一种微发泡注射成型机及其成型工艺 【技术领域】
本发明涉及高分子材料加工领域，特指一种可实现微发泡注射成型加工的注射成型机。
背景技术
微发泡注塑技术是一项很有发展前途的高端节能注射成型技术，因为对于成型相同类型的制品，可以大大降低成型所需的合模力，即采用较低的合模力可成型较大的制品，从而使模具成本更低，并降低成型能耗。与常规的模塑制品相比，微发泡注塑循环周期可减少50％，微发泡模塑制品的平均成本可降低16％～20％。作为一种革新的精密注射成型技术，微发泡注射成型工艺突破了传统注塑的诸多局限，可显著减轻制件的重量、缩短成型周期，并极大地改善了制件的翘曲变形和尺寸稳定性。尤其在生产高质量要求的精密制品上，该工艺更是独具优势，已经成为加工商生产轻质精密部件时的一个重要选择。
微发泡技术的实质是将物理发泡剂(CO2或N2)注入注射成型机机筒内的塑料熔体中，然后通过混合元件将注入的发泡剂搅混、分散均化，形成塑料熔体-气体均相体系，在高温高压下，均相体系中的气体在熔体中析出形成大量的微细气泡核，当充模过程完成后，型腔内压力下降使气泡膨胀，与此同时，模具冷却作用使泡体固化定型，成型出微孔制品。微发泡制品由于微孔的存在，在减小密度的情况下，不仅不会降低材料强度，反而会使原有裂纹尖峰钝化，阻止应力沿裂纹继续扩张，吸收冲击能量增加5～7倍，从而大大提高了冲击强度、韧性、耐疲劳寿命、隔热、隔音及吸震等能力。
美国Trexel公司的MuCell微发泡成型工艺表现得尤为突出，也是精密成型技术中发展最快、应用最广泛的成型技术之一。该成型工艺主要靠气孔的膨胀来填充制品，并在较低且平均的压力下完成制件的成型。传统的注塑工艺都需要采用较高的模内压来完成注塑，但是，此时较高的压力点往往会使得制件由于承受较大且不平均的压力而发生破裂。相比之下，MuCell微发泡成型工艺不需要依靠机器的不断保压，即可实现熔体的顺利填充，因此大大减少了产品的内应力，并保证了产品不同位置的平均收缩，有效提高了产品的尺寸稳定性，还显著减轻了制品的重量，消除了飞边。另外，该工艺所配备的模具不需要进行反复精调，只要在运行正常的情况下，就能够保证注射成型的质量。
熔体/气体均相体系的形成与泡孔成核是微发泡注射成型的关键。为此，目前发展有多种不同的机械装置，且相对复杂，如发泡流体注入装置、发泡流体注入附加辅助注射单元、使用特殊喷嘴的发泡流体注射装置等等。这些装置有些需要特殊的机器，如MuCell微发泡成型工艺，由于对设备要求高，且涉及到控制系统和液压系统，重新装配与调试现有设备将需要较高的费用。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种微发泡注射成型机及其成型工艺，其不仅能够提高塑料熔体-气体均相体系的形成与泡孔成核的效率，成型生产出泡孔微小而均匀的制品；而且设备配置简单，容易操作控制，容易实现对常规注射成型机的改进。
本发明一种微发泡注射成型机，主要由注塑系统、合模系统和微发泡系统组成，合模系统与常规注塑成型机的相同；注塑系统在机筒前端有两个进出口，同微发泡系统相连接，注塑系统最前端设置有可控开闭式喷嘴，螺杆前端有一储料区；微发泡系统包括齿轮泵、混合元件、注气装置和加热装置，齿轮泵有一个齿轮泵进口和一个齿轮泵出口，齿轮泵出口流道中设置有混合元件，齿轮泵进口和齿轮泵出口都同注塑系统的机筒前端的储料区相连接，齿轮泵进口处还设置有一个进气口；注气装置主要包括高压气瓶和计量阀，高压气瓶出口同计量阀相连接，计量阀出口端通过一个止逆阀同齿轮泵的进气口相连接；齿轮泵周围有加热装置。
齿轮泵和混合元件都有使塑料熔体和气体混合均匀的作用。混合元件可以选择静态混合器等；齿轮泵还有增压的作用，且可以促进塑料熔体与气体的循环混合。高压气瓶提供物理发泡剂，通常是CO2或N2气体。计量阀可以控制注入气体量。微发泡系统的加热装置采用加热棒，或电磁感应，或电加热圈等加热元件。关键是对齿轮泵的加热，加热均匀，可以保证流体在其中的良好流通性。齿轮泵进气口处的止逆阀为球式或锥形单向阀形式，其作用主要是为防止熔体通过进气口进入注气装置中。可控开闭式喷嘴为机械控制喷嘴或电磁控制喷嘴，机械控制喷嘴中的驱动单元为液压、气动或机械结构。在注射前，将可控开闭式喷嘴关闭，以保证储料区产生高压的条件，从而利于气体的溶解与均相成核。
本发明一种微发泡注射成型机实现的微发泡注射成型加工工艺，主要包括以下步骤：塑料原料从安装在机筒上的料斗进入机筒中，通过注塑系统的螺杆旋转，将塑料原料向螺杆下游输送，在此过程中塑料在螺杆旋转和机筒加热器的加热下逐渐熔融；熔融地塑料进入储料区，注塑系统最前端的可控开闭式喷嘴处于关闭状态，与此同时齿轮泵开始工作，在泵压的作用下，熔融的塑料进入泵体中，注气装置将一定量的气体通过计量阀和止逆阀以及进气口注入齿轮泵中；经过齿轮泵后，熔融的塑料混合有注入的气体通过齿轮泵出口进入混合元件部分，然后再进入到机筒前端的储料区中，如此循环反复，形成混合均匀的塑料熔体-气体均相体系，并形成大量的微小而均匀的微细气泡核；进行注射前，打开可控开闭式喷嘴，然后驱动螺杆前移将原料注入到安装在合模系统的合模板上的模具型腔中，最后保压冷却开模顶出制品。
本发明的突出优点就是通过引入微发泡系统，主要对常规注射成型机的注塑系统前端进行改进，微发泡系统中引入增压齿轮泵，其可以循环不停地驱动熔体/气体均相体系在储料区的形成与泡孔成核，并提高熔体/气体均相体系的形成与泡孔成核的效率，成型生产出泡孔微小而均匀的制品；而且设备配置简单，容易操作控制；容易实现对常规注射成型机的改进，实现微发泡注射成型的塑料熔体流动性高，成型制件重量轻、无缩孔、凹斑及翘曲变形、尺寸稳定，成型周期短，节省能源的优点。
【附图说明】
图1是本发明一种微发泡注射成型机的结构图。
图2是本发明图1中I部分的放大图。
图中：1.模具，2.可控开闭式喷嘴，3.混合元件，4.齿轮泵出口，5.齿轮泵，6.齿轮泵进口，7.进气口，8.止逆阀，9.计量阀，10.输气管，11.料斗，12.高压气瓶，13.螺杆，14.机筒，15.机筒加热器，16.储料区，17.合模板，18.加热装置。
【具体实施方式】
本发明一种微发泡注射成型机如图1和图2所示，主要由注塑系统、合模系统和微发泡系统组成，合模系统与常规注射成型机的相同；注塑系统在机筒(14)前端有两个进出口，同微发泡系统相连接，注塑系统最前端设置有一个阀门，形成可控开闭式喷嘴(2)，螺杆(13)前端有一储料区(16)；微发泡系统包括齿轮泵(5)、混合元件(3)、注气装置和加热装置(18)。齿轮泵(5)有一个齿轮泵进口(6)和一个齿轮泵出口(4)，齿轮泵出口(4)流道中设置有混合元件(3)，齿轮泵进口(6)和齿轮泵出口(4)都同注塑系统的机筒(14)前端的储料区(16)相连接，齿轮泵进口(6)处还设置有一个进气口(7)；注气装置主要包括高压气瓶(12)和计量阀(9)，高压气瓶(12)出口通过输气管(10)同计量阀(9)相连接，计量阀(9)出口端通过一个止逆阀(8)同齿轮泵的进气口(7)相连接；齿轮泵(5)和其他微发泡系统中熔体流经的零件周围有加热装置(18)。
齿轮泵(5)和混合元件(3)都有使塑料熔体和气体混合均匀的作用。混合元件(3)采用静态混合器；齿轮泵(5)还有增压的作用，且可以促进塑料熔体与气体的循环混合。高压气瓶(12)提供物理发泡剂，通常是CO2或N2气体。计量阀(9)可以控制注入气体量。微发泡系统的加热装置(18)采用加热棒，或电磁感应，或电加热圈等加热元件。关键是对齿轮泵的加热，加热均匀，可以保证流体在其中的良好流通性。齿轮泵进气口(7)处的止逆阀(8)为球式或锥形单向阀形式，其作用主要是为防止熔体通过进气口(7)进入注气装置中。可控开闭式喷嘴(2)为机械控制喷嘴或电磁控制喷嘴，机械控制喷嘴中的驱动单元为液压、气动或机械结构。在注射前，将可控开闭式喷嘴(2)关闭，以保证储料区(16)产生高压的条件，从而利于气体的溶解与均相成核。
本发明一种微发泡注射成型机实现微发泡注射成型加工工艺，主要包括以下步骤：塑料原料从安装在机筒(14)上的料斗(11)进入机筒(14)中，通过注塑系统的螺杆(13)旋转，将塑料原料向螺杆(13)下游输送，在此过程中塑料在螺杆(13)旋转和机筒加热器(15)的加热下逐渐熔融；熔融的塑料进入储料区(16)，注塑系统最前端的可控开闭式喷嘴(2)处于关闭状态，与此同时齿轮泵(5)开始工作，在泵压的作用下，熔融的塑料进入泵体中，注气装置将一定量的气体通过计量阀(9)和止逆阀(8)以及齿轮泵进气口(7)注入齿轮泵(5)中；经过齿轮泵(5)后，熔融的塑料混合有注入的气体通过齿轮泵出口(4)进入混合元件(3)部分，然后再进入到机筒(14)前端的储料区(16)中，如此循环反复，形成混合均匀的塑料熔体-气体均相体系，并形成大量的微小而均匀的微细气泡核；进行注射前，打开可控开闭式喷嘴(2)，然后驱动螺杆(13)前移将原料注入到安装在合模系统的合模板(17)上的模具(1)型腔中，最后保压冷却开模顶出制品。