一种聚合物超声塑化微注射装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声塑化微注射装置与方法，由超声波塑化系统，注射系统和给料系统组成，并在注射柱塞(17)上设置排气系统，在超声塑化筒内由一个或多个超声波塑化单元设置在塑化器支撑体(5)上，超声波塑化单元由超声波换能元件和传振片(4)连接塑化器(6)构成，塑化器设置在塑化器支撑体的内孔内；利用超声波换能元件使塑化器上产生的超声振动，在物料上产生摩擦热效应和超声波空化效应塑化物料。采用塑化器的轴向凹槽和塑化器之间的间隙构成的型腔作为塑化腔，超声波能量传递面积大，塑化效率高；利用注射电机(25)驱动注射柱塞注射，注射柱塞运动惯性小，注射过程中塑化腔内的空气通过排气系统排出腔外，排气效果好。
【专利说明】一种聚合物超声塑化微注射装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工程塑料与精密微量注射【技术领域】，尤其涉及一种聚合物超声塑化微注射装置与方法。
【背景技术】
[0002]伴随工程塑料与精密微量注射技术的发展，利用注射等高效生产方式生产的高精度微小制件正逐步代替采用传统加工制造方式生产的微结构金属零件。微量注射通常采用微量塑化与精密注射，注射量甚至达到数微克级别，塑化质量要求高，成型过程中熔体冷却快，注射阻力大，充填困难，传统的螺杆塑化与注射技术，受螺杆直径下限与止逆环的限制，无法完成微小剂量的塑化与精密注射；柱塞塑化与注射方式，采用加热方式塑化聚合物，熔体的均质性难以满足微注射成型的要求，而采用螺杆塑化/柱塞注射的方式，通常存在装置复杂控制困难等问题。
[0003]超声波震动塑化的聚合物拥有良好的均质性，非常适合与微注射成型。然而受技术的限制，超声波在聚合物成型领域的应用通常限于作为一种探测手段在线监测熔体密度，或将超声波加载喷嘴处、模具内以改善熔体的流动性能和填充率，如中国专利201210052745.3公开的一种超声振动与抽真空集成的微注塑模具及成型方法。将超声波直接作为塑化装置的研究较少，中国专利201310121160.7公开的一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及成型方法，其将超声波输出端制成注射柱塞，依靠柱塞的端面接触物料，柱塞作高频轴向振动，塑化物料。然而该塑化装置，其塑化功率受柱塞端面面积的限制，柱塞端面小，则能量传递面积小，塑化时间长；端面面积大则塑化腔截面大，不易实现微小剂量的塑化，注射时注射阻力大；采用超声波输出端直接作为注射柱塞，注射时注射阻力会传递给超声波换能装置；注射时超射波换能装置一起随注射柱塞运动，运动惯性大，不利于实现高速注射，而注射速度越高，熔体粘度越小，越容易保证填充率；塑化单元无排气装置，熔体易产生烧蚀现象。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种超声波能量传递面积大，塑化效率高，易实现微剂量塑化和高速精密注射的聚合物超声塑化微注射装置与方法，注射时对超声波发生装置无影响。
[0005]本发明通过下述技术方案实现:
[0006]一种聚合物超声塑化微注射装置，由超声波塑化系统，注射系统和给料系统组成，并在注射柱塞17上设置排气系统，所述的超声塑化筒，由一个或多个超声波塑化单元设置在塑化器支撑体5上，所述的超声波塑化单元由超声波换能元件和传振片4连接塑化器6构成，内六角螺钉8穿过超声波换能元件连接机筒I与传振片4，螺钉7穿过塑化器支撑器7连接传振片4和塑化器6 ；
[0007]所述的塑化器6设置在塑化器支撑体5的内孔内，塑化器6的轴向设有弧形凹槽，塑化器6之间设有间隙；
[0008]所述的排气系统包括注射柱塞17，注射柱塞17上设置下内孔1701和上内孔1702，柱塞头172为独立件，下内孔1701底部设有弹簧171，注射柱塞17侧面设有柱销173。
[0009]所述的超声波塑化单元由绝缘圈11分隔开，绝缘圈11的内径等于传振片4的外径。
[0010]所述的超声波换能元件由两层或多层的压电片2和相同层数的电极片3交叠而成，压电片2的截面形状为瓦形或矩形。
[0011]所述的传振片4所构成的内腔的内径大于塑化器支撑体5圆柱段的外径，所述的塑化器6上的弧形凹槽的曲率半径等于注射柱塞17的半径，每块塑化器6的凹槽构成的内腔直径等于注射柱塞17的直径。
[0012]所述的注射柱塞17的下内孔1701的直径大于上内孔1702的直径，注射柱塞17上设有翼板1703，翼板1703的厚度等于两块塑化器6之间的间隙宽度，翼板1703之间的宽度等于塑化器支撑体5的内径，翼板1703的上端设有圆孔连通上内孔1702，在注射柱塞17垂直于翼板1703的径向设有圆孔，圆孔内设有柱销173。
[0013]所述的注射柱塞17的柱塞头172为独立件，柱塞头172头部设有锥面，尾部为一段直径小于下内孔1701的圆柱段，所述圆柱段两侧上设有平台，一侧的平台长度等于圆柱段的长度，另一侧平台的长度小于圆柱段的长度，柱塞头172圆柱段插入下内孔1701，较短平台的一侧朝向柱销173。
[0014]所述的注射系统由注射电机25连接丝杆21，丝杠螺母19套在丝杠21上，导向板20固定在丝杠螺母19上，并套在导杆15上，推进器18 —端固定在丝杠螺母19上，另一端连接连接注射柱塞17，推进器18采用中空结构，其内径大于丝杠21的直径。
[0015]采用上述聚合物超声塑化微注射装置的注射方法如下:
[0016]注射电机25驱动注射柱塞17上升离开塑化筒固定模板16,由给料系统向超声塑化筒内供料，开启超声波塑化系统，利用超声波在物料中产生的摩擦热效应和超声波空化效应将物料熔融塑化,塑化完成后,注射电机25驱动注射柱塞17下行，由注射柱塞17头部的排气系统在下行过程中将塑化腔内的空气排出，柱塞头172接触物料，并将物料挤入模具型腔，进行保压，保压完成(保压时间需根据物料种类、注射量、模具等因素确定，无法确定范围)，后注射柱塞17上升，完成一次超声塑化与注射。
[0017]所述的超声塑化筒塑化物料，是利用塑化器6的凹槽与塑化器6之间的间隙构成的型腔作为塑化型腔，通过超声波换能元件产生压电效应使塑化器6沿机筒I的径向振动，物料在与塑化器6的触面上激烈摩擦熔融，并产生超声波空化效应，使物料快速塑化。
[0018]所述的注射柱塞17的排气系统的排气过程包括，由注射柱塞17的翼板1703嵌入塑化器6之间的间隙，保证注射柱塞17与塑化腔之间的气密性，射柱柱塞17与柱塞头172之间有空隙，使注射柱塞17下行过程中，由弹簧171与柱销173保证在柱塞头172的锥面完全接触物料前，塑化腔内的气体由下内孔1701和上内孔1702排到翼板1703的上方。
[0019]本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0020]物料塑化腔由超声塑化器构成，物料与超声能量输出端的接触面积大，超声波能量的传递面积大，塑化效率高；对比端面接触塑化方式，物料柱面更小，有利于减小注射时的阻力；超声塑化筒内轴向可设多个超声波塑化单元，可根据塑化物料的高度开启足够数量的塑化单元，能量利用率高；采用注射电机通过丝杠螺母幅直接驱动专门的注射柱塞注射，运动惯性小，能达到更高的柱塞运动速度，提高注射时物料的剪切速率，降低粘度，使注射阻力减小，在更小的注射压力下保证填充率；注射柱塞头部排气系统结构简单，通过为注射柱塞头内选择不同弹力的弹簧，可实现对塑化不同物料时的可靠排气效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明具体实施例的构造图。
[0022]图2是超声塑化筒第一个实施例的构造图。
[0023]图3是图2的A-A剖视图。
[0024]图4是图2的B-B剖视图。
[0025]图5是注射柱塞的构造图。
[0026]图6是图5的D-D剖视图。
[0027]图7是注射柱塞的左视图。
[0028]图8是图7中局部视图C的放大图。
[0029]图9是超声塑化器第二个实施例的构造图。
[0030]图10是超声塑化器第三个实施例的构造图。
[0031 ] 图中各标号为:1-机筒，2-压电片，3-电极片，4-传振片，5-塑化器支撑体，6_塑化器，7-螺钉，8-内六角螺钉，9-弹簧垫圈，10-绝缘套管，11-绝缘圈，12-喷嘴，13-塑化筒前端盖，14-前固定模板，15-导杆，16-塑化筒固定模板，17-注射柱塞，18-推进器，19-丝杠螺母，20-导向板，21-丝杠，22-联轴器，23-推力轴承，24-螺母，25-注射电机，26-电机连接座，27-电机固定模板，28-料斗，29-导料管，30-料斗固定座。
【具体实施方式】
[0032]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0033]实施例
[0034]图1为本发明具体实施例的构造图，超声塑化系统，由超声塑化筒的机筒1，一端连接塑化筒前端盖13，再由塑化筒前端盖13固定在前固定模板14上，塑化筒前端盖13内设有喷嘴12，机筒I的另一端固定在塑化筒固定模板16上，塑化筒固定模板16上设有与超声塑化筒塑化腔截面相同的通孔。注射柱塞17的柱塞头插入到超声塑化筒的塑化腔内，尾部与推进器18连接；推进器18为中空结构，内孔直径大于丝杠21的直径，推进器18 —端设有凸缘，凸缘通过螺钉与丝杠螺母19连接；导向板20固定在丝杠螺母19上，导向板20通过圆孔套在导杆15上，并能沿导杆15滑动；丝杠21通过联轴器22连接注射电机25，联轴器22与电机固定模板27之间设有推力轴承23，注射电机25固定在电机连接座26上，电机连接座26通过螺钉固定在电机固定模板27上。前固定模板14和塑化筒固定模板16、电机固定模板27通过导杆15连接在一起，端部通过螺母24固定。料斗28的出料口连接导料管29，导料管29指向塑化筒固定模板16的入料通孔，料斗28设在料斗固定座30上，料斗固定座30通过螺钉或导轨与塑化筒固定模板16连接。
[0035]图2、3、4为本发明超声塑化筒的第一个实施例的构造图，机筒I两端设有凸缘；塑化器支撑体5插入机筒I内，塑化器支撑体5 —端设有外径与机筒I的凸缘外径相同的凸缘，并通过螺钉与机筒I的凸缘连接，另一端设有外径与机筒I内径相同的凸缘，并与机筒I内壁配合。沿塑化器支撑体5轴向设有两个超声波塑化单元，并通过绝缘圈11隔开。螺钉7穿过塑化器支撑体5连接传振片4和塑化器6，上下两个瓦形的传振片4构成的内腔的内径大于塑化器支撑体5圆柱段的外径。超声波塑化单元由超声波换能元件和瓦形的传振片4和塑化器6构成，超声波换能元件由上下两组独立的两层瓦形的压电片2和两层电极片3交叠而成，内六角螺钉8穿过压电片2电极片3，连接机筒I和传振片4，内六角螺钉8与超声波换能元件之间套有绝缘套管10，内六角螺钉8与机筒I之间设有弹簧垫圈9，弹簧垫圈9受压但未被压紧，使传振片4沿机筒I径向受拉，使传振片4与换能元件贴紧，通过螺钉7的传递，使塑化器6的外壁与塑化器支撑体5的内壁贴紧。
[0036]参看图5，注射柱塞17头部设有两段直径不同的下内孔1701和上内孔1702，弹簧171的外圈直径大于上内孔1702的直径,小于下内孔1701的直径,柱塞头172的头部为与喷嘴12的内孔锥面相匹配的锥形，尾部为一段直径略小于下内孔1701的圆柱段，柱塞头172尾部插入到下内孔1701内；注射柱塞17尾部设有一段轴肩1704和螺纹段1705，注射柱塞17通过螺纹段1705与推进器18连接。参看图6，注射柱塞17的头部两侧设有翼板1703，翼板的厚度等于两块塑化器6之间的间隙宽度，两翼板之间的宽度等于塑化器支撑体5的内径，使注射柱塞17的头部截面形状与超声波塑化筒的塑化腔的截面形状一致，保证注射时的气密性。参看图7，柱塞头172尾部圆柱段上设有两段平台，一段平台长度等于圆柱段长度，另一段平台长度小于圆柱段长度，注射柱塞17头部侧面设有连通下内孔1701的圆孔，圆孔轴向垂直于翼板1703，圆孔内设有柱销173，柱销顶在柱塞头172尾部较短平台的端面上，使柱塞头172在弹簧171的弹力下不致脱离下内孔1701，上内孔1702的沿注射柱塞17的轴向延伸一段距离后，沿注射柱塞17径向开设通孔，所述的径向通孔轴向平行于翼板1703的宽度方向，径向通孔的位置高于翼板1703的高度。参看图8，为图7中的局部视图C的放大图，当柱塞头172的尾端受弹簧171和柱销173的共同作用卡在注射柱塞17的头部，柱塞头172的锥形端面距离注射柱塞17头部的端面有一段距离，注射时塑化腔内的气体可沿图8中箭头所示的方向，通过柱塞头圆柱段的平台进入到下内孔1701，再进入到上内孔1702排出。
[0037]超声塑化微注射装置工作时，首先由注射电机25驱动丝杆21转动，在导向板20的导向作用下，丝杠螺母19上升，使推进器18带动注射柱塞17上升，当柱塞头172离开塑化筒固定模板的上端面时，料斗28内的物料通过导料管29进入到超声塑化筒的塑化腔内。注射电机25启动使注射柱塞17下行，进入塑化腔，由柱塞头172接触物料并将物料压实后，注射电机25启动使注射柱塞17上升离开塑化筒。根据物料在塑化腔内的高度，确定满足整个物料段都能接收到超声波能量的超声波塑化单元的个数，启动超声波塑化单元。工作时超声波塑化单元由两层电极片3输入高频交流电信号，在两层压电片2上产生压电效应，使压电片的径向尺寸产生变化，产生高频机械振动，即超声波，机械振动通过传振片4传递到塑化器6上，使塑化器6沿机筒I的径向作高频振动，利用塑化器6与物料接触面上产生机械摩擦热效应和超声波空化效应，使物料快速高效地熔融塑化。塑化完成后，注射电机25启动，使注射柱塞17下行，进入超声波塑化筒内，注射柱塞17头部的翼板1703与塑化器6之间的间隙配合，保证注射时的密封性，注射柱塞17下行时，塑化腔内的气体由柱塞头172尾部的圆柱段上的平台通过下内孔1701和上内孔1702排到翼板1703之上。柱塞头172接触物料时，弹簧171压缩，柱塞头172与注射柱塞17的端面的距离缩短，通过匹配弹簧171的弹力，使柱塞头172的锥面完全接触物料时，柱塞头172的端面刚好与注射柱塞17的端面接触，使塑化腔内的气体完全排出腔外。注射柱塞17继续下行，将塑化腔内的熔体挤出，熔体通过喷嘴注入到模具的型腔内，注射完成后注射柱塞在塑化腔内停留一段时间进行保压。保压完成后，塑化电机25启动，使注射柱塞17上升进入下一个注射周期。
[0038]图9是超声塑化筒的第二个实施例的构造图，其工作原理及塑化器6的结构与第一个实施例相同，与第一个实施例不同的是，机筒I采用方形管体，压电片2和传振片4的截面为矩形，塑化器支撑体5与机筒的装配方式与第一个实施例一致。对比实施例1的优势是，压电片采用板型，易加工制造，超声波塑化筒上的螺钉孔易定位加工。
[0039]参看图10是超声塑化筒的第三个实施例的构造图，其工作原理和塑化筒各零件的结构和装配关系与第一个实施例相同，与第一个实施例不同的是，沿机筒I的径向设有四组超声波换能元件和传振片4，分别连接四个塑化器6。采用径向布置多组塑化器6，塑化器6振动时，可以使物料的应变更加集于轴心方向，使料柱的体积压缩变形更加强烈，有利于提高超声波能量的传递效率，且两组超声波换能元件还可设置输入不同频率的交流电信号，以获得塑化腔内不同超声波干涉效应，得到不同的塑化效果。采用径向布置两对超声塑化元件和塑化器的结构，只要将注射柱塞的翼板增加到两对，并使注射柱塞头部的截面与塑化腔内的截面保持一致，即可采用同实施例一采用相同的注射方式。
[0040]以上结合附图对本发明的具体实施例做了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，凡是采用超声波能量发射装置直接构成塑化腔作出的各种变化，超声波换能元件和机筒、传振片等零件截面的变化，压电片和电极片的层数的变化，轴向布置超声波塑化单元数量的变化，以及超声波塑化筒径向塑化器数量等作出的变化，都落在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种聚合物超声塑化微注射装置，由超声波塑化系统，注射系统和给料系统组成，并在注射柱塞(17)上设置排气系统，其特征在于:所述的超声塑化筒，由一个或多个超声波塑化单元设置在塑化器支撑体(5)上，所述的超声波塑化单元由超声波换能元件和传振片(4)连接塑化器(6)构成，内六角螺钉(8)穿过超声波换能元件连接机筒(I)与传振片(4)，螺钉(7)穿过塑化器支撑器(7)连接传振片(4)和塑化器(6)； 所述的塑化器(6)设置在塑化器支撑体(5)的内孔内，塑化器￠)的轴向设有弧形凹槽，塑化器(6)之间设有间隙； 所述的排气系统包括注射柱塞(17)，注射柱塞(17)上设置下内孔(1701)和上内孔(1702)，柱塞头(172)为独立件，内孔1701底部设有弹簧(171)，注射柱塞(17)侧面设有柱销(173)。
2.根据权利要求1所述的聚合物超声塑化微注射装置，其特征在于:所述的超声波塑化单元由绝缘圈(11)分隔开，绝缘圈(11)的内径等于传振片⑷的外径。
3.根据权利要求1所述的聚合物超声塑化微注射装置，其特征在于:所述的超声波换能元件由两层或多层的压电片⑵和相同层数的电极片⑶交叠而成，压电片⑵的截面形状为瓦形或矩形。
4.根据权利要求1所述的聚合物超声塑化微注射装置，其特征在于:所述的传振片(4)所构成的内腔的内径大于塑化器支撑体(5)圆柱段的外径，所述的塑化器(6)上的弧形凹槽的曲率半径等于注射柱塞(17)的半径，每块塑化器(6)的凹槽构成的内腔直径等于注射柱塞(17)的直径。
5.根据权利要求1所述的聚合物超声塑化微注射装置，其特征在于:所述的注射柱塞(17)的下内孔(1701)的直径大于上内孔(1702)的直径，注射柱塞(17)上设有翼板(1703)，翼板(1703)的厚度等于两块塑化器(6)之间的间隙宽度，翼板(1703)之间的宽度等于塑化器支撑体(5)的内径，翼板(1703)的上端设有圆孔连通上内孔(1702)，在注射柱塞(17)垂直于翼板(1703)的径向设有圆孔，圆孔内设有柱销(173)。
6.根据权利要求5所述的聚合物超声塑化微注射装置，其特征在于:所述的注射柱塞(17)的柱塞头(172)为独立件，柱塞头(172)头部设有锥面，尾部为一段直径小于下内孔(1701)的圆柱段，所述圆柱段两侧上设有平台，一侧的平台长度等于圆柱段的长度，另一侧平台的长度小于圆柱段的长度，柱塞头(172)圆柱段插入下内孔(1701)，较短平台的一侧朝向柱销(173)。
7.根据权利要求1所述的聚合物超声塑化微注射装置，其特征在于:所述的注射系统由注射电机(25)连接丝杆(21)，丝杠螺母(19)套在丝杠(21)上，导向板(20)固定在丝杠螺母(19)上，并套在导杆(15)上，推进器(18) —端固定在丝杠螺母(19)上，另一端连接连接注射柱塞(17)，推进器(18)采用中空结构，其内径大于丝杠(21)的直径。
8.采用权利要求1至7中任一项所述聚合物超声塑化微注射装置的注射方法，其特征在于如下步骤: 注射电机(25)驱动注射柱塞(17)上升离开塑化筒固定模板(16)，由给料系统向超声塑化筒内供料，开启超声波塑化系统，利用超声波在物料中产生的摩擦热效应和超声波空化效应将物料熔融塑化,塑化完成后,注射电机(25)驱动注射柱塞(17)下行，由注射柱塞(17)头部的排气系统在下行过程中将塑化腔内的空气排出，柱塞头(172)接触物料，并将物料挤入模具型腔，进行保压，保压完成后注射柱塞(17)上升，完成一次超声塑化与注射。
9.根据权利要求8所述的注射方法，其特征在于:所述的超声塑化筒塑化物料，是利用塑化器出)的凹槽与塑化器(6)之间的间隙构成的型腔作为塑化型腔，通过超声波换能元件产生压电效应使塑化器(6)沿机筒⑴的径向振动，物料在与塑化器(6)的触面上激烈摩擦熔融，并产生超声波空化效应，使物料快速塑化。
10.根据权利要求8所述的注射方法，其特征在于:所述的注射柱塞(17)的排气系统的排气过程包括，由注射柱塞(17)的翼板(1703)嵌入塑化器(6)之间的间隙，保证注射柱塞(17)与塑化腔之间的气密性，射柱柱塞(17)与柱塞头(172)之间有空隙，使注射柱塞(17)下行过程中，由弹簧(171)与柱销(173)保证在柱塞头(172)的锥面完全接触物料前，塑化腔内的气体由下内孔(1701)和上内孔(1702)排到翼板(1703)的上方。
【文档编号】B29C45/58GK104191573SQ201410421234
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】吴宏武, 巫蔡泉, 叶超林 申请人:华南理工大学