再談注塑成型中的工藝控制

柯翼，金敬明

（德馬格塑料機(jī)械（寧波）有限公司，浙江 寧波 315800）

1 塑料干燥溫度

為了能生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品，有必要控制原料的水分。因此生產(chǎn)之前第一步就是合適的干燥工序。

為了干燥原料，干燥空氣的露點(diǎn)必須保持在一個(gè)很低的水平。因此，空氣需要經(jīng)過(guò)干燥劑并被加熱到某種材料的特定溫度，然后干燥的熱空氣可從塑料粒子中帶走水分子。這樣，原料便能達(dá)到預(yù)期的殘余水含量，符合生產(chǎn)工藝的要求。

干燥的溫度和時(shí)間必須精確嚴(yán)格要求。如果干燥的時(shí)間太短，原料的含水量太高；如果干燥時(shí)間太長(zhǎng)或溫度偏高，有些原料便會(huì)發(fā)生熱降解。不同的含水量會(huì)引起螺桿預(yù)塑終點(diǎn)的不穩(wěn)定，并且進(jìn)一步影響產(chǎn)品質(zhì)量，不同材料推薦的干燥條件見(jiàn)表1。

注：這里需要指出的是，干燥的原料在機(jī)器料斗里停留的時(shí)間不能超過(guò)1 h，以避免受潮。理想的話，干燥的原料應(yīng)該直接送到料筒的下料口。

2 料筒溫度

熔料溫度受螺桿轉(zhuǎn)速和背壓影響，但最重要的還是料筒的溫度。因?yàn)槿哿蠝囟瓤梢試?yán)重影響產(chǎn)品的顏色、表面質(zhì)量、強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性，熔料溫度又和料筒的溫度息息相關(guān)，所以料筒的溫度是極其重要的工藝參數(shù)。

根據(jù)螺桿直徑和長(zhǎng)度，最小的溫控區(qū)必須使料筒達(dá)到理想的溫度曲線。這對(duì)于工程塑料的工藝過(guò)程相當(dāng)重要。尤其對(duì)于那些注射量小且循環(huán)周期長(zhǎng)的產(chǎn)品，熔料要在料筒里停留較長(zhǎng)的時(shí)間，那就需要最合適的溫度控制，以最小化熔料的熱應(yīng)力。因此，即使是較低溫度設(shè)定也必須非常精確。

表1 不同材料推薦的干燥條件

對(duì)于注射量大的產(chǎn)品，送料區(qū)溫度相對(duì)要高些，目的是盡快熔解原料并使其有足夠長(zhǎng)的時(shí)間停留在料筒中。

注塑機(jī)必須有相關(guān)單元記錄加熱各段的比例功率的使用量。在生產(chǎn)過(guò)程中，比例功率讀取了料筒能耗的信息。在制造工程產(chǎn)品時(shí)，比例功率應(yīng)該在10%～40%。在送料段和前機(jī)筒比例功率大概為30%～40%，其余段大約10%～20%，如圖1所示。

如果要生產(chǎn)周期短的薄壁產(chǎn)品，那么功率比例要相對(duì)高一些，因?yàn)樵系纳a(chǎn)量高。送料段約50%～60%，段2和段3在20%～40%之間，計(jì)量段在10%～20%之間，噴嘴處為20%～30%，如圖2所示。

料筒的溫度曲線從送料段至前機(jī)筒應(yīng)該是緩慢上升的，當(dāng)然兩種顯著的情況除外。即當(dāng)塑化PA時(shí)，送料段就必須用較高的溫度以使其補(bǔ)償料筒壁的熱量散失，使原料可以開(kāi)始熔化。如果使用障壁螺桿，送料段溫度也必須比其他加熱區(qū)高，以保障均一和高效的塑化效果。

噴嘴的溫度應(yīng)該比較接近前機(jī)筒的溫度，一般情況下塑料的熔化溫度在這一區(qū)域不能有太多的影響。

對(duì)于一些比較容易和快速熔化的材料，比如PS、SAN、PMMA 等，不能讓其在3個(gè)螺桿直徑長(zhǎng)度前熔化，這點(diǎn)很重要。這是唯一能夠防止空氣在低背壓的情況下混在熔料里，而不是從下料口排除的方法。這些空氣被壓縮進(jìn)入熔料中，最后在產(chǎn)品中顯現(xiàn)出灰色或者黑色的條紋（透明產(chǎn)品中），這就是為什么送料段使用較低溫度的一個(gè)原因。

圖3中可以看出，溫度曲線取決于所需要的螺桿行程，并且必須在料筒各段上采取不同設(shè)置。對(duì)于一些小注射量（螺桿行程）和可能周期比較長(zhǎng)的情況，送料段和壓縮段的溫度需設(shè)置相對(duì)低一些。對(duì)于另一些大注射量（螺桿行程）和周期較短的情況，送料段和壓縮段的溫度設(shè)置相對(duì)高一些。

圖1 PA6產(chǎn)品生產(chǎn)中料筒各段的比例功率

圖2 生產(chǎn)PP為原料的包裝產(chǎn)品料筒各段的比例功率

圖3 在最大和最小螺桿行程時(shí)推薦的溫度曲線，比如注射的熔料是PP

正如前面提到的，料筒的溫度曲線設(shè)置隨著標(biāo)準(zhǔn)三段螺桿的直徑變化而不同：在障壁螺桿中障壁段之前，送料段的溫度要有顯著高于普通三段螺桿以更好的塑化。這樣一來(lái)，螺桿長(zhǎng)度方向上，塑料顆粒的運(yùn)輸受到阻礙，從而達(dá)到更好的塑化效果。對(duì)于障壁螺桿，我們推薦噴嘴附近的溫度適當(dāng)下降。

料筒溫度偏差不應(yīng)該大于± 3℃。對(duì)于小螺桿，或者對(duì)溫度敏感的材料，這個(gè)偏差可能要求更小。相對(duì)于設(shè)定值，大的溫度偏差往往意味著螺桿轉(zhuǎn)速、背壓、料筒溫度的設(shè)定不正確，或者螺桿直徑選擇不適合。

3 下料口溫度

長(zhǎng)久以來(lái)，我們都更關(guān)注料筒、熔料和模具溫度，而忽視了下料口的溫度。正確科學(xué)的下料口溫度對(duì)于材料顆粒的落料和輸送過(guò)程起到關(guān)鍵作用。因?yàn)椴牧项w粒和料筒表面的摩擦系數(shù)由溫度決定的，所以這一個(gè)區(qū)域合理的溫度控制必須作為運(yùn)行條件。

正確選擇下料口的溫度對(duì)于塑化過(guò)程材料的持續(xù)供給和最終零件的質(zhì)量提高，有著很大影響。通常情況下，只有當(dāng)塑化過(guò)程變的不穩(wěn)定的時(shí)候我們才會(huì)發(fā)現(xiàn)下料口的冷卻水路已經(jīng)完全被水垢堵塞，這樣使得機(jī)器不可能去完成冷卻或者控制這一段的溫度。因?yàn)楦吣Σ粒@個(gè)區(qū)域的溫度可能會(huì)上升超過(guò)100 ℃。如果原料為PMMA、PS、SAN或者ABS，材料粒子在送料段前段可能因?yàn)闇囟忍叨兊暮莛ぃ@樣一來(lái)送料段就會(huì)堵塞，最終導(dǎo)致塑化時(shí)間的偏差。

通常情況下，較高的下料口溫度對(duì)一些需要干燥的且成型溫度較高的材料有好處。像PA、PC、PET、PBT、PPO，又或者是PC/ABS，他們的下料口溫度至少要70～90 ℃。

圖4 下料口溫度對(duì)于塑化時(shí)間的影響

可以看出，對(duì)于PA來(lái)說(shuō)，圖4中下料口溫度設(shè)為30 ℃時(shí)其塑化時(shí)間為14 s。隨著下料口溫度的上升，塑化時(shí)間變的更短，塑化過(guò)程更加平穩(wěn)。如果下料口的溫度在65～90℃之間，塑化時(shí)間很短并且平穩(wěn)，但是如果溫度繼續(xù)上升，塑化時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)而且發(fā)生不穩(wěn)定。圖中顯示了ABS在下料口溫度較低時(shí)塑化過(guò)程基本相同，但PA卻明顯不同，見(jiàn)表2。

注：設(shè)置下料口溫度的偏差是非常重要的，以至于一旦溫度超出這個(gè)偏差，機(jī)器就會(huì)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)。對(duì)工程產(chǎn)品而言，這個(gè)偏差不得超過(guò)5 ℃。

表2 各種材料的下料口溫度推薦值

4 熔料溫度

首先，最直接的決定熔料溫度的是料筒溫度。另外還有一些影響因素是塑化時(shí)的摩擦能量，比如螺桿行程、轉(zhuǎn)速、背壓以及熔料在料筒里停留的時(shí)間等等。

半結(jié)晶型材料的成型溫度必須在他們?nèi)埸c(diǎn)之上，因?yàn)榻Y(jié)晶體的熔化溫度比凝固溫度高。因此，熔料的粘度會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生微小的變化。而無(wú)定型材料的粘度就會(huì)因?yàn)橐稽c(diǎn)點(diǎn)溫度的變化發(fā)生很大的變化，通常1℃的溫度變化，無(wú)定型材料的粘度可以變化5%～10%，半結(jié)晶材料最多變化3%。基于這種關(guān)系，料筒、熱流道的溫度必須精確控制，尤其是對(duì)于無(wú)定型的塑料。

圖5 熔料溫度的變化和計(jì)量行程的關(guān)系

圖5清晰地展示了螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿行程和熔料溫度的一致性。可接受的的料筒內(nèi)的熔料溫度差異大概在6～8℃之間，在這個(gè)例子中，只有螺桿行程大于60%的情況下才有如此差別。同時(shí)又可以看出螺桿轉(zhuǎn)速，尤其針對(duì)剪切十分敏感的POM，影響特別大。對(duì)于熔融指數(shù)較小的PA，在一個(gè)高轉(zhuǎn)速下，剪切熱的產(chǎn)生相對(duì)比較少。

為什么料筒里的溫度差異會(huì)那么大呢？那是由于注射工藝的欠穩(wěn)定性，以及由于塑化行程的變小，尤其對(duì)于那些大注射行程的工藝過(guò)程。

姑且不考慮螺桿直徑，用于工程材料的螺桿長(zhǎng)徑比至少為22或20，對(duì)于快速成型的產(chǎn)品，比如原料是PE或者PP，長(zhǎng)徑比需要25，并且包括混煉段和剪切段。

總的來(lái)說(shuō)：螺桿的長(zhǎng)徑比越大，螺桿行程越大，越適合用于可接受的溫差范圍的塑化中。

除了螺桿轉(zhuǎn)速，螺桿行程的使用率、長(zhǎng)徑比和螺桿直徑以及背壓（之前有提到）都對(duì)熔料溫度有很大的影響。提高背壓可以獲得平穩(wěn)的溫度，但是同時(shí)又會(huì)加劇熔料溫度的差異。當(dāng)料筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和背壓都設(shè)定正確后，熔料的溫度就可以很接近料筒前機(jī)筒的溫度。

現(xiàn)代注塑機(jī)在計(jì)量室（螺桿前端）或者噴嘴里測(cè)量熔料的溫度。在大多數(shù)情況下，測(cè)量的溫度是前機(jī)筒溫度、噴嘴溫度和熔料溫度的折中，所以不是真實(shí)的熔料溫度。如果需要一個(gè)準(zhǔn)確的熔料溫度，可以在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下快速停止：以原有的注射速度將熔料射入一個(gè)隔熱的容器中，并快速的用接觸式探針溫度感應(yīng)裝置測(cè)量。當(dāng)然，這種方法也非常容易出錯(cuò)，所以大部分時(shí)候我們必須重復(fù)測(cè)量至少兩次。

熔料溫度對(duì)于成型特性和溫度的影響：

5 模腔壁溫度

盡管大家都知道模腔壁溫度的重要性，但實(shí)際生產(chǎn)中通常對(duì)它不太重視。模腔壁溫度對(duì)于那些半結(jié)晶的工程材料，比如POM、PBT、PA、PET至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H影響了產(chǎn)品的冷卻時(shí)間和周期，而且對(duì)聚合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、重量以及成型尺寸的穩(wěn)定性有很大影響。因此，對(duì)于一些精密的工程產(chǎn)品，大件的模腔壁溫度的差異不能大于1～2℃，小件的不能大于4～5℃。表3展示給大家的是一系列聚合材料模腔和脫模溫度的數(shù)值。

注：在模具的設(shè)計(jì)階段，我們必須十分小心的考慮熱量平衡地從模具中散發(fā)。否則，產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)很大的收縮差異，就是說(shuō)不能保證成型公差，產(chǎn)生廢品。

對(duì)于那些多截面的模具或者有滑塊或者中子的，多重的溫度控制是非常必要的。在實(shí)際生產(chǎn)中，動(dòng)定模經(jīng)常被設(shè)置成不同的溫度。給模具加上隔熱板可以有效地阻止熱量從模具轉(zhuǎn)移到較冷的模板上。水也常常被用作是傳遞熱量的媒體，因?yàn)樗泻芎玫膫鳠嵝阅堋?/p>

表3 模腔壁溫度和脫模溫度的推薦值

以下是注射成型模具中常用的兩種控制溫度的方式：內(nèi)部溫度傳感器控制；外部溫度傳感器控制。

用內(nèi)部的溫度傳感器來(lái)測(cè)量，需要將熱電偶安裝在溫度控制單元（TCU）的流道上。熱電偶采集這個(gè)媒介的溫度，這也是比較常見(jiàn)的控制方式。另外，安裝一個(gè)傳感器在回流通道上也不錯(cuò)，可以測(cè)出溫度差異T。一個(gè)合理科學(xué)的溫度控制系統(tǒng)確保了最大的溫度差異T不超過(guò)4 ℃。

用外部的溫度傳感器來(lái)測(cè)量，需要將熱電偶安裝在模具里面然后控制模具或者媒介的溫度。這兩種情況的溫度調(diào)節(jié)都是由TCU控制器控制的。內(nèi)部溫度傳感器控制的短處是，在TCU上設(shè)置的溫度不是我們所希望的那樣是模具中的溫度，同時(shí)外部溫度傳感器控制的優(yōu)勢(shì)恰恰又是在TCU上設(shè)置的溫度就是我們希望那樣，即模具中的溫度。

但是，在我們用外部溫度傳感器控制時(shí)，很重要的一點(diǎn)就是其安裝位置要和模腔表面和熱流道保持一個(gè)足夠的距離。

對(duì)于技術(shù)要求較高的成型，外部傳感器控制比較推崇。當(dāng)使用集成溫度控制器的機(jī)器時(shí)，就有可能保存設(shè)定值和監(jiān)控重要的模腔表面溫度，以作為一個(gè)質(zhì)量參數(shù)。

模腔壁溫度對(duì)成型特性和工藝參數(shù)的影響