《塑料精密注射成型原理及设备》在篇章结构上兼顾学术参考和工业应用两方面的需要而进行详略取舍，在内容上力求比较系统地反映塑料精密注射成型加工领域的核心原理及设备，可作为高等院校相关专业的教材，也可供从事塑料加工的工程技术人员和经营管理者阅读。
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义
随着宏观经济的发展，我国塑料行业迅速发展。注射成型是所有塑料成型方法中*重要的一种，是一种注射兼模塑的成型方法。注射成型作为塑料制品成型*主要的加工方式，其产品具有重量轻、结构稳定和价格便宜等优点，因而在各个领域均得到了越来越广泛的应用。
注射成型是一种以高速高压将塑料熔体注入已闭合的模具型腔内，经冷却定型，得到与模腔相一致的塑料制件的成型方法。从注射成型机（又称注塑机）的单元操作来看，其动作大致可以表示成如图1\|1\|1所示的基本动作。按照时间的先后顺序可绘制出如图1-1-2所示的注射成型机工作过程循环周期图。
（a）塑化充模
（b）保压固化
（c）开模脱出
图1-1-1注射成型机基本动作
1-模具加热片;2-加料系统;3-驱动电机;4-模具;5-注射成型机喷嘴;
6-料筒加热冷却装置;7-行程开关;8-注射油缸;9-成型制品
图1-1-2注射成型机工作过程循环周期图
二十年来，随着信息技术和自动控制技术的爆发式增长，市场对于注塑件的要求越来越高，需求量也在迅速增加，注射成型因廉价灵活的加工技术受到广泛关注。近年来，诸如微流控芯片等医学诊断技术对精密注射成型制件也提出了新的迫切需求，此类塑件在生产中的重点是满足很高的尺寸公差要求，并在制品的实际使用周期内保持尺寸公差的稳定。迫于市场的使用需求，精密注射成型技术问世。
精密注射成型是与常规注射成型相对而言，指成型制品的精度要求很高，使用通用的注塑机和常规注射工艺都难以达到要求的一种注射成型方法［1］。一般地，精密注塑机有两个指标：一个是制品的尺寸重复误差；另一个是制品的重量重复误差。前者由于尺寸大小和制品厚薄不同难以比较。而后者代表了注塑机的综合水平，一般普通注塑机的重量重复误差在1%左右，较好的机器可达到0.8%；重量重复误差低于0.5%为精密注塑机，小于0.3%为超精密注塑机。目前普遍采用精密电子秤测量塑件重量的方法，间接测量出塑件重复精度。但是重量重复性只是塑件重复精度的一个侧面，采用该方法测量重复精度忽略了塑件形状、力学性能等因素的重复精度。而聚合物的PVT（压力-比容-温度）关系能够提供聚合物在加工过程的一些信息数据，以便于从制品成型过程中检测、控制塑件精度。
聚合物的PVT关系特性是进行制品注塑成型流动分析、注塑成型制品模具设计和注塑成型过程控制及工艺分析的重要依据。
1.2高分子材料的PVT关系特性规律
高分子材料的PVT关系特性描述了高分子材料比容随温度和压力的改变而变化的情况，它作为高分子材料的基本性质，也用来说明制品加工中可能产生的翘曲、收缩、气泡、疪点等缺陷的原因，在高分子聚合物的生产、加工以及应用等方面有着十分重要的作用。高分子聚合物的PVT数据提供了注射成型过程中熔融或固态的聚合物在温度和压力范围内的压缩性和热膨胀性等信息。以高分子聚合物PVT关系特性为核心的注射成型过程计算机模拟与控制为我国精密注塑机的研制提供了数据、检测、控制等多方面的依据，引领着精密注射成型的发展方向。
图1-2-1是无定型聚合物和半结晶型聚合物的PVT关系特性曲线图［2］。从图中可以看出，当材料温度增加时，比容由于热膨胀也随之增加；压力升高时，比
（a）无定型
（b）半结晶型
图1-2-1聚合物的PVT曲线
容由于可压缩性而随之降低。在玻璃化温度点，由于分子具有更多的自由度而占据更多的空间，比容的增加速率变快，图中可以看到曲线斜率的明显变化，因而也可以通过聚合物的PVT关系特性曲线发现体积出现突变时的转变温度。在温度变化过程中，无论是无定型聚合物还是半结晶型聚合物都会由于分子热运动发生结晶转变或玻璃化转变而产生明显的体积变化，而半结晶型聚合物由于在结晶过程中质点的规整排列，体积会有较大变化。因此，可以看到无定型聚合物和半结晶型聚合物的PVT关系存在很明显的不同。在更高的温度下，半结晶型聚合物在进入熔融状态时，比容有一个突升，这是由于原来结构规则且固定的结晶区受到温度的影响而变得可以随意自由移动造成的。
聚合物PVT曲线图通过比容的变化，给出了塑料在注射成型过程中的收缩特性，由图可看出聚合物的温度、压力对比容的影响，并获得聚合物密度、比容、可压缩性、体积膨胀系数、PVT状态方程等方面的信息［3，4］。对聚合物PVT关系特性的研究，不仅可以用来说明注射成型过程中与压力、密度、温度等相关的现象，分析制品加工中可能产生的翘曲、收缩、气泡、疵点等缺陷的原因，获得聚合物加工的**工艺条件，更快捷方便地制定**工艺参数，还可以用来指导注射成型过程控制，提高注射成型装备的控制精度，以制得高质量的制品［5，6］。
聚合物PVT关系的应用领域可以归结为以下几个方面［7，8］：
（1）预测聚合物共混性；
（2）预测以自由体积概念为基础的聚合材料及组分的使用性能和使用寿命；
（3）在体积效应伴随反应的情况下，估测聚合物熔体中化学反应的变化情况；
（4）优化工艺参数，以代替一些通过实验操作误差或经验建立的参数；
（5）计算聚合物熔体的表面张力；
（6）研究状态方程参数，减少同分子结构的相互关系；
（7）研究同气体或溶剂相关材料的性质；
（8）相变本质的研究。
反映聚合物加工过程中实际情况的聚合物PVT数据能使计算机模拟的粗略结果变得更为精准；聚合物PVT关系特性曲线图描述了熔体比容对温度和压力的关系，是使每次成型的制品总是保持相同的质量的基础。
1.3塑料精密注射成型的核心原理［9~11］
1.注射成型过程中聚合物PVT关系特性与压力变化情况
为了保证成型制品质量就需要保证模具中聚合物材料的比容变化。材料成型过程中的**压力变化途径能通过PVT曲线图得到。聚合物PVT关系特性曲线图也能通过一系列不同的数学表达式（聚合物PVT状态方程）来表述。以下针对注射成型过程，结合聚合物材料的压力变化情况，对聚合物PVT关系特性在整个注射成型加工过程中的变化进行详细的描述。
图1-3-1描述了聚合物PVT关系特性和模具型腔压力曲线。点A是注射成型过程开始的起始点，此时聚合物以熔融状态停留在注塑机机筒中螺杆前端部分。A—C是注射阶段。点B是模具型腔压力信号开始点（此时，模具型腔中的压力传感器首次接触到熔体），之后压力开始增加。点C时刻，注射阶段完成，熔融的聚合物材料自由地填充模具型腔，后进入压缩阶段（C—D），模具型腔压力迅速上升至**值（点D）。此时，注射压力转为保压压力，进入保压阶段（点D）。有更多的聚合物熔体压入模具型腔中以继续补充先进入的熔体由于比容减小冷却收缩而产生的间隙。此过程一直到浇口冻结时（点E）结束，在点E时熔体不再能够进入模具型腔。点E是保压结束点，也就是浇口冻结点。剩下的冷却阶段（E—F），模具型腔中的熔体保持恒定体积继续冷却，压力也快速降低到常压。这个等体积冷却阶段尤其重要，因为需要通过体积的恒定来获得*小的取向、残余应力和扭曲变形；这个阶段对于成型的尺寸精度具有决定性作用。在点F时，模具型腔中制品成型，成型不再受到任何限制，可以顶出脱模，并进一步自由冷却至室温（F—G）。成型制品在F—G阶段经历自由收缩的过程。
（a）PVT关系特性曲线
（b）模具型腔压力曲线
图1-3-1典型聚合物PVT关系特性曲线和模具型腔压力曲线
可见，决定*终制品尺寸和质量的就是注射成型过程中保压过程的控制，这也是注射成型过程控制的核心内容。保压过程的控制主要是E—F阶段的控制，其对于*终制品的质量有很大影响。由于点F在注射成型过程中是不可直接控制的变量，对于点E的控制成为注射成型中聚合物PVT关系特性控制的核心点。点E的控制受到点D及D—E阶段控制（即转压点和保压过程的控制）的影响。为此，将注射成型过程控制的重点放在保压过程控制上。
2.基于注塑装备的聚合物PVT关系特性控制技术原理
目前，现有的注塑机的控制方式中，都是针对压力（注射压力、喷嘴压力、保压压力、背压、模具型腔压力、系统压力、合模力等）和温度（机筒温度、喷嘴温度、模具温度、模具型腔温度、液压油温等）这两组变量的单独控制，而在提高控制精度方面也是主要集中在压力和温度两个变量的单独控制精度的提高上，并没有考虑到对材料压力和温度之间关系的控制。
基于注塑装备的聚合物PVT关系特性控制技术原理，主要是通过控制聚合物材料的压力（P）和温度（T）的关系来控制材料比容（V）的变化，从而得到一定体积和重量的制品。因此，在保证压力和温度两个变量的单独控制精度的条件下，再保证压力和温度之间关系的控制精度，即可在整体上进一步提高注塑成型质量的控制精度。由此即可将“过程变量控制”提高到“质量变量控制”的等级。
注射成型过程保压阶段的控制可分为三个部分，包括注射阶段到保压阶段的V用转压点的控制、保压结束点的控制及整个保压过程的控制。正确设定转压点和采用分段保压过程控制，对制品的成型质量非常重要。因此，根据聚合物PVT关系控制理论，北京化工大学杨卫民等分别开发了一系列的注塑成型过程控制技术，包括：熔体压力V/P转压、熔体温度V用转压、保压结束点熔体压力控制、保压结束点熔体温度控制、聚合物PVT关系特性在线控制技术-保压过程熔体温度控制和多参数组合式控制;同时，开发了专门的注射成型保压过程控制系统，并进行了相关控制技术的实验研究。
图1-3-2是基于注塑装备的聚合物PVT关系特性控制技术原理图，其中，Pn是喷嘴熔体压力，Tm是喷嘴熔体温度，Pc1是远浇口点处的模具型腔熔体压力，Tc1是远浇口点处的模具型腔熔体温度，Pc2是近浇口点处的模具型腔熔体压力，Tc2是近浇口点处的模具型腔熔体温度，Tc是冷却液温度，Ph是系统油压，So是伺服阀开口大小，Yr是螺杆位置，Vr是螺杆速度。
图1-3-2基于注塑装备的聚合物PVT关系特性控制技术原理图
图1-3-3是基于注塑装备的聚合物PVT关系特性控制系统流程图。PVT关系特性控制技术主要集中在注塑成型保压过程控制上，包括V/P转压、保压过程、保压结束点、时间信号、螺杆位置信号、压力/温度信号的选择程序等。
图1-3-3基于注塑装备的聚合物PVT关系特性控制系统流程图
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