一种无止逆环的多轴体积脉动注射成型方法及装置与流程

本发明涉及一种注射成型，特别是涉及一种塑料共混改性材料及长纤维在线配混材料注射成型方法及装置，属于高分子材料成型加工设备领域。

背景技术：

注射成型具有生产效率高、适应性强、用途广等优点，几乎适合于所有热塑性塑料及其复合体系的成型加工。根据注塑成型设备的组成及结构原理，目前的注射成型设备主要分为螺杆柱塞式与往复螺杆式两种类型。

往复螺杆式注射机采用单螺杆塑化系统，一般来说塑化系统的螺杆及料筒长径比相对挤出机的较小，而且往复螺杆式注射机塑化计量过程中螺杆边旋转边后退，螺杆有效长度缩短，因此往复螺杆式注射机的混合效果较差，难以实现塑料共混改性材料及长纤维在线配混物料的注射成型。因而为了满足功能化注塑制品的质量要求，通常需要采用“先配混造粒，再注射成型”的两步法成型方法与工艺，这种成型工艺造成物料经历的热机械历程长、能耗高、物料易降解及热分解、制品性能提高困难等问题。

螺杆柱塞式注射机的螺杆料筒塑化系统只需要负责物料的塑化，成型过程中螺杆的有效长度不变，在一定程度上提高了混合效果，改善了制品质量；采用双螺杆塑化系统可以进一步提高塑化混合效果，有利于通过“一步法”实现塑料共混改性材料及长纤维在线配混物料的注射成型。螺杆柱塞式注射机在一定程度上提高了混合效果，优化了制品的性能，但成型过程中塑化计量与注射充模阶段熔体的流动方向相反，这种物料流动方式会造成先塑化完成的物料被推往注射腔的后部，后塑化完成的物料位于注射腔的前部，从而造成成型过程中物料的“先进后出”，停留时间分布不均匀等不足。先进入注射腔的物料在注射腔的停留时间长，容易引起物料过度受热而造成物料的热降解及热分解，而后进入注射腔的物料有可能因为受热时间短、塑化不充分造成制品质量缺陷。

为了满足注塑制品高质量的要求，外场辅助动态塑化注射成型加工是提高注塑制品质量常用的方法。专利号为96108387.5的中国发明专利“电磁式聚合物动态注射成型方法及装置”采用电磁能量转换的方式实现了注射螺杆的轴向脉动，有效缩短了注射成型周期，提高了注塑制品质量；专利号为200510033386.7的中国发明专利“注射机螺杆轴向脉动位移方法及装置”采用液压激振为驱动动力的运动机构的方法实现注射螺杆的轴向脉动，从而产生脉动变化的注射压力提高了对物料的适应性及制品质量；专利号为200510032625.7的中国发明专利“多螺杆振动力场诱导塑化混炼挤出方法及设备”通过在一字型排列的三螺杆中央主螺杆上叠加机械振动，中央主螺杆在振动力的作用下做轴向脉动，实现中央主螺杆及两侧副螺杆轴向齿间啮合间隙周期性变化，实现强制塑化混炼，再结合柱塞式注射装置，实现动态塑化注射成型。

上述方法在一定程度上提高了制品性能与注射成型效率，但无论是往复螺杆式注射机采用的螺杆式注射装置还是螺杆柱塞式注射机采用的柱塞式注射装置，在熔融塑化、计量、充模及保压阶段由于流道的阻力等易引起熔体倒流，因而需要采用止逆螺杆头或其它止逆装置以防止熔体的倒流。止逆螺杆头或其它止逆装置一方面使得设备结构复杂，加工制造成本增加；另一方面止逆装置会导致流道中形成死角，压力损失及能耗增加，同时会因为强剪切而造成材料的降解及热分解，降低制品性能。同时由于注射装置中止逆环的存在，熔体通过止逆环与止逆环座所形成的微小间隙压力损耗严重。外场辅助注射成型所产生的振动能量通过止逆装置时将快速衰减，严重制约了脉动压力诱导注射成型加工工艺对注射制品性能的提高程度，限制了动态注射成型加工工艺的应用范围。

由此可见,针对目前塑料改性材料及长纤维增强材料注塑成型方法及设备存在的不足,开发一种具有能耗低、热机械历程短、对物料适应性广、分散混合效果好等特点的无止逆环的体积脉动注射成型方法与装置对聚合物成型加工具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前常用的注射机塑化混合效果差、物料停留时间分布不均匀、需要采用结构复杂的止逆装置等不足，提供一种无止逆环的多轴体积脉动注射成型方法，以解决塑料材料常规注射成型方法及装置混合效果差、热机械历程长、能耗高等问题，实现一种无止逆环的塑料改性材料及长纤维在线配混材料的体积脉动注射成型加工方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的多轴体积脉动注射成型装置。

为实现本发明目的，采用如下技术方案：

一种无止逆环的多轴体积脉动注射成型的方法：置于料筒中相互啮合的至少两根偏心转子，螺旋段及平直段与轴向存在偏心，偏心转子旋转时使得相邻两偏心转子之间径向距离发生周期性变化，偏心转子外表面、料筒内孔及偏心平直段之间形成的封闭空间容积周期性变化，待注射的物料通过偏心平直段流入相邻的偏心螺旋段，对物料进行完全正位移输送，实现无止逆环的注射成型；通过控制系统输出调制信号对液压系统的压力与流量进行脉动处理，产生频率和振幅可调的机械振动并叠加到注射油缸的压力上，使得充模及保压过程中多偏心转子同步周期性振动，在转子头部产生体积周期性脉动的空间，产生脉动变化的压力并作用在待注射物料上。

实现上述方法的无止逆环的多轴体积脉动注射成型装置：包括油马达、动力分配器、马达座、柱塞杆、注射油缸、注射活塞、料筒以及至少两根偏心转子；油马达与动力分配器连接，动力分配器固定在马达座上；注射油缸的柱塞杆与马达座和注射活塞分别连接，注射活塞置于油缸内，输出PWM调制电信号的控制系统与注射油缸上的液压伺服阀连接；相互啮合且异向旋转的至少两根偏心转子置于料筒中；至少两根偏心转子中一根的一端与动力分配器的输出轴相连接，另一端置于与料筒相连的料筒头中；至少两根偏心转子上都间隔设置有螺旋段及平直段，螺旋段及平直段的中心线与旋转轴线偏心，相邻的偏心转子的偏心方向相反，料筒头与料筒连接，喷嘴通过喷嘴联接座与料筒头连接。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述油马达与动力分配器通过螺钉连接。

优选地，所述注射油缸的柱塞杆与马达座和注射活塞分别通过第一锁紧圆螺母及和第二锁紧圆螺母连接。

优选地，所述至少两根偏心转子中一根的一端与动力分配器的输出轴通过花键套相连接。

优选地，所述喷嘴与喷嘴联接座通过螺纹联接；料筒头通过螺钉与料筒连接。

优选地，所述偏心转子为三根，两根第二偏心转子对称分布在第一偏心转子的两侧，第二偏心转子与第一偏心转子位于同一平面且相互啮合。

优选地，所述偏心转子为二根，二根偏心转子在料筒中平行布置。

优选地，所述油马达、动力分配器与至少两根偏心转子一线式布置。

优选地，所述马达座安装在机架的导轨上。

本发明油马达通过动力分配器带动塑化装置的偏心转子旋转实现塑料改性材料的塑化混合、熔融输送，同时塑化混合好的熔体输送到偏心转子前端的料筒头中，在熔体压力的作用下偏心转子随动力分配器及油马达同时后退实现储料与计量；计量完成后，在注射油缸压力的作用下多偏心转子随同动力分配器及油马达同时向模具方向移动，推动偏心转子前端的熔体由喷嘴进入模具的型腔中进行充模及保压，待制品在模具型腔中冷却后开模、顶出得到注塑制品。

当转子旋转时一条转子的偏心螺棱进入到与其啮合的偏心转子的螺槽中，通过空间容积的周期性变化实现物料的完全正位移输送，使得在塑化计量、注射充模及保压阶段不会产生熔体倒流，因而注射成型过程中无需止逆环；同时在充模与保压阶段，控制系统输出PWM调制电信号分别对液压系统的压力和流量进行脉动处理，产生频率和振幅可调的机械振动，多条偏心转子做同步周期性振动，使得偏心转子头部空间容积周期性脉动，实现一种无止逆环的多轴体积脉动注射成型。

本发明油马达旋转时带动动力分配器的输出轴旋转，进而带动偏心转子在料筒中异向旋转实现物料的混合、塑化及输送；塑化混合好的熔体输送到偏心转子前端的料筒头内，在熔体压力作用下偏心转子、动力分配器、油马达及马达座同步后退实现计量；计量完成后，在注射油缸油压的作用下马达座、油马达、动力分配器及偏心转子同步前进，推动偏心转子前端的熔体通过喷嘴进入到模具的型腔中，由于充模与保压过程中控制系统输出PWM调制电信号分别对液压系统的压力和流量进行脉动处理，产生频率和振幅可调的机械振动，因而注射油缸的压力为在平均值基础上叠加一按时间周期性变化的压力，使得偏心转子头部的空间容积周期性脉动，实现体积脉动诱导的注射充模与保压。

本发明与现有注射成型方法及装置相比，具有如下优点：

1、无需止逆装置的注射系统简化了注射装置的结构，设备结构更紧凑，占地面积小，加工制造成本低；

2、无需止逆装置的注射系统减少了脉动压力诱导注射成型过程中脉动压力的损耗程度，有助于脉动压力诱导的注射成型工艺对注射制品性能的提高；

3、偏心转子塑化装置提高了塑化混合效果，实现了塑料共混改性及长纤维在线配混注塑成型，物料经历的热机械历程缩短、热降解及分解减少，制品性能提高；脉动压力诱导的注射充模与保压过程缩短了注射成型周期，降低了注塑能耗。

4、无止逆环的注射系统避免在流道中形成死角，减少了注射压力损耗，降低能耗；

5、通过多偏心转子提高了塑化混合效果，拓宽了成型工艺窗口，提高了对物料的适应性。

附图说明

图1为实施例1无止逆环的多轴(三轴)体积脉动注射成型装置结构示意图；

图2为图1中三条偏心转子及其与料筒的位置关系图；

图3为图1的A—A向剖视图(省略了部分零件)；

图4为图3中B-B向截面视图；

图5为图4中C-C向截面视图；

图6为实施例2无止逆环的多轴(双轴)体积脉动注射成型装置结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

参考图1，一种无止逆环的多轴(三轴)体积脉动注射成型装置，包括油马达1、动力分配器2、第一锁紧圆螺母3、马达座4、花键套5、柱塞杆6、注射油缸7、注射活塞8、第二锁紧圆螺母9、料筒10、第一偏心转子11、第二偏心转子12、料筒头13、喷嘴连接座14和喷嘴15；油马达1与动力分配器2通过螺钉连接，动力分配器2固定在马达座4上；注射油缸的柱塞杆6与马达座4和注射活塞8分别通过第一锁紧圆螺母3及和第二锁紧圆螺母9连接，注射活塞8置于油缸7内，在油压的作用下柱塞活塞8在油缸内往复运动；马达座4安装在机架的导轨上，在液压作用的注射活塞8带动下往复直线运动；完全啮合且异向旋转的第一偏心转子11及第二偏心转子12(两根)置于料筒10的内孔中；两根第二偏心转子12对称分布在第一偏心转子11的两侧，第二偏心转子12与第一偏心转子11位于同一平面且相互啮合；第一偏心转子11及第二偏心转子12的一端与动力分配器2的输出轴通过花键套5相连接，另一端置于与料筒5相连的料筒头13中；油马达1的作用力通过花键套5带动第一偏心转子11及第二偏心转子12旋转及轴向运动；第一偏心转子11及第二偏心转子12上都间隔设置有螺旋段及平直段，螺旋段及平直段的中心线与旋转轴线偏心，相邻的第一偏心转子11及第二偏心转子12的偏心方向相反，由于偏心螺旋段及平直段与轴向存在偏心，当第一偏心转子11及第二偏心转子12旋转时使得相邻两偏心转子之间径向距离发生周期性变化，因而由第一偏心转子11及第二偏心转子12外表面、料筒内孔及偏心平直段之间形成的封闭空间容积周期性变化，通过偏心平直段流入相邻的偏心螺旋段，实现物料的完全正位移输送；喷嘴连接座14、料筒头13通过螺钉与料筒10联接，喷嘴15与喷嘴联接座14通过螺纹联接。

塑化混合及储料计量时，油马达1旋转，通过动力分配器2带动第一偏心转子11及第二偏心转子12在料筒10中旋转，料筒10中的物料在偏心转子之间的周期性拉伸挤压作用及外加热作用下熔融塑化，塑化混合好的熔体被输运到偏心转子头部前面的料筒头13中，在料筒头13中熔体压力的作用下，偏心转子随同马达座4、动力分配器2、油马达1一起后退，通过安装在机架上的行程开关对后退位置进行控制，实现不同重量制品不同的计量过程与储料，为注射充模做准备。

计量完成后，控制系统输出PWM调制电信号分别对安装在注射油缸上的液压伺服阀进行控制，对注射油缸中液压油的压力及流量进行脉动处理，产生频率和振幅可调的脉动压力，因而注射油缸的压力为在平均值基础上叠加一按时间周期性变化的压力，在脉动压力作用下使得注射油缸中的注射杆6产生机械振动。在注射油缸7中压力油的作用下注射活塞8向右运动，通过注射活塞杆6带动马达座4及安装在其上的动力分配器2、油马达1一起向右运动，进而推动第一偏心转子11及第二偏心转子12一起向右运动，使得料筒头13中的熔体通过喷嘴15进入到模具的型腔中，实现体积脉动诱导的注射充模及保压。待制品在模具型腔中冷却后，开模顶出得到注塑制品，完成一次注射成型过程。

参考图1、图2，第一偏心转子11与其相邻两条第二偏心转子12完全啮合，偏心转子外表面及料筒的内孔形成封闭的空间，偏心转子旋转时该空间容积发生周期性变化，实现物料的完全正位移输送；而在充模及保压阶段，偏心转子轴向移动而不旋转，该封闭空间容积保持不变，物料不会进入该空间，从而实现无须止逆环的注射成型过程。

参考图2、图3，第一偏心转子11与两条第二偏心转子12相互啮合，偏心转子偏心螺旋段的螺距沿熔体输运方向逐渐变小，也就是说偏心转子外壁与料筒内孔之间形成的轴向空间容积随转子轴旋转沿轴向周期性变化，使得物料在塑化混合、输运计量过程中沿输运方向受到周期性变化的体积拉伸形变作用。

参考图4、图5，由于第一偏心转子11、第二偏心转子12具有与其旋转轴线偏心的螺旋段及平直段，当偏心转子旋转时偏心转子之间及偏心转子外表面与料筒10内孔之间的径向距离随偏心转子的旋转而周期性变化，使得物料在塑化混合、输运计量过程中沿径向方向受到周期性变化的体积拉伸形变作用，实现了拉伸形变支配的塑化输运过程，提高了塑化混合效果。

本实施例中，第一偏心转子11、第二偏心转子12与料筒组成的塑化混合装置通过输运空间的周期性变化对待注射物料完全正位移输运，在物料的塑化计量、注射充模及保压冷却阶段均不会产生熔体倒流，实现一种无止逆环的塑料材料注射成型。

本实施例中，塑化装置的料筒中设置有平行布置的第一偏心转子11和第二偏心转子12，通过体积输送的形式塑化输运物料，提高了塑化稳定性。

实施例2

实施例2与实施例1的主要区别是转子数量不同，实施例1中为3根偏心转子，而实施例2中只有2根偏心转子。参考图6，该实施例的无止逆环的多轴(双轴)体积脉动注射成型装置主要包括油马达16、动力分配器17、第一锁紧圆螺母18、马达座19、花键套20、柱塞杆21、注射油缸22、注射活塞23、第二锁紧圆螺母24、双孔料筒25、第一偏心转子26、第二偏心转子27、料筒头28、喷嘴连接座29、喷嘴30等零部件。油马达16与动力分配器17通过螺钉连接并固定在马达座19上；马达座19与注射柱塞杆21及注射活塞23通过第一锁紧圆螺母18及第二锁紧圆螺母24连接、柱塞活塞23置于油缸22内、在油压的作用下柱塞活塞23在油缸内往复直线运动；完全啮合的第一偏心转子26、第二偏心转子27置于双孔料筒25的内孔中；第一偏心转子26、第二偏心转子27一端与动力分配器17的输出轴通过花键套20相连接、在花键套20的作用下带动转子旋转及轴向运动、另一端置于与料筒20相连的料筒头28中；喷嘴连接座29、料筒头28通过螺钉与双孔料筒25联接、喷嘴30与喷嘴联接座29通过螺纹联接。

塑化配混计量时、油马达16旋转、通过动力分配器17带动第一偏心转子26、第二偏心转子27在双孔料筒25中旋转、双孔料筒25中的物料在偏心转子的周期性挤压拉伸作用及外加热作用下熔融塑化、塑化混合好的熔体被输运到偏心转子前面的料筒头28中、在料筒体头28中熔体压力的作用下、偏心转子与马达座19、动力分配器17、油马达16同时后退、实现物料的计量。

计量完成后，控制系统输出PWM调制电信号分别对液压系统的压力和流量进行脉动处理，产生频率和振幅可调的机械振动，因而注射油缸的压力为在平均值基础上叠加一按时间周期性变化的压力。在注射油缸22中压力油的作用下注射活塞23向右运动、通过注射活塞杆21带动马达座19及安装在其上的动力分配器17、油马达16一起向右运动、进而推动第一偏心转子26、第二偏心转子27一起向右运动、使得料筒头28中的熔体通过喷嘴30进入到模具的型腔中、实现体积脉动诱导的注射充模及保压。待制品在模具型腔中冷却后、开模顶出得到注塑制品、完成一次注射成型过程。

与三转子塑化装置相类似，偏心转子旋转时偏心转子之间及偏心转子外表面与双孔料筒25内孔之间的距离随偏心转子的旋转而周期性变化，使得物料在塑化混合、输运计量过程中沿径向方向受到周期性变化的体积拉伸形变作用，提高了塑化混合效果。

本发明中，多条偏心转子在料筒中“一”字型平行布置，相邻两偏心转子相互啮合，偏心转子外表面与料筒内孔之间形成封闭空间，转子旋转时该空间容积发生周期性变化，实现对物料的完全正位移输送，从而使得注塑成型加工过程中不会产生熔体倒流，实现一种无止逆环的多偏心转子体积脉动注射成型。

本发明通过注射压力的脉动使得在充模与保压阶段多偏心转子同步周期性脉动，偏心转子头部空间容积周期性脉动变化，通过聚合物熔体将脉动变化的压力引入到充模与保压过程中；由于注塑装置中没有止逆环，降低了脉动剪切能量的衰减程度，强化了脉动变化的压力对注塑成型过程的影响。

本发明驱动装置与塑化混合装置一线式布置，偏心转子塑化系统混合效率高、效果好，实现了塑料共混改性材料及长纤维增强塑料材料的一线式双、三偏心转子在线配混动态注射成型。

本发明装置结构整凑、塑化混合效率高、混合效果好，有利于缩短物料经历的热机械历程、降低能耗、提高制品性能。