塑料成型加工工藝及其設備的制作方法

專利名稱：塑料成型加工工藝及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用注壓法進行的塑料初次成型工藝。具體地說，涉及利用一個與模具相連的緩沖倉對熔融態物料進行暫存的方法。
顆粒狀等形式的塑料半成品的加工過程是，先將其制成熔體，再用高壓將熔體壓入模具，待物料在模具中冷卻后開啟模具，取出成型制件。在這一過程中所需的壓力是檢驗機器設備的結構質量的關鍵尺度，特別是在檢驗設備的合模力方面。當制作一些表面工件，例如要求銳角充模的工件時，注壓工藝對設備的合模力要求極高。常用的減小壓力的方法是，在擠壓之前讓熔體進入一個緩沖倉，再由緩沖倉轉運至模具中。代碼為DE19631209A1的德國專利申請中提出如下塑料注壓工藝及其設備將預定量的塑料熔體通過注入管注入設備模腔中，在此過程中，至少有一部分熔料是先進入一個安排在設備中的存儲倉中，然后才被傳送到模腔中的。存儲倉的容積可以近似于或小于預定熔料的體積。實施這種方法所用的設備具有一個帶模腔的部件、一個可以與該部件相連接的注射機和至少一個連接模腔和注射機的管道。此外，該設備還具有一個與管道相連的存儲倉，倉中配有用來把熔料從存儲倉轉移到模腔的裝置。一種廣泛接受的方法是，把存儲倉制成圓筒形，在筒中安裝可以軸向移動的柱塞作為轉運裝置，通過一個壓力彈簧或可調式雙塞壓力汽缸來推動柱塞，把熔料從存儲倉送至模腔。
這種方法的缺點是，大量熔料在高壓下沒有進入存儲倉而是直接從注射機筒射入模腔，導致熔體不是同時進入固化階段，從而使工件產生結構缺陷。這種結構缺陷在制造完全是二維平面的工件如智能卡和光盤時表現得不太明顯，而在制造具有復雜的幾何結構的工件時則較為明顯。
另一種技術是注壓成型。在法蘭克福(美茵河畔)最高有限公司的文件“塑料加工技術的引進”中，工科碩士漢斯多米寧豪斯對這一技術作了說明。在生產超出注壓機閉合力和壓射力范圍的大面積塑件時，該設備在噴射壓力的作用下會有小幅度抬升。注射滿后，全部閉合力會在一個注壓行程內重新聚集。應用這一技術的前提是有一個注射泵，它即使在裝置各部分非完全閉合的狀態下也可以使內腔密封。這一工藝的有利之處是可以更充分的使用機器，同時，因為壓力均勻作用于注壓件表面，因此可以生產耐壓力較低產品。這項技術的創新提高了注壓機的生產能力，并通過一個彈性伸縮杠進行百分之一毫米范圍內的收縮補償，從而提高工件質量。
這種注壓方法的缺點是，在注入物料后裝置各部分才完全閉合，這樣過剩物料就勢必被帶入縫隙，在裝置零件的擠壓邊上形成毛邊，導致必須對工件進行機械再加工。
顆粒狀等形式的塑料半成品的加工過程是，先將其制成熔體，再用高壓將熔體壓入模具，待物料在模具中冷卻后開啟模具，取出成型制件。在這一過程中所需的壓力是檢驗機器設備的結構質量的關鍵尺度，特別是在檢驗設備的合模力方面。當制作一些表面工件，例如要求銳角充模的工件時，注壓工藝對設備的合模力要求極高。
在德國第1174491號申請說明書中有一種用于加工熱塑性塑料的注壓機，這種注壓機不是將物料直接從擠壓機噴嘴注入模具中，而是用一個裝有活動柱塞的圓筒暫時存儲物料，再用柱塞將所存物料卸入模具。柱塞設備有一個管道，它的出口就是噴嘴，并與模具的澆注孔相一致。柱塞通過若干運轉的繩軸掛在一個與擠壓機機頭牢固相接的橫軛上。繩子的另一端裝有平衡物。先把模具向柱塞方向擠壓，將柱塞推入筒內，直到筒內的物料全部通過柱塞管道進入模具中為止。平衡物的作用是減小過程壓力。
這種注壓機的缺點是，儲存物的傾卸要經過一條很窄的管道，這條管道由一個帶有噴嘴的柱塞管道和一個與之相符的注入孔組成，因此需要很高的過程壓，這一壓力又通過平衡物的勢能得以削弱，另外，必須用機械清除注壓制件上的澆口球。這些都造成了技術損耗。
在對以南非專利申請96/7509和97/4923為優先權發布的國際申請公告號WO98/09768中寫有接收腔的配置。熔體被導入接受腔，然后由一個機筒壓入模腔中，這樣既可使注壓工藝具有多樣性，有可以通過降低操作壓力來制作體積和規格更大的注壓件。公告中所說的生產設備型件中包括一個輸送裝置，該裝置圍繞著一個用來接收批量物料的接收腔。物料以顆粒形態或熔融形態在一根螺桿的推動下，穿過一個被加熱的轉接道進入一根管中，接著由機筒推入接收腔。然后輸送裝置被移至“第二位置”，使接收腔對準模板上的一個開口。這個開口與所制型件的模具內部相通。當輸送裝置處于此位置時，另一個機筒將這批熔料從接收腔中移出，穿過開口進入注壓模具。填充物料時，接受腔一側開啟，以便于第一個機筒推入物料。在卸料狀態時，接收腔兩邊開啟，這樣可以使推出機筒進入接受腔并把物料送出。輸送裝置從填充狀態到卸料狀態的位置改變可以通過平移，也可以以二位閥的形式通過旋轉來實現。
這種設備的缺點是，輸送裝置通過特定的驅動力來推動，由此又產生了結構和操作技術上的巨大消耗。
國際專利申請公告號WO98/09786中的這種方法已經顯示了先進的技術水平，因此必須注意本發明與這種方法的區別。
本發明的目的在于改進上述注壓工藝，排除工件結構缺陷，減少由于對工件進行機械再加工所造成的損耗，并通過對物料進行事先定量來降低操作壓力，從而降低成型設備的構造和技術操作方面的損耗。
本發明實現此目的的方法是在熔融態物料在模腔中成型之前將其注入一個容積與模腔幾乎相同的緩沖倉中，該倉呈圓筒狀，倉口與模腔相連通，緩沖倉與模腔之間沒有過渡，物料通過一個可軸向移動的柱塞從緩沖倉進入模腔。注壓過程開始時，柱塞位于第一個靜點，這時柱塞底部與緩沖倉邊緣以及模腔壁面重合，使少量的熔料直接進入模腔。然后柱塞滑入料筒內，熔料進入其軸芯中。不斷變大的緩沖倉幾乎毫無壓力地被熔料充滿，直到柱塞到達第二個靜止點，這時熔料停止輸送。接著柱塞逐漸回到第一個靜止點前不遠處，模腔完全被熔料填滿。作為收縮補償，在停頓期間柱塞會到達第一個靜止點。
本發明還有一個優點，即把物料從緩沖倉中推到模腔時，隨著柱塞在兩個靜止點之間運行路程的增加，它的運行速度逐漸下降。
緩沖倉的最大容積比模腔容積略大，這樣，從緩沖倉后續推出的物料可以對收縮進行補償。
本發明在設計上的優勢之一是，熔料通過一個貫穿在柱塞內部且注入口在柱塞底部的管道進入緩沖倉。
本發明所涉及的成型工藝的突出優點在于緩沖倉的填充幾乎是無壓的。緩沖倉的容積每時每刻都與注入的熔料的體積保持一致，這樣，就可以避免氣體混入熔料。因為物料不斷被注入位于緩沖倉中的熔料的中軸部位中，就避免了自由射流的產生。這種自由射流一旦產生，就會在緩沖倉和模腔壁上快速冷卻，給制件結構造成缺陷，例如接縫等。由于在將物料從緩沖倉向模腔輸送過程中柱塞運行速度減慢，而且停頓期間補料在高壓下物料從緩沖倉進入模腔而對收縮進行補償，因此制成品會形成勻質結構。因為裝置各部分在整個成型過程中保持閉合，沒有擠壓邊，也就不會出現毛刺。
為實現所發明的技術，需要一個定量設備并將其安裝在帶有加料裝置和合模裝置的成型設備上。合模裝置由一個上模板和一個下模板組成，由物料填充。加料裝置的加料口通到一個容積可變的接收腔中，接收腔又通過一個開口與合模裝置連通。接收腔是由位于襯套中的可移機筒的端面與合模裝置之間的空擋形成的。當機筒位于后端時，接收腔的容積至少與模腔一樣大。機筒的作用是把物料從接收腔送到合模裝置中。當機筒位于前端時，其端面與開口的邊緣重合。機筒與加料裝置緊密相連并配有一個管道，管道一端與加料裝置的出口相通。襯套被制成上下模板的一部分，且具有一個可供機筒進入的上開口和一個與其相對的下開口。下開口與模腔連通，不收口。機筒配有一個閘板，在機筒位于前端時，閘板平放在襯套下開口周圍的邊緣上。
本發明還可以進一步擴展，安裝多個襯套和相同數目標機筒。這些機筒固定在一個與加料裝置相連的加熱管橫梁上，至少有一個加熱管與加料裝置的入口孔相通。機筒的管道與加熱管相連。加熱管橫梁形成了一個限制機筒與襯套相對運動的擋板。
以下是對本發明所涉設備的設計優點的說明。
當加料裝置離模具較遠時，機筒處于后位，與加料裝置的出口相接。這時就撐開一個接收腔并被物料填充。隨著加料裝置的向前推進，機筒也由后位向前位移動，接收腔的容積隨之縮小，物料從接收腔中穿過襯套的兩個出口被壓入模腔。這里所需的壓力不到傳統注壓技術所用壓力的30％，因此可以使用較小的加料裝置，同時也可以相應減少對模腔周圍設備的穩定性的破壞，從而在更大范圍內保持其性能。機筒的閘板被移動到襯套下出口邊緣時，機筒到達前端位置，這時接收腔容積最小。物料全部位于模腔中，待物料在模腔中冷卻后，工件即可脫模。
為了使物料達到合適的粘稠度，須加熱機筒中的管道和(或)接受倉，直至物料完全進入模腔為止。
根據本發明，在加熱器和機筒外殼之間安裝一個連接有冷卻環的圓筒形熱交換器，它的作用是冷卻襯套中的機筒。這一冷卻裝置主要是利用在冷卻環中流動的液體進行冷卻，冷卻環可以配有調節器。
本發明中所涉及的下模板的冷卻有利于加強模腔的穩定性，從而特別提高所塑工件的表面質量。在下模板上與襯套下開口相對的地方有主要以平面形式安裝的熱交換器，它也可以和冷卻環相連接。
本發明所涉及的定量裝置的特征在于快速地驅散熱量，條件是至少機筒端面和(或)下模板中正對著襯套下開口的部分具有良好的導熱性并與熱交換器互通熱量。
本發明的擴展形式具有多個襯套和機筒，其作用原理與基本形式時類似。通過機筒與襯套之間的相對運動，機筒的端面從后位移至模腔邊緣，從而使接收腔的容積變小，物料從接收腔中穿過襯套下開口被壓入模腔。機筒在到達前位靜點時接收腔容積最小。這時物料全部位于模腔中，冷卻后，工件脫模。機筒與襯套的相對運動既可以通過固定在加熱橫梁上的機筒的運動來實現，也可以通過構成模腔并具有襯套的模壓板整體裝置的運動來實現。前者可以利用加料裝置的推力，后者則需要一個相應的驅動裝置。
加熱管橫梁的加熱保證了物料符合程序的流動。當然，各個接收腔的容積可以不同。
下面將以一個常用工藝流程為例，結合附圖對本發明作進一步說明。


圖1為本發明的設備處于定量階段的示意圖。
圖2為本發明的設備成型結束后的示意圖。
圖3為本發明的設備擴展形式處于定量階段的示意圖。
圖1示出了擠壓機機頭及其擠壓嘴。機筒用鎖緊螺母固定在擠壓機機頭上。在一個由上模板和下模板組成的配件中嵌有一個襯套，機筒從襯套的上開口伸入，機筒的端面位于襯套中，它由導熱性材料制成。在上下模板之間有一個與工件形狀相同的模具，它與襯套下開口相連。機筒中有一個管道，管道一端與擠壓口相連，另一端置于機筒的端面中。管道幾乎從頭到尾被一個通常是可調的加熱器(HS)包圍。在加熱器與機筒外殼之間是一個連接著冷卻環的液體熱交換器(KS)。襯套下開口所對的是下模板，它和機筒端面一樣由導熱材料構成，這種材料與液體熱交換器互通熱量，熱交換器(KF)與可以冷卻機筒的冷卻環相連。由于擠壓機機頭和機筒居于后位，襯套中的機筒端面和模腔之間的部分就形成了一個接收腔。連通接收腔和模腔之間的開口被一個閘板封閉。在襯套壁上接收腔的范圍內安裝了一個帶狀加熱器(HA)。
圖2示出了發明中的定量設備在成型結束后的狀態。它與圖1所示的定量階段的區別在于它的機筒處于前位。這是由于緊鎖螺母與夾緊板的貼靠而形成的。機筒居于前位時，機筒端面與襯套的下開口重合并與模腔相連。閘板抽出，這樣就消除了接收腔，并把其中的物料填充到模腔中。機筒在襯套中的滑動能力的改善可以通過機筒的細微軸向位移來實現，緊鎖螺母可對其進行調整。機筒通過熱交換器(KS)中的液體流動得到冷卻。下模板上與襯套下開口相對的部分通過熱交換器(KF)中流過的液體得以冷卻。這兩個冷卻過程共同作用，帶走物料中的熱量，加速工件的冷卻。利用WS和WF范圍內的優質材料進行的冷卻過程效果特別顯著。
圖3的內容是本發明中的設備的擴展形式，它具有多個緩沖倉和相同數目的柱塞。在擠壓嘴上固定著一個基座。與基座相連的是加熱管橫梁，它又連有若干機筒。連接管把從擠壓機機嘴通到安裝在加熱管橫梁中的加熱管。機筒中的管道與這根加熱管相連擠壓機機嘴被可調加熱帶包圍。在加熱管和管道上裝有一個可調節的暖氣管。與這些裝備相對的是一個有上模板和一個下模板組成的模壓裝置。兩層模板中間是模具。上模板中有一個襯套，機筒伸入到襯套中，在機筒端面和模具之間撐出了接收倉。圍繞接受倉的是位于上模板中的接收腔供暖器(HA)。
物料從擠壓機嘴通過連接管進入加熱管。加熱管用于把物料輸送至機筒的管道中。接收倉填充完畢后計量階段就結束了。平移運動R1表示，擠壓機機嘴和與其相連的基座、加熱管橫梁及機筒向兩模板的方向作進給運動。平移運動R2表示，由上下兩模板組成的裝置向擠壓機機嘴及與其相連的機座、加熱管橫梁及機筒的方向作進給運動。物料在R1或R2運動的作用下從接收倉中被機筒端面壓入模腔中，直到加熱管橫梁和其所對的上模板在完成一個行程后碰到一起。機筒的端面可以互不相同，接受倉的容積也可以互不相同，因為在各個接受倉中的物料是針對不同的模具而定量的。物料硬化后，按照通常的方法把上下模板分啟開，取出成品。安裝導熱材料等作為冷卻設備有助于加速工件的冷卻，從而縮短生產時間。
上述實例體現出本發明的優點。當然，本發明包含了各項實例之特征的相互結合。
權利要求
1.塑料成型加工工藝，在熔融態物料在模具中成型前將其送入一個緩沖倉中，該倉的容積與模腔容積幾乎相同，緩沖倉呈圓筒形，倉口直接通入模腔，倉內有一個軸向移動的柱塞，它把物料從緩沖倉送至模腔中，這一工藝的生產過程的特征如下1)注壓過程開始時，柱塞位于第一個靜止點，這時柱塞底部與緩沖倉邊緣以及模腔壁面重合，這樣就只有少量的熔體直接進入模腔；2)然后柱塞滑入筒中，同時用熔料在幾乎無壓的狀態下填充緩沖倉，在此過程中緩沖腔不斷增大，直到柱塞達到第二個靜止點，停止輸送物料；3)接著，柱塞向第一個靜點移動，使模腔完全被物料填滿；4)在間歇停頓時，柱塞被帶到第一個靜點。
2.如權利要求1所述的成型工藝，其特征在于，隨著柱塞在兩個靜止點之間運行路程的增加，它的運行速度逐漸下降。
3.如權利要求1或2所述的成型工藝，其特征在于，緩沖倉的最大容積比模腔容積略大，這樣，從緩沖倉后續推出的物料可以對收縮進行補償。
4.如權利要求1、2或3所述的成型工藝，其特征在于，熔料通過一個在柱塞內部運動且注入口在柱塞底部的管道進入緩沖倉。
5.如權利要求1所述的定量設備，安裝在帶有加料裝置和合模裝置的成型設備上；合模裝置由一個上模板和一個下模板組成，由物料填充；物料配制裝置的出口與一個容積可變的接收腔相連，接收腔又通過一個開口與合模裝置連通；接收腔是由位于襯套中的可移機筒的端面與合模裝置之間的空擋形成的；當機筒位于后端時，接收腔的容積至少與模腔一樣大；機筒的作用是把物料從接收腔送到合模裝置中；當機筒位于前端時，其端面與開口的邊緣重合；機筒與加料裝置緊密相連并配有一個管道，管道一端與加料裝置的出口相通；襯套被制成上下模板的一部分且具有一個可供機筒進入的上開口和一個與其相對的下開口；下開口與模腔連通，不收口；機筒配有一個閘板，在機筒位于前端時，閘板平放在襯套下開口周圍的邊緣上。
6.如權利要求5所述的定量設備，其特征在于，機筒(至少是機筒的工作端面)由導熱材料構成。
7.如權利要求5或6所述的定量設備，其特征在于，在機筒上安裝了一個與冷卻環相連的熱交換器。
8.如權利要求7所述的定量設備，其特征在于，熱交換器(KS)至少可以與機筒端面進行熱傳遞。
9.如權利要求7或8所述的定量設備的特征在于，冷卻環和被圍繞其中的熱交換器(KS)是可以調節的。
10.如權利要求5至9中任一個所述的定量設備，其特征在于，裝置中的下模板至少在與襯套下開口相對的部分由導熱材料構成。
11.如權利要求5至10中任一個所述的定量設備，其特征在于，下模板配有一個與冷卻環相連的熱交換器(KF)。
12.如權利要求11所述的定量設備，其特征在于，熱交換器與下模板與襯套下開口相對的部分進行熱傳遞。
13.如權利要求11或12所述的定量設備的特征在于，冷卻環和被圍繞其中的熱交換器(KF)是可以調節的。
14.如權利要求5至13中任一個所述的定量設備，其特征在于，用一個擰在進料設備入口處的螺母充當機筒的擋銷。
15.如權利要求5至14中任一個所述的定量設備，其特征在于，當機筒處于后端位置時，襯套下出口被機械性密封。
16.如權利要求5至15中任一個所述的定量設備，其特征在于，安裝多個襯套和相同數目標機筒，這些機筒固定在一個與加料裝置相連的加熱管橫梁上，至少有一個加熱管與加料裝置的入口孔相通，機筒的管道與加熱管相連，加熱管橫梁形成了一個限制機筒與襯套相對運動的擋板。
17.如權利要求16所述的定量設備，其特征在于，加熱管道具有若干通到機筒管道的端口，其數量與機筒和襯套的數量相同。
18.如權利要求16所述的定量設備，其特征在于，若干與機筒和襯套的數量相同的形狀排列的加熱管道與通向機筒管道的加料裝置的加料口相接。
19.如權利要求16、17或18所述的定量設備，其特征在于，加熱管橫梁配有加熱裝置(HK)。
20.如權利要求19所述的定量設備，其特征在于，加熱裝置可以調節。
全文摘要
本發明涉及用注壓法進行塑料初次成型工藝,特別是用一與模具相連的緩沖倉對熔融態物料暫存的方法。該方法是熔融態物料在模腔中成型前將其注入一與模腔同容積的緩沖倉,倉口連通模腔,物料經柱塞從緩沖倉進模腔。注壓時柱塞在第一個靜點,其底部與緩沖倉邊緣及模腔壁面重合,少量熔料直接進模腔;柱塞滑入料筒,熔料進其軸芯;不斷變大的緩沖倉被熔料充滿,至柱塞達第二個靜止點,停止輸送;柱塞回到近第一個靜止點處,模腔填滿熔料。改進注壓工藝,降低成型設備的損耗。
文檔編號B29C45/02GK1324292SQ99812617
公開日2001年11月28日 申請日期1999年10月27日 優先權日1998年10月28日
發明者洛塔爾·施特姆克 申請人:洛塔爾·施特姆克