李小龍,張 洋,薛 新

(廣州毅昌科技股份有限公司,廣東廣州510663)

隨著家電、通訊、電子、汽車(chē)內(nèi)飾件等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,消費(fèi)者對(duì)塑料制品提出了壁厚更薄、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、表面更美觀、強(qiáng)度更高的要求[1]。傳統(tǒng)的注塑成形技術(shù)采用的是模具恒溫控制策略,由于受到成形周期的限制,模具溫度相對(duì)較低,生產(chǎn)薄壁、高光的大型塑料制件時(shí),往往難以避免地出現(xiàn)熔接痕、銀絲紋等缺陷,塑料制件的表面光澤度不高,不能滿(mǎn)足人們對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能和外觀等方面的要求。企業(yè)只能通過(guò)后續(xù)的噴涂等二次加工將這些缺陷遮蓋住,不僅增加產(chǎn)品的制造成本,而且油漆的使用造成環(huán)境污染,影響操作人員的身體健康,不符合國(guó)家倡導(dǎo)的環(huán)保要求,不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求。

蒸汽模技術(shù)根據(jù)各工藝階段的特點(diǎn),隨時(shí)調(diào)整模具溫度。按模具溫度在一個(gè)成形周期的變化歷程,可將蒸汽模技術(shù)劃分為加熱、保溫、冷卻、吹氣及延遲4個(gè)工藝階段(圖1)。在射膠之前,通入高溫蒸汽將模具型腔溫度加熱至工藝要求的溫度值,然后開(kāi)始注射;在樹(shù)脂充模流動(dòng)過(guò)程中,模具溫度始終保持在一個(gè)相對(duì)較高的水平上;隨后在保壓階段的后期,在水道中快速充入冷凝水,快速冷卻已定型的樹(shù)脂制品。由于整個(gè)注塑過(guò)程始終保持快速加熱快速冷卻,因此蒸汽模技術(shù)又稱(chēng)速熱速冷注塑技術(shù)。與傳統(tǒng)注塑工藝相比,蒸汽模技術(shù)采用速熱速冷控制策略,改善了樹(shù)脂流動(dòng)性,提高了保壓的壓實(shí)補(bǔ)縮作用,從而顯著地提高了注塑制件的復(fù)原性和外觀質(zhì)量。近兩年,日本富士、韓國(guó)三星和LG、荷蘭飛利浦、美國(guó)GE等公司相繼研究并使用蒸汽模技術(shù)[1～2],我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究和應(yīng)用較少。目前,國(guó)內(nèi)的廣州毅昌科技股份有限公司自主研發(fā)該技術(shù),開(kāi)發(fā)出蒸汽模具和溫度控制系統(tǒng),并成功地大規(guī)模應(yīng)用于平板電視面框的生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了平板電視面框的免噴涂,獲得了高光無(wú)熔接痕的外觀質(zhì)量,消除了環(huán)境污染,取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖1 蒸汽模技術(shù)注塑工藝過(guò)程

1 蒸汽模技術(shù)溫度控制策略

與傳統(tǒng)成形工藝相比,蒸汽模技術(shù)可將模具的溫度迅速上升到100～150℃,還可將模具溫度迅速冷卻到20～40℃。因此蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在如何迅速使模具速熱速冷。

蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)根據(jù)模具溫度的調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)。主要包括5個(gè)部分:注塑機(jī)、蒸汽模具、蒸汽鍋爐、冷卻塔、閥門(mén)控制單元。圖2為蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖3所示為蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的相互關(guān)系。由圖2和圖3可知,與傳統(tǒng)注塑成形系統(tǒng)相比,蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)利用蒸汽鍋爐、冷卻塔和閥門(mén)控制單元代替了傳統(tǒng)成形工藝中模溫機(jī)的功能。

圖2 蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

蒸汽模技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)在速熱速冷過(guò)程中,主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)過(guò)程:

(1)制造所需工藝溫度的蒸汽

高溫蒸汽是蒸汽模加熱的熱源,蒸汽的溫度可由簡(jiǎn)易鍋爐的壓力來(lái)控制,當(dāng)壓力達(dá)到3 MPa時(shí),蒸汽的溫度可達(dá)到250℃的高溫;而水的溫度最高只能達(dá)到100℃,油的最高溫度能達(dá)到240℃。另外,蒸汽在壓力作用下的流動(dòng)速度比水或油的流動(dòng)速度快,因此蒸汽的加熱速度比熱水或熱油的加熱速度快。

(2)輸送高溫蒸汽、冷卻水和氣體

高溫蒸汽和冷卻水的輸送主要通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥門(mén)來(lái)完成。閥門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉動(dòng)作由閥門(mén)控制器控制。

圖3 蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)各單元的相互關(guān)系圖

(3)快速冷卻

蒸汽模的冷卻過(guò)程與傳統(tǒng)注塑成形工藝的冷卻過(guò)程是一樣的,但是蒸汽模的冷卻速度卻遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)工藝,這是因?yàn)檎羝纳岜人岷玫木壒省Ｕ羝＠鋮s時(shí),先通入氣體快速地將蒸汽模內(nèi)的蒸汽吹出,快速地除去熱源,保證了蒸汽?？焖倮鋮s的效果。

(4)根據(jù)蒸汽模的反饋溫度調(diào)節(jié)閥門(mén)

蒸汽模上裝有溫度傳感器,當(dāng)蒸汽模加熱到最佳成形溫度時(shí),溫度傳感器及時(shí)傳送回閥門(mén)關(guān)閉指令給閥門(mén)控制器,閥門(mén)控制器立即關(guān)閉相應(yīng)的閥門(mén)來(lái)完成蒸汽的加熱過(guò)程。

由圖1和圖2的系統(tǒng)原理圖可知蒸汽模技術(shù)溫度控制系統(tǒng)的工作過(guò)程:蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽,通過(guò)控制器控制打開(kāi)加熱閥門(mén),高溫蒸汽進(jìn)入注塑模進(jìn)行快速加熱;同時(shí),溫度傳感器測(cè)量蒸汽模內(nèi)壁的溫度,并把測(cè)量數(shù)據(jù)傳送回溫度調(diào)節(jié)控制器;控制器調(diào)節(jié)蒸汽鍋爐的壓力和蒸汽的溫度,從而間接調(diào)節(jié)模具的溫度。如在生產(chǎn)中模具的溫度超過(guò)控制器的設(shè)定值,控制器就會(huì)打開(kāi)閥門(mén)接通冷卻水管,引入冷卻水到模具內(nèi),直到模具的溫度回到設(shè)定值;如模具溫度低于設(shè)定值,控制器就會(huì)打開(kāi)相應(yīng)的閥門(mén)引入高溫蒸汽來(lái)加熱模具,直至模具達(dá)到控制器的設(shè)定溫度。注塑成形完成后,關(guān)閉加熱閥門(mén),注塑模先通入高壓氣體將高溫蒸汽快速吹出,然后打開(kāi)冷卻閥門(mén)通入冷卻水進(jìn)行快速冷卻;取出塑件后,再次通入高壓氣體將冷卻水吹出,然后通入高溫蒸汽快速加熱,進(jìn)行下一次注塑過(guò)程。

2 蒸汽模技術(shù)在平板電視面框制造上的應(yīng)用

由于蒸汽模技術(shù)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、熱源充足穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),特別適合平板電視面框的制造。2007年,廣州毅昌科技股份有限公司成功地將具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蒸汽模技術(shù)應(yīng)用于平板電視面框的生產(chǎn)制造,圖4所示為蒸汽模技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。采用蒸汽模技術(shù)生產(chǎn)的平板電視面框(如圖5),消除了熔接痕和銀絲痕等缺陷,達(dá)到高光鏡面的效果,無(wú)需后續(xù)的二次噴涂工序,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.1 消除熔接痕

圖6所示為傳統(tǒng)注塑成形和蒸汽模技術(shù)成形塑件的對(duì)比。由對(duì)比圖可清晰看到,采用蒸汽模技術(shù)生產(chǎn)的平板電視面框,不存在熔接痕等明顯缺陷,大大提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

2.2 消除銀絲紋

圖7所示為傳統(tǒng)注塑成形技術(shù)和蒸汽模技術(shù)成形塑件的對(duì)比。蒸汽模技術(shù)使模具溫度速熱速冷,樹(shù)脂在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生氣泡,但由于模具表面溫度仍高于樹(shù)脂熱變形的溫度,因此樹(shù)脂在接觸模具表面后未固化,氣泡不固定,而樹(shù)脂壓力壓縮氣泡,消除表面部分的氣泡,進(jìn)而消除制件表面的銀絲紋,其原理如圖8所示。

2.3 改善表面光澤度

蒸汽模技術(shù)使模具溫度上升,從而加強(qiáng)樹(shù)脂的流動(dòng)性。樹(shù)脂射出成形時(shí),在保壓過(guò)程中,模具溫度保持在樹(shù)脂熱變形溫度以上,因此加強(qiáng)了模具表面和樹(shù)脂的密貼性,改善了注塑成品的表面光澤度。圖9所示為傳統(tǒng)注塑成形技術(shù)與蒸汽模技術(shù)生產(chǎn)的塑件質(zhì)量對(duì)比,可以很明顯地看出蒸汽模技術(shù)的應(yīng)用,大大提高了塑件的表面光澤度。通過(guò)測(cè)量,蒸汽模技術(shù)生產(chǎn)的塑件表面光澤值達(dá)到95°,完全符合高光的要求。

圖9 傳統(tǒng)注塑成形和蒸汽模技術(shù)制件表面質(zhì)量對(duì)比

3 結(jié)論

本文研究了蒸汽模技術(shù)的工藝,自主開(kāi)發(fā)出基于蒸汽模技術(shù)工藝原理的溫度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了速熱速冷的溫度控制方法。成功地將該技術(shù)應(yīng)用于平板電視面框生產(chǎn)制造,獲得了高光無(wú)熔接痕的外觀質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了平板電視面框的免噴涂,消除了環(huán)境污染。蒸汽模技術(shù)具有很好的模具表面復(fù)原能力,在注塑生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,對(duì)于提升我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)加工制造能力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)綠色制造等將發(fā)揮重要作用。

[1]趙國(guó)群,王桂龍,李輝平,等.快速熱循環(huán)注塑技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報(bào),2009(2):190-195.

[2]冼燃,吳春明.電加熱高光注塑模技術(shù)在平板電視面框成形中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2009(8):103-105.