精密注射成型技术研究进展

高聚物制品的精密化和高性能化已成为全球聚合物成型加工领域所普遍关注的重要问题。精密注射成型技术并不单单与成型设备有关，还涉及到加工材料、加工工艺控制等多种因素。

成型设备技术进展

近年来，为了满足IT等产业要求塑料零部件高精度、高功能化、小型化、轻量化、低成本、高附加值的要求，精密注射成型机和模具的研制是重点和难点问题。在精密注射成型机的研制方面，代表当今世界先进水平的生产厂商主要有德国的克劳斯玛菲、德玛格、阿博格以及日本的日精、日钢、东芝机械和住友重机等。

德国

克劳斯玛菲最早推出两板式注射成型机并备受世界同行的关注，德玛格则与海天长期合作，它们的技术特点和优势早已为国内同行所熟知。在此仅以阿博格为例简要介绍其精密注射成型机的特点。阿博格精密注射机合模机构采取箱式设计来提高锁模精度。由于三板式注射机前板与后板均固定于机架上，当锁模力施加时，四拉杆的伸长受到机架的约束，从而使拉杆趋向“拱桥形”而影响锁模精度，箱式设计的结果从限制不良变形的角度提高锁模精度。注射油缸双向压力伺服控制精确定位螺杆位置使注射量控制精度提高一倍。采用变频器优化控制主泵马达不仅提高液压系统控制精度，而且有显著的节能效果。此外，阿博格精密注射机还采用模块化设计，注射成型机各运动系统可在全液压到全电动两个极端之间根据用户生产实际需要而采取液压与电动的随意组合，锁模系统和注射系统空间相对位置也可有多种选择。

日本

东芝机械在其精密注射机三板式合模系统设计中将前后板与机架的连接由通常的底部固定联接改进为腰部铰链联接，使锁模力施加时的拉杆变形自由伸展而始终保持平行，采取变形疏导的方式保障锁模精度。日精通过对传统油压机的全面优化，使其在与全电动注射机对比中处于劣势的状况得到大幅度改变。它采用新的控制系统TACT（提高响应速度、操作稳定性、液晶屏显示的多语言控制界面），新的注射机构（大螺杆长径比增强塑化效果，五段温区优化塑化温度控制），并对油压回路进行了优化，开发出新的油压式主力机型FN系列精密注射成型机。以110吨锁模力机型为例，优化设计后的精密注射成型机控制响应速度提高30%，质量稳定性提高50%，油温变动影响减轻50%，节能30%。最近该公司又开出适于极小精密零部件成型，锁模力为15吨的精密小型电气式成型机“ELJECT NEX150”。该精密注射成型机主要用于成型液晶聚合物（LCP）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）等。其典型注射成型产品为数码照相机的快门等数码产品的关键零件。这类微小精密的零部件在注射成型加工中，一次注射量仅为0.1g～5g。日本制钢所通过采用先进的保压控制技术，使注射成型制品质量稳定性得到大幅度提高。标准保压条件下制品重量变动幅度为0.022克，采用新的保压控制后制品重量变动幅度减小到0.006克。日本制钢所还研究开发出JELII-UPS超高速精密注塑成型机。

国内

精密注射成型机也是国内各生产厂商竞相摘取的皇冠上的明珠。近年，广东泓利以生产出国内第一台光盘注射机而在精密注射成型工程技术领域产生了较大影响。但是，中国精密注射成型工程技术的研究仍然处于攻坚战役的关键阶段，学术界也对此抱有强烈的研究兴趣。青岛化工学院胡海青对影响精密注射成型的主要因素诸如成型收缩、模具设计、注塑设备以及注塑材料等进行了探讨，总结了精密注射成型中容易出现的问题及其防止措施；北京化工大学从注射机合模系统锁模精度和刚度，精密充填与模具优化设计、塑化系统优化设计等方面开展了大量的理论分析和实验研究工作。

加工工艺研究进展

为了满足用户对利用所购买的注射成型机生产出最优异产品的强烈需求，供应商除了能够提供技术领先的设备之外，还有责任给用户提供最佳的成型工艺技术支持。

由于高聚物成型过程是各种物理、力学现象共存的复杂过程，存在着温度、压力等多物理场耦合作用下高聚物成型加工条件、形态结构演化与制品力学性能之间耦合问题、高聚物复杂流体动力学问题、模具优化设计和制品质量控制理论等诸多急需解决的问题，因此，对精密注射成型过程的研究主要以实验研究以及借助各种数据分析方法进行计算机分析与模拟等手段为主。

实验研究

实验研究是注射成型工艺过程研究的一种重要方法。国内外许多学者、研究机构、专业公司都进行了大量的研究工作。这些研究涉及到注塑加工过程中的流动行为，如固体床破碎机理、熔融行为、成型条件的影响等。近年来可视化实验方法成为行业关注的热点之一。笔者采用可视化方法，研究了“三明治”式复合高分子制品注射成型皮芯材料充填过程；还研究了多模腔注射成型充填不平衡现象的产生机理，提出从注射工艺上改进流动平衡的有效方法；并在王兴天教授创建的北京化工大学注射成型可视化实验装置的基础上，吸取国外相关研究的有益经验，建立了注射成型可视化实验室，并成功拍摄了注射成型充模过程的一些现象，为注射成型工艺优化的研究创造了有利的条件。近年来，为进行注射成型工艺优化的研究，对高聚物材料注射成型性能进行了一些研究，并研究了高聚物成型加工过程中材料的P-V-T(压力-比容积-温度)关系及其测试方法。

数值模拟

在注射成型工艺过程的数值模拟方面，由于塑料工业迅猛发展的近三十年也正是计算机应用飞速发展的时期，加之以有限元分析为代表的数值分析技术在广泛的工程领域取得令人振奋的应用效果，从而推动了对注射成型加工过程进行模拟的理论与应用技术的发展。

澳大利亚Moldflow公司占据全球注射模拟技术市场份额的75%，始终领导该领域的发展潮流，其“中型面”模型至今仍在使用。“中型面”模拟方法比较适用于薄壁注射制品的成型分析，对于熔接线、气孔位置、纤维取向等能够作出比较准确的预测，但是对于结构复杂的制品，很难甚至不可能构造出连续的中面模型。近年又发展了“双面流”模型。这种方法的主要优点是自接在制品表面生成网格，无需抽取中型面，方便厂建模。这两种模拟方法的理论基础部是在二维面上用有限元计算压力，在厚度方向用有限差分计算温度，因而常被称为2.5维分析法。由于2.5维分析法忽略厂厚度方向的许多物理信息，必然导致分析误差的存在，对于厚壁或复杂制品分析结果就失去意义。采用三维实体模型，则无需太多的假设和简化，并可以与CAD／CAM模型实现无缝集成，现在已逐渐成为主流分析技术。国内学者从80年代以来纷纷开展起有关的研究工作，比较集中和持续开展研究的主要有：台湾清华大学张荣语、郑州大学申长雨和华中科技大学李德群分别领导的研究群体。他们比较系统地外展了注射成型从充模、保压、到冷却固化全过程的数值模拟，并且分别研发了注射成型CAE软件：Moldex、Z—Mold和HSCAE。近年来，各大注射成型CAE软件开发者们都在竞相发展针对气体辅助注射成型的模拟分析功能，台湾清华大学的张荣语起步较早，华中科技大学周华民、李德群提出的数学模型获得了国际同行的认可。

总结

在注射成型加工工艺方面，虽然从实验研究和数值分析两方面已经取得了丰富的成果，但这些成型工艺技术方面的成果都还只不过是一盘散落的珍珠。若能结合具体的设备为用户提供出一套有效的成型工艺优化技术指南，将会像软件使计算机发挥出巨大潜能那样对注射成型加工业产生巨大的影响。

(北京化工大学机电工程学院 杨卫民)