氣體輔助注射成型中溢料井對(duì)翹曲的影響

周大路

（華東交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江西南昌330013）

加工與應(yīng)用

氣體輔助注射成型中溢料井對(duì)翹曲的影響

周大路

（華東交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江西南昌330013）

采用數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)聚丙烯（PP）氣體輔助注射成型（GAIM）制品的翹曲缺陷進(jìn)行分析，分別研究了氣體注射延遲時(shí)間、氣體注射壓力等工藝參數(shù)以及設(shè)計(jì)輔助溢料井結(jié)構(gòu)影響因素之間的交互作用對(duì)GAIM制品翹曲變形缺陷的影響。結(jié)果表明，氣體注射壓力與溢料井結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系是影響翹曲程度的關(guān)鍵；選擇合適的注射壓力和設(shè)計(jì)輔助溢料井結(jié)構(gòu)可以顯著降低制品翹曲變形的程度。

氣體輔助注射成型；溢料井；翹曲；工藝參數(shù)；正交試驗(yàn)

0 前言

GAIM的工藝是先將熔融塑料注入模具，然后向熔體內(nèi)部或模具與塑件之間注入高壓氣體。氣體被注入原料內(nèi)部，形成中空部分，熔體被氣流推向型腔盡頭，形成中空塑件。GAIM具有低成本、翹曲變形小、可加工厚薄一體件、結(jié)構(gòu)剛度高、設(shè)計(jì)自由度高等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］。周文偉等［2］基于GAIM過程的數(shù)值模擬，利用Taguchi試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了L18（37）試驗(yàn)矩陣，采用標(biāo)準(zhǔn)方差分析方法，分析了GAIM工藝參數(shù)對(duì)制品翹曲缺陷的影響。

關(guān)于GAIM的研究多是關(guān)于設(shè)備、原理、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，即使有針對(duì)GAIM相關(guān)工藝的介紹，主要也是從模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓壓力、注塑壓力和注氣時(shí)間、延遲時(shí)間等注塑參數(shù)方面進(jìn)行研究，鮮有關(guān)于GAIM中溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)制品翹曲程度影響的報(bào)道。

本文基于數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)法對(duì)GAIM中氣體注射延遲時(shí)間與氣體注射壓力等工藝參數(shù)及增加輔助溢料井結(jié)構(gòu)的交互作用對(duì)PP制品翹曲缺陷的影響進(jìn)行了探討，溢料井結(jié)構(gòu)可大大改善PP制品翹曲變形，提高產(chǎn)品品質(zhì)［3-5］。

1 工藝參數(shù)優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)材料選擇PP（Hostacom G3 N01），實(shí)驗(yàn)制品為一個(gè)T形棒，如圖1所示。外形尺寸為300 mm× 30 mm×20 mm，模型中間作為氣道。Moldflow軟件在前處理模型時(shí)把氣體入口做了簡化。如圖2所示。

圖1 T形棒Fig．1 T shape stick

圖2 澆口、進(jìn)氣口的設(shè)置方案Fig．2 Runner，air inlet establishment plan

GAIM過程中，在氣體射流沖擊區(qū)和氣體均勻穿透區(qū)較容易形成“氣指”缺陷。而“氣指”是導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲的直接原因。影響“氣指”缺陷有4個(gè)可控的工藝參數(shù)：氣體注射延遲時(shí)間、氣體注射壓力、熔體溫度以及熔體預(yù)注射量。本文只對(duì)氣體注射延遲時(shí)間、氣體注射壓力兩方面工藝參數(shù)進(jìn)行探討分析。

1.1 延遲時(shí)間

首先，設(shè)定延遲時(shí)間以1 s為單位順序展開，根據(jù)模擬結(jié)果得到變形量和延遲時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。可以看出，PP制品的翹曲變形量呈上下震蕩關(guān)系，當(dāng)延遲時(shí)間超過4 s時(shí)，產(chǎn)品翹曲變形量增大。分析可能是由于隨著延遲時(shí)間的延遲，靠近模腔內(nèi)壁表面的PP熔體更能冷卻固化，固體層厚度增加，從而橫向充填阻力變大，氣體遵循阻力最小原則沿氣道中央縱向延伸，使氣道的長度加深，直徑變細(xì)，氣泡穿過制品氣道之外的薄壁區(qū)域形成“氣指”缺陷的程度減小。當(dāng)延遲時(shí)間少于4 s時(shí)，PP制品的熔狀態(tài)使制品外形還不確定。當(dāng)延遲時(shí)間等于4 s時(shí)，PP制品的翹曲變形最小，與最大翹曲變形量相比降低了3．14％。

圖3 延遲時(shí)間對(duì)制品翹曲變形量的影響Fig．3 Influences of delay time on warpage deformation

1.2 氣體注射壓力

由圖4可知，當(dāng)氣體注射壓力大于90 MPa時(shí)，PP制品的翹曲變形量會(huì)陡然增大；當(dāng)氣體注射壓力小于90 MPa時(shí)，翹曲量依然會(huì)增大。當(dāng)氣體注射壓力等于90 MPa時(shí)制品的翹曲變形量最小，較最大翹曲變形量降低了5．39％［6］。

圖4 氣體注射壓力對(duì)制品翹曲變形量的影響Fig．4 Influences of pressure on warpage deformation

分析可知，在氣體注入初期，由于熔體黏度較低，氣體所受到的阻力較小，很容易使氣體射流沖擊區(qū)及氣體射流緩沖區(qū)擴(kuò)大，在氣體注入口附近形成“氣指”缺陷。在氣體保壓階段，氣體壓力過大會(huì)使氣體繼續(xù)穿透熔體，形成氣體二次穿透區(qū)，同時(shí)“氣指”的程度也會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。因此，90 MPa是介于氣體注入初期和保壓階段初期的一段壓力值。

利用以上參數(shù)設(shè)定的正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，可以很快地得到優(yōu)化工藝參數(shù)，用于實(shí)踐操作。翹曲變形量最低的工藝參數(shù)為：延遲時(shí)間為4 s、氣體注射壓力為90 MPa，其優(yōu)化后制品的翹曲變形量Moldflow模擬結(jié)果如圖5所示。如果需要得到翹曲變形量極低的制件時(shí)，僅通過優(yōu)化GAIM過程中的工藝參數(shù)顯然無法達(dá)到要求。

圖5 GAIM中延遲時(shí)間和氣體注射壓力優(yōu)化后的制品翹曲變形量Fig．5 Warpage deformation variation in GAIM after delay time and barometric pressure optimization

2 溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6所示為設(shè)有溢料井結(jié)構(gòu)的T形棒制品照片?？梢钥闯?，在最后填充處設(shè)置溢料井，可促進(jìn)氣體穿透，增加氣道掏空率，消除熔接痕，穩(wěn)定塑件品質(zhì)。而在型腔和溢料井之間加設(shè)閥澆口，可確保最后填充發(fā)生在溢料井內(nèi)［2］。利用該特征，必需在工藝參數(shù)設(shè)置模板上設(shè)置其參數(shù)，在有限元網(wǎng)格分析中相關(guān)的閥澆口的開關(guān)時(shí)間也必需指定。所以，在設(shè)置溢料井結(jié)構(gòu)之前，要進(jìn)行必要的工藝參數(shù)設(shè)定。

圖6 帶溢料井的T形棒制品Fig．6 T shape stick with belt flash well

如圖7所示為增加溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制品翹曲變形量Moldflow模擬結(jié)果圖。溢料井可連接在氣道的末端，以便獲得理想的氣體穿透效果。在材料注射階段，材料填充型腔的其他區(qū)域，而到溢料井的通道是關(guān)閉的，在材料注射結(jié)束后，可設(shè)定一個(gè)延遲時(shí)間，讓材料松弛、薄壁區(qū)域材料固化。在注氣之前必須立即打開溢料井，創(chuàng)建多余的一部分體積，與被注入的氣體代替的材料相當(dāng)。當(dāng)制件被頂出型腔后，溢料井如不需要可修剪掉。設(shè)計(jì)溢料井結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可減少材料和氣體充填時(shí)動(dòng)力學(xué)方面的復(fù)雜性問題，同時(shí)，還提供了另一個(gè)控制氣體穿透的方法。但該設(shè)計(jì)也存在兩方面缺點(diǎn)：一是需要進(jìn)行二次修剪工作；二是要增加額外的用料來填充溢料井［7］。

圖7 不同延遲時(shí)間條件下帶溢料井結(jié)構(gòu)的制品翹曲變形量變化Fig．7 Warpage deformation variation with belt flash well at different delay time

將T形棒制件的溢料井布置在氣道的末端，選擇氣體壓力控制，延遲時(shí)間為1～10 s、氣體注射時(shí)間為10 s、氣體注射壓力為90 MPa。再次進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)延遲時(shí)間為2 s，制品的翹曲變形量為0．1168 mm，達(dá)到最小值；當(dāng)延遲時(shí)間為9 s時(shí)，制品的翹曲變形量達(dá)到最大值0．9903 mm，比最低值高出了88．2％。

圖8 溢料井結(jié)構(gòu)對(duì)制品翹曲變形量的影響Fig．8 Influence of flash well on warpage deformation

3 結(jié)論

（1）普通T形棒制品在氣體輔助注射成型過程中氣體注射壓力與延遲時(shí)間之間的交互作用對(duì)翹曲變形量有影響，但效果不明顯；

（2）溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能顯著降低制品翹曲變形量，且正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。

［1］陳艷霞，陳如香，吳盛金．Moldflow2012完全自學(xué)與速查手冊(cè)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010：367．

［2］周偉文，黃漢雄．工藝參數(shù)對(duì)氣輔注射制品翹曲的影響［J］．模具工業(yè)，2009，35（12）：38-41．Zhou Weiwen，Huang Hanxiong．Effects of Process Parameters on the Warpage of Gas Assisted Injection Molded Part［J］．Die＆Mould Industry，2009，35（12）：38-41．

［3］周大路．氣輔成型中成型工藝對(duì)制品翹曲的影響［J］．塑料工業(yè)，2014，（10）：65-67．Zhou Dalu．Effect of Molding Process on the Warpage of Product in the Gas Assistance Formation［J］．China Plastics Industry，2014，（10）：65-67．

［4］陳 旭，申長雨．氣體輔助注射成型沖模流動(dòng)CAE技術(shù)［J］．工程塑料應(yīng)用，1999，27（2）：8-11．Chen Xü，Shen Changyu．The Gas Assistance Injection Formation Dies Flows the CAE Technology［J］．Engineering Plastics Application，1999，27（2）：8-11．

［5］Chien R D，Chen S C，Lin M C，et al．Effect of Channel Design on the Molding Window of Gas-assisted Injectionmolded Polystyrene Parts［J］．Journal of Applied Polymer Science，2003，90：2979-2986．

［6］Shen C Y，Ming Z．An Improved Algorithm for the Simulation of Injection-molding Filling Process［J］．Journal of Reinforced Plastic and Composites，2005，24（7）：691-698．

［7］郭建民，申開智．氣體輔助注射成型制品常見缺陷及其改進(jìn)措施［J］．現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2001，13（5）：22-24．Guo Jianmin，Shen Kaizhi．Gas Assistance Injection Formation Product Common Flaw and Improvement Measure［J］．Modern Plastics Pocessing and Application，2001，13（5）：22-24．

Influence of Flash Well on Warp in Gas-assisted Injection Molding Process

ZHOU Dalu
（Engineering Training Center，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

The warp defects of a gas-assisted injection-molded polypropylene（PP）part were analyzed by numerical simulation and orthogonal experimental method．The effects of gas-delay time，gas pressure and the structure of flash well on the warp defects were investigated．The results indicated that the relationship between the gas-injection pressure and the structure of flash well played a key role in determining the degree of warps for the PP part．A rational structure of flash well along with a certain gas-injection pressure could reduce the degree of warps significantly．

gas-assisted injection molding；flash well；warp；process parameter；orthogonal experiment

TQ320．66

B

1001-9278（2017）01-0066-04

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．012

2016-06-29

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