薄壁帶筋輪座注射成型表面氣紋形成機(jī)理與缺陷消除

蔡偉南，徐曉，王子秦，夏琴香，肖剛鋒

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

注射成型具有材料利用率高、成型周期短、產(chǎn)品設(shè)計靈活及自動化程度高等優(yōu)點，因此在嬰幼兒用品、醫(yī)療、航空工業(yè)、國防和尖端工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-2]。由于塑料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜且注射成型過程中參數(shù)眾多，消除制品缺陷并提升制品外觀質(zhì)量較為困難[3]。注塑制品常見的質(zhì)量缺陷有：欠注、溢邊、翹曲變形、縮痕、熔接痕和氣紋等，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量、強度等使用性能[4]。當(dāng)零件局部成型區(qū)域存在困氣時，熔體冷卻固化后零件表面會留下氣體流動的痕跡即氣紋，通常會伴隨著燒焦、欠注、熔接痕、料花等缺陷[5]，并且難以通過調(diào)整成型工藝參數(shù)解決。

陳澤聰?shù)萚6]提出增加排氣槽改善模具排氣效果，并且在外觀允許的情況下，要盡量增大圓角半徑，改善排氣的順暢度；鐘明強[7]針對具有多澆口和孔位的模具提出調(diào)整不同噴嘴的注塑速率和溫度，使熔體合流線向非外觀面移動，達(dá)到消除氣紋的效果；陳小鹿等[8]提出復(fù)雜的制品結(jié)構(gòu)和壁厚的變化都易導(dǎo)致熔體流動前沿處殘留氣體，采用提高料溫、降低第一段射膠速度的方法，使型腔內(nèi)氣體有時間排出，極大改善了電容器外殼的氣紋問題；王紅亮等[9]模擬汽車保險杠拖車鉤孔處的成型過程，通過減小拖車鉤孔側(cè)面壁厚，降低側(cè)面料流速度，將熔接末端調(diào)整至孔內(nèi)，使得氣穴分布在孔的翻邊內(nèi)，同時增加排氣槽和排氣鑲件，保證氣體順利排出，為保險杠模具設(shè)計以及后期塑件設(shè)計提供依據(jù)。

然而當(dāng)前對于氣紋的研究大多集中在工藝優(yōu)化和調(diào)整零件局部壁厚上，對于進(jìn)膠點的選取和熔體流動規(guī)律之間的研究較少，且缺乏對氣紋的微觀形貌的觀測，無法全面指導(dǎo)類似零件的生產(chǎn)。

筆者以某型號嬰兒車后輪座為研究對象，該嬰兒車后輪座具有薄壁帶筋特征，針對其在注射成型過程中的表面氣紋問題，采用金相顯微鏡觀察熔體結(jié)合位置處的微觀形貌，并利用Moldflow模流分析結(jié)果對零件氣紋產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，提出采用修改進(jìn)膠點和調(diào)整加強筋壁厚的方法解決后輪座表面氣紋缺陷，通過改變?nèi)垠w的結(jié)合位置，使型腔內(nèi)氣體從分型面排氣槽排出，達(dá)到消除氣紋的目的。

1 后輪座結(jié)構(gòu)與材料

某嬰兒車后輪座產(chǎn)品圖如圖1所示，采用冷流道側(cè)進(jìn)膠、一模兩穴注射成型生產(chǎn)，主體壁厚為2.3 mm，屬于薄壁零件[10]。

由圖1可知，后輪座結(jié)構(gòu)上存在用于裝配的按鈕槽、底部孔位、十字形加強筋和用于裝配和增加強度的支撐面。由于按鈕槽附近為外觀面，切除澆口會在零件表面留下切除痕跡，因此進(jìn)膠點設(shè)置在遠(yuǎn)離按鈕槽的一側(cè)。后輪座材料為尼龍66 (PA66)，牌號為U4820L，屬于結(jié)晶性塑料。

2 氣紋形成機(jī)理

2.1 氣紋微觀形貌觀察

困氣是由于多股熔體前沿匯聚，型腔中氣體被困在零件內(nèi)部或模腔表面形成的氣泡[11]。熔體冷卻固化后氣體會在熔體表面留下痕跡，形成氣紋。圖2是后輪座按鈕槽附近的氣紋，呈白色直線狀，每一模零件的按鈕槽附近都有一道顏色較淡的氣紋。

圖2 氣紋實際照片

圖3是在顯微鏡下對氣紋缺陷觀察照片(×200倍)，多股熔體相匯時由于溫度過低不能熔合在一起，在交界位置有一道清晰溝壑即熔接線[12]。熔體流動時前端存在空氣，匯合時氣體難以排出導(dǎo)致熔接線兩側(cè)存在氣泡。熔體充填時由于隨著氣泡體積增大，氣泡的表層厚度會不斷減小，其中的染色劑會被不斷稀釋，最終回到尼龍原料本身的顏色即白色，在宏觀上便表現(xiàn)為白色的氣紋。

圖3 氣紋微觀形貌(×200)

2.2 氣紋形成機(jī)理分析

圖4為后輪座的Moldflow充填模擬結(jié)果，模具上對應(yīng)按鈕槽的位置存在用于側(cè)向抽芯的滑塊，熔體在型腔中流動時遇到滑塊會分成上下兩股，流動模擬結(jié)果如圖4a所示；按鈕槽一側(cè)有兩股熔體，由于后輪座結(jié)構(gòu)類似于圓柱，按鈕槽對側(cè)又存在一股熔體，最終有三股熔體在外觀面結(jié)合，如圖4b所示。

圖4 熔體流動示意圖圖

圖5為前模仁和后模芯的排氣槽，由于熔體結(jié)合位置在分型面下方，遠(yuǎn)離分型面和后模芯的排氣槽，被熔體包覆的氣體將很難排出。

圖5 排氣槽示意圖

圖6為Moldflow氣穴模擬結(jié)果，氣穴結(jié)果表示可能發(fā)生困氣位置，從圖6可知氣穴位置與實際情況接近，在分型面下方、按鈕槽附近存在困氣情況。

圖6 氣穴模擬結(jié)果

2.3 氣紋解決方案分析

后輪座的困氣是由于三股熔體結(jié)合形成熔接痕，熔接痕處的氣體無法排出型腔而形成的，因此可以通過改善熔接痕的方法來解決困氣缺陷，改善熔接痕的方法包括以下幾個方面[13–16]：

(1)調(diào)整注塑工藝參數(shù)。增加注塑壓力和保壓壓力，使熔體在熔接痕處以高壓熔合；提高模具溫度，減少熔體匯聚時不同熔體的溫度差異，保證溫差在10℃以下。

(2)修改模具結(jié)構(gòu)。改變澆口位置和數(shù)量，使得熔接痕轉(zhuǎn)移至非外觀面或者易排氣區(qū)域；在熔體匯聚區(qū)域增加排氣鑲塊或增加排氣槽，改善排氣效果。

(3)改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如修改產(chǎn)品壁厚或者修改成圓角，從而改變?nèi)垠w在型腔內(nèi)的流動狀態(tài)，使得熔體在合理位置匯聚。

經(jīng)過實際調(diào)機(jī)，氣紋沒有明顯改善，因此主要從模具結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā)解決氣紋問題。結(jié)合熔接痕改善方案并且考慮到增加澆口可能會導(dǎo)致更嚴(yán)重的熔接痕問題，得出以下針對后輪座氣紋的改善方案：

(1)在氣紋位置附近增加排氣鑲件，改善排氣。

(2)修改進(jìn)膠點或者調(diào)整零件局部壁厚，改變?nèi)垠w流動狀態(tài)從而轉(zhuǎn)移困氣位置。

3 氣紋缺陷消除

3.1 增加鑲件

后輪座的氣紋發(fā)生在零件外表面，模具中前模仁與后模仁是和外表面直接接觸的，但若在前模仁或者后模仁處增加鑲件，由于存在鑲件間隙，成型時外觀面上會留下鑲件的拼接線，反而使產(chǎn)品美觀度下降。因此在后模芯處增加鑲件從而改善排氣，如圖7所示。在后模芯處增加鑲件雖然避免了在零件外觀面留下鑲件線，但是由于困氣位置在零件外表面，而鑲件間隙在零件內(nèi)表面，可以改善模具排氣效果但不能徹底改善零件困氣問題。

圖7 鑲件示意圖

3.2 改進(jìn)膠點至加強筋處同時增加壁厚

原進(jìn)膠點在遠(yuǎn)離按鈕槽的一側(cè)，困氣位置在按鈕槽附近影響外觀。因此可將進(jìn)膠點向加強筋處移動，使得熔體最后結(jié)合位置在非外觀面，改變困氣位置，減少對外觀的影響，如圖8所示。

圖8 修改澆口示意圖

修改進(jìn)膠點熔體流動情況對比如圖9所示，圖9a為原始模型的流動模擬，有三股熔體在分型面下方結(jié)合，困氣嚴(yán)重；圖9b為修改進(jìn)膠點后按鈕槽附近熔體流動情況，改進(jìn)膠點后，按鈕槽上下的兩股熔體在結(jié)合后會繼續(xù)向前流動，由于按鈕槽對側(cè)熔體還未結(jié)合，包圍的氣體會向前流動，因此按鈕槽附近不會出現(xiàn)困氣。

熔體在澆口對側(cè)的流動狀態(tài)如圖9c所示，按鈕槽一側(cè)的熔體與按鈕槽對側(cè)的熔體結(jié)合時，由于后輪座內(nèi)部存在筋位，流經(jīng)筋位的熔體又在此處匯合，中間有氣體被包圍且離排氣槽較遠(yuǎn)，因此修改進(jìn)膠點至加強筋處后，困氣位置會從按鈕槽附近轉(zhuǎn)移至澆口對側(cè)分型面上方位置。

圖9 修改澆口前后的流動狀態(tài)對比

單純修改進(jìn)膠點仍會導(dǎo)致零件澆口對側(cè)的氣紋，因此再調(diào)整零件壁厚從而改變困氣位置。圖10為筋位內(nèi)熔體流動示意圖，側(cè)壁熔體流至澆口對側(cè)，而加強筋內(nèi)熔體未流至澆口對側(cè)，零件內(nèi)部便會出現(xiàn)困氣，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)燒焦和欠注。因此通過調(diào)整筋位壁厚的方法改變加強筋內(nèi)的熔體流速，改變?nèi)垠w結(jié)合位置即改變澆口對側(cè)困氣位置。

考慮到模具加工難度，采用增加筋位壁厚的方法增加筋位內(nèi)熔體流速，使其更快到達(dá)澆口對側(cè)，避免出現(xiàn)筋位內(nèi)熔體與側(cè)壁熔體在孔位內(nèi)結(jié)合導(dǎo)致困氣嚴(yán)重且難以排氣的情況。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗(壁厚過大會導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生空洞)，將圖10澆口處筋位壁厚向兩側(cè)增加0.2 mm。

圖10 筋位內(nèi)熔體流動示意圖

圖11為進(jìn)膠點改至筋位處同時增加筋位厚度后的流動模擬情況，熔體最后結(jié)合位置在分型面，熔體包圍的氣體可以通過分型面的排氣槽排出，外觀面上不會有氣紋。

圖11 修改進(jìn)膠點同時增加壁厚的流動情況

圖12為修改進(jìn)膠點、增加筋位壁厚的氣穴位置對比情況，進(jìn)膠點改至筋位處，會使氣穴位置從按鈕槽附近轉(zhuǎn)移至澆口對側(cè)分型面上方；修改進(jìn)膠點同時增加筋位壁厚，可使得氣穴位置轉(zhuǎn)移至分型面處。

圖12 氣穴位置對比

3.3 改進(jìn)膠點至加強筋處同時改分型面

由3.2的分析可知，將進(jìn)膠點移至加強筋處，會在支撐面的澆口對側(cè)產(chǎn)生困氣。因此可以將進(jìn)膠點移至加強筋位置后，再向前模方向移動，使其位于支撐面上，如圖13所示。修改后的澆口正對著原困氣位置，熔體將會先充填原困氣位置使得困氣位置不是熔體最后結(jié)合點，從而避免熔體將空氣包圍于一點的情況。

圖13 提高進(jìn)膠點的示意圖

圖14為修改后的分型面，由于此進(jìn)膠點不在原分型面上，需要修改分型面，產(chǎn)品分型線與拔模斜度都會變動，對產(chǎn)品外觀改動較大；前后模仁都需要進(jìn)行重新加工，模具改動也較大。

圖14 修改后的分型面

圖15是進(jìn)膠點改至筋位處后再提高進(jìn)膠點的流動模擬情況，熔體在澆口對側(cè)支撐面上結(jié)合后，再分別向上和向下流動，氣體可從前模芯和后模芯的排氣槽排出，不會形成困氣，外觀面上無氣紋。

圖15 提高進(jìn)膠點后的流動情況

4 改善方案對比及改模驗證

從Moldflow分析結(jié)果、改善效果和模具加工難易等方面將三個方案進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1。由表1可知，方案一增加鑲件，不能徹底改善氣紋；方案三需要修改分型面，模具與產(chǎn)品外觀改動較大；方案二可改善困氣缺陷，且無需修改分型面，模具與產(chǎn)品外觀改動都較小，因此選擇方案二進(jìn)行改模驗證。方案二改模后的零件外觀如圖16所示，外觀面的氣紋消除，外觀質(zhì)量有明顯提升。

表1 改模方案對比

圖16 改模后的零件外觀面

5 結(jié)論

(1) Moldflow充填和氣穴模擬結(jié)果表明，薄壁帶筋輪座氣紋是由于三股熔體在分型面下方結(jié)合，且結(jié)合位置遠(yuǎn)離分型面和后模芯的排氣槽，導(dǎo)致困氣嚴(yán)重，零件表面出現(xiàn)氣紋。

(2)對氣紋微觀形貌的觀測表明，模具排氣不佳的情況下熔接痕兩側(cè)易出現(xiàn)氣泡，氣泡體積增大，表層體積減小，著色劑稀釋，使困氣位置出現(xiàn)塑膠原料本身的顏色即白色，最終導(dǎo)致白色直線狀的氣紋。

(3)在薄壁帶筋輪座加強筋處進(jìn)膠會導(dǎo)致澆口對側(cè)困氣，須增加加強筋壁厚加快筋位內(nèi)的熔體流速，避免多股熔體在零件內(nèi)部結(jié)合導(dǎo)致困氣，使得型腔中氣體都可從排氣槽排出，達(dá)到消除氣紋的目的。