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、汽車內飾件等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,消費者對塑料制品提出了壁厚更薄、結構更復雜、表面更美觀、強度更高的要求[1]。傳統(tǒng)的注塑成形技術采用的是模具恒溫控制策略,由于受到成形周期的限制,模具溫度相對較低,生產(chǎn)薄壁、高光的大型塑料制件時,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,不能滿足人們對產(chǎn)品力學性能和外觀等方面的要求。企業(yè)只能通過后續(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,不符合國家倡導的環(huán)保要求,不適應社會發(fā)展的要求。

蒸汽模技術根據(jù)各工藝階段的特點,隨時調整模具溫度。按模具溫度在一個成形周期的變化歷程,可將蒸汽模技術劃分為加熱、保溫、冷卻、吹氣及延遲4個工藝階段(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,然后開始注射;在樹脂充模流動過程中,模具溫度始終保持在一個相對較高的水平上;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脂制品。由于整個注塑過程始終保持快速加熱快速冷卻,因此蒸汽模技術又稱速熱速冷注塑技術。與傳統(tǒng)注塑工藝相比,蒸汽模技術采用速熱速冷控制策略,改善了樹脂流動性,提高了保壓的壓實補縮作用,從而顯著地提高了注塑制件的復原性和外觀質量。近兩年,日本富士、韓國三星和LG、荷蘭飛利浦、美國GE等公司相繼研究并使用蒸汽模技術[1～2],我國對該技術的研究和應用較少。目前,國內的廣州毅昌科技股份有限公司自主研發(fā)該技術,開發(fā)出蒸汽模具和溫度控制系統(tǒng),并成功地大規(guī)模應用于平板電視面框的生產(chǎn),實現(xiàn)了平板電視面框的免噴涂,獲得了高光無熔接痕的外觀質量,消除了環(huán)境污染,取得良好的經(jīng)濟和社會效益。

圖1 蒸汽模技術注塑工藝過程

1 蒸汽模技術溫度控制策略

與傳統(tǒng)成形工藝相比,蒸汽模技術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℃。因此蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)的設計主要體現(xiàn)在如何迅速使模具速熱速冷。

蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)根據(jù)模具溫度的調節(jié)原理設計。主要包括5個部分:注塑機、蒸汽模具、蒸汽鍋爐、冷卻塔、閥門控制單元。圖2為蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)結構原理圖。圖3所示為蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)內各單元之間的相互關系。由圖2和圖3可知,與傳統(tǒng)注塑成形系統(tǒng)相比,蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)利用蒸汽鍋爐、冷卻塔和閥門控制單元代替了傳統(tǒng)成形工藝中模溫機的功能。

圖2 蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)結構原理圖

蒸汽模技術的溫度控制系統(tǒng)在速熱速冷過程中,主要實現(xiàn)以下幾個過程:

(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,蒸汽的溫度可由簡易鍋爐的壓力來控制,當壓力達到3 MPa時,蒸汽的溫度可達到250℃的高溫;而水的溫度最高只能達到100℃,油的最高溫度能達到240℃。另外,蒸汽在壓力作用下的流動速度比水或油的流動速度快,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調節(jié)相應的閥門來完成。閥門的開啟關閉動作由閥門控制器控制。

圖3 蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)各單元的相互關系圖

(3)快速冷卻

蒸汽模的冷卻過程與傳統(tǒng)注塑成形工藝的冷卻過程是一樣的,但是蒸汽模的冷卻速度卻遠快于傳統(tǒng)工藝,這是因為蒸汽的散熱比水散熱好的緣故。蒸汽模冷卻時,先通入氣體快速地將蒸汽模內的蒸汽吹出,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節(jié)閥門

蒸汽模上裝有溫度傳感器,當蒸汽模加熱到最佳成形溫度時,溫度傳感器及時傳送回閥門關閉指令給閥門控制器,閥門控制器立即關閉相應的閥門來完成蒸汽的加熱過程。

由圖1和圖2的系統(tǒng)原理圖可知蒸汽模技術溫度控制系統(tǒng)的工作過程:蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽,通過控制器控制打開加熱閥門,高溫蒸汽進入注塑模進行快速加熱;同時,溫度傳感器測量蒸汽模內壁的溫度,并把測量數(shù)據(jù)傳送回溫度調節(jié)控制器;控制器調節(jié)蒸汽鍋爐的壓力和蒸汽的溫度,從而間接調節(jié)模具的溫度。如在生產(chǎn)中模具的溫度超過控制器的設定值,控制器就會打開閥門接通冷卻水管,引入冷卻水到模具內,直到模具的溫度回到設定值;如模具溫度低于設定值,控制器就會打開相應的閥門引入高溫蒸汽來加熱模具,直至模具達到控制器的設定溫度。注塑成形完成后,關閉加熱閥門,注塑模先通入高壓氣體將高溫蒸汽快速吹出,然后打開冷卻閥門通入冷卻水進行快速冷卻;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,進行下一次注塑過程。

2 蒸汽模技術在平板電視面框制造上的應用

由于蒸汽模技術具有結構相對簡單、生產(chǎn)效率高、熱源充足穩(wěn)定、可操作性強等優(yōu)勢,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產(chǎn)權的蒸汽模技術應用于平板電視面框的生產(chǎn)制造,圖4所示為蒸汽模技術的生產(chǎn)設備。采用蒸汽模技術生產(chǎn)的平板電視面框(如圖5),消除了熔接痕和銀絲痕等缺陷,達到高光鏡面的效果,無需后續(xù)的二次噴涂工序,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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成形塑件的對比。由對比圖可清晰看到,采用蒸汽模技術生產(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)品的表面質量。

2.2 消除銀絲紋

圖7所示為傳統(tǒng)注塑成形技術和蒸汽模技術成形塑件的對比。蒸汽模技術使模具溫度速熱速冷,樹脂在流動過程中會發(fā)生氣泡,但由于模具表面溫度仍高于樹脂熱變形的溫度,因此樹脂在接觸模具表面后未固化,氣泡不固定,而樹脂壓力壓縮氣泡,消除表面部分的氣泡,進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

蒸汽模技術使模具溫度上升,從而加強樹脂的流動性。樹脂射出成形時,在保壓過程中,模具溫度保持在樹脂熱變形溫度以上,因此加強了模具表面和樹脂的密貼性,改善了注塑成品的表面光澤度。圖9所示為傳統(tǒng)注塑成形技術與蒸汽模技術生產(chǎn)的塑件質量對比,可以很明顯地看出蒸汽模技術的應用,大大提高了塑件的表面光澤度。通過測量,蒸汽模技術生產(chǎn)的塑件表面光澤值達到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制件表面質量對比

3 結論

本文研究了蒸汽模技術的工藝,自主開發(fā)出基于蒸汽模技術工藝原理的溫度控制系統(tǒng),實現(xiàn)了速熱速冷的溫度控制方法。成功地將該技術應用于平板電視面框生產(chǎn)制造,獲得了高光無熔接痕的外觀質量,實現(xiàn)了平板電視面框的免噴涂,消除了環(huán)境污染。蒸汽模技術具有很好的模具表面復原能力,在注塑生產(chǎn)領域具有廣闊的應用前景,對于提升我國相關產(chǎn)業(yè)加工制造能力和產(chǎn)品競爭力、實現(xiàn)綠色制造等將發(fā)揮重要作用。

[1]趙國群,王桂龍,李輝平,等.快速熱循環(huán)注塑技術的研究與應用[J].塑性工程學報,2009(2):190-195.

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