming stage principles of Microporous injection molding device.

microporous injection molding apparatus； structure； forming stage； process

TQ330.662

1009-797X(2016)14-0089-08

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.029

機械工業(yè)出版社出版的《微孔塑料注射成型技術(shù)》
作 者：Jingyi xu ［美］
翻 譯：張玉霞 王向東