塑封電機溫流道注射工藝研究

胡榮耀，謝 帆，魯 浩，呂宏志

(威靈(蕪湖)電機制造有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

電機塑封技術(shù)是指將定子鐵芯、繞組等整體使用熱固性塑料塑封的工藝。威靈(蕪湖)電機制造有限公司于1993年全面引進(jìn)該項技術(shù)，并很快達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平[1]。傳統(tǒng)的塑封工藝都存在材料利用率低的問題，以威靈(蕪湖)電機制造有限公司1模4腔的產(chǎn)品為例，單模使用材料質(zhì)量為1 680 g，而流道材料質(zhì)量就到達(dá)120 g，占比高達(dá)7.14 %。而電機塑封用的熱固性塑料成型后是不可逆的，故流道中成型的材料是無法回收再利用的，且廢料還會造成環(huán)境污染。為此，急需開發(fā)一種塑封電機無澆注系統(tǒng)凝料注射的新工藝。

熱固性塑料溫流道注塑技術(shù)作為一種新型流道技術(shù)，可以實現(xiàn)無澆注系統(tǒng)凝料的創(chuàng)新型工藝。該項技術(shù)最早是在20世紀(jì)70年代中期由歐、美、日等國首先開發(fā)和運用，1982年美國的Durez樹脂和模塑料公司獲準(zhǔn)了4項無流道注壓工藝的專利[2]。我國在70年代末，由上海電器技術(shù)研究所率先開始進(jìn)行了熱固性注塑溫流道工藝相關(guān)研究[3]。陜西群力無線電器材廠邢良寶等人于2006年實現(xiàn)某繼電器基座的1模16腔溫流道注射模具的成功研制，達(dá)到較明顯的提效降本的效果[4]。青島科技大學(xué)的聶勇等人進(jìn)行以電動馬達(dá)端蓋為例的熱固性塑料溫流道注射模具的設(shè)計及數(shù)值模擬的相關(guān)研究[5]。而針對于目前BMC塑封電機行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)無澆注系統(tǒng)凝料的注射工藝卻鮮有報道，本文將重點介紹威靈(蕪湖)電機制造有限公司關(guān)于BMC塑封電機溫流道注射工藝的相關(guān)研究。

1 溫流道注射成型原理

電機塑封用材料為BMC，主要由不飽和聚酯樹脂(UP)中加入一定比例的增稠劑、低收縮劑、填充劑等組分組成的混合物與含量為10 %～30 %的短切玻璃纖維經(jīng)捏合混煉后制得的增強型團狀塑料。作為一種典型的玻璃纖維增強熱固性塑料，其熔體流變屬于非牛頓型流體，相關(guān)研究表明，溫度與BMC料流動性的關(guān)系如圖1所示[7]，由圖中的流動曲線可見，在Tjc溫度點的兩側(cè)，熔體流動性是完全相反的。在Tjc點的左側(cè)，其流動規(guī)律與熱塑性塑料的假塑性流體相似，即在未達(dá)到交聯(lián)反應(yīng)溫度之前，隨溫度的升高，聚合物中的線形大分子的運動能增加，進(jìn)一步發(fā)生變形流動的阻力減小，因此熔體黏度下降，流動性提高。但在Tjc點的右側(cè)，隨溫度的升高，交聯(lián)反應(yīng)速度加快，黏度逐漸加大，直至失去流動性。這里的Tjc既可以看成流動性最佳時的溫度，也可以近似看為BMC料開始固化交聯(lián)反應(yīng)的溫度，因此，溫流道注塑成型工藝保證流道溫度控制在Tjc以下時，即可實現(xiàn)無澆注系統(tǒng)凝料的注射工藝。

1—流動曲線 2—黏度對流動性的影響曲線 3—交聯(lián)反應(yīng)速度對流動性的影響曲線圖1 溫度對BMC料流動性的影響Fig.1 Effect of temperature on fluidity of BMC

2 溫流道注射模具設(shè)計

結(jié)合BMC料成型特點，溫流道注射模的設(shè)計需要考慮對整個流道部分采用溫控措施，使流道內(nèi)料流不會因為模具加熱而交聯(lián)固化，從而實現(xiàn)無流道連續(xù)生產(chǎn)。更準(zhǔn)確地說，是一種使注塑機料桶延伸至模具型腔或型腔附近的結(jié)構(gòu)。通常溫流道是通過某種介質(zhì)來控制流道與澆口中料流的溫度。使其在進(jìn)入模腔前始終保持在固化溫度以下，既具有良好的可塑性又不會引起提前固化，在產(chǎn)品脫模時，主流道和分流道內(nèi)的膠料依然留在模具內(nèi)，然后在下一次注射時注入模腔內(nèi)成為產(chǎn)品，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量性能，節(jié)約原材料和能源的一種機械裝置。溫流道系統(tǒng)必須有有效的隔熱措施，阻止生產(chǎn)零件時模具型腔高溫產(chǎn)生的熱量傳遞。在生產(chǎn)零件之前，對流道系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，使其達(dá)到流動狀態(tài)且不能固化，在生產(chǎn)零件完成停機時，還要對流道系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

1—上頂針板 2—彈簧 3—頂針 4—溫流道層 5—主流道6—進(jìn)科口 7—隔熱板 8—切刀套 9—分澆口 10—產(chǎn)品 11—下型芯膨脹環(huán) 12—塞打螺栓圖2 溫流道結(jié)構(gòu)模具示意圖Fig.2 Warm runner mold schematic

考慮溫流道模具兼容現(xiàn)有注塑機，設(shè)計1模6腔溫流道模具，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，溫流道模具定模部分設(shè)置單獨溫流道層4，流道層設(shè)置在帶有循環(huán)冷卻水道的上下夾板之間，溫流道層與下模腔之間采用環(huán)氧樹脂隔熱板7隔熱。BMC料由進(jìn)料口6注入溫流道層4內(nèi)，主流道5內(nèi)的料流再通過分澆口9注入到各模腔內(nèi)完成對定子塑封，注塑機射料完成后，頂針3通過注塑機油缸拉動上頂針板1完成上頂出，頂出到與產(chǎn)品10安裝耳表面齊平位置，開模時上頂針板保持頂出狀態(tài)，動、定模分開后產(chǎn)品10表面不會殘留澆口料，產(chǎn)品頂出，上料完成合模后射料前上頂針板1頂退，完成一個注射周期。頂針3在整個注射周期內(nèi)長時間保持頂出狀態(tài)可以有效的杜絕分澆口9內(nèi)BMC料固化造成的堵塞，保證了溫流道模具連續(xù)生產(chǎn)的能力，這類設(shè)計充分的利用注塑機設(shè)備油缸頂出頂退的能力，相對傳統(tǒng)的噴嘴結(jié)構(gòu)具備成本低、不會在產(chǎn)品表面留下噴嘴柄廢料、減少堵塞風(fēng)險等優(yōu)點，但存在頂針頂出瞬間模腔內(nèi)壓力增大造成定子漆包線受力增大的趨勢，后一節(jié)將重點討論此類影響。

溫流道模具設(shè)計的關(guān)鍵除了考慮隔熱效果還需考慮流道設(shè)計的合理性。為了盡量減少物料的消耗，可將流道的截面尺寸設(shè)計得比普通澆注系統(tǒng)更小一些，可以選用比表面積較小的梯形截面或圓形、半圓形截面的分流道。整個澆注系統(tǒng)的設(shè)計重點為必須保證物料的流動不出現(xiàn)死角，不會因為過熱而交聯(lián)固化。本套模具設(shè)計為單點進(jìn)料模式，若生產(chǎn)體積較大的產(chǎn)品時還可考慮設(shè)計成多點進(jìn)料的方式。

本套模具設(shè)計時還在型芯結(jié)構(gòu)上做出創(chuàng)新，設(shè)計分體膨脹式型芯，關(guān)鍵部件為圖2中的型芯膨脹環(huán)11，詳細(xì)示意圖如圖3所示，開模時壓縮的彈簧正常彈開使頂針頂起抱環(huán)，此時抱環(huán)為正常狀態(tài)直徑為59.8 mm，利用模具合模下壓抱環(huán)，抱環(huán)漲開到60 mm，與產(chǎn)品的內(nèi)徑大小相同，達(dá)到抱環(huán)的外壁完全貼合定子內(nèi)圓的作用，來阻礙注射成型時BMC料向內(nèi)圓鐵芯處流動，達(dá)到內(nèi)圓免去毛刺的效果。膨脹式抱環(huán)材質(zhì)為60Si2Mn彈簧鋼，與之配合的型芯其他部件的材料均為4Cr5MoSiV模具鋼，兩類材料在BMC料注射成型溫度(120～140 ℃)下線膨脹系數(shù)相當(dāng)，均在11.5×10-6～12.4×10-6之間，故分體膨脹式型芯在高溫下反復(fù)工作時不會出現(xiàn)因材料熱膨脹系數(shù)不用造成的間隙過大和滑入配合失效的風(fēng)險。

(a)開模時抱環(huán)尺寸 (b)合模時抱環(huán)尺寸 (c)抱環(huán)三維圖圖3 膨脹式抱環(huán)示意圖Fig.3 Expansion ring schematic

3 溫流道注射成型工藝研究

3.1 溫度控制

圖4 外觀不合格品Fig.4 The appearance of defective products

電機塑封用BMC料在流道溫度大于70 ℃時會發(fā)生過早凝膠化堵塞流道，流道溫度較低時，料的黏度較高，流動性較差，易造成模腔內(nèi)注射產(chǎn)品不飽和，同時使注射壓力和注射時間相應(yīng)的增加，因此溫流道注射成型工藝的關(guān)鍵為溫流道層的溫度控制。溫流道層溫度高低主要受冷卻循環(huán)水工作狀況與上模溫度的影響，當(dāng)上模溫度過高時，超過隔熱板與冷卻循環(huán)水控溫能力，溫流道層溫度過高，易發(fā)生BMC料固化。當(dāng)上模溫度過低時，注射成型的產(chǎn)品如圖4所示,表面光澤度較差，有暗斑，外觀不合格，分析為固化不完全，溫度過低時材料成型時收縮率較大造成。綜合量產(chǎn)模具溫度參數(shù)與該套模具驗證結(jié)果，溫流道模具參數(shù)設(shè)置如表1所示，另通過改善模具加熱感溫方式為PT100式熱電偶，可以精確的控制模溫波動在5 ℃以內(nèi)。

3.2 成型壓力

相對于傳統(tǒng)注射工藝，溫流道注射成型模具的澆口采用了上方進(jìn)料的點澆口，區(qū)別與傳統(tǒng)模具的側(cè)澆口。理論上，相同條件下點澆口的進(jìn)料方式相對于側(cè)澆口需要更大的注射壓力才能保證充模完整，溫流道模具的注射壓力參數(shù)設(shè)置還考慮了需保證定子內(nèi)圓面去毛刺的效果，若注射壓力設(shè)置偏大，可能會造成定子內(nèi)圓鐵芯產(chǎn)生溢料。具體注射成型時設(shè)置的壓力參數(shù)見表2，溫流道注射各分段注射壓力都增大10 %以上，但設(shè)置的注射壓力表示的為注塑機射料時的壓力，無法表征注射過程中模腔內(nèi)部壓力大小。而模腔內(nèi)壓力的大小又將直接影響產(chǎn)品的性能，本文將從模內(nèi)壓在線檢測技術(shù)與產(chǎn)品性能良率兩方面來評估溫流道注射工藝點澆口的進(jìn)料方式的可靠性。

3.2.1 模內(nèi)壓力檢測

結(jié)合威靈(蕪湖)電機制造有限公司注射成型模具的特點，開發(fā)一種紐扣式熔體壓力傳感器，檢測注射過程中的BMC料熔體的壓力。檢測原理如圖5所示，模內(nèi)壓力通過頂針傳達(dá)至應(yīng)變計，應(yīng)變計變形從而電阻發(fā)生改變，電阻值轉(zhuǎn)換成電信號后傳輸給放大器，放大器進(jìn)行演算處理后，用專用的測量軟件顯示壓力波形。具體的傳感器安裝方式如圖6所示。

圖5 紐扣式壓力傳感器測試原理圖Fig.5 Button pressure sensor testing principle schematic

圖6 紐扣式壓力傳感器安裝示意圖Fig.6 Button pressure sensor installation diagram

1—普通模具 2—溫流道模具圖7 2種模具的模內(nèi)壓力 - 時間曲線Fig.7 Pressure-time curve of two molds

1—模次一 2—模次二 3—模次三 4—模次四 5—模次五 6—模次六 7—模次七圖8 多模次模內(nèi)壓力 - 時間曲線Fig.8 Pressure-time curves in multimode modes

分別研究點澆口形式溫流道模具與側(cè)澆口形式普通模具在注塑過程的壓力值與變化趨勢。對驗證結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到壓力—時間變化曲線，如圖7所示，2種模具模內(nèi)壓力隨時間變化的趨勢是一致的，整個注塑過程可以看作射料與保壓2段，在射料階段中模內(nèi)壓力成線性增長趨勢直至達(dá)到最大值，保壓階段為模腔內(nèi)BMC料發(fā)生交聯(lián)固化的過程，因料本身收縮性，壓力值呈現(xiàn)為一個平緩下降的過程。2種模具在射料結(jié)束后，模內(nèi)壓力有一個躍升點，分析為上切刀動作造成，區(qū)別在于普通模具切刀截面積較大,作用為切斷水口料，而溫流道模具切刀頂針截面積較小,作用為封住澆口防止分澆口堵塞。測試結(jié)果表明溫流道模具在注塑過程中模內(nèi)壓力的峰值要比普通模具峰值大2 MPa左右，觀察溫流道生產(chǎn)的定子外觀無異常，產(chǎn)品強度最弱處導(dǎo)線夾沒有發(fā)生變形，說明溫流道注射工藝帶來的模內(nèi)壓力增大在我們可控范圍內(nèi)。進(jìn)一步研究溫流道模具注射成型過程的穩(wěn)定性，還進(jìn)行多模次模內(nèi)壓力的研究如圖8所示，結(jié)果表明溫流道注射成型過程為一個穩(wěn)定的過程，不會因為料在溫流道層內(nèi)停留的時間過長，造成注射過程中料流動的波動，從而帶來注射成型時模腔內(nèi)壓力的波動。

3.2.2 產(chǎn)品性能驗證

溫流道注射工藝生產(chǎn)的定子進(jìn)行裝配生產(chǎn)，對比該工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能不良率與普通模具生產(chǎn)產(chǎn)品性能不良率，如圖9所示，可以看出溫流道注射成型生產(chǎn)的電機的總體性能不良率為0.60 %，優(yōu)于同時期量產(chǎn)的水平。除了對比產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)外還進(jìn)行了電性能相關(guān)實驗，如表3所示，實驗結(jié)果均滿足產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。綜合模內(nèi)壓力檢測與產(chǎn)品性能驗證結(jié)果表明，溫流道注射工藝相對于普通注射工藝帶來的注射壓力增大對產(chǎn)品外觀與性能無影響，滿足產(chǎn)品的制造性要求。

■—量試 □ —量產(chǎn)圖9 溫流道注射與量產(chǎn)不良率對比圖Fig.9 Contrast chart of adverse rate between warm runner injection and mass production

4 溫流道注射工藝收益分析

溫流道注塑工藝實現(xiàn)了電機塑封過程的無澆注系統(tǒng)廢料，還通過模具中膨脹式型芯的設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)圓清潔無溢料的效果，達(dá)到免去毛刺的目的，如圖10所示。注射工藝無澆注系統(tǒng)廢料的實現(xiàn)帶來了節(jié)省BMC原材料及減少處理BMC廢料的費用的明顯收益，此外澆口位置優(yōu)化到電機的安裝耳上還能杜絕電機側(cè)表面留下難以清除的澆口痕跡。定子內(nèi)圓免去毛刺的實現(xiàn)可以省去產(chǎn)品出模后去毛刺的工序，減少員工勞動強度，提升生產(chǎn)效率，定子內(nèi)圓免去毛刺還可以減少內(nèi)圓去毛刺產(chǎn)生的細(xì)小粉塵，有效的減少電機的粉塵摩擦音不良。以2017年SP001系列產(chǎn)品全年產(chǎn)量435萬為例，具體的經(jīng)濟收益分析見表4，溫流道注射工藝的推廣，帶來的顯性收益約109.6萬元，同時還存在定子注塑后外觀不良品降低、效率提升、噪音不良率降低等隱性收益。

圖10 溫流道注塑工藝生產(chǎn)產(chǎn)品圖Fig.10 Products produced by the warm runner injection molding process

5 結(jié)論

(1)通過模具的溫流道層與點進(jìn)膠方式的設(shè)計實現(xiàn)無澆注系統(tǒng)凝料注塑工藝，通過分體膨脹式型芯設(shè)計實現(xiàn)BMC注塑后定子內(nèi)圓免去毛刺；

(2)通過注塑工藝研究， 對溫流道注塑模具注塑時模內(nèi)壓力測試與注塑產(chǎn)品各項性能的確認(rèn)表明此項工藝具備可制造性；

(3)溫流道工藝的實現(xiàn)帶來可觀的經(jīng)濟收益，以年產(chǎn)量435萬臺為例，可帶來的原材料節(jié)省等顯性收益約109.6萬元，同時還可帶來產(chǎn)品外觀不良品降低、效率提升、噪音不良率降低等隱性收益。