用于注射-压缩模塑工艺的模具和方法 本发明涉及塑性材料的注射模塑工艺。
公知的是，大而薄的产品难以利用注射模塑工艺来制取。原因在于模具的两个部分之间的间隙很小，并且材料必须行进的距离太长，以致于在所述间隙相对于注射点的远端部处无法获得由模塑机施加的压力，用于驱动塑料来对模具进行填充。简而言之，“流动路径的厚度比率”太长。
通常，薄的产品通过真空或者压力成形工艺来制取，其中一张塑性材料薄片被拉伸至与模具的形状相一致。这种技术在它们的用途方面是有限的，因为它们无法生产出具有均匀壁厚的产品或者具有或大或小壁厚区域的产品。这是因为仅有产品的一个表面被模压成型，并且在任一位置处的厚度仅取决于原始薄片的厚度和其变形程度。
因此本发明旨在寻求提供一种适合于成型具有薄壁区域的产品，其中该产品的所有表面均由一个型腔地壁面限定而成。
在其最宽泛的方面，本发明提供了一种在型腔中成型塑性材料的方法，其主要依赖于模具的一个部分发生移动来提供必要的压力，迫使塑性材料熔融物对型腔的所有部分进行填充，该方法包括下述步骤：
施加一个轻的压力来将模具闭合，
以这样一个压力将预定量的熔融塑性材料注射入型腔内，即能够使得塑性材料的注射操作可以导致型腔抵抗所述轻的闭合压力而发生容积扩大，并且
在注射步骤结束之后，施加一个高压来将模具彻底闭合。
本发明可以宽泛地被看作在塑性材料上应用一种类似于在金属锻造工艺中使用的技术。在型腔没有达到其最小容积的同时，一定量的熔融塑性材料被置于该型腔内，并且随后通过彻底将模具闭合来对塑性材料进行压缩，迫使塑性材料进入型腔的所有部分内。
公知的是，为了在已经以常规方式将一种塑料熔融物注射入型腔内之后施加额外的压缩，需要移动模具的一部分。这种工艺被称作注射压缩成型工艺(ICM)，其具有流动长度更长，壁更薄以及材料应力更小的优点。由此使得这种工艺适合于成型诸如CD和DVD这样的产品(因为较高的内应力)以及车体和仪器面板(因为较高的耐冲击性)。
公知的ICM工艺与本发明的不同之处在于，塑性熔融物在相当大的压力下被导入模具内，并且在塑料熔融物的注射过程中，利用足够的作用力将模具部分固定在一起，使得型腔在注射过程中保持固定的容积。相反，在本发明中，塑料熔融物的注射过程可以导致模具部分发生分离并且型腔发生扩大。初始用于将模具闭合的轻的压力主要用于将气体从型腔内排出。这是为了避免在型腔内形成气泡。随着熔融物被导入模具内，型腔可以根据需要扩大，以便使得熔融物相对自由地进行流动来占据型腔容积的一部分。一旦预定量的熔融塑性材料已经被导入模具内，那么模具的各个部分将在高压下被拉拢到一起，来将型腔减小至其最终容积，并且迫使熔融物流入型腔的所有部分内。
通过前述的阐述可以明白，由于注射操作无法简单地持续至型腔得以完全填充，并且回压会防止塑性材料被进一步注射入模具内，所以必须预先确定出塑性材料的量。相反，在现有技术中，注射操作在回压的作用下停止，此时塑性材料也许已经占据了型腔的大约百分之九十。型腔容积的最终缩小仅用于迫使部分固化的塑性材料流入型腔的最后百分之十内。
在本发明的一个典型实施例中，模具部分在压力作用下的相对移动超过了最终模具厚度的十倍，并且可以大至最终模具厚度的两百倍。这与通常在注射压缩成型工艺中使用的方法不同，通常在注射压缩成型工艺中使用的方法是相应的移动量大约为最终壁厚的两倍。
本发明与常规注射压缩成型工艺的另一重要区别在于，在闭合过程中模具闭合的速度和型腔内压力增大的速率。在本发明中，在小于0.5秒的时间周期内将模具闭合并且在型腔内达到最大压力，优选的是小于0.3秒。相反，在注射压缩成型工艺中，在塑性材料已经在压力下得以注射来填充模具和型腔的大部分之后，压力会逐步增大来使得塑性材料发生流动，对模具的剩余部分进行填充。
但是本发明与先前解决方案的最重要区别在于，在注射操作进行的同时应用一个轻的压力来将模具闭合，并且在注射阶段结束之后应用一个较高压力对所注射的塑性材料进行压缩。
下面将参照饮用水杯的成型过程对这个不同点的实用性进行描述，饮用水杯是本发明尤其适用的一种产品示例。当制取一个饮用水杯时，塑性材料被注射入杯子的底部，并且在注射步骤结束之后应用高压来将模具闭合，迫使塑性材料从底部向上流动，来形成杯子的侧壁和环绕在口部周围的任何唇边。
在这一用途中，关键在于避免在底部与侧壁之间连接处的型腔底部拐角中俘获气体。对这种气体的压缩会升高其温度并且导致在最终制品中产生令人无法接受的火刺现象。
如果塑性材料被注射入一个完全打开的型腔内，其将形成一个小的球体，当模具部分被高速拉拢到一起时，该球体将被压扁，并且将在模具的拐角处俘获气体。在本发明中，由于所注射的塑性材料不会首先形成一个球体，所以这一点得以避免。相反，模具在轻的压力下闭合或者至少接近于闭合，并且所注射的塑性材料如同一个径向延展的圆盘那样进行流动，迫使模具部分根据需要发生分离，直至其完全填充杯子的底部。当压力增大来迫使所注射的塑性材料向上流动制取杯子的侧壁时，也不会有任何气体被俘获在拐角中而导致产生火刺现象。
重要的是，在塑料熔融物的注射操作开始之后，型腔的容积必须在所有阶段完全受到抑制(fully contained)。尽管型腔的容积必须能够发生变化，但是必须确保熔融物不从该型腔中发生逃溢。
为了能够实施本发明中的方法，根据第二方面，本发明还提供了一种用于安装在注射模塑机中的台板之间的模具，所述注射模塑机用于注射压缩成型一种薄壁产品，该模具包括一个第一模具部分、一个型芯以及一个环绕在型芯周围的边缘封闭部分，这三个部分共同限定出一个型腔，并且相互之间能够沿着模具的打开和闭合方向相对移动，其中，所述边缘封闭部分密封性地将与第一模具部分发生配合，并且与型芯密封性滑动配合，型芯的移动能够使得型腔的容积发生变化，同时被注射入该型腔内的塑性材料保持完全受到抑制。
在另外一个方面，本发明提供了一种利用前述模具注射压缩成型一种薄壁产品的方法，其包括下述步骤：
将模具的三个部分移向它们的闭合位置，在所述闭合位置处它们限定出一个容积可变化的密闭型腔，
将预定剂量的塑性材料注射到型腔内，在型腔已经被完全封装(fully enclosed)之后，注射操作终止，在将塑性材料注射入型腔内的过程中，允许型芯远离第一模具部分发生移动，同时提供一个阻力，该阻力小于由在压力下注射的材料所施加的力，由此能够使得型腔的容积扩大，以适应所注射剂量的塑性材料的体积，以及
迫使型芯回退入第一模具部分内，来对所注射的塑性材料进行压缩，并且使得这些材料流入用于限定出最终产品的薄壁部分的型腔部分内。
所述模具最好带有用于使得边缘封闭部分相对于第一模具部分对齐的装置，以便实现可移动型芯与型腔剩余部分之间的精确对齐。
最好设置有一根弹簧和/或一个阻尼器，来抵抗所述型芯远离第一模具部分的移动。
在本发明的优选实施例中，在模塑机台板与型芯之阀的力线上设置有一个空转联接器。当台板首先在使得型腔闭合的方向上移动时，型芯与其一同移动，并且由边缘封闭部分将型腔关闭。随着塑性材料被注射入型腔内，空转现象的存在将允许型芯朝向移动的模塑机台板发生后退，从而使得型腔扩大或者至少型腔不会持续以台板移动的速度发生收缩。空转现象完全被完成注射操作的时间所占据，并且此后型芯将再次与台板一同移动，来将型芯压缩至其最小的最终容积。
人们也可以利用一个带有液压锁(也就是说一种仅利用液压致动器来向模具部分施加所有必要压力的装置)的模塑机来实施本发明。利用这种解决方案，更难以实现型腔闭合的必要速度以及压力的快速升高，随着模具部分到达它们的闭合位置压力的快速升高是必需的。因此，这将需要使用专门的组合机械(purpose built machines)。在这个方面，必须注意塑性材料会随着其与模具表面发生接触而发生冷却和固化，并且为此关键在于由于将模具部分闭合而引起的塑性材料流动必须尽可能快速地结束。但是，已经发现带有一个肘节封闭机构的注射模塑机能够很好地适合于提供完成最终闭合操作所需的相当大的压力。
由于在最终闭合操作时塑性材料中的压力相当大，所以注射口最好在最终模具闭合之前由一个阀关闭起来，其中塑性材料通过所述注射口被注射入模具内。
优选的是，模具在高压的闭合会涉及在最终制取产品的表面积的相当大部分上减小模具部分之间的间隙，由此塑性材料仅会在最终闭合操作的最后阶段穿过薄的模具部分进行流动，否则该薄的模具部分将被认为太薄。
为了导入精确的预先确定量的熔融塑性材料，最好提供一种热流道系统，该热流道系统包括：一根歧管，该歧管中结合有用于各个型腔的剂量缸体，各个剂量缸体均借助于一个相应的阀被连接到一个共用的熔融塑性材料压力供应源上，并且借助于一个门阀被连接到相关的型腔上。
各个剂量缸体均包括一个容积可变的腔室，该腔室由一个活塞限定而成，该活塞用于为与其相关的型腔存储所需剂量的塑性材料。当塑性材料被从压力供应源注射入剂量缸体内时，其将首先流向提供有最小阻力的剂量缸体，但是当该腔室被充满时，塑性材料将遇到阻力，并且将被转向至其它剂量缸体，直至所有的剂量缸体均被充满。可以为各个剂量缸体中的活塞设置一个可调节挡块，以便能够精确地调节被送入各个型腔的塑性材料的量。当门阀被打开并且剂量缸体中的活塞沿着一个减小所述工作腔室容积的方向移动时，所存储的塑性材料将被迫穿过所述门阀进入型腔内，并且无法在相反方向上移动。
作为示例，下面将参照附图对本发明进行进一步的描述，其中：
图1是一个常规模塑机的示意图，
图2是一个贯穿一处于完全打开状态的模具的剖视图，
图3是一个贯穿图1中所示模具的剖视图，此时模具恰好处于塑料熔融物的注射操作开始之前，
图4是一个贯穿图1中所示模具的剖视图，此时模具处于塑料熔融物的注射过程中，
图5是一个贯穿前述附图中所示模具的剖视图，带有处于完全闭合状态的型腔，
图6是一个类似于图3的视图，示出了模具的一种选择性实施例，该选择性实施例使用了一个存储器来取代了螺旋弹簧，而
图7是一个贯穿一热流道歧管的示意性剖视图，示出了剂量缸体中的一个，当使用一个被连接在一共用喂料螺杆上的多型腔模具时，这些剂量缸体用于确保所有的型腔接收到等量的塑料熔融物。
图1中示出的模塑机总体上而言是常规的，并且因此将仅对理解本发明中的注射冲击压缩(IIC)方法所必需的细节进行描述。模塑机10包括两个固定隔板12和14，这两个固定隔板12和14由四根连杆16相互连接起来。所示出的常规模具18由两个部分制成，也就是说一个安装于隔板12上的固定部分18a和一个安装于一台板20上的可移动部分18b，所述台板20可以沿着连杆16进行滑动。台板20在一个液压缸22的作用下被移向和远离隔板12，所述液压缸22被安装在隔板14上，并且由一个肘节机构连接到台板20上，所述肘节机构包括枢接在隔板14上的拉杆24a，枢接在台板20上的拉杆24b以及枢接在液压缸22上的拉杆24c，所有这三根拉杆24a、24b和24c的另一端部被相互枢接在一起。所示肘节机构中的拉杆处于当型腔被打开并且即将将该型腔闭合的位置处，液压缸如所看到的那样向右移动，以便拉杆24c移动至一个更为竖直的位置，并且作用于拉杆24a和24b上来使得它们移动至相互对齐，由此将台板20和模具部分18移向闭合位置。
一个加热螺杆喂料机构30对通过螺杆发生旋转而输送来的颗粒进行加热和压缩，来形成一种塑料熔融物，并且螺杆还可以轴向移动，来通过一组流道将熔融物注射入型腔内。
如早先所指明的那样，对于注射模塑工艺来说，图1中的模塑机是已知的。通常，型腔被闭合并且注射螺杆被前移来提供所有必要的压力，以注射足够的熔融物来对型腔进行填充。在塑性材料已经在模具中发生固化之后，模具被打开，所制得的产品被顶出并且一个新的循环开始。
这种公知的工作方法具有其局限性，并且无法用于制取具有非常薄的壁部的产品。这是因为随着塑性材料被注射，其会通过与模具表面发生接触而非常快速地冷却，并且产生一个很大的回压，该回压会防止塑性材料对整个型腔进行填充。
在本发明中，注射螺杆并不依赖于产生足够的压力来对闭合的型腔进行填充。相反，螺杆用于在模具部分没有在压力下闭合的同时，将一定剂量的熔融物注射到模具内，并且接着利用液压缸22快速地将模具部分拉拢到一起，来对塑性材料进行“锻造”，并且迫使其快速地对型腔的每个部分进行填充。
下面将参照图2至5更为详细地分析一个工作循环。
取代如参照图1所描述的常规分体式模具18a、18b，本发明的优选实施例使用了一个模具组件50，该模具组件50包括四个相互之间可以相对移动的组成部分。这四个组成部分中的第一个是一个固定的型腔组件52，该型腔组件52限定出了型腔54，并且被制成带有一个进料门56，塑性熔融物通过该进料门56被注射入型腔内。型腔组件50被固定在隔板12上。进料门56以及用于将该进料门56打开和闭合的控制销将在下文中更为详细地予以描述，它们用于将精确剂量的塑性熔融物导入型腔54内。
其它三个组成部分被安装在模塑机中的移动台板20上，它们共同构成了型芯组件。这三个组成部分中的第一个被称为压板，被标记为56并且被固定在移动台板20上。所述组成部分中的第二个被称为边缘封闭板，并且在附图中被标记为58。该边缘封闭板由相对强有力的弹簧60偏压成远离压板56，并且被精确地得以对齐和导引，以便使得一个突伸出来的凸块59配合到型腔组件中模具部分52上的凹槽53内。所述模具组成部分中的最后一个是型芯62，该型芯62部分地限定出所述型腔，并且具有一个圆柱形部分，该圆柱形部分自由地滑动穿过一个形成于边缘封闭板58上的通孔，并且在该通孔内受到精确导引。
型芯62在其远离型腔的端部处被制成带有一个扩展头部64，该扩展头部64被以活塞形式容置在一个形成于压板56上的腔室66中。一个位于腔室66内的弱力弹簧迫使型芯62远离所述压板移向圆环状挡板70，该圆环状挡板70被固定在压板56上，并且环绕在型芯62的圆柱形区域的周围。扩展头部64被俘获在压板56与挡板70之间，形成一个被设置在型芯62与模塑机台板20之间作用线上的空转联接器。
在图2至4所示出的实施例中，头部64不会与腔室66形成密封部，并且挡板70不会密封贴靠在型芯62上。相反，微小的间隙能够在阻尼型芯62发生移动的同时允许空气排出。
图2示出了处于一个循环结束而下一个循环开始的位置处的模具。型腔被打开并且所制得的产品被以常规方式(未示出)从型腔中顶出，在这种情况下，所制得的产品是一个饮用水杯。此时肘节机构使得型芯组件移向型腔组件，直至到达或者至少近乎到达图3中示出的位置。在该位置处，边缘封闭板58上的凸块59完全配合在型腔组件52中的凹槽53内，并且由强力弹簧60确保型腔完全受到抑制，防止塑性熔融物从型腔中流出，即使型芯仍旧可以移动来使得型腔容积发生变化。
在下一步骤中，塑性熔融物被以相对较低的压力通过进料门56导入型腔内。与此同时，塑性熔融物的注射压力会抵抗弱力弹簧68的作用回推型芯62。注射操作可以被控制成恰好在型芯到达型腔54的底部之前或者之后发生，以便随着熔融物进入型腔，使得其散布到型腔的各个拐角处，但却不会在熔融物与模具拐角之间俘获任何气体。但是该注射压力不足以迫使塑性熔融物进入到型腔中的狭窄部分内，在这种情况下，指的是饮用水杯的圆锥形侧壁。
最后，在弱力弹簧68受到完全压缩之后，压板56在台板20的作用下发生移动，来直接向型芯62施加一个作用力。由于型芯在液压缸22的作用下发生移动所产生的压力，足以对熔融物进行锻造，并且由此对模具中的所有部分进行填充，其中所述液压缸22的作用通过肘节拉杆22的机械特性得以放大。
使用词语“锻造”是为了强调模具闭合的速度和在闭合过程中型腔内压力增大的速率。通常，在小于0.5秒的时间周期内将模具闭合并且在型腔内达到最大压力，优选的是小于0.3秒。相反，在现有的注射压缩成型工艺中，在塑性材料已经在压力下得以注射来对模具和型腔的大部分进行填充之后，压力仅会逐步增大来使得塑性材料发生流动，对模具的剩余部分进行填充。
图6中所示实施例与前述实施例的不同之处仅在于，使用了一个气体弹簧或者存储器80来取代了螺旋弹簧68。在这种情况下，如附图中O形环所表示的那样，型芯62的头部64′密封贴靠在腔室66的侧壁上，并且挡板70′密封贴靠在型芯62上。位于头部64′相对侧的两个工作腔室通过形成于压板56中的通道82并且通过外部管线86和各种阀88被连接至存储器80和外界大气中。其功能完全类似于螺旋弹簧68的功能，当熔融物被注射入型腔内时，型芯62可以抵抗很弱的阻力发生移动，但是当型芯组件到达其行程端点时，压板56和台板20的所有作用力均作用于型芯62上。
当塑性材料被正常地注射入一个具有多个型腔的模具内时，熔融物会沿着具有最小阻力的路径进行流动。因此熔融物将首先流向最为靠近喂料螺杆的型腔，并且随着该型腔得以填充其阻力会增大，从而使得熔融物流向另一型腔，如此重复进行直至所有的型腔均被充满。这种方法无法被应用在本发明中，因为即使在型腔已经接收了充足剂量的塑性材料之后，熔融物常常还会遇到很小的阻力。依赖于回压将导致所有的塑性材料均流向第一型腔而不会流向其它型腔。
为了避免该问题，本发明的优选实施例使用了一种特殊的热流道系统，如图7中所示，来将塑性材料分配到各个型腔。如同所有的热流道系统一样，歧管100具有一个唯一的入口90，该入口90被连接到螺杆和若干个出口上，所述出口均由相应型腔中的进料门56构成。用于将进料门打开和关闭的控制销94均由一个共用滑块96进行驱动，所述共用滑块96能够移入和移出附图所处的平面。
控制销也起滑阀的作用。尤其是，在它们的一个端部位置处，控制销94允许塑性材料从入口90流向与相应型腔相关的剂量缸体98中的工作腔室102。与此同时，型腔被闭合。在它们的另一端部位置处，控制销打开所述进料门，将剂量缸体98与入口90隔离开，并且取而代之将其连接到进料门上。当活塞在这种情况下发生移动时，由其将盛装于工作腔室102中的那些塑性熔融物注射入与其相关的型腔内。通过对用于限制各个活塞冲程的挡块进行调节，被注射入各个型腔内的塑性材料的量可以精确并且独立地得以计量。
剂量缸体98中的活塞可以由一个独立的机械式、电动式或者液压式机构进行驱动，但是也可以将活塞安装成平行于模具组件相对移动的轴线，从而可以利用台板20的移动来提供用于将塑性材料注射入型腔内的作用力。尤其是，所述活塞可以由边缘封闭板58进行驱动。