第1章塑料精密注射成型的核心原理
　　1.1塑料精密注射成型的概念和意義
　　隨著宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國塑料行業(yè)迅速發(fā)展。注射成型是所有塑料成型方法中*重要的一種，是一種注射兼模塑的成型方法。注射成型作為塑料制品成型*主要的加工方式，其產(chǎn)品具有重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和價格便宜等優(yōu)點，因而在各個領(lǐng)域均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
　　注射成型是一種以高速高壓將塑料熔體注入已閉合的模具型腔內(nèi)，經(jīng)冷卻定型，得到與模腔相一致的塑料制件的成型方法。從注射成型機(jī)（又稱注塑機(jī)）的單元操作來看，其動作大致可以表示成如圖1\|1\|1所示的基本動作。按照時間的先后順序可繪制出如圖1-1-2所示的注射成型機(jī)工作過程循環(huán)周期圖。
　�。╝）塑化充模
　　（b）保壓固化
　　（c）開模脫出
　　圖1-1-1注射成型機(jī)基本動作
　　1-模具加熱片;2-加料系統(tǒng);3-驅(qū)動電機(jī);4-模具;5-注射成型機(jī)噴嘴;
　　6-料筒加熱冷卻裝置;7-行程開關(guān);8-注射油缸;9-成型制品
　　圖1-1-2注射成型機(jī)工作過程循環(huán)周期圖
　　二十年來，隨著信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的爆發(fā)式增長，市場對于注塑件的要求越來越高，需求量也在迅速增加，注射成型因廉價靈活的加工技術(shù)受到廣泛關(guān)注。近年來，諸如微流控芯片等醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)對精密注射成型制件也提出了新的迫切需求，此類塑件在生產(chǎn)中的重點是滿足很高的尺寸公差要求，并在制品的實際使用周期內(nèi)保持尺寸公差的穩(wěn)定。迫于市場的使用需求，精密注射成型技術(shù)問世。
　　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，使用通用的注塑機(jī)和常規(guī)注射工藝都難以達(dá)到要求的一種注射成型方法［1］。一般地，精密注塑機(jī)有兩個指標(biāo)：一個是制品的尺寸重復(fù)誤差；另一個是制品的重量重復(fù)誤差。前者由于尺寸大小和制品厚薄不同難以比較。而后者代表了注塑機(jī)的綜合水平，一般普通注塑機(jī)的重量重復(fù)誤差在1%左右，較好的機(jī)器可達(dá)到0.8%；重量重復(fù)誤差低于0.5%為精密注塑機(jī)，小于0.3%為超精密注塑機(jī)。目前普遍采用精密電子秤測量塑件重量的方法，間接測量出塑件重復(fù)精度。但是重量重復(fù)性只是塑件重復(fù)精度的一個側(cè)面，采用該方法測量重復(fù)精度忽略了塑件形狀、力學(xué)性能等因素的重復(fù)精度。而聚合物的PVT（壓力-比容-溫度）關(guān)系能夠提供聚合物在加工過程的一些信息數(shù)據(jù)，以便于從制品成型過程中檢測、控制塑件精度。
　　聚合物的PVT關(guān)系特性是進(jìn)行制品注塑成型流動分析、注塑成型制品模具設(shè)計和注塑成型過程控制及工藝分析的重要依據(jù)。
　　1.2高分子材料的PVT關(guān)系特性規(guī)律
　　高分子材料的PVT關(guān)系特性描述了高分子材料比容隨溫度和壓力的改變而變化的情況，它作為高分子材料的基本性質(zhì)，也用來說明制品加工中可能產(chǎn)生的翹曲、收縮、氣泡、疪點等缺陷的原因，在高分子聚合物的生產(chǎn)、加工以及應(yīng)用等方面有著十分重要的作用。高分子聚合物的PVT數(shù)據(jù)提供了注射成型過程中熔融或固態(tài)的聚合物在溫度和壓力范圍內(nèi)的壓縮性和熱膨脹性等信息。以高分子聚合物PVT關(guān)系特性為核心的注射成型過程計算機(jī)模擬與控制為我國精密注塑機(jī)的研制提供了數(shù)據(jù)、檢測、控制等多方面的依據(jù)，引領(lǐng)著精密注射成型的發(fā)展方向。
　　圖1-2-1是無定型聚合物和半結(jié)晶型聚合物的PVT關(guān)系特性曲線圖［2］。從圖中可以看出，當(dāng)材料溫度增加時，比容由于熱膨脹也隨之增加；壓力升高時，比
　�。╝）無定型
　　（b）半結(jié)晶型
　　圖1-2-1聚合物的PVT曲線
　　容由于可壓縮性而隨之降低。在玻璃化溫度點，由于分子具有更多的自由度而占據(jù)更多的空間，比容的增加速率變快，圖中可以看到曲線斜率的明顯變化，因而也可以通過聚合物的PVT關(guān)系特性曲線發(fā)現(xiàn)體積出現(xiàn)突變時的轉(zhuǎn)變溫度。在溫度變化過程中，無論是無定型聚合物還是半結(jié)晶型聚合物都會由于分子熱運動發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變或玻璃化轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生明顯的體積變化，而半結(jié)晶型聚合物由于在結(jié)晶過程中質(zhì)點的規(guī)整排列，體積會有較大變化。因此，可以看到無定型聚合物和半結(jié)晶型聚合物的PVT關(guān)系存在很明顯的不同。在更高的溫度下，半結(jié)晶型聚合物在進(jìn)入熔融狀態(tài)時，比容有一個突升，這是由于原來結(jié)構(gòu)規(guī)則且固定的結(jié)晶區(qū)受到溫度的影響而變得可以隨意自由移動造成的。
　　聚合物PVT曲線圖通過比容的變化，給出了塑料在注射成型過程中的收縮特性，由圖可看出聚合物的溫度、壓力對比容的影響，并獲得聚合物密度、比容、可壓縮性、體積膨脹系數(shù)、PVT狀態(tài)方程等方面的信息［3，4］。對聚合物PVT關(guān)系特性的研究，不僅可以用來說明注射成型過程中與壓力、密度、溫度等相關(guān)的現(xiàn)象，分析制品加工中可能產(chǎn)生的翹曲、收縮、氣泡、疵點等缺陷的原因，獲得聚合物加工的**工藝條件，更快捷方便地制定**工藝參數(shù)，還可以用來指導(dǎo)注射成型過程控制，提高注射成型裝備的控制精度，以制得高質(zhì)量的制品［5，6］。
　　聚合物PVT關(guān)系的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸結(jié)為以下幾個方面［7，8］：
　�。�1）預(yù)測聚合物共混性；
　�。�2）預(yù)測以自由體積概念為基礎(chǔ)的聚合材料及組分的使用性能和使用壽命；
　　（3）在體積效應(yīng)伴隨反應(yīng)的情況下，估測聚合物熔體中化學(xué)反應(yīng)的變化情況；
　�。�4）優(yōu)化工藝參數(shù)，以代替一些通過實驗操作誤差或經(jīng)驗建立的參數(shù)；
　�。�5）計算聚合物熔體的表面張力；
　�。�6）研究狀態(tài)方程參數(shù)，減少同分子結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系；
　�。�7）研究同氣體或溶劑相關(guān)材料的性質(zhì)；
　�。�8）相變本質(zhì)的研究。
　　反映聚合物加工過程中實際情況的聚合物PVT數(shù)據(jù)能使計算機(jī)模擬的粗略結(jié)果變得更為精準(zhǔn)；聚合物PVT關(guān)系特性曲線圖描述了熔體比容對溫度和壓力的關(guān)系，是使每次成型的制品總是保持相同的質(zhì)量的基礎(chǔ)。
　　1.3塑料精密注射成型的核心原理［9~11］
　　1.注射成型過程中聚合物PVT關(guān)系特性與壓力變化情況
　　為了保證成型制品質(zhì)量就需要保證模具中聚合物材料的比容變化。材料成型過程中的**壓力變化途徑能通過PVT曲線圖得到。聚合物PVT關(guān)系特性曲線圖也能通過一系列不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式（聚合物PVT狀態(tài)方程）來表述。以下針對注射成型過程，結(jié)合聚合物材料的壓力變化情況，對聚合物PVT關(guān)系特性在整個注射成型加工過程中的變化進(jìn)行詳細(xì)的描述。
　　圖1-3-1描述了聚合物PVT關(guān)系特性和模具型腔壓力曲線。點A是注射成型過程開始的起始點，此時聚合物以熔融狀態(tài)停留在注塑機(jī)機(jī)筒中螺桿前端部分。A—C是注射階段。點B是模具型腔壓力信號開始點（此時，模具型腔中的壓力傳感器首次接觸到熔體），之后壓力開始增加。點C時刻，注射階段完成，熔融的聚合物材料自由地填充模具型腔，后進(jìn)入壓縮階段（C—D），模具型腔壓力迅速上升至**值（點D）。此時，注射壓力轉(zhuǎn)為保壓壓力，進(jìn)入保壓階段（點D）。有更多的聚合物熔體壓入模具型腔中以繼續(xù)補充先進(jìn)入的熔體由于比容減小冷卻收縮而產(chǎn)生的間隙。此過程一直到澆口凍結(jié)時（點E）結(jié)束，在點E時熔體不再能夠進(jìn)入模具型腔。點E是保壓結(jié)束點，也就是澆口凍結(jié)點。剩下的冷卻階段（E—F），模具型腔中的熔體保持恒定體積繼續(xù)冷卻，壓力也快速降低到常壓。這個等體積冷卻階段尤其重要，因為需要通過體積的恒定來獲得*小的取向、殘余應(yīng)力和扭曲變形；這個階段對于成型的尺寸精度具有決定性作用。在點F時，模具型腔中制品成型，成型不再受到任何限制，可以頂出脫模，并進(jìn)一步自由冷卻至室溫（F—G）。成型制品在F—G階段經(jīng)歷自由收縮的過程。
　�。╝）PVT關(guān)系特性曲線
　　（b）模具型腔壓力曲線
　　圖1-3-1典型聚合物PVT關(guān)系特性曲線和模具型腔壓力曲線
　　可見，決定*終制品尺寸和質(zhì)量的就是注射成型過程中保壓過程的控制，這也是注射成型過程控制的核心內(nèi)容。保壓過程的控制主要是E—F階段的控制，其對于*終制品的質(zhì)量有很大影響。由于點F在注射成型過程中是不可直接控制的變量，對于點E的控制成為注射成型中聚合物PVT關(guān)系特性控制的核心點。點E的控制受到點D及D—E階段控制（即轉(zhuǎn)壓點和保壓過程的控制）的影響。為此，將注射成型過程控制的重點放在保壓過程控制上。
　　2.基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理
　　目前，現(xiàn)有的注塑機(jī)的控制方式中，都是針對壓力（注射壓力、噴嘴壓力、保壓壓力、背壓、模具型腔壓力、系統(tǒng)壓力、合模力等）和溫度（機(jī)筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、模具型腔溫度、液壓油溫等）這兩組變量的單獨控制，而在提高控制精度方面也是主要集中在壓力和溫度兩個變量的單獨控制精度的提高上，并沒有考慮到對材料壓力和溫度之間關(guān)系的控制。
　　基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理，主要是通過控制聚合物材料的壓力（P）和溫度（T）的關(guān)系來控制材料比容（V）的變化，從而得到一定體積和重量的制品。因此，在保證壓力和溫度兩個變量的單獨控制精度的條件下，再保證壓力和溫度之間關(guān)系的控制精度，即可在整體上進(jìn)一步提高注塑成型質(zhì)量的控制精度。由此即可將“過程變量控制”提高到“質(zhì)量變量控制”的等級。
　　注射成型過程保壓階段的控制可分為三個部分，包括注射階段到保壓階段的V用轉(zhuǎn)壓點的控制、保壓結(jié)束點的控制及整個保壓過程的控制。正確設(shè)定轉(zhuǎn)壓點和采用分段保壓過程控制，對制品的成型質(zhì)量非常重要。因此，根據(jù)聚合物PVT關(guān)系控制理論，北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民等分別開發(fā)了一系列的注塑成型過程控制技術(shù)，包括：熔體壓力V/P轉(zhuǎn)壓、熔體溫度V用轉(zhuǎn)壓、保壓結(jié)束點熔體壓力控制、保壓結(jié)束點熔體溫度控制、聚合物PVT關(guān)系特性在線控制技術(shù)-保壓過程熔體溫度控制和多參數(shù)組合式控制;同時，開發(fā)了專門的注射成型保壓過程控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)控制技術(shù)的實驗研究。
　　圖1-3-2是基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理圖，其中，Pn是噴嘴熔體壓力，Tm是噴嘴熔體溫度，Pc1是遠(yuǎn)澆口點處的模具型腔熔體壓力，Tc1是遠(yuǎn)澆口點處的模具型腔熔體溫度，Pc2是近澆口點處的模具型腔熔體壓力，Tc2是近澆口點處的模具型腔熔體溫度，Tc是冷卻液溫度，Ph是系統(tǒng)油壓，So是伺服閥開口大小，Yr是螺桿位置，Vr是螺桿速度。
　　圖1-3-2基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制技術(shù)原理圖
　　圖1-3-3是基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制系統(tǒng)流程圖。PVT關(guān)系特性控制技術(shù)主要集中在注塑成型保壓過程控制上，包括V/P轉(zhuǎn)壓、保壓過程、保壓結(jié)束點、時間信號、螺桿位置信號、壓力/溫度信號的選擇程序等。
　　圖1-3-3基于注塑裝備的聚合物PVT關(guān)系特性控制系統(tǒng)流程圖

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