一種聚合物超聲塑化微注射裝置與方法

2023-05-20 16:47:41

一種聚合物超聲塑化微注射裝置與方法
【專利摘要】本發明公開了一種超聲塑化微注射裝置與方法，由超聲波塑化系統，注射系統和給料系統組成，並在注射柱塞(17)上設置排氣系統，在超聲塑化筒內由一個或多個超聲波塑化單元設置在塑化器支撐體(5)上，超聲波塑化單元由超聲波換能元件和傳振片(4)連接塑化器(6)構成，塑化器設置在塑化器支撐體的內孔內；利用超聲波換能元件使塑化器上產生的超聲振動，在物料上產生摩擦熱效應和超聲波空化效應塑化物料。採用塑化器的軸向凹槽和塑化器之間的間隙構成的型腔作為塑化腔，超聲波能量傳遞面積大，塑化效率高；利用注射電機(25)驅動注射柱塞注射，注射柱塞運動慣性小，注射過程中塑化腔內的空氣通過排氣系統排出腔外，排氣效果好。
【專利說明】一種聚合物超聲塑化微注射裝置與方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及工程塑料與精密微量注射【技術領域】，尤其涉及一種聚合物超聲塑化微注射裝置與方法。

【背景技術】
[0002]伴隨工程塑料與精密微量注射技術的發展，利用注射等高效生產方式生產的高精度微小製件正逐步代替採用傳統加工製造方式生產的微結構金屬零件。微量注射通常採用微量塑化與精密注射，注射量甚至達到數微克級別，塑化質量要求高，成型過程中熔體冷卻快，注射阻力大，充填困難，傳統的螺杆塑化與注射技術，受螺杆直徑下限與止逆環的限制，無法完成微小劑量的塑化與精密注射；柱塞塑化與注射方式，採用加熱方式塑化聚合物，熔體的均質性難以滿足微注射成型的要求，而採用螺杆塑化/柱塞注射的方式，通常存在裝置複雜控制困難等問題。
[0003]超聲波震動塑化的聚合物擁有良好的均質性，非常適合與微注射成型。然而受技術的限制，超聲波在聚合物成型領域的應用通常限於作為一種探測手段在線監測熔體密度，或將超聲波加載噴嘴處、模具內以改善熔體的流動性能和填充率，如中國專利201210052745.3公開的一種超聲振動與抽真空集成的微注塑模具及成型方法。將超聲波直接作為塑化裝置的研究較少，中國專利201310121160.7公開的一種無螺杆超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置及成型方法，其將超聲波輸出端製成注射柱塞，依靠柱塞的端面接觸物料，柱塞作高頻軸向振動，塑化物料。然而該塑化裝置，其塑化功率受柱塞端面面積的限制，柱塞端面小，則能量傳遞面積小，塑化時間長；端面面積大則塑化腔截面大，不易實現微小劑量的塑化，注射時注射阻力大；採用超聲波輸出端直接作為注射柱塞，注射時注射阻力會傳遞給超聲波換能裝置；注射時超射波換能裝置一起隨注射柱塞運動，運動慣性大，不利於實現高速注射，而注射速度越高，熔體粘度越小，越容易保證填充率；塑化單元無排氣裝置，熔體易產生燒蝕現象。


【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種超聲波能量傳遞面積大，塑化效率高，易實現微劑量塑化和高速精密注射的聚合物超聲塑化微注射裝置與方法，注射時對超聲波發生裝置無影響。
[0005]本發明通過下述技術方案實現:
[0006]一種聚合物超聲塑化微注射裝置，由超聲波塑化系統，注射系統和給料系統組成，並在注射柱塞17上設置排氣系統，所述的超聲塑化筒，由一個或多個超聲波塑化單元設置在塑化器支撐體5上，所述的超聲波塑化單元由超聲波換能元件和傳振片4連接塑化器6構成，內六角螺釘8穿過超聲波換能元件連接機筒I與傳振片4，螺釘7穿過塑化器支撐器7連接傳振片4和塑化器6 ；
[0007]所述的塑化器6設置在塑化器支撐體5的內孔內，塑化器6的軸向設有弧形凹槽，塑化器6之間設有間隙；
[0008]所述的排氣系統包括注射柱塞17，注射柱塞17上設置下內孔1701和上內孔1702，柱塞頭172為獨立件，下內孔1701底部設有彈簧171，注射柱塞17側面設有柱銷173。
[0009]所述的超聲波塑化單元由絕緣圈11分隔開，絕緣圈11的內徑等於傳振片4的外徑。
[0010]所述的超聲波換能元件由兩層或多層的壓電片2和相同層數的電極片3交疊而成，壓電片2的截面形狀為瓦形或矩形。
[0011]所述的傳振片4所構成的內腔的內徑大於塑化器支撐體5圓柱段的外徑，所述的塑化器6上的弧形凹槽的曲率半徑等於注射柱塞17的半徑，每塊塑化器6的凹槽構成的內腔直徑等於注射柱塞17的直徑。
[0012]所述的注射柱塞17的下內孔1701的直徑大於上內孔1702的直徑，注射柱塞17上設有翼板1703，翼板1703的厚度等於兩塊塑化器6之間的間隙寬度，翼板1703之間的寬度等於塑化器支撐體5的內徑，翼板1703的上端設有圓孔連通上內孔1702，在注射柱塞17垂直於翼板1703的徑向設有圓孔，圓孔內設有柱銷173。
[0013]所述的注射柱塞17的柱塞頭172為獨立件，柱塞頭172頭部設有錐面，尾部為一段直徑小於下內孔1701的圓柱段，所述圓柱段兩側上設有平臺，一側的平臺長度等於圓柱段的長度，另一側平臺的長度小於圓柱段的長度，柱塞頭172圓柱段插入下內孔1701，較短平臺的一側朝向柱銷173。
[0014]所述的注射系統由注射電機25連接絲杆21，絲槓螺母19套在絲槓21上，導向板20固定在絲槓螺母19上，並套在導杆15上，推進器18 —端固定在絲槓螺母19上，另一端連接連接注射柱塞17，推進器18採用中空結構，其內徑大於絲槓21的直徑。
[0015]採用上述聚合物超聲塑化微注射裝置的注射方法如下:
[0016]注射電機25驅動注射柱塞17上升離開塑化筒固定模板16,由給料系統向超聲塑化筒內供料，開啟超聲波塑化系統，利用超聲波在物料中產生的摩擦熱效應和超聲波空化效應將物料熔融塑化,塑化完成後,注射電機25驅動注射柱塞17下行，由注射柱塞17頭部的排氣系統在下行過程中將塑化腔內的空氣排出，柱塞頭172接觸物料，並將物料擠入模具型腔，進行保壓，保壓完成(保壓時間需根據物料種類、注射量、模具等因素確定，無法確定範圍)，後注射柱塞17上升，完成一次超聲塑化與注射。
[0017]所述的超聲塑化筒塑化物料，是利用塑化器6的凹槽與塑化器6之間的間隙構成的型腔作為塑化型腔，通過超聲波換能元件產生壓電效應使塑化器6沿機筒I的徑向振動，物料在與塑化器6的觸面上激烈摩擦熔融，並產生超聲波空化效應，使物料快速塑化。
[0018]所述的注射柱塞17的排氣系統的排氣過程包括，由注射柱塞17的翼板1703嵌入塑化器6之間的間隙，保證注射柱塞17與塑化腔之間的氣密性，射柱柱塞17與柱塞頭172之間有空隙，使注射柱塞17下行過程中，由彈簧171與柱銷173保證在柱塞頭172的錐面完全接觸物料前，塑化腔內的氣體由下內孔1701和上內孔1702排到翼板1703的上方。
[0019]本發明相對於現有技術，具有如下的優點及效果:
[0020]物料塑化腔由超聲塑化器構成，物料與超聲能量輸出端的接觸面積大，超聲波能量的傳遞面積大，塑化效率高；對比端面接觸塑化方式，物料柱面更小，有利於減小注射時的阻力；超聲塑化筒內軸向可設多個超聲波塑化單元，可根據塑化物料的高度開啟足夠數量的塑化單元，能量利用率高；採用注射電機通過絲槓螺母幅直接驅動專門的注射柱塞注射，運動慣性小，能達到更高的柱塞運動速度，提高注射時物料的剪切速率，降低粘度，使注射阻力減小，在更小的注射壓力下保證填充率；注射柱塞頭部排氣系統結構簡單，通過為注射柱塞頭內選擇不同彈力的彈簧，可實現對塑化不同物料時的可靠排氣效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發明具體實施例的構造圖。
[0022]圖2是超聲塑化筒第一個實施例的構造圖。
[0023]圖3是圖2的A-A剖視圖。
[0024]圖4是圖2的B-B剖視圖。
[0025]圖5是注射柱塞的構造圖。
[0026]圖6是圖5的D-D剖視圖。
[0027]圖7是注射柱塞的左視圖。
[0028]圖8是圖7中局部視圖C的放大圖。
[0029]圖9是超聲塑化器第二個實施例的構造圖。
[0030]圖10是超聲塑化器第三個實施例的構造圖。
[0031 ] 圖中各標號為:1-機筒，2-壓電片，3-電極片，4-傳振片，5-塑化器支撐體，6_塑化器，7-螺釘，8-內六角螺釘，9-彈簧墊圈，10-絕緣套管，11-絕緣圈，12-噴嘴，13-塑化筒前端蓋，14-前固定模板，15-導杆，16-塑化筒固定模板，17-注射柱塞，18-推進器，19-絲槓螺母，20-導向板，21-絲槓，22-聯軸器，23-推力軸承，24-螺母，25-注射電機，26-電機連接座，27-電機固定模板，28-料鬥，29-導料管，30-料鬥固定座。

【具體實施方式】
[0032]下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。
[0033]實施例
[0034]圖1為本發明具體實施例的構造圖，超聲塑化系統，由超聲塑化筒的機筒1，一端連接塑化筒前端蓋13，再由塑化筒前端蓋13固定在前固定模板14上，塑化筒前端蓋13內設有噴嘴12，機筒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上設有與超聲塑化筒塑化腔截面相同的通孔。注射柱塞17的柱塞頭插入到超聲塑化筒的塑化腔內，尾部與推進器18連接；推進器18為中空結構，內孔直徑大於絲槓21的直徑，推進器18 —端設有凸緣，凸緣通過螺釘與絲槓螺母19連接；導向板20固定在絲槓螺母19上，導向板20通過圓孔套在導杆15上，並能沿導杆15滑動；絲槓21通過聯軸器22連接注射電機25，聯軸器22與電機固定模板27之間設有推力軸承23，注射電機25固定在電機連接座26上，電機連接座26通過螺釘固定在電機固定模板27上。前固定模板14和塑化筒固定模板16、電機固定模板27通過導杆15連接在一起，端部通過螺母24固定。料鬥28的出料口連接導料管29，導料管29指向塑化筒固定模板16的入料通孔，料鬥28設在料鬥固定座30上，料鬥固定座30通過螺釘或導軌與塑化筒固定模板16連接。
[0035]圖2、3、4為本發明超聲塑化筒的第一個實施例的構造圖，機筒I兩端設有凸緣；塑化器支撐體5插入機筒I內，塑化器支撐體5 —端設有外徑與機筒I的凸緣外徑相同的凸緣，並通過螺釘與機筒I的凸緣連接，另一端設有外徑與機筒I內徑相同的凸緣，並與機筒I內壁配合。沿塑化器支撐體5軸向設有兩個超聲波塑化單元，並通過絕緣圈11隔開。螺釘7穿過塑化器支撐體5連接傳振片4和塑化器6，上下兩個瓦形的傳振片4構成的內腔的內徑大於塑化器支撐體5圓柱段的外徑。超聲波塑化單元由超聲波換能元件和瓦形的傳振片4和塑化器6構成，超聲波換能元件由上下兩組獨立的兩層瓦形的壓電片2和兩層電極片3交疊而成，內六角螺釘8穿過壓電片2電極片3，連接機筒I和傳振片4，內六角螺釘8與超聲波換能元件之間套有絕緣套管10，內六角螺釘8與機筒I之間設有彈簧墊圈9，彈簧墊圈9受壓但未被壓緊，使傳振片4沿機筒I徑向受拉，使傳振片4與換能元件貼緊，通過螺釘7的傳遞，使塑化器6的外壁與塑化器支撐體5的內壁貼緊。
[0036]參看圖5，注射柱塞17頭部設有兩段直徑不同的下內孔1701和上內孔1702，彈簧171的外圈直徑大於上內孔1702的直徑,小於下內孔1701的直徑,柱塞頭172的頭部為與噴嘴12的內孔錐面相匹配的錐形，尾部為一段直徑略小於下內孔1701的圓柱段，柱塞頭172尾部插入到下內孔1701內；注射柱塞17尾部設有一段軸肩1704和螺紋段1705，注射柱塞17通過螺紋段1705與推進器18連接。參看圖6，注射柱塞17的頭部兩側設有翼板1703，翼板的厚度等於兩塊塑化器6之間的間隙寬度，兩翼板之間的寬度等於塑化器支撐體5的內徑，使注射柱塞17的頭部截面形狀與超聲波塑化筒的塑化腔的截面形狀一致，保證注射時的氣密性。參看圖7，柱塞頭172尾部圓柱段上設有兩段平臺，一段平臺長度等於圓柱段長度，另一段平臺長度小於圓柱段長度，注射柱塞17頭部側面設有連通下內孔1701的圓孔，圓孔軸向垂直於翼板1703，圓孔內設有柱銷173，柱銷頂在柱塞頭172尾部較短平臺的端面上，使柱塞頭172在彈簧171的彈力下不致脫離下內孔1701，上內孔1702的沿注射柱塞17的軸向延伸一段距離後，沿注射柱塞17徑向開設通孔，所述的徑向通孔軸向平行於翼板1703的寬度方向，徑向通孔的位置高於翼板1703的高度。參看圖8，為圖7中的局部視圖C的放大圖，當柱塞頭172的尾端受彈簧171和柱銷173的共同作用卡在注射柱塞17的頭部，柱塞頭172的錐形端面距離注射柱塞17頭部的端面有一段距離，注射時塑化腔內的氣體可沿圖8中箭頭所示的方向，通過柱塞頭圓柱段的平臺進入到下內孔1701，再進入到上內孔1702排出。
[0037]超聲塑化微注射裝置工作時，首先由注射電機25驅動絲杆21轉動，在導向板20的導向作用下，絲槓螺母19上升，使推進器18帶動注射柱塞17上升，當柱塞頭172離開塑化筒固定模板的上端面時，料鬥28內的物料通過導料管29進入到超聲塑化筒的塑化腔內。注射電機25啟動使注射柱塞17下行，進入塑化腔，由柱塞頭172接觸物料並將物料壓實後，注射電機25啟動使注射柱塞17上升離開塑化筒。根據物料在塑化腔內的高度，確定滿足整個物料段都能接收到超聲波能量的超聲波塑化單元的個數，啟動超聲波塑化單元。工作時超聲波塑化單元由兩層電極片3輸入高頻交流電信號，在兩層壓電片2上產生壓電效應，使壓電片的徑向尺寸產生變化，產生高頻機械振動，即超聲波，機械振動通過傳振片4傳遞到塑化器6上，使塑化器6沿機筒I的徑向作高頻振動，利用塑化器6與物料接觸面上產生機械摩擦熱效應和超聲波空化效應，使物料快速高效地熔融塑化。塑化完成後，注射電機25啟動，使注射柱塞17下行，進入超聲波塑化筒內，注射柱塞17頭部的翼板1703與塑化器6之間的間隙配合，保證注射時的密封性，注射柱塞17下行時，塑化腔內的氣體由柱塞頭172尾部的圓柱段上的平臺通過下內孔1701和上內孔1702排到翼板1703之上。柱塞頭172接觸物料時，彈簧171壓縮，柱塞頭172與注射柱塞17的端面的距離縮短，通過匹配彈簧171的彈力，使柱塞頭172的錐面完全接觸物料時，柱塞頭172的端面剛好與注射柱塞17的端面接觸，使塑化腔內的氣體完全排出腔外。注射柱塞17繼續下行，將塑化腔內的熔體擠出，熔體通過噴嘴注入到模具的型腔內，注射完成後注射柱塞在塑化腔內停留一段時間進行保壓。保壓完成後，塑化電機25啟動，使注射柱塞17上升進入下一個注射周期。
[0038]圖9是超聲塑化筒的第二個實施例的構造圖，其工作原理及塑化器6的結構與第一個實施例相同，與第一個實施例不同的是，機筒I採用方形管體，壓電片2和傳振片4的截面為矩形，塑化器支撐體5與機筒的裝配方式與第一個實施例一致。對比實施例1的優勢是，壓電片採用板型，易加工製造，超聲波塑化筒上的螺釘孔易定位加工。
[0039]參看圖10是超聲塑化筒的第三個實施例的構造圖，其工作原理和塑化筒各零件的結構和裝配關係與第一個實施例相同，與第一個實施例不同的是，沿機筒I的徑向設有四組超聲波換能元件和傳振片4，分別連接四個塑化器6。採用徑向布置多組塑化器6，塑化器6振動時，可以使物料的應變更加集於軸心方向，使料柱的體積壓縮變形更加強烈，有利於提高超聲波能量的傳遞效率，且兩組超聲波換能元件還可設置輸入不同頻率的交流電信號，以獲得塑化腔內不同超聲波幹涉效應，得到不同的塑化效果。採用徑向布置兩對超聲塑化元件和塑化器的結構，只要將注射柱塞的翼板增加到兩對，並使注射柱塞頭部的截面與塑化腔內的截面保持一致，即可採用同實施例一採用相同的注射方式。
[0040]以上結合附圖對本發明的具體實施例做了詳細說明，但本發明並不限於上述實施方式，凡是採用超聲波能量發射裝置直接構成塑化腔作出的各種變化，超聲波換能元件和機筒、傳振片等零件截面的變化，壓電片和電極片的層數的變化，軸向布置超聲波塑化單元數量的變化，以及超聲波塑化筒徑向塑化器數量等作出的變化，都落在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種聚合物超聲塑化微注射裝置，由超聲波塑化系統，注射系統和給料系統組成，並在注射柱塞(17)上設置排氣系統，其特徵在於:所述的超聲塑化筒，由一個或多個超聲波塑化單元設置在塑化器支撐體(5)上，所述的超聲波塑化單元由超聲波換能元件和傳振片(4)連接塑化器(6)構成，內六角螺釘(8)穿過超聲波換能元件連接機筒(I)與傳振片(4)，螺釘(7)穿過塑化器支撐器(7)連接傳振片(4)和塑化器(6)； 所述的塑化器(6)設置在塑化器支撐體(5)的內孔內，塑化器￠)的軸向設有弧形凹槽，塑化器(6)之間設有間隙； 所述的排氣系統包括注射柱塞(17)，注射柱塞(17)上設置下內孔(1701)和上內孔(1702)，柱塞頭(172)為獨立件，內孔1701底部設有彈簧(171)，注射柱塞(17)側面設有柱銷(173)。
2.根據權利要求1所述的聚合物超聲塑化微注射裝置，其特徵在於:所述的超聲波塑化單元由絕緣圈(11)分隔開，絕緣圈(11)的內徑等於傳振片⑷的外徑。
3.根據權利要求1所述的聚合物超聲塑化微注射裝置，其特徵在於:所述的超聲波換能元件由兩層或多層的壓電片⑵和相同層數的電極片⑶交疊而成，壓電片⑵的截面形狀為瓦形或矩形。
4.根據權利要求1所述的聚合物超聲塑化微注射裝置，其特徵在於:所述的傳振片(4)所構成的內腔的內徑大於塑化器支撐體(5)圓柱段的外徑，所述的塑化器(6)上的弧形凹槽的曲率半徑等於注射柱塞(17)的半徑，每塊塑化器(6)的凹槽構成的內腔直徑等於注射柱塞(17)的直徑。
5.根據權利要求1所述的聚合物超聲塑化微注射裝置，其特徵在於:所述的注射柱塞(17)的下內孔(1701)的直徑大於上內孔(1702)的直徑，注射柱塞(17)上設有翼板(1703)，翼板(1703)的厚度等於兩塊塑化器(6)之間的間隙寬度，翼板(1703)之間的寬度等於塑化器支撐體(5)的內徑，翼板(1703)的上端設有圓孔連通上內孔(1702)，在注射柱塞(17)垂直於翼板(1703)的徑向設有圓孔，圓孔內設有柱銷(173)。
6.根據權利要求5所述的聚合物超聲塑化微注射裝置，其特徵在於:所述的注射柱塞(17)的柱塞頭(172)為獨立件，柱塞頭(172)頭部設有錐面，尾部為一段直徑小於下內孔(1701)的圓柱段，所述圓柱段兩側上設有平臺，一側的平臺長度等於圓柱段的長度，另一側平臺的長度小於圓柱段的長度，柱塞頭(172)圓柱段插入下內孔(1701)，較短平臺的一側朝向柱銷(173)。
7.根據權利要求1所述的聚合物超聲塑化微注射裝置，其特徵在於:所述的注射系統由注射電機(25)連接絲杆(21)，絲槓螺母(19)套在絲槓(21)上，導向板(20)固定在絲槓螺母(19)上，並套在導杆(15)上，推進器(18) —端固定在絲槓螺母(19)上，另一端連接連接注射柱塞(17)，推進器(18)採用中空結構，其內徑大於絲槓(21)的直徑。
8.採用權利要求1至7中任一項所述聚合物超聲塑化微注射裝置的注射方法，其特徵在於如下步驟: 注射電機(25)驅動注射柱塞(17)上升離開塑化筒固定模板(16)，由給料系統向超聲塑化筒內供料，開啟超聲波塑化系統，利用超聲波在物料中產生的摩擦熱效應和超聲波空化效應將物料熔融塑化,塑化完成後,注射電機(25)驅動注射柱塞(17)下行，由注射柱塞(17)頭部的排氣系統在下行過程中將塑化腔內的空氣排出，柱塞頭(172)接觸物料，並將物料擠入模具型腔，進行保壓，保壓完成後注射柱塞(17)上升，完成一次超聲塑化與注射。
9.根據權利要求8所述的注射方法，其特徵在於:所述的超聲塑化筒塑化物料，是利用塑化器出)的凹槽與塑化器(6)之間的間隙構成的型腔作為塑化型腔，通過超聲波換能元件產生壓電效應使塑化器(6)沿機筒⑴的徑向振動，物料在與塑化器(6)的觸面上激烈摩擦熔融，並產生超聲波空化效應，使物料快速塑化。
10.根據權利要求8所述的注射方法，其特徵在於:所述的注射柱塞(17)的排氣系統的排氣過程包括，由注射柱塞(17)的翼板(1703)嵌入塑化器(6)之間的間隙，保證注射柱塞(17)與塑化腔之間的氣密性，射柱柱塞(17)與柱塞頭(172)之間有空隙，使注射柱塞(17)下行過程中，由彈簧(171)與柱銷(173)保證在柱塞頭(172)的錐面完全接觸物料前，塑化腔內的氣體由下內孔(1701)和上內孔(1702)排到翼板(1703)的上方。
【文檔編號】B29C45/58GK104191573SQ201410421234
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月25日 優先權日:2014年8月25日
【發明者】吳宏武, 巫蔡泉, 葉超林 申請人:華南理工大學