CN1034269C - 热塑性树脂的注射模塑法及用于注射模塑法的模具 - Google Patents

Abstract

在将一熔化的热塑性树脂注射模塑成具有不同厚度的模制件时，在对应于厚壁的空腔内设置一空穴感生件。然后通过一气体通道将气体压力施加于空穴感生件的尖端上，这样，在贴近空穴感生件尖端的树脂内形成一空穴核。空穴核通过树脂在冷却时的收缩力扩大成空穴。

Description

热塑性树脂的注射模塑法及用于注射模塑法的模具

本发明涉及一种将热塑性树脂注射模塑成模制件的方法及用于该注射模塑法的模具，尤其涉及一种将树脂模压成具有不同厚度的截面且不会因树脂的收缩而形成凹痕之类缺陷的模制件的方法。

当将热塑性树脂注射模塑成一具有厚壁和薄壁的产品，厚壁部分树脂的固化比薄壁部分的树脂慢，而在冷却过程中，充入模具中薄壁的树脂冷却和固化得更快。

结果，主要发生在厚壁树脂内的树脂收缩往往会导致在厚壁表面上形成凹痕，变形和其他之类的缺陷。凹痕，变形和其他缺陷(下面由凹痕代表)大大降低了产品的价值。采用传统的注射模塑法，为了补偿收缩，在完成注入树脂后必须立即保压。换句话说在注入树脂后的一小段时间内，抑制保持压力，从而防止了凹痕的形成。然而，当模压具有复杂形状的产品时，在实现足够的保压前浇口已被凝固。因此，很难得到外观满意的产品。

日本专利申请公告61-53208、日本专利申请公开63-268611和64-63122揭示了抑制表面缺陷生成的方法，该方法是在高压下通过树脂通道提供气体以在厚壁内产生空穴前将树脂控制在压力下。然而，当模制一形状复杂的产品时，产品内不会形成足够的空穴，从而形成了凹痕之类的表面缺陷。另外，作为熔化树脂流动导管的气体通道，气泡和流动痕迹之类的缺陷很容易在产品表面上形成。在极个别的情况下，高压气体将从产品中突然喷出。因此，可生产的产品的形状受到了限制。另外，高压气体是不易掌握的。

另一种众所周知的方法是在树脂注入后，从产品的后侧向其厚壁加压。有两种加压方式。在一种加压方式中，模具的一部分是布置成可移动的，且通过液压顶杆压靠住产品。另一种加压方式的特征是气体从厚壁的后侧通入，直接对产品加压(日本专利申请公告61-9126)。然而，前一种方法要求模具具有复杂的结构，或特殊类型的制模机。后一种方式也会在产品的后侧产生不规则的凹痕，导致产品价值的降低。

同时，当具有高凝固速度的聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯之类的树脂被注射成形时，表面层迅速冷却和固化，且具有足够的强度控制收缩的内应力。结果是，模制件内将形成空穴。据此，凹痕不会在厚壁的表面上形成。

这种空穴的形成被认为是一种减低产品强度的缺陷。然而，日本专利申请公告2-13886中揭示了防止凹痕形成的空穴的正确应用。在该方法中，一空穴控制件被推入可能产生凹痕的模腔内。空穴控制件在靠近其末端部分处起在树脂中诱导空穴的作用，以防止凹痕的形成，该方法通过简单装置而防止凹痕的形成是有效果的。

然而，对于模制品内的空穴，模具的某些部分是很难加以冷却的。换句话说，空穴控制件必须具有高热容量和高温。据此，就很难将空穴控制件做得小型化。结果是，就限制了将空穴感生件布置在模具内所要求的位置上，这样就很难在模制件中的所有需要的部分形成空穴。另外，产生在凹痕的位置由于受到模制件条件的影响而作不规则地变化。还有，在一些树脂，如聚缩醛中，补偿收缩的空穴不能充分地形成。这样，不能充分防止凹痕的形成。

日本专利申请公告48-41264中揭示了一种注射模塑法，该方法中，将一喷嘴伸入模具的模腔内，气体在树脂固化前在高压下，穿过在喷嘴轴线上构成的通道，从喷嘴顶端通入模腔内的树脂。然而，由于该方法也采用高压气体，就很难控制产生最佳空穴的压力。另外，喷嘴由固化树脂的收缩力卡住。这样，喷嘴难以从树脂中顺利地取出。

本发明的目的在于提供一种防止在具有厚壁的模制件内的表面上形成凹痕、变形或其他缺陷的方法，该方法向位于模具适当位置的空穴感生件施加压缩气体以在靠近空穴感生件端部的树脂内诱导空穴。

根据本发明，提供一种注射模塑法，防止在具有不同厚度的热塑性树脂模制件表面上的凹痕形成，其特征在于，1)在对应于模制件表面上有凹痕形成的厚壁模具模腔内设置一空穴感生件，2)通过注射向所述模腔内填充熔化树脂，3)通过施加气体压力以穿透沿所述空穴感生件与靠近所述空穴感生件杆端的凝结树脂表层，从而在所述空穴感生件顶端的熔化树脂内形成一空穴核，和4)扩大所述空穴，使其大小相当于所述熔化树脂冷却和固化后收缩力产生的收缩体积。

气压既可在树脂注入遍及模腔后立即施加，也可在上述暂停加压过程后施加。通过该保压过程，防止了模腔中注射树脂的逆流引起的充入压力的降低。

该方法还可通过下述过程促进所述空穴扩大，大小与所述空穴冷却和固化后的收缩力产生的收缩体积相当。

气压从沿着空穴感生器的杆端周围或通过空穴感生件的轴孔施加于注射树脂上以诱导空穴，空穴的形成持续至树脂冷却结束为止。在这种情况下，根据由于冷却和固化引起的树脂收缩而改变施加的气体压力，空穴的扩大将加快。

一种用于进行该注射模塑法的模具，其特征在于模具具有一随制品形状而定的由厚壁和薄壁组成的模腔，并有其一端伸入所述模腔的厚壁中的空穴感生件，和垂直布置在所述空穴感生件周围的用于供给一气体压力的通道，并且所述空穴感生件具有一伸出尖端。空穴感生件还可作为一将产品从模具内顶出的脱膜销。

模具的模腔内充满注射树脂，气压则立刻或在保压后通过空穴感生件施加于树脂上。当模制品开始冷却时，其内部的剩余的充填压力降为零压，并很快成为负压。这时，压缩气体通过空穴感生件而施加于树脂上，气体穿透空穴感生件尖端周围形成的表皮层，在熔化树脂内形成一类似空穴核的极微的泡。即使空穴核一旦形成后就停止外加气压，空穴核也会随着周围熔化树脂的冷却和固化所产生的收缩力而渐渐地扩大成空穴。这样，通过陆续地补偿收缩力，空穴随着核不断扩大而形成，直至扩大至可以防止凹痕形成。采用这种方法，凹痕不仅不会在空穴感生件周围形成，而且也不会在整个厚壁上产生。如果不断地加入气体，气压加到收缩力上，加强了空穴的扩大。结果，不仅在厚壁上，甚至在薄壁周围或相邻的薄壁上都不会形成凹痕。

当采用带有伸出尖端的空穴感生件时，气压是集中施加在尖端上，这样很容易形成空穴核，且在任选位置上加强空穴形成的再现性。在空穴感生件的尖端形成的表皮层内所形成的孔的直径大约为0.5毫米，很难辨别，因此产品的外观没有受到损伤。空穴感生件的直径虽然没有受到特别的限制，但考虑到强度，一般要求为1毫米或较好为1至10毫米，最好为1至5毫米。空穴感生件的端部位置只要在模腔的厚壁中即可，不需要在其中心。另外，安装空穴感生件的位置没有特别地受到限制，可以安置在相对于设计产品的任一适宜位置。即使设置在厚壁端部也能获得满意的效果。由于不需要增加空穴感生件的热容量，且不必将空穴感生件的安装位置限定在容易形成凹痕的位置，如日本专利公告2-13886中揭示的，设计产品的灵活性就大大提高了。如果空穴感生件是按下述方法设计的，即气压有效地集中在空穴感生件的一端，就不需要具有圆柱形状的杆。

采用的气体压力大约为5至15千克/厘米²，比日本专利公告61-53208中揭示的厚壁空穴内的压力低很多。在很多情况下，空气压力等于或低于10千克/厘米²就足够了，且很容易得到该气体源。这种低压气体容易通过普通的操作装置获得。日本专利公告57-14968和61-53208中揭示的方法中，厚壁内形成空穴所需的气体压力为150千克/厘米²。在本发明的方法中，由于不需要象日本专利公告57-14968和61-53208所揭示的方法中所叙述的在厚壁内形成空穴需要压力为150千克/厘米²的高压氮气，就不需要有特别结构和操作条件的设备。这样，即使在普通的操作条件下也不会形成凹痕，较易得到表面性能极佳的模制产品，和其他无法估计的优点。在本发明的方法中，即使气体压力低，空穴的扩大加速且能有效地阻止凹痕，特别是对于有强收缩力的树脂。如果气压在树脂冷却的过程中不断地施加以促进空穴的扩大，从而补偿树脂的收缩，就能更好地阻止凹痕的形成。

气体沿空穴感生件的周围供给于树脂。结果是，气体在空穴感生件和树脂之间形成了一小间隙。因此，空穴感生件可容易地从树脂中移出，而不象日本专利申请公告48-41264所揭示的方法。

本发明的其他目的和特性将参照附图通过如下的描述进一步了解。

图1为表示一完整的模制件的实例的立体图；

图2为采用本发明方法的模具的侧面剖视图；

图3为解释空穴核形成的剖视图；

图4为解释空穴扩大的剖视图；

图5为另一空穴感生件实例的立体图；

图6为另一实例的模具的剖视图；

图7为一表示气压作用时间及空穴大小之间关系的图表；

图8为一表示气压作用起始时间及空穴大小之间关系的图表；

图9为一表示实例结果的表；

图10为另一具有复杂形状的模制品实例的立体图；和

图11为一附有空穴感生件的连接装置的剖视图。

参见图1，注塑成型的完整产品10具有一作为厚壁的肋12和一作为薄壁的法兰11。当一热塑性树脂被注满法兰11的侧面时，留下一在模具的浇口中所形成的装料门(或浇口门)，最后该门被割除以获得产品。在注塑产品10的一个实例中，肋的厚度为10毫米，而法兰11的厚度为3毫米。由于此产品的厚度大，当采用传统的注射模塑法进行模制时，易于在肋12的表面部分14、15和16处形成凹下的痕迹。

图2表示一模制产品10的注塑模20，包括一固定模22和一与固定模22相连的移动模23，两模形成一模腔21。一浇口门13a是在模内形成的。

根据本发明，如图2所示，空穴感生件30被安置在移动模23内。空穴感生件30呈杆状，且含有一锐利的尖端31和螺纹38。空穴感生件30是***移动模23中构成的孔24内，螺纹38则被拧入移动模23内。空穴感生件30的法兰32紧靠在模23的外壁上。尖端31位于模腔21的中央部分。孔24包括一在空穴感生件30底部周围的大直径部分25和一直径略大于空穴感生件30的小直径部分26。大直径部分25通过一通道28和一阀门29与压缩气体源27互相连通。

模腔21通过一注射模塑机而注入诸如聚苯乙烯、聚丙烯、ABS或聚碳酸酯之类的树脂40(图3)，本发明特别适于模塑具有脱模后收缩性大的聚丙烯或ABS。

如图3和4所示，为了便于解释起见，关于树脂的注入，在此不再赘述。

一旦充入树脂后，阀门29就被打开，处于室温的气体如氮气或空气在低压下通过通道28从气体源27进入孔24。气体通过小直径部分26和空穴感生件30之间的空隙到达每个空穴感生件30的尖端，从空穴感生件30上剥去树脂40的表层41。由于空穴感生件30的尖端具有低冷却率，在空穴感生件尖端周围的表层41的形成比图3所示的其他部分的表层形成滞后。结果是，表层41很容易被气体穿透，这样，在树脂40内就形成了一孔穴42和空穴核43，且气体通过阀门29释放到大气中。气体的供应在此时停止。

当树脂被冷却和固化时，空穴核43由于树脂40的收缩力而膨胀成如图4所示的空穴44。空穴44发展成如参照线I和II所示的熔化树脂40a，该熔化树脂40a由于冷却和固化的迟缓而继续熔化。当树脂完全固化后，打开塑模20，取出模制件。模制件的表面不会由于模制件内的空穴而形成凹下的痕迹。如果外加气压一直持续到固化结束而没有释放，空穴的膨胀就由于气压加入到树脂的收缩力上而增加。这样，膨胀的空穴就防止了在模制件厚壁的周围部分形成凹下的痕迹。

图5所示为空穴感生件30的另一实例。空穴感生件30含有一轴向孔37和一组与轴向孔37以及孔24的大直径部分25互相连通的侧向孔36。结果是，由气体源27供给的气体通过侧向孔36进入轴向孔37并从空穴感生件30的尖端开口处喷出，以在树脂内形成一空穴核。

图6所示为空穴感生件的又一实例。每个空穴感生件30a都固定在与移动模23固定的支承板23a上。提供气压的通道28是在模23和支承板23a之间形成的，并在空穴感生件的底部与孔24互相连通。空穴感生件30a的作用与图2的感生件30是一样的。

实例I

模制件的形状如图1所示，肋12的长度为230毫米，厚度为10毫米，法兰11的厚度为3毫米。图2所采用的塑模20，其中三个空穴感生件30以100毫米的间隔排列。每一空穴感生件直径为2毫米。熔化的聚苯乙烯被注射到塑模的模腔21内，保压三秒钟后，立刻将处于室温的9.5千克/厘米²的压缩空气施加于每个空穴感生件30的尖端达8秒钟之久。然后，空气通过阀门29的打开而释放到大气中。树脂在通道28打开情况下冷却和固化。经过60秒种的冷却后，将模制件从塑模中取出。这时，在每一空穴感生件的顶端周围会发现一直径为0.5毫米的孔和一与孔相连通的较大的空穴。检查获得的注射模制件的表面，将不会发现有凹痕之类的缺陷。

比较实例(1)-(3)

下面的实验是为了证明本发明方法的作用。

(1)采用图2的塑模，在与实例I相同的条件下，无气压的供给时模塑聚苯乙烯。空穴不会在每个空穴感生件顶端周围的模制件内形成。在模制件的表面及其侧面就会产生明显的凹痕。模制件的表面质量是低劣的。

(2)一直径为6毫米的用由K-4钢制成的圆柱杆作为空穴感生件来控制空穴的产生。一注射模制件按与实例I一样的条件下模制成型。然而，没有空穴形成，且发现有明显的凹痕，使产品的表面质量不好。即使采用ABS、聚碳酸酯和PMMA之类的其他树脂进行模制，结果还是一样。

(3)在与实例I相同的条件下，在三秒钟的保压时间内，向塑模内施加压缩气体。当加工过程进入冷却阶段，停止气体的供给，且通过阀门29释放。模内的树脂在加压气体通道28与大气相通的条件下被冷却和固化。模制件内没有空穴形成，因此，有明显凹痕产生，同样造成产品表面质量的缺陷。

在另一个实验中，气压在完成树脂的充填过程前加入，且在与实例I相同的条件下停止加压。即使聚苯乙烯在冷却阶段开始时供气和停止供气情况下被冷却和固化，产生了一系列凹痕，造成产品表面质量的缺陷。

实例I(1)-(2)

(1)在与实例I相同的条件下进行几种实验，在第一实验的冷却阶段中，改变气压的作用时间以调查气压作用时间及模制件内形成空穴的大小之间的关系。

图7表示了这一关系。从图表中可以看出，空穴核在气压开始施加后的五秒钟内形成。空穴的大小随气压作用时间而增大。当树脂模制件的表面状态可被详细地观察到时，它随空穴尺寸的增大而有所改善。

(2)当聚苯乙烯被完全注入后且无保压时，不停地将气压施加于模腔内，空穴的尺寸比有保压的空穴更大，且表面状况更有改善。这样，可证明保压是不一定需要的。

有保压注射产品的重量为133.9克，而无保压的产品重量为131.2克。

气压的施加不会造成产品重量的任何变化。

实例III(1)-(3)

(1)模制件的形状与图1中的模制件相似。法兰厚度为2毫米，肋厚度为6毫米，长度为230毫米。虽然肋的厚度比实例I中的小得多，然而，用传统模塑方法制造的模制件，其对应于肋的法兰表面产生明显凹痕。由此，每个直径为2毫米的三个空穴感生件以100毫米的间隔排列在注塑模的移动模上。

采用该注塑模进行注射模塑，冷却时间设定为40秒，其他条件与实例I相同。在该模制件中，证明所有空穴即每一空穴与每一空穴感生件的尖端上形成的直径为0.5毫米的通孔互相连通。当检查该模制件的表面状态时，如实例I中的情况一样，该模制件的表面上没有发现任何凹痕之类的缺陷。

(2)在另一实验中，气压仅施加于图2中左面的空穴感生件30b，其他条件与实例I相同。在模制件中，图1的表面部分14和15处没有凹痕形成。然而，在表面部分16上有凹痕形成。

(3)当取消保压过程时，在上述两实验中不断地施加气压，直至冷却阶段结束，在表面部分16上也没有发现任何凹痕。

实例IV

在实例I至III中，冷却阶段一开始后就立刻将气压施加于空穴感生件的尖端。在不同时间内开始施加气压的延迟时间以及空穴形成大小和表面质量之间的关系与实例II的类似条件下相比。图8表示气压施加的起始时间和空穴大小之间的关系。从图表中可看出，树脂固化层的膨胀是在空穴膨胀之前进行的，形成凹痕的树脂收缩不会由空穴补偿，形成了不够满意的表面状态的改进。

图9表示实例I至IV及比较实例的结果。

实例V

图10表示一具有复杂形状的模制件50。该模制件包括薄壁51和厚壁52。在制造具有不同厚度形状的模制件50时，在厚壁52内，空穴感生件被设置在对应于由记号X和+表示位置的注塑模模腔内。当熔化树脂被注入注塑模模腔后立即施加气体压力，冷却结束后，即能得到产品，尽管该产品形状复杂，但表面没有任何凹痕之类的缺陷存在。图11所示的空穴感生件30a被设置在每个由记号X表示的位置处。空穴感生件30a是通过图11所示的连接装置而连接的。

空穴感生件30a是固定在底板53上，而底板53通过一间隔块54而固定在一芯板23a上。空穴感生件30a安装在由推顶板56支承的套筒55内。在空穴感生件30a和套筒55之间形成的气体通道是与塑模23a内的空穴感生件尖端互相连通。通道57由一O形环58密封。压缩气体通过管道60、一连接件61和通道57通入模腔21a内。

图11的连接装置能使空穴感生件易于与具有复杂形状的塑模连接。

一俟注入树脂后立即将气压施加于每一空穴感生件上，尽管很复杂的造型，仍能得到表面质量非常好的产品。空穴感生件还可用来作为将产品从塑模中推出的脱模销。

根据本发明，在注入树脂内的空穴感生件尖端形成象空穴核一样的泡。该空穴核在树脂冷却固化而收缩时膨胀成空穴。这样就可得到表面没有凹痕的产品。由于气体压力具有一施加于空穴感生件上的低压力，注射模塑易于通过结构简单的注射器进行。

如上所示和所述的为本发明的最佳实施例，应该懂得这些揭示是为了解释本发明，而各种变化和变型都将不偏离本发明的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种具有不同厚度的热塑性树脂模制件的注射模塑方法，其特征在于，包括：

在模具内设置空穴感生件，使空穴感生件的一端处于对应于厚壁部分的位置；

向所述模具的模腔内注射熔化树脂；

将气体压力施加在贴近空穴感生件端部的树脂上，压力大小以能穿透所述空穴感生件尖端附近生成的树脂表层为准，以便在熔化树脂内形成空穴核，这样，空穴扩大到其大小相当于树脂冷却和固化时的收缩力所产生的收缩体积的大小，从而阻止了模制件的表面上的凹痕形成。

2.如权利要求1所述的注射模塑法，其特征在于，在树脂注满整个模腔后就立即施加气体压力。

3.如权利要求1所述的注射模塑法，其特征在于，在喷射树脂保压后立即施加气体压力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外加气压进行到树脂冷却结束。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外加气压是通过沿空穴感生件周围的气体供给而实现的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外加气压是通过沿空穴感生件周围而供气的，然后经过设在空穴感生件上的轴向孔而实现的。

7.一种注射模塑用的模具包括：

一具有构成模制件厚截面内壁的模腔；其特征在于，

至少有一个安装在模具内的空穴感生件，其尖端***模腔，且伸至模制件厚壁的中心；和

将气体沿空穴感生件供给于其尖端的通气装置。

8.如权利要求7所述的模具，其特征在于，通气装置在空穴感生件的外面形成的。

9.如权利要求7所述的模具，其特征在于，通气装置为一在空穴感生件内构成的轴孔。

10.如权利要求7所述的模具，其特征在于，空穴感生件的尖端是尖锐的。

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