1.精密注射成型的定義
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，使用通用的注射機和常規(guī)注射工藝都難以達到要求的一種注射成型方法。隨著高分子材料的迅速發(fā)展，工程材料在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了一定的地位，因為它質(zhì)量輕、節(jié)省資源、節(jié)約能源，不少的工業(yè)產(chǎn)品構(gòu)件已經(jīng)被工程塑料零件所替代，如儀器儀表、電子電氣、航空航天、通訊、計算機、汽車、錄像機、手表等工業(yè)產(chǎn)品中大量應(yīng)用精密塑料件。
塑料制品要取代高精密度的金屬零件，常規(guī)的注射成型制品是難以勝任的，因為對精密塑料件的尺寸精度、工作穩(wěn)定性、殘余應(yīng)力等方面都有更高的要求，于是就出現(xiàn)了精密注射成型的概念。
2.精密注射成型的精度要求
精密注射成型的概念，包括兩方面的內(nèi)容：一是指幾何精度，也就是制品的尺寸精度和形位精度等;二是指機械精度，它是指除幾何精度以外，根據(jù)實際情況提出的要求，如表面光滑性、透明度、剛度、力學強度、內(nèi)應(yīng)力。塑料制品的精度不能簡單地等同于所代替的金屬零件的精度，這是因為塑料制品及其原材料乃至成型手段與金屬制品有許多本質(zhì)的區(qū)別，精密注射成型制品精度的提高與普通注射成型也有許多不同之處，所以精密注射成型有自己的精度標準。
精密注射制品的精度必須規(guī)定合理，制品精度規(guī)定太高會導致模具及設(shè)備制造困難，增加成本;精度規(guī)定太低，滿足不了要求。目前國際上對精密塑料件的尺寸界限及精度等級問題尚無統(tǒng)一的標準，德國的標準見表1。它反映了精密塑料件生產(chǎn)的實際狀況，兼顧了塑料件精度和生產(chǎn)成本，使用較方便。
表1 德國DIN 16901 精密塑料件尺寸公差 mm
基本尺寸
≤3
＞3~6
＞6~10
＞10~15
＞15~22
＞22~30
公差
0.06
0.07
0.08
0.10
0.15
0.14
基本尺寸
＞30~40
＞40~53
＞53~70
＞70~90
＞90~120
＞120~160
公差
0.16
0.18
0.21
0.25
0.30
0.40
3.影響精密注射成型的因素
精密注射成型要求制品不僅具有較高的尺寸精度、較低的翹曲變形、優(yōu)良的轉(zhuǎn)寫性，而且還應(yīng)有優(yōu)異的光學性能等。注射成型包括塑化、注射、保壓、冷卻等幾個過程，因此影響精密注射成型制品質(zhì)量及尺寸精度的因素很多，如材料選擇、模具設(shè)計與制造、注射機、成型工藝、操作者的水平及生產(chǎn)的管理等。其中主要因素有成型收縮、模具設(shè)計及注射設(shè)備等。
(1)成形收縮
精密注射成型制品所要求的公差和幾何精度并不是任何成型材料都能滿足的。精密注射成型用材料要選擇力學強度高、尺寸穩(wěn)定、耐蠕變性好、環(huán)境適用范圍廣的高分子材料。除了要求它們必須具有良好的流動性能和成型性能之外，還要求用它們成型出的制品能夠具有形狀和尺寸方面的穩(wěn)定性。
成型收縮是影響精密注塑制品精度的重要原因之一。由于在塑料成型過程中常出現(xiàn)收縮及膨脹，且每一批原材料的實際收縮率在一定的范圍內(nèi)有波動，使得多數(shù)情況下原材料在成型過程中的實際收縮率與設(shè)計模具時所選定的收縮率有差異，即使是同一副模具，熔料流動方向與垂直于熔料流動方向的收縮率也不相同。為了提高塑料件的精度，原材料生產(chǎn)廠應(yīng)努力縮小各種材料的收縮率范圍。收縮的主要類型有熱收縮、相變收縮、取向收縮、壓縮收縮4種。
熱收縮是指處于高溫的聚合物熔體以及模具型腔在加熱或冷卻時產(chǎn)生的收縮.是成型材料與模具材料所固有的熱物理特性。如果模具溫度過高，會使制品收縮率增大，因此，精密注射成型的模具溫度不宜過高。
相變收縮是指結(jié)晶型樹脂在定型過程中結(jié)晶時比熱容減小而引起的收縮。模具溫度高，結(jié)晶度高，收縮率大，同時制品密度增加，線脹系數(shù)減小，收縮率降低。因此實際收縮率由兩者綜合作用而定。
取向收縮是指成型材料熔融充模時分子鏈在流動方向上取向，冷卻時大分子重新卷曲恢復在取向方向產(chǎn)生的收縮。分子取向程度與注射壓力、注射速度、樹脂溫度及模具溫度等有關(guān)，但主要是注射速度。充模速度愈快，分子取向作用愈強。
壓縮收縮是指塑料在高壓下比熱容發(fā)生顯著變化而引起的收縮。壓力取消后，比熱容有一定量的恢復，稱為彈性回復。溫度一定時，壓力提高，成型制品比熱容減小，密度增加，膨脹系數(shù)減小，收縮率會顯著下降。從模具中取出制品時，制品體積會產(chǎn)生彈性恢復而使制品收縮減小。
(2)模具設(shè)計
普通的注射成型涉及到“料、藝、機、模"4個方面，而精密注射成型中精密注塑模具更為重要。
保證制品精度的先決條件是原材料本身的收縮率小，塑料件最終所能達到的精度還與模具有關(guān)。如果模具精度足夠高，同時工藝條件也控制得很好，這時可以忽略制品的收縮率，那么制品的精度將只受模具精度所控制，這樣才能保證制品有較高的再現(xiàn)精度。所以模具設(shè)計和制造的好壞決定著制品的質(zhì)量和成品率。
只有保證模具精度才能有效地降低制品的收縮，提高制品的精度。為此相應(yīng)地制定了模具制造公差。模具公差的制定也要合適，因為模具的加工公差過高，則相應(yīng)地提高了生產(chǎn)成本，增加了模具制造的難度;而加工公差過低則難以保證塑料件的精度。通常規(guī)定模具的加工公差約為相應(yīng)塑料件公差值的1/3。
(3)注射成型機
精密注塑工藝特點是注射壓力高、注射速度快、溫度控制精度高。為了滿足這些工藝條件，對注塑機的性能也有較高的要求，精密注塑設(shè)備在技術(shù)參數(shù)、控制精度、液壓系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)等方面有其獨到之處。
注射裝置是精密注射成型的關(guān)鍵部件，主要作用是為精密注射成型提供塑化均一的熔融物料。同時，要求其塑化部件的塑化能力強，均化程度高，注射速度高，注射壓力高，螺桿的驅(qū)動扭矩大，可實現(xiàn)無級調(diào)速。精密注射成型機一般都要求滿足以下條件：
?、偌夹g(shù)參數(shù)要求注射功率大、注射壓力高、注射速度快;
?、诳刂凭纫?，采用多級反饋控制，包括位置、速度、保壓、背壓和螺桿轉(zhuǎn)速的多級控制，以保證精確控制注射速度、注射壓力、保壓壓力、背壓、螺桿轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)。
成型條件穩(wěn)定性要好，重復精度要高，并能在確定的行程位置進行準確的切換。精度控制還包括料筒及噴嘴溫度采用PID控制，工作油溫必須采用加熱冷卻的閉環(huán)裝置控制，模具溫度的精確控制，合模力大小的精確控制以及對環(huán)境溫度的控制等;
③液壓系統(tǒng)要求反應(yīng)速度快，液壓元件靈敏度高;
④精密注塑機結(jié)構(gòu)要求合模系統(tǒng)的剛性高、合模機構(gòu)效率高、塑化部件塑化能力強。
(4)成型工藝
注射工藝過程由于其非穩(wěn)態(tài)性而比其它成型工藝要復雜，至今尚未找到一個能描述全過程的數(shù)學模型。壓力、溫度、速度、時間等主要工藝參數(shù)稍有變動，制品質(zhì)量就隨之變化。為能抵抗內(nèi)外各種干擾因素影響，保持已設(shè)定的工藝參數(shù)，精密注射要求注射機具有良好的綜合控制性能。
通過嚴格控制壓力、溫度、速度及時間等參數(shù)，保證塑化時提供數(shù)量一定、溫度均勻的熔料，充模時有適合模腔特點的穩(wěn)定流動狀態(tài)，保壓冷卻時有合適和穩(wěn)定的狀態(tài)條件，從而得到穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)的精密制品。
選取最佳的成型工藝參數(shù)能夠減少塑料制品的收縮率。塑料的收縮特性是指塑料的熱收縮、彈性回復、塑性變形、后收縮和老化收縮的綜合反映,通常是因材料吸水或分子鏈重排而引起,具體表現(xiàn)為線性收縮率和體積收縮率的變化,常用收縮特性值表示。
熱塑性塑料注塑制品成型時收縮率波動較大,特別是對于結(jié)晶性塑料注塑制品更加明顯,由于結(jié)晶度不僅取決于化學結(jié)構(gòu),而且還受到加工過程中冷卻參數(shù)(冷卻速率、熔體溫度、模具溫度、制品厚度)的影響,給模具設(shè)計確定型腔尺寸和控制制品尺寸精度帶來困難,所以迫切需要了解注塑工藝參數(shù)對各種塑料收縮率的影響規(guī)律。
制件壁厚的差異一般認為是由兩個方面的因素引起的：一是高壓熔體引起的模具型腔輕微變形;二是當模具開模后材料的彈性膨脹。一般來說,質(zhì)量精度能夠很好地控制尺寸精度,而在較高的模具溫度里熔體的粘度較低,所以粘度梯度較小,在一定的螺桿背壓下,制件的質(zhì)量精度就能夠得到精確的控制。
然而對于液晶聚合物(LCP)來說,它恰恰需要較低的模具溫度,這是因為LCP 遇冷后會迅速冷卻定形。LCP 有低的熔解熱和有序的結(jié)構(gòu)狀態(tài),因此在液體晶態(tài)向固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變之間有較小的變化,當充分冷卻時,液-固轉(zhuǎn)變幾乎是在瞬間完成。在較冷的模具中,當型腔充滿時,型腔中的大部分材料和澆口已經(jīng)固化,因此壓縮階段很難補充熔體,因而制件的尺寸與未變形的型腔尺寸十分接近。
(5)質(zhì)量管理
由于精密注塑的精度要求越來越高,質(zhì)量管理也變得越來越困難。為了保持穩(wěn)定的精密注塑,一方面在注塑機上配備了自動監(jiān)測系統(tǒng)及自動化廢品篩選系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)機器實際運行參數(shù)超出了設(shè)定值,注塑機就會在屏幕上顯示出來,并及時報警通知操作人員馬上調(diào)整。如不及時處理,機器便會自動停機。同時自動化廢品篩選系統(tǒng)將不符合工藝條件的零件自動分出,如ARBURG公司的自動翻板結(jié)構(gòu)。
有的公司則配有自動檢驗系統(tǒng),通過機械手將零件放在精密天平上(精度為±0.11mg) ,觀察零件重量的變化,通過測得的重量數(shù)值與合格零件的重量數(shù)值的對比來判斷零件的合格與否,合格的零件被送到包裝區(qū),不合格的零件被分出。這是目前世界上最先進的控制方法之一。但是有了這種方法,并不是說人工檢驗就不需要了,為了確保零件的優(yōu)良質(zhì)量,操作人員也應(yīng)定期檢查所產(chǎn)塑件,發(fā)現(xiàn)異常,及時解決。這樣產(chǎn)出的塑件才會有可靠的質(zhì)量保證。
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