成型工藝參數(shù)對聚碳酸酯零件殘余應(yīng)力的影響

汪建松 余龍穎 王燕楓

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

聚碳酸酯（簡稱PC）是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是一種綜合性能優(yōu)良的無定型熱塑性工程塑料。聚碳酸酯因其具有優(yōu)良的沖擊強(qiáng)度、耐蠕變性、耐候性及透光性等，被廣泛應(yīng)用于電氣電子零部件、航空透明材料零部件及汽車零部件等。PC材料由于其本身分子結(jié)構(gòu)中存在苯環(huán)，導(dǎo)致取向比較困難，在成型后，被取向的鏈節(jié)有恢復(fù)自然狀態(tài)的趨勢。但是由于整個分子鏈已經(jīng)被凍結(jié)以及大分子鏈之間的相互作用，從而造成制品存在殘余應(yīng)力。當(dāng)PC材料注塑件存在較大殘余應(yīng)力的情況下，注塑件經(jīng)過噴涂油漆后會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀和其使用性能，限制了PC材料在注塑件上的發(fā)展。本文選取某型號家用空調(diào)PC面板為研究對象，采用噴涂油漆的實驗方法觀察殘余應(yīng)力開裂現(xiàn)象，研究模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、退火等工藝參數(shù)對零件殘余應(yīng)力的影響，為聚碳酸酯（PC）零件生產(chǎn)工藝提供合理化建議。

2 面板的Moldflow模擬分析及實驗

2.1 Moldflow模擬分析

以某型號家用空調(diào)面板為對象，研究相關(guān)注塑工藝參數(shù)中模具表面溫度、熔體溫度對零件殘余應(yīng)力的影響。在Moldflow軟件中選擇材料聚碳酸酯PC（牌號：Makrolon 2405），該牌號PC材料Moldflow推薦工藝參數(shù)為：模具表面溫度80℃～120℃、熔體溫度280℃～320℃，其余注射成型工藝參數(shù)如表1所示。

為了對比單一工藝參數(shù)對零件殘余應(yīng)力的影響，制定了表2所示的九種方案：方案1、2、3、4、5熔體溫度不同，其余各工藝參數(shù)都相同；方案3、6、7、8、9模具表面溫度不同，其余各工藝參數(shù)都相同。

2.2 實驗部分

2.2.1 試劑及儀器

原料：PC（牌號：Makrolon 2405）；零件：某型號家用空調(diào)面板注塑件；油漆：聚氨酯丙烯酸油漆（億鑫化工有限公司），其化學(xué)成分為聚氨酯丙烯酸、顏料、助劑和丁酯。

儀器：①注塑機(jī)：海天MA10000/7950G，海天國際控股有限公司；②鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

表1 面板注射成型工藝參數(shù)

表2 對比模具表面溫度、熔體溫度對殘余應(yīng)力影響的九種方案

表3 退火條件不同的四種對比方案

實驗原理及方法：零件在成型冷卻后內(nèi)部形成微空穴，在化學(xué)環(huán)境作用下，微空穴分子鍵斷裂，殘余應(yīng)力得到釋放，微空穴互相連接成銀紋。銀紋進(jìn)一步發(fā)展，在尖端產(chǎn)生裂紋，材料失效開裂。將各工藝條件成型的空調(diào)面板噴涂油漆，通過觀察開裂情況，評估各工藝條件對殘余應(yīng)力的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 Moldflow模擬分析

3.1.1 Moldflow中熔體溫度對殘余應(yīng)力的影響

圖1為不同熔體溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力，圖1中藍(lán)、綠、黃、紅四種顏色，按順序代表殘余應(yīng)力依次增大。方案1中280℃的熔體溫度注射成型存在大面積的高殘余應(yīng)力，方案2中290℃的熔體溫度注射成型中間部分殘余應(yīng)力有所下降，方案5中320℃的熔體溫度注射成型形成的殘余應(yīng)力大面積為低殘余應(yīng)力狀態(tài)。隨著熔體溫度升高，零件大面積殘余應(yīng)力趨向于低應(yīng)力。

3.1.2 Moldflow中模具表面溫度對殘余應(yīng)力的影響

圖1 不同熔體溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力

圖2 不同模具表面溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力

表4 注塑壓力、模具表面溫度的五種對比方案

表5 注塑溫度不同的三種對比方案

圖2為不同模具表面溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力，由圖2可知，方案3、6、7、8、9在Moldflow分析中殘余應(yīng)力值分布區(qū)域無明顯差異。當(dāng)模具溫度在80℃～120℃范圍內(nèi)變化時，模流分析殘余應(yīng)力分布及大小無明顯變化。

3.2 面板不同成型工藝參數(shù)實驗

3.2.1 退火條件對殘余應(yīng)力的影響

表3為退火條件不同的四種對比方案，選取同一批次、同種工藝條件的PC面板零件，每個方案選取2塊面板，觀察在不同退火條件處理后的噴涂開裂情況。退火溫度高于80℃時，退火溫度升高，開裂情況嚴(yán)重；在退火溫度為80℃，退火時間為4 h時，零件殘余應(yīng)力相對較小。塑料制品在注塑成型后對其進(jìn)行熱處理將有效降低注塑成型過程中形成的殘余應(yīng)力，從而使制品內(nèi)部的應(yīng)力得到釋放，使不平衡構(gòu)象重新恢復(fù)到平衡構(gòu)象。

3.2.2 面板實驗：注塑壓力、模具表面溫度對殘余應(yīng)力的影響

表4為同一注塑溫度（290℃）下的五種方案，對比注塑壓力、模具表面溫度對殘余應(yīng)力的影響。根據(jù)方案1、2、3噴涂后開裂情況，注塑壓力對零件內(nèi)應(yīng)力影響較大。注塑壓力增大，殘余應(yīng)力增大。注塑過程中的注塑壓力過高時會使熔體在充模過程中受到的剪切作用增加，從而使其產(chǎn)生取向應(yīng)力的幾率增大。因此，注塑時適當(dāng)降低注塑壓力可以對降低取向應(yīng)力和消除脫模應(yīng)力起到一定作用。

根據(jù)方案1、4、5噴涂后開裂情況可知，模具表面溫度提高，零件殘余內(nèi)應(yīng)力降低。在成型過程中，熔體在沖模過程中遇到較低溫模具，會在模具表面產(chǎn)生冷卻不均收縮，而形成殘余應(yīng)力。

3.2.3 面板實驗：注塑溫度對殘余應(yīng)力的影響

表5為同一零件在同一注塑壓力130 MPa、模具表面溫度90℃下，不同注塑溫度的三種方案對比。由表5可知，方案1、2、3噴涂后均有開裂情況，且開裂程度無明顯規(guī)律。較高的注射溫度熔體塑化均勻，分子鏈段活動能力增加，粘度下降，流動性增加，分子間取向作用小，有利于取向應(yīng)力的降低。但是過高的注射溫度容易導(dǎo)致冷卻不充分，使得冷卻應(yīng)力和脫模應(yīng)力增加，導(dǎo)致較高注塑溫度注塑成型的零件存在高殘余應(yīng)力，零件在噴涂后高殘余應(yīng)力得到釋放并開裂。

4 結(jié)論

目前行業(yè)內(nèi)主要以冰乙酸等化學(xué)溶劑浸泡法作為塑料材料殘余應(yīng)力的快速檢測方法。Moldflow模擬分析中型腔內(nèi)殘余應(yīng)力是通過保壓分析計算得出，它表示頂出之前零件內(nèi)的應(yīng)力分布，模擬部分對于非結(jié)晶材料分子鏈無規(guī)則分布，熔體溫度能提高其分子鏈活動能力，故而熔體溫度對殘余應(yīng)力分布較為顯著，模具溫度影響不明顯。但實際實驗過程中因為過高的注射溫度容易導(dǎo)致冷卻不充分，使得殘余應(yīng)力模擬與實驗不一致；實驗部分的零件為頂出后再進(jìn)行噴涂，頂出后的零件將緩慢冷卻至室溫，存在應(yīng)力釋放的現(xiàn)象，不同模具溫度頂出后零件殘余應(yīng)力分布也將發(fā)生變化。以下結(jié)論主要結(jié)合實際化學(xué)油漆溶劑噴涂實驗結(jié)果給出：在正常注塑范圍內(nèi)，通過設(shè)定較高的模具溫度、較低的保壓壓力，以及進(jìn)行退火處理，有利于降低PC注塑件的殘余應(yīng)力，減少注塑件噴涂開裂情況的發(fā)生。