注塑压铸

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注塑成型【Injection Molding】

又称注射模塑成型,它是一种注射兼模塑的成型方法。注塑成型方法的优点是生产速度快、效率高,操作可实现自动化,花色品种多,形状可以由简到繁,尺寸可以由大到小,而且制品尺寸精确,产品易更新换代,能成形状复杂的制件,注塑成型适用于大量生产与形状复杂产品等成型加工领域。[1] 

在一定温度下,通过螺杆搅拌完全熔融的塑料材料,用高压射入模腔,经冷却固化后,得到成型品的方法。该方法适用于形状复杂部件的批量生产,是重要的加工方法之一。


基本信息

注射成型过程大致可分为以下6个阶段:

注塑成型
合模、射胶、保压、冷却、开模、制品取出。

上述工艺反复进行,就可批量周期性生产出制品。热固性塑料和橡胶的成型也包括同样过程,但料筒温度 较热塑性塑料的低,注射压力却较高,模具是加热的,物料注射完毕在模具中需经固化或硫化过程,然后趁热脱膜。

现今加工工艺的趋势正朝着高新技术的方向发展,这些技术包括:微型注塑、高填充复合注塑、水辅注塑、混合使用各种特别注塑成型工艺、泡沫注塑、模具技术、仿真技术等。


历史


在1868年,海雅特开发了一个塑料材料,他命名为赛璐璐。赛璐璐已经于1851年由亚历山大・帕克斯发明。海雅特改善它,使它能够被加工为成品形状。海雅特同他的兄弟艾赛亚于1872年,注册了第一部柱塞式注射机的专利权。这个机器比20世纪使用的机器相对地简单。它运行起来基本地像一个巨大的皮下注射器针头。这个巨大的针头(扩散筒)通过一个加热的圆筒注射塑料到模具裏。

在20世纪40年代第二次世界大战做成了对价格便宜、大量生产产品的巨大需求。,价格低廉,大量生产的产品。

1946年,美国发明家詹姆斯沃森亨德利建造的第一个注塑机,这使得更精确地控制注射速度和质量产生的物品。本机还使材料混合注射前,使彩色或再生塑料可被彻底混合注入原生物质。1951年美国研制出第一台螺杆式注射机,它没有申请专利,这种装置仍然持续在使用。

在20世纪70年代,亨德利接着开发了首个气体辅助注塑成型过程,并允许生产复杂的、中空的产品,迅速冷却。这大大提高了设计灵活性以及力量和终点制造的部件,同时减少生产时间、成本、重量和浪费。


温度控制

注塑成型设备和模具注塑成型设备和模具

⒈料筒温度:注射模塑过程需要控制的温度有料筒温度,喷嘴温度和模具温度等。前两种温度主要影响塑料的塑化和流动,而后一种温度主要是影响塑料的流动和冷却。每一种塑料都具有不同的流动温度,同一种塑料,由于来源或牌号不同,其流动温度及分解温度是有差别的,这是由于平均分子量和分子量分布不同所致,塑料在不同类型的注射机内的塑化过程也是不同的,因而选择料筒温度也不相同。

⒉喷嘴温度:喷嘴温度通常是略低于料筒最高温度的,这是为了防止熔料在直通式喷嘴可能发生的"流涎现象"。喷嘴温度也不能过低,否则将会造成熔料的早凝而将喷嘴堵塞,或者由于早凝料注入模腔而影响制品的性能。

⒊模具温度:模具温度对制品的内在性能和表观质量影响很大。模具温度的高低决定于塑料结晶性的有无、制品的尺寸与结构、性能要求,以及其它工艺条件(熔料温度、注射速度及注射压力、模塑周期等)。


压力控制

注塑过程中压力包括塑化压力和注射压力两种,并直接影响塑料的塑化和制品质量。

⒈塑化压力:(背压)采用螺杆式注射机时,螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力称为塑化压力,亦称背压。这种压力的大小是可以通过液压系统中的溢流阀来调整的。在注射中,塑化压力的大小是随螺杆的设计、制品质量的要求以及塑料的种类不同而需要改变的,如果说这些情况和螺杆的转速都不变,则增加塑化压力会加强剪切作用,即会提高熔体的温度,但会减小塑化的效率,增大逆流和漏流,增加驱动功率。

此外,增加塑化压力常能使熔体的温度均匀,色料的混合均匀和排出熔体中的气体。一般

注塑成型中的压力曲线注塑成型中的压力曲线

操作中,塑化压力的决定应在保证制品质量优良的前提下越低越好,其具体数值是随所用的塑料的品种而异的,但通常很少超过20公斤/平方厘米。

⒉注射压力:在当前生产中,几乎所有的注射机的注射压力都是以柱塞或螺杆顶部对塑料

所施的压力(由油路压力换算来的)为准的。注射压力在注塑成型中所起的作用是,克服塑料从料筒流向型腔的流动阻力,给予熔料充模的速率以及对熔料进行压实。

注塑成型注塑成型

成型周期

完成一次注射模塑过程所需的时间称成型周期,也称模塑周期。它实际包括以下几部分:

注塑成型周期注塑成型周期

成型周期:成型周期直接影响劳动生产率和设备利用率。因此,在生产过程中,应在保证质量的前提下,尽量缩短成型周期中各个有关时间。在整个成型周期中,以注射时间和冷却时间最重要,它们对制品的质量均有决定性的影响。注射时间中的充模时间直接反比于充模速率,生产中充模时间一般约为3-5秒。注射时间中的保压时间就是对型腔内塑料的压力时间,在整个注射时间内所占的比例较大,一般约为20-120秒(特厚制件可高达5~10分钟)。在浇口处熔料封冻之前,保压时间的多少,对制品尺寸准确性有影响,若在以后,则无影响。保压时间也有最惠值,已知它依赖于料温,模温以及主流道和浇口的大小。如果主流道和浇口的尺寸以及工艺条件都是正常的,通常即以得出制品收缩率波动范围最小的压力值为准。冷却时间主要决定于制品的厚度,塑料的热性能和结晶性能,以及模具温等。冷却时间的终点,应以保证制品脱模时不引起变动为原则,冷却时间性一般约在30~120秒钟之间,冷却时间过长没有必要,不仅降低生产效率,对复杂制件还将造成脱模困难,强行脱模时甚至会产生脱模应力。成型周期中的其它时间则与生产过程是否连续化和自动化以及连续化和自动化的程度等有关。

参数



⒈注塑压力

注塑压力是由注塑系统的液压系统提供的。液压缸的压力通过注塑机螺杆传递到塑料熔体上,塑料熔体在压力的推动下,经注塑机的喷嘴进入模具的竖流道(对于部分模具来说也是主流道)、主流道、分流道,并经浇口进入模具型腔,这个过程即为注塑过程,或者称之为填充过程。压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力,或者反过来说,流动过程中存在的阻力需要注塑机的压力来抵消,以保证填充过程顺利进行。

在注塑过程中,注塑机喷嘴处的压力最高,以克服熔体全程中的流动阻力。其后,压力沿着流动长度往熔体最前端波前处逐步降低,如果模腔内部排气良好,则熔体前端最后的压力就是大气压。

影响熔体填充压力的因素很多,概括起来有3类:⑴材料因素,如塑料的类型、粘度等;⑵结构性因素,如浇注系统的类型、数目和位置,模具的型腔形状以及制品的厚度等;⑶成型的工艺要素。

⒉注塑时间

这里所说的注塑时间是指塑料熔体充满型腔所需要的时间,不包括模具开、合等辅助时间。尽管注塑时间很短,对于成型周期的影响也很小,但是注塑时间的调整对于浇口、流道和型腔的压力控制有着很大作用。合理的注塑时间有助于熔体理想填充,而且对于提高制品的表面质量以及减小尺寸公差有着非常重要的意义。

注塑时间要远远低于冷却时间,大约为冷却时间的1/10~1/15,这个规律可以作为预测塑件全部成型时间的依据。在作模流分析时,只有当熔体完全是由螺杆旋转推动注满型腔的情况下,分析结果中的注塑时间才等于工艺条件中设定的注塑时间。如果在型腔充满前发生螺杆的保压切换,那么分析结果将大于工艺条件的设定。

⒊注塑温度

注塑温度是影响注塑压力的重要因素。注塑机料筒有5~6个加热段,每种原料都有其合适的加工温度(详细的加工温度可以参阅材料供应商提供的数据)。注塑温度必须控制在一定的范围内。温度太低,熔料塑化不良,影响成型件的质量,增加工艺难度;温度太高,原料容易分解。在实际的注塑成型过程中,注塑温度往往比料筒温度高,高出的数值与注塑速率和材料的性能有关,最高可达30℃。这是由于熔料通过注料口时受到剪切而产生很高的热量造成的。在作模流分析时可以通过两种方式来补偿这种差值,一种是设法测量熔料对空注塑时的温度,另一种是建模时将射嘴也包含进去。

⒋保压压力与时间

在注塑过程将近结束时,螺杆停止旋转,只是向前推进,此时注塑进入保压阶段。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料,以填充由于制件收缩而空出的容积。如果型腔充满后不进行保压,制件大约会收缩25%左右,特别是筋处由于收缩过大而形成收缩痕迹。保压压力一般为充填最大压力的85%左右,当然要根据实际情况来确定。

⒌背压

背压是指螺杆反转后退储料时所需要克服的压力。采用高背压有利于色料的分散和塑料的融化,但却同时延长了螺杆回缩时间,降低了塑料纤维的长度,增加了注塑机的压力,因此背压应该低一些,一般不超过注塑压力的20%。注塑泡沫塑料时,背压应该比气体形成的压力高,否则螺杆会被推出料筒。有些注塑机可以将背压编程,以补偿熔化期间螺杆长度的缩减,这样会降低输入热量,令温度下降。不过由于这种变化的结果难以估计,故不易对机器作出相应的调整。

缺陷解决

注塑成型加工过程中是一个涉及模具设计、模具制造、原材料特性和原材料预处理方法、成型工艺、注塑机操作等多方面因素,并与加工环境条件、制品冷却时间、后处理工艺密切相关的复杂加工流程。因此,制品质量的好坏就不单取决于注塑机的注塑精度、计量精度,或是仅仅由模具设计的优劣和模具加工的精度级别决定,通常,它还会受到上述的其他因素的影响和制约。

在如此众多的复合因子约束下,注塑成型制品的缺陷的出现就在所难免,于是,寻求缺陷产生的内在机理以及预测制品可能产生缺陷的位置和种类,并用于指导模具设计和改进、归纳缺陷产生的规律、制订更为合理的工艺操作条件就显得尤为重要。我们将从影响注塑成型加工过程中的塑料材料特性、模具结构、注塑成型工艺及注塑设备三个主要因素来阐述注塑成型缺陷产生机理及解决办法。


注塑成型制品常见缺陷分类

注塑成型加工过程中所用的塑料原料多种多样,模具设计的种类和形式也是五花八门,另外,操作工人对于特定注塑机的熟悉程度以及工人之间的操作技能,实践经验的差异也各不相同,同时,客观环境(如环境温度、湿度、空气洁净程度)也会随着季节变化而不同,这些客观和主观条件共同决定了注塑成型制品缺陷的产生。

一般来说,对于塑料制品性能优劣的评价主要有三个方面:

第一、外观质量,包括完整性、颜色、光泽;

第二、尺寸和相对位置间的准确性,即尺寸精度和位置精度;

第三、与用途相应的力学性能、化学性能、电学性能等,即功能性

因而,如果由于上述三个方面中的任何一个环节出现问题,就会导致制品缺陷的产生和扩展。

注塑成型制品常见缺陷分类

外观缺陷:银纹变色、熔接痕

工艺问题:飞边、缩水、缺胶

性能问题:翘曲、脆化



  • 压力铸造

     

压力铸造high pressure die casting(简称压铸)的实质是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型(压铸模具)型腔,并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。


特点

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压力铸造,有高压和高速充填压铸型的两大特点。它常用的压射比压是从几千至几万kPa,甚至高达2×105kPa。充填速度约在10~50m/s,有些时候甚至 可达100m/s以上。充填时间很短,一般在0.01~0.2s范围内。

与其它铸造方法相比,压铸有以下三方面优点:

产品质量好

铸件尺寸精度高,一般相当于6~7级,甚至可达4级;表面光洁度好,一般相当于5~8级;强度和硬度较高,强度一般比砂型铸造提高25~30%,但延伸率 降低约70%;尺寸稳定,互换性好;可压铸薄壁复杂的铸件。例如,当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm;铝合金铸件可达0.5mm;最小铸出孔径为 0.7mm;最小螺距为0.75mm。

生产效率高

机器生产率高,例如国产JⅢ3型卧式冷室压铸机平均八小时可压铸600~700次,小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000~7000次;压铸型寿命长,一付压铸型,压铸钟合金,寿命可达几十万次,甚至上百万次;易实现机械化和自动化。

经济效果优良

由于压铸件尺寸精确,表面光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用,或加工量很小,所以既提高了金属利用率,又减少了大量的加工设备和工时;铸件价格便易;可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料。既节省装配工时又节省金属。

压铸缺点

压铸虽然有许多优点,但也有一些缺点,尚待解决。如:

1). 压铸时由于液态金属充填型腔速度高,流态不稳定,故采用一般压铸法,铸件易产生气孔,不能进行热处理;

2). 对内凹复杂的铸件,压铸较为困难;

3).高熔点合金(如铜,黑色金属),压铸型寿命较低;

4).不宜小批量生产,其主要原因是压铸型制造成本高,压铸机生产效率高,小批量生产不经济。

2、压铸应用范围及发展趋势

压铸是最先进的金属成型方法之一,是实现少切屑,无切屑的有效途径,应用很广,发展很快。目前压铸合金不再局限于有色金属的锌、铝、镁和铜,而且也逐渐扩大用来压铸铸铁和铸钢件

压铸件的尺寸和重量,取决于压铸机的功率。由于压铸机的功率不断增大,铸件形尺寸可以从几毫米到1~2m;重量可以从几克到数十公斤。国外可压铸直径为 2m,重量为50kg的铝铸件。压铸件也不再局限于汽车工业和仪表工业,逐步扩大到其它各个工业部门,如农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算 机、医疗器械、钟表、照相机和日用五金等几十个行业。在压铸技术方面又出现了真空压铸、加氧压铸、精速密压铸以及可溶型芯的应用等新工艺。


类型

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压铸机一般分为热压室压铸机和冷压室压铸机两大类。冷压室压铸机按其压室结构和布置方式分为卧式压铸机和立式压铸机(包括全立式压铸机)两种。

热压室压铸机(简称热空压铸机)压室浸在保温溶化坩埚液态金属中,压射部件不直接与机座连接,而是装在坩埚上面。这种压铸机的优点是生产工序简单,效率 高;金属消耗少,工艺稳定。但压室,压射冲头长期浸在液体金属中,影响使用寿命。并易增加合金的含铁量。热压室压铸机目前大多用于压铸锌合金低熔点合金 铸件,但也有用于压铸小型铝、镁合金压铸件

冷室压铸机的压室与保温炉是分开的。压铸时,从保温炉中取出液体金属浇入压室后进行压铸。


选择

实际生产中并不是每台压铸机都能满足压铸各种产品的需要,而必须根据具体情况进行选用,一般应从下述两方面进行考虑:

1)按不同品种及批量选择

在组织多品种,小批量生产时,一般要选用液压系统简单,适应性强,能快速进行调整的压铸机,在组织少品种大量生产时,要选用配备各种机械化和自动化控制机构的高效率压铸机;对单一品种大量生产的铸件可选用专用压铸机。

2) 按铸件结构及工艺参数选择

铸件外形寸尺,重量、壁厚等参数对选用压铸机有重要影响。

铸件重量(包括浇注系统和溢流槽)不应超过压铸机压定的额定容量,但也不能过小,以免造成压铸机功串的浪费。一般压铸机的额定容量可查说明书。

压铸机都有一定的最大和最小型距离,所以压型厚度和铸件高度要有一定限度,如果压铸型厚度或铸件高度太大就可能取不出铸件

工艺流程



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压铸生产中,压铸机、压铸合金和压铸型是三大要素。压铸工艺则是将三大要素作有权的组合并加以运用的过程。使各种工艺参数满足压铸生产的需要。压射比压的选择,应根据不同合金和铸件结构特性确定。对充填速度的选择,一般对于厚壁或内部质量要求较高的铸件,应选择较低的充填速度和高的增压压力;对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件,应选择较高的比历和高的充填速度。

浇注温度

浇注温度是指从压定进入型腔时液态金属的平均温度,由于对压室内的液态金属温度测量不方便,一般用保温炉内的温度表示。

浇注温度过高,收缩大,使铸件容易产生裂纹、晶粒粒大、还能造成粘型;浇注温度过低,易产生冷隔、表面花纹和浇不足等缺陷。因此浇注温度应与压力、压铸型温度及充填速度同时考虑。

压铸型的温度

铸压型在使用前要预热到一定温度,一般多用煤气、喷灯、电器或感应加热

连续生产中,压铸型温度往往升高,尤其是压铸高熔点合金,升高很快。温度过高除使液态金属产生粘型外,铸件冷却缓慢,使晶粒粗大。因此在压铸型温度过高时,应采用冷却措施。通常用压缩空气、水或化学介质进行冷却。

充填持压

充填、持压和开型时间

1)充填时间

液态金属开始进入型腔起到充满型腔止,所需的时间称为充填时间。充填时间长短取决于铸件的体积的大小和复杂程度。对大而简单的铸件,充填时间要相对长 些,对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。充填时间与内浇口的截面积大小或内浇口的宽度和厚度有密切关系,必须正确确定。

2)持压和开型时间

从液态金属充填型腔到内浇口完全凝固时,继续在压射冲头作用下的持续时间,称为持压时间。持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。

持压后应开型取出铸件。从压射终了到压铸打开的时间,称为开型时间,开型时间应控制准确。开型时间过短,由于合金强度尚低,可能在铸件顶出和自压铸型落下 时引起变形;但开型时间太长,则铸件温度过低,收缩大,对抽芯和顶出铸件的阻力亦大。一般开型时间按铸件壁厚1毫米需3秒钟计算,然后经试任调整。

压铸涂料

压铸过程中,为了避免铸件与压铸型焊合,减少铸件顶出的摩擦阻力和避免压铸型过分受热而采用涂料。对涂料的要求:

1) 在高温时,具有良好的润滑性;

2) 挥发点低,在100~150℃时,稀释剂能很快挥发;

3) 对压铸型及压铸件没有腐蚀作用;

4) 性能稳定在空气中稀释剂不应挥发过度而变稠;

5) 在高温时不会析出有害气体;

6) 不会在压铸型腔表面产生积垢

铸件清理

铸件的清理是很繁重的工作,其工作量往往是压铸工作量的10~15倍。因此随压铸机生产率的提高,产量的增加,铸件清理工作实现机械化和自动化是非常重要的。

1)切除浇口飞边

切除浇口和飞边所用的设备主要是冲床液压机摩擦压力机,在大量生产件下,可根据铸件结构和形状设计专用模具,在冲床上一次完成清理任务。

2)表面清理及抛光

表面清理多采用普通多角滚筒和震动埋入式清理装置。对批量不大的简单小件,可用多角清理滚筒,对表面要求高的装饰品,可用布制或皮革的抛光轮抛光。对大量生产的铸件可采用螺壳式震动清理机

清理后的铸件按照使用要求,还可进行表面处理和浸渍,以增加光泽,防止腐蚀,提高气密性。


压力铸造新技术

压铸件的主要缺陷是气孔和疏松,通常不能进行热处理。为了解决此问题,目前主要有两个途径:一是改进现有设备;二是发展特殊压铸工艺,如真空压铸,充氧压铸等,下面逐一介绍。

一、真空铸造

为了减少或避免压铸过程中气体随金属液高速卷入而使得铸件产生气孔和疏松,压铸前采用对铸型抽真空压铸最为普遍。根据压室和型腔内的真空度大小又可将真空压铸分为普通真空压铸和高真空压铸。普通真空压铸即采用机械泵抽空压铸模腔内的空气,建立真空后注入金属液的压铸方法该方法。该方法是在动模座和动模座之间用一个密封的真空罩连接,然后通过机械泵将整个真空罩中的气体抽出。高真空压铸的关键是能在很短的时间内获得高真空,高真空压铸的原理是压铸工作前,先从抽真空管将整个压室和型腔中的空气抽出,这个抽真空过程速度一定要尽可能快,使得坩埚中的金属液和压室产生较大的压力差,从而使得坩埚中的金属液体沿着升液管进入压室,接着压射冲头开始向右进行压射。[2] 

二、充氧压铸

充氧压铸是将干燥的氧气充入压室和压铸模型腔内,以取代其中的空气和其他气体。充氧压铸仅适用于铝合金。当铝合金液体压入压室和压铸模型腔时与氧气发生化合反应,生成AL2O3,形成均匀分布的AL2O3小颗粒(直径在1um以下),从而减少或消除了气孔,提高了铸件的致密性。这些小颗粒分散在铸件中,约占总质量的0.1%-0.2%,不影响机械加工。

三、定向、抽气、加氧压铸

定向、抽气、加氧压铸实质上是一种真空压铸和加氧压铸相结合的工艺。工艺过程是,在液体金属充填型腔之前,先将气体沿液态金属填充的方向以超过充填的速度抽空,使金属液顺利地充填;对有深凹或死角的复杂铸件,在抽气的同时进行加氧,以达到更好的效果。

四、半固态压铸

半固态压铸是当液态金属在凝固时,进行强烈的搅拌,并在一定的冷却速率下获得约50%甚至更高的固体组分的浆料,用这种浆料进行压铸。半固态压铸与全液态金属压铸相比有如下优点:

1)由于降低了浇注温度,而且半固态金属在搅拌时已有50%的融化潜热散失掉,所以大大减少了对压室、压铸型腔和压铸机组成部件的热冲击,因而可以提高压铸模面得使用寿命。

2)由于半固态金属粘度比全液态金属大,内浇口处流速较低,因而充填时少喷溅,无湍流,卷入的空气少;由于半固态收缩小,所以铸件不易出现疏松、缩孔,故提高了铸件质量。[3] 


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