二次處理烘烤工序?qū)ψ⑺芗叽绲挠绊懠跋嚓P(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

趙東東

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

前言

注塑材料具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及適合模具大批量生產(chǎn)特性，廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品，并且開發(fā)出各式各樣的表面二次處理工藝，例如噴涂、電鍍、燙金等，以滿足外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

注塑材料本身特性、模具設(shè)計(jì)以及工藝條件會(huì)對(duì)制品收縮率產(chǎn)生影響[1]，但不僅僅是注塑工藝參數(shù)有影響，出模后的二次處理工藝也會(huì)產(chǎn)生影響。二次處理工藝后為使油漆快速固化，多數(shù)情況下需要進(jìn)行高溫烘烤，而注塑材料因具有吸水性，在烘烤過(guò)程中水分蒸發(fā)，會(huì)產(chǎn)生尺寸縮水的現(xiàn)象，對(duì)于關(guān)鍵裝配結(jié)構(gòu)尺寸，要求的精度高，尺寸縮水后容易導(dǎo)致裝配配合異常，因此收集常見(jiàn)的二次處理注塑基材，進(jìn)行烘烤驗(yàn)證，得出平均尺寸變化率，以指導(dǎo)后續(xù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

空調(diào)室內(nèi)機(jī)產(chǎn)品以注塑件構(gòu)成為主，影響產(chǎn)品一次合格率的首要因素就是注塑零件的一致性和穩(wěn)定性，零件的尺寸、變形量控制至關(guān)重要。從注塑原料、模具注塑、包裝運(yùn)輸、二次處理加工等多個(gè)過(guò)程制作成注塑零件成品，每一道工序均會(huì)影響注塑件的尺寸變化。

以往的研究方向主要是針對(duì)模具注塑工序?qū)α慵叽绮▌?dòng)的影響，例如注塑材料本身特性、模具設(shè)計(jì)以及工藝條件會(huì)對(duì)制品收縮率產(chǎn)生影響[1]，零件的厚度也會(huì)對(duì)零件收縮率產(chǎn)生影響[2]等，亦或是采用CAE仿真技術(shù)進(jìn)行模流分析。

1 研究方案

首先是選取試驗(yàn)對(duì)象，主要針對(duì)家用空調(diào)產(chǎn)品常用注塑材料進(jìn)行驗(yàn)證。二次處理主要包含噴涂、電鍍、燙金、絲印、涂黑等，其中燙金工藝無(wú)需進(jìn)行高溫烘干，并且多是局部燙金處理，例如商標(biāo)燙金，局部燙金高溫對(duì)注塑件整體尺寸變化影響小。PMMA面板絲印后會(huì)進(jìn)行熱彎、雕刻，熱彎高溫工序在雕刻工序之前，所以高溫工序?qū)Τ叽鐭o(wú)影響。而電鍍和噴涂、涂黑均需要進(jìn)行高溫烘干，以保證烘干水分，使油漆固化，烘烤溫度一般為60～80 °之間，此前出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件因烘烤工序產(chǎn)生尺寸縮水，導(dǎo)致尺寸偏小產(chǎn)生運(yùn)行抖動(dòng)的問(wèn)題。

因此主要考慮對(duì)需要噴涂處理的零件進(jìn)行試驗(yàn)研究，調(diào)查空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用于噴涂工藝的基材主要為ABS、ABSGF、ABS+PC、PP-GF、PA66，試驗(yàn)分別選取對(duì)應(yīng)材料的零件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)方案：

1）采用PA66材料零件改變烘烤時(shí)間（從30～60 min），溫度不變，驗(yàn)證烘烤時(shí)間對(duì)尺寸變化的影響，確定尺寸變化相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間；

2）采用PA66材料零件，改變烘烤溫度（從40～70 ℃），時(shí)間不變進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量尺寸變化，驗(yàn)證烘烤溫度對(duì)尺寸變化的影響，確定尺寸變化相對(duì)穩(wěn)定的溫度；

3）根據(jù)前面2項(xiàng)試驗(yàn)確定的時(shí)間和溫度，取多種材料（ABS、ABS-GF、ABS+PC、PP-GF）進(jìn)行高溫烘烤驗(yàn)證，測(cè)量尺寸變化，測(cè)出各常用材料的烘烤收縮率。

對(duì)比各零件尺寸變化情況，總結(jié)零件尺寸設(shè)計(jì)思路。

2 試驗(yàn)情況

2.1 烘烤時(shí)間對(duì)注塑材料尺寸變化的影響

1）試驗(yàn)一：PA66注塑件（10 件）在室溫常規(guī)環(huán)境下放置24 h后（溫度25 ℃、濕度80 %、地點(diǎn)：珠海），測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖1所示；

圖1 零件放置24 h時(shí)后尺寸變化

2）試驗(yàn)二：上述試驗(yàn)樣件，放入試驗(yàn)箱（80 ℃高溫）烘干30 min后測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖2所示；

圖2 零件烘烤30 min尺寸變化

3）試驗(yàn)三：上述試驗(yàn)樣件，繼續(xù)烘干至40 min后測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖3所示；

圖3 零件烘烤40 min尺寸變化

4）試驗(yàn)四：上述試驗(yàn)樣件，繼續(xù)烘干至60 min后測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖4所示；

圖4 零件烘烤60 min尺寸變化

5）試驗(yàn)五：上述試驗(yàn)樣件，繼續(xù)烘干至70 min測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 零件烘烤70 min尺寸變化

結(jié)論：

1）樣件經(jīng)高溫烘干后，水分蒸發(fā)，尺寸呈縮小趨勢(shì)，室溫狀態(tài)下放置無(wú)尺寸變化。

2）烘干30 min之后尺寸變化率的平均值為0.1%（400 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.4 mm），繼續(xù)烘干至40 min后尺寸變化率的平均值0.13 %（400 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.55 mm），再繼續(xù)烘干至60 min尺寸變化率的平均值為0.14 %（400 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.56 mm），再度烘烤至70 min后，尺寸無(wú)明顯變化。

3）尺寸從40 min后一直到70 min，尺寸近乎沒(méi)有變化，趨于穩(wěn)定，最終變化率穩(wěn)定在0.14 %，初步可以推導(dǎo)出，在珠海室溫環(huán)境下擺放零件，最終導(dǎo)致PA66零件產(chǎn)生的尺寸變化約為0.14 %。

4）試驗(yàn)60 min之后繼續(xù)加長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)于零件尺寸波動(dòng)無(wú)更多的影響，因此試驗(yàn)安排60 min即可，無(wú)需再繼續(xù)安排試驗(yàn)，增加相應(yīng)的試驗(yàn)成本和時(shí)間成本。

2.2 烘烤溫度對(duì)注塑材料尺寸變化的影響

1）試驗(yàn)六：取上述試驗(yàn)一樣件（10 件），放置在試驗(yàn)箱（70 ℃高溫）進(jìn)行烘烤60 min，測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖6所示；

圖6 零件70 ℃烘烤后尺寸變化

2）試驗(yàn)七：取上述試驗(yàn)一樣件（10 件），放置在試驗(yàn)箱（60 ℃高溫）進(jìn)行烘烤60 min，測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖7所示；

圖7 零件60 ℃烘烤后尺寸變化

3）試驗(yàn)八：取上述試驗(yàn)一樣件（10 件），放置在試驗(yàn)箱（40 ℃高溫）進(jìn)行烘烤60 min，測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖8所示。

圖8 零件40 ℃烘烤后尺寸變化

結(jié)論：

1）樣件在40～80 ℃高溫烘干后，水分蒸發(fā)，均呈現(xiàn)尺寸縮小的趨勢(shì)；

2）樣件在70 ℃高溫箱烘烤之后尺寸變化率的平均值為0.13 %（400 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.55 mm），60 ℃高溫箱烘烤之后尺寸變化率的平均值為0.13 %（400 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.5 mm），40 ℃高溫箱烘烤之后尺寸變化率的平均值為0.08 %（400 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.33 mm）。

3）40 ℃高溫箱中尺寸變化較慢，而60 ℃高溫箱中尺寸變化率與80 ℃高溫箱中的變化率基本相同，因此后續(xù)試驗(yàn)可采取60 ℃高溫進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9 各材料60 ℃烘烤60 min尺寸變化

2.3 各常見(jiàn)材料經(jīng)過(guò)高溫烘烤后的影響

收集ABS-121H、ABS-GF5、ABS+PC、PP-GF常見(jiàn)二次處理零件基材。

試驗(yàn)九：取上述樣件，放置在試驗(yàn)箱（60 ℃高溫）進(jìn)行烘烤60 min，測(cè)量尺寸變化，結(jié)果如圖8所示。

1）ABS-121H、ABS-GF5、ABS+PC、PP-GF四種材料經(jīng)過(guò)烘烤后均產(chǎn)生了尺寸縮水；

2）ABS-121H經(jīng)過(guò)烘烤后尺寸變化率0.44 %（100 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.44 mm）；

3）ABS-GF5經(jīng)過(guò)烘烤后尺寸變化率0.26 %（100 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.26 mm）；

4）ABS+PC經(jīng)過(guò)烘烤后尺寸變化率0.58 %（100 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.58 mm）；

5）PP-GF經(jīng)過(guò)烘烤后尺寸變化率0.36 %（100 mm尺寸長(zhǎng)度變化0.36 mm）。

ABS的吸水率為0.4～0.6 %、PP的吸水率為0.01 %、PA66的吸水率為2.5 %（重量變化），注塑材料烘干后的尺寸變化與吸水率數(shù)值并不相當(dāng)，考慮尺寸變化時(shí)，不能直接參考吸水率的數(shù)值。

3 總結(jié)

1）試驗(yàn)中ABS、PA66、PP等常見(jiàn)基材材料，在高溫烘烤工序中均會(huì)產(chǎn)生尺寸縮水問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)階段提前考慮是否采用二次處理工藝，并提前預(yù)留相應(yīng)的尺寸配合間隙，幾種材料分布在0.26～0.58 %之間。

2）最為常見(jiàn)的ABS材料，不同的添加劑，最終表現(xiàn)出的尺寸變化差別較大，ABS+PC與ABS-GF5的尺寸變化率可達(dá)到一倍，因此后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)也需注意材料的添加劑問(wèn)題，在合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置，選擇合適的材料添加劑。

3）不同的地區(qū)，溫度不同，潮濕度差異大，產(chǎn)生的結(jié)果也會(huì)有差異，例如北方濕度低，溫度低，冬天-30 ℃的情況下，零件可能會(huì)產(chǎn)生更大的尺寸變化，因此，針對(duì)不同地區(qū)的工廠，應(yīng)考慮不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留。

4）由于試驗(yàn)樣件選取的結(jié)構(gòu)形狀不一致，存在因部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高導(dǎo)致尺寸變化率小，部分結(jié)構(gòu)弱則尺寸變化率大的問(wèn)題，對(duì)于此問(wèn)題未做相應(yīng)的深入研究，具體的變化率數(shù)據(jù)僅供參考。