模具澆口對注塑件熔接痕的影響

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司,重慶 400712)

熔接痕作為注塑件上常見外觀缺陷之一,一直是注塑行業(yè)極為關(guān)注的話題。熔接痕不僅影響制品的外觀質(zhì)量,更重要的是損害制品的力學性能,給制品的正常使用帶來安全隱患。有資料表明:熔接痕的存在使ABS制品的力學性能約損失10%～30%,PMMA和PS等制品則約損失30%以上[1]。人們都在通過各種方式分析熔接痕形成條件及影響因素,找出其對策,做了大量努力探索。本文就模具澆口對注塑件熔接痕的影響等作出分析,供大家參考和分享。

1 熔接痕的分類與機理

1.1 熔接痕分類

熔接痕是指兩股流動的塑料溶體相接觸而形成的形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學性能都完全不同于塑料其他部分的三維區(qū)域。塑料溶體在型腔中遇到嵌件、孔洞(包括柵格)、流速不連貫的區(qū)域、充模料流中斷的區(qū)域而以多股形成匯合時,因不能完全熔合而產(chǎn)生線狀的熔接痕,也是形成熔接痕的必要條件。

注塑件中常有3類熔接痕:①采用2個或2個以上的澆口,從不同澆口進入型腔的溶體前鋒相遇而形成熔接痕,叫冷接痕(也稱對接痕),見圖1a;②由于制品中存在孔或嵌件等引起溶體分開再匯合而形成熔接痕,叫熱接痕(也稱并合痕),見圖1b;③充模時溶體前沿的“噴泉”式流動或壁厚不均引起的熔接痕(圖1c)。

1.2 熔接痕形成機理

圖2是有兩孔洞的平板,兩點進料在兩孔間形成了熔接痕(圖中虛線部分)。在熔接痕的生成過程中,兩股對流的塑料溶體在流動中溫度逐漸下降,粘度逐漸增高;這兩股熔流的前鋒間存在不斷被壓縮的氣體,在它們相遇時前沿呈火山口狀(圖3a和圖3b);作噴泉運動的溶體迅速向周邊擴散,氣體被趕至模壁陷入塑料件表面,由中心向模壁推移的溶體受阻后,冷卻中在塑料件表皮層形成V形缺口。固化后的熔接痕實際上是個三維空間熔合區(qū)(圖3d),熔接痕由表及里分為V形缺口、弱熔接區(qū)和垂直取向[2]。

圖1 注塑件中常見的3類熔接痕

圖2 帶孔的板狀試樣熔接痕形成示意圖

圖3 熔接痕形成過程示意圖

熔接痕的特點是:垂直取向是形成熔接痕時兩股流動的溶體相碰撞,使溶體分子鏈沿厚度方向而不是沿充模主流方向取向,這種取向削弱了材料沿充模方向的強度;弱熔接是材料松弛時的分子鏈來不及形成足夠的纏繞和擴散就被凝結(jié),在兩溶體之間形成弱熔接;V形缺口是表面易見的特征。

V形缺口對熔接痕的影響有兩方面:一是在強度破壞中,產(chǎn)生應力集中的作用;二是V形缺口附近的粘接比中心更弱,這兩個影響都不利于熔接痕的性能。

垂直取向會影響材料的塑性變形能力,垂直取向越強,塑性變形能力越弱。總之,V形缺口、弱熔接區(qū)和垂直取向是熔接痕的三大特點,都對其性能有很大的影響[3]。

2 澆口的影響

澆口是溶體注入模具型腔的最后通道。通過對熔接痕的分類和形成機理的分析,在產(chǎn)生熔接痕的因素中,澆口數(shù)量、位置和形狀(尺寸)起著至關(guān)重要的作用,從而影響聚合物分子取向和塑件表面質(zhì)量。它涉及到對塑件熔接痕有著很重要的影響,應全面考量好材料流動性、成形工藝設置和模具結(jié)構(gòu)等要素。材料流動性和成形工藝設置可在加工中加以調(diào)整的余地,而模具結(jié)構(gòu)在加工后很難有調(diào)整的余地,特別是澆口數(shù)量和位置確定后,改動也是較麻煩的事。一旦澆口判定不合理,即使優(yōu)化工藝條件對這些影響都無濟于事,由此,澆口對熔接痕的影響是很重要的環(huán)節(jié)。

2.1 澆口數(shù)量的影響

一副模具中澆口數(shù)量的確定是根據(jù)塑件數(shù)量與成形條件綜合情況而進行設置的,一般做成一個澆口或多個澆口。多個澆口形式往往使用點澆口和測澆口等形式,其澆道則需要隨成形件的形狀和多個澆口的使用目的而異。為了討論這一問題,引入如圖4所示的圓模型,不計材料、澆口形式和模具結(jié)構(gòu)等因素,只討論澆口數(shù)量問題。

圖4是模型塑件中一個最普通、常見的產(chǎn)品,可想象成一個圓柱筒或一個圓環(huán),也可想象成一個齒輪或一個不規(guī)則圖形的實物等。圖4a是一個澆口進料,熔接痕產(chǎn)生在澆口對面,只有一處熔接痕,但一個澆口進料對較大的塑件易產(chǎn)生變形或收縮等缺陷;圖4b是2個澆口進料,熔接痕產(chǎn)生在2個澆口之間,2個澆口進料對產(chǎn)生變形或收縮等缺陷有一定的抑制作用,但有2處熔接痕;圖4c是3個澆口進料,進料較均勻,熔接痕產(chǎn)生在3個澆口之間,特別像齒輪類塑件都是3個澆口進料,對齒輪減少變形或收縮等有一定的控制作用,保證齒輪嚙合程度,但有3處熔接痕;圖4d是4個澆口進料,熔接痕產(chǎn)生在4個澆口之間,有4處熔接痕,將很大地降低塑件力學性能。

從圖4可看出,如一個塑件上的澆口數(shù)量較多,溶體在型腔中流動的流程較短,所需注射壓力較低,但可能使熔接痕數(shù)量增多,不利于塑件的力學性能;相反,如澆口數(shù)量較少,盡管熔接線的數(shù)量會較少,但流程較長,所需壓力較高,塑件的內(nèi)應力會增大。因此,當溶體流程不長時,一個塑件上可不必開設多個澆口。當一副模具上有2個以上塑件、出現(xiàn)多個澆口時,也要考慮塑件熔接痕的情況,盡量減少澆口的數(shù)量對塑件熔接痕的影響。

2.2 澆口位置的影響

澆口位置的確定不僅決定了聚合物流動方向和流動平衡性,且對溶體流動前沿的形狀和保壓效果起著重要作用,溶體流動前沿形狀導致熔接痕等都可能影響塑件外觀。澆口位置的設定還要考慮塑件變形和收縮因素。對于結(jié)晶性塑料來說,塑料流動方向的收縮率和垂直于流動方向的收縮有很大的差異,在使用不同形式的澆口時,其變形程度也不一樣[4]。當然也要考慮澆口數(shù)量的因素,但有時澆口位置的設定比澆口數(shù)量的設置更重要。

圖5a是一個有耐壓指標的PP-R三通管件,熔接痕是控制的關(guān)鍵。一模出二,中心側(cè)澆口,位置在中心處,分流道截面為圓形[5],起初作出的塑件見圖5b,熔接痕(虛線表示)較長,外觀明顯,用戶難以接受。經(jīng)調(diào)整澆口位置和模流分析,澆口位置在中心位移 x距離(圖5c),塑件的熔接痕(虛線表示)非常短小,外觀不明顯,用戶很滿意。

由于產(chǎn)品上有嵌件或型芯時,熔接痕是無法避免的,更應正確選擇澆口位置。圖6是有兩圓孔的板件,按圖6a的澆口位置,2條熔接痕在1條線上,影響機械強度。如改變澆口位置(圖6b),熔接痕在邊上較合理,對機械強度影響較小[6]。

圖7是體積較大的典型框形或箱型塑件,若只采用1個澆口,則流程較長,彎折較多,造成注塑壓力損失較大,料流前端溫度下降過多,以致熔接不牢,強度明顯下降,因此,在設計澆口位置時力爭使各方向的流程較接近。圖7a流道流程太長,熔接點強度降低較多;圖7b多開1個澆口,流道流程較短,使熔接痕數(shù)量增加了;圖7c的澆口位置較好,也有熔接痕出現(xiàn),但比圖7a的情況好多了。

兩股溶體流頭相遇的位置產(chǎn)生熔接痕,它的出現(xiàn)使鍍膜、噴漆等后處理較為困難。澆口位置的改變可改變?nèi)劢雍坶L短,使熔接痕長度盡量控制到最短,保證塑件力學性能。

2.3 澆口形式的影響

塑件成形時,熔接痕形成與澆口進膠形式有很大關(guān)系,也會影響熔接痕的形成和改變。圖8a中側(cè)澆口位置與圖4a換了位置,采用這樣的位置進料,溶體直接沖擊大型芯,消耗動能很大,熔接痕還是出現(xiàn)在澆口對面的位置;圖8b將進料位置與塑料件成切線方向,溶體對型芯動能消耗得到緩解,熔接痕位置發(fā)生了位移,不在澆口的對面,而在兩股流體以不同流速到達之處。因此,圓環(huán)形采用切向進料可減少熔接痕,提高熔接痕強度,有利于排氣[7]。

圖8 澆口形式對熔接痕影響(一)

圖9 澆口形式對熔接痕影響(二)

圖9的塑件為一模四腔,材料為PP/GF,不討論脫模方式。圖9a澆口形式接近為點澆口;圖9b澆口形式為矩形側(cè)澆口。圖9b進料首先噴射到型芯表面,當受到型芯的阻力,同時型芯表面對溶體也產(chǎn)生反作用力而產(chǎn)生倒流。在兩股作用力作用下,溶體首先粘附于型芯和型腔表面,并瞬時堆降積在澆口附近,在后續(xù)料流的推動下從型芯兩側(cè)充模型腔,這種流動形式易使塑件在料流匯合處產(chǎn)生熔接痕,影響塑件外觀;圖9a縮短主流道至噴嘴的距離,主流道內(nèi)溶體溫度于噴嘴趨于接近,利于溶體在流道中流動,料流沖出澆口后無型芯阻礙,溶體流動順利,從型芯兩側(cè)壁逐步包附型芯充模型腔,避免了料流匯合處形成,從而消除了熔接痕[8]。

2.4 澆口尺寸的影響

澆口尺寸主要是指澆口進膠端截面(長度)幾何尺寸。當一個產(chǎn)品上有2個或2個以上澆口時,由于進膠端幾何尺寸的差異,導致進料快慢或多少導致熔接痕位置發(fā)生變化。圖10是工字型制品采用2個點澆口,澆口距離11mm,澆口截面積 S1=0.7mm2,S2=0.9mm2。充模后,由于澆口截面積不等,流出塑料量不同,S2截面流量大于 S1截面流量。這樣,在制品上形成熔接痕位置就偏向 S1澆口一側(cè)[9]。如進膠端S1長度0.8mm、寬度1mm,S2長度1.2mm、寬度1mm,同樣熔接痕偏向 S1澆口一側(cè)。

圖10 澆口尺寸對熔接痕影響

澆口尺寸(截面和長度)改變引起熔接痕位置的變化,說明在實際生產(chǎn)中制件表面形成的熔接痕,其位置是可變的。特別在多個澆口同一產(chǎn)品中,很難保證各個澆口尺寸完全一致。因此,可利用這一原理進行澆口尺寸調(diào)整,把熔接痕趕到對機械強度影響較小的地方。

3 熔接痕改進

熔接痕在多型芯(多澆口)注塑時是很難避免的,合理的調(diào)控溫度和注射速度、設計好澆口和排氣溢流位置可改善產(chǎn)品外觀。本文所談的熔接痕的改進方法主要以澆口改進為主。

通常模具設計中澆口設計應考慮防止產(chǎn)生熔接痕。一般是在熔接痕的附近地方開設排氣槽(或溢料槽),把熔接痕盡量趕到排氣槽里,設置排氣槽應考慮塑件的修剪。圖7中只需在熔接痕的地方(在熔接痕的兩側(cè)選一個地方均可)開一個排氣槽,就將熔接痕趕到排氣槽內(nèi),使塑件沒有熔接痕的影響(圖11)。同時,開排氣槽也是適應各種熔接痕處理的最簡便、實用的方式之一。

圖11 熔接痕處加排氣槽示意圖

利用前人設計澆口的經(jīng)驗,對典型的薄壁深腔塑件結(jié)構(gòu)不要側(cè)澆口進料,盡量用點澆口或中心澆口等形式,可縮短澆口流程,有利于排氣,避免熔接痕的發(fā)生,使模具型芯不會發(fā)生單邊沖擊,造成塑件壁厚不均等(圖12)。

圖12 薄壁深腔塑件澆口形式

采用針閥式熱流道程序控制閥澆口,對一些較大的塑件可采用這一技術(shù)。通過控制澆口開啟時間,保證型腔填充順暢及熔體流動平衡,消除熔接痕。大型注塑件的注塑制造通常需要2個或多個熱澆口才能注滿。對于普通的熱澆注系統(tǒng),在注射開始時,澆口便隨之同時開啟。這樣的進膠方式不可避免地存在熔合缺陷,即在兩股熔料前鋒匯合時,由于兩股熔體不能完全熔為一體,而形成熔合印跡,在塑件表面上產(chǎn)生熔接痕。應用CAE軟件實現(xiàn)溶體充填模式的動態(tài)控制[10],采用針閥式熱流道技術(shù)來構(gòu)建澆注系統(tǒng),即可實現(xiàn)程序控制各閥澆口的開啟和關(guān)閉,又可控制在第一股熔體剛剛流過第二個閥澆口時,閥針開啟,打開第二個澆口(甚至多個澆口)。此時,可根據(jù)需要開啟或關(guān)閉第一個澆口,一直進行下去,直到所有澆口都被打開和型腔被充滿,使熔體完全熔合,得到無熔接痕制品。并可通過閥澆口的開關(guān)來獲得一個平衡的流動狀態(tài)。

采用MoldfloW軟件對注塑件進行流動模擬MPI分析塑料熔體在整個注塑過程中的流動情況。通過澆口位置分析,可確定澆口的位置和數(shù)目:預測熔接痕的位置,以確定排氣槽的開設位置,并通過較確定更為合理的工藝參數(shù),使熔接痕處在理想的位置。預測制件可能出現(xiàn)的缺陷、自動確定取得流動平衡的流道系統(tǒng)尺寸,是當今較好的確定澆口位置和形式的方法,也是對澆口減少對塑件熔接痕影響較好的支持。

4 結(jié)束語

目前,對熔接痕力學性能的研究已相當深入,但熔接痕結(jié)構(gòu)和性能的復雜仍有未知的地方。對熔接痕的防止和控制對策涉及到材料流動性、注塑工藝、模具等許多方面的因素,而模具澆口對熔接痕的影響是對模具設計提出了很高的要求,起到了畫龍點睛的作用。模具澆口數(shù)量、位置、形式和澆口尺寸的設計是一體化的,對塑件熔接痕將起到?jīng)Q定的作用,它們之間互相聯(lián)系,不可分割。澆口位置和數(shù)量主要影響澆口的充滿模式,澆口形狀和尺寸決定了聚合物流動方向和平衡,做好澆口設計策劃是不可忽視的環(huán)節(jié)。采用針閥式熱流道程序控制閥澆口,消除熔接痕和利用Moldflow軟件對塑件進行綜合性分析,合理設計模具澆注系統(tǒng),輔助于模溫機應用等,能盡量避免或減少熔接痕出現(xiàn),提高塑件表面質(zhì)量。

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