聚乙烯球閥閥體的結構改進與工藝參數(shù)優(yōu)化

凌中水，梁業(yè)興，萬蕾，李承鵬

(1.安慶職業(yè)技術學院，安徽安慶 246003；2.深圳大學，廣東深圳 518060)

聚乙烯(PE)球閥塑料閥門廣泛應用于燃氣管道，因此對其安全性能要求也比較嚴格，在生產(chǎn)鑄造時其厚度也明顯高于其它管材。一般在12 mm 厚度以上的閥門，受注塑材料、注塑工藝以及注塑件外形結構設計等的影響，容易發(fā)生注塑件外部收縮變形以及內(nèi)部形成縮孔等現(xiàn)象，導致閥門強度降低，并影響外觀質(zhì)量及后續(xù)加工要求[1-3]，從而引起重大安全隱患。一般注塑件的質(zhì)量受冷卻、注塑過程、工藝參數(shù)、模具結構等影響，容易出現(xiàn)縮孔、熔接痕、翹曲變形、開裂等現(xiàn)象[4-6]，而厚壁注塑件更加容易產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，一直是較難解決的問題，國內(nèi)學者從不同的角度對注塑件的成型收縮現(xiàn)象進行了廣泛深入的研究，傅徽波[7]利用軟件分析并通過改變模具設計，解決了聚醚醚酮厚壁管的注射成型缺陷，朱斌海[8]通過軟件仿真、優(yōu)化模具設計并結合正交試驗得出了最佳注塑工藝參數(shù)，解決了大彎徑比塑料管接頭的注塑缺陷，梁業(yè)興等[9]通過優(yōu)化模具結構與注塑工藝參數(shù)，并結合注塑件脫模后熱處理等措施，解決了厚壁燃氣管道閥門縮孔問題，成升文等[10]采用擠出壓縮工藝，使PE 彎頭管件的收縮率明顯優(yōu)于普通注塑工藝成型的PE 彎頭管件。筆者基于PE 球閥閥體的注塑缺陷，對閥體結構進行了改進并優(yōu)化了工藝參數(shù)。

1 PE 燃氣球閥閥體

為了進一步研究厚壁注塑球閥閥體的各種性能，筆者研究的中密度PE (PE-MD)球閥閥體公稱直徑為63 mm，裝配圖如圖1 所示，從圖1 可知，該類型PE 球閥閥體最大的特點在于閥端管與球體、閥上座與球體之間的連接采用的是錐面焊接，此焊接方式的焊接面面積相對端面焊接面面積大，橫向和縱向承受壓力大，焊接牢固、可靠，能夠更好地滿足后續(xù)相關的壓力性能測試。該產(chǎn)品結構相對復雜，對球閥閥體、閥端管和閥上座的壁厚提出了較高的要求，增加了注塑工藝難度，尤其是針對公稱直徑為110 mm 以上的PE 球閥閥體，厚度超過50 mm，在球閥閥體自重超過10 kg 的情況下，局部注塑收縮率達到5%以上，解決相關的缺陷如翹曲變形、內(nèi)部縮孔、填充不滿等，難度非常大。

圖1 PE-MD 球閥閥體結構

2 實驗材料與儀器設備

2.1 主要原材料

PE-MD：ME3440，密度為940 kg/m3，拉伸屈服應力為19 MPa，奧地利北歐化工公司。

2.2 主要儀器與設備

注塑機：MA7000/10500u 型，寧波海天集團股份有限公司；

注塑模具：模腔尺寸為186 mm×135 mm×136 mm，自制；

普通車床：CA6140 型，沈陽集團沈一車床廠。

3 PE-MD 球閥舊閥體

3.1 球閥舊閥體結構

由于PE-MD 球閥舊閥體模具已經(jīng)制造完畢，并進行了前期試驗，筆者主要從現(xiàn)有產(chǎn)品結構、模具結構、注塑工藝、后期處理等方面提出改進方案。PE-MD 球閥舊閥體現(xiàn)有樣品結構如圖2 所示，長×寬×高為186 mm×135 mm×136 mm。質(zhì)量約2.15 kg，澆口位于頂部，通過Moldflow[11-14]網(wǎng)格厚度診斷，最厚處為54.34 mm，厚壁部分主要集中在澆口部分和底部安裝閥座部分，中間圓柱部分壁厚超過40 mm。

圖2 PE-MD 球閥舊閥體結構

3.2 PE-MD 球閥舊閥體模具結構

PE-MD 球閥舊閥體結構圖3 所示，模具采用大水口，單點進膠，澆口開設于頂部，澆口直徑14 mm，主流道相對較長，芯部和外圍均有冷卻流道。

圖3 PE-MD 球閥舊閥體模具結構

3.3 球閥舊閥體樣品制備

取出一定量的中密度PE 加入注塑機料斗中，制備PE-MD 球閥舊閥體樣品，其主要工藝參數(shù)見表1，注塑樣品如圖4 所示，經(jīng)過切削設備切片，在產(chǎn)品內(nèi)部不同部位存在大小不一的縮孔，如圖5 所示。

表1 PE-MD 球閥舊閥體樣品注塑工藝參數(shù)

圖4 PE-MD 球閥舊閥體

圖5 PE-MD 球閥舊閥體切片圖

3.4 舊閥體工藝參數(shù)優(yōu)化

由于PE-MD 球閥舊閥體樣品主要按照一般的常規(guī)工藝參數(shù)制備，產(chǎn)品平均壁厚超過40 mm，熔膠量較大，按照一般注塑工藝很難解決。經(jīng)大量切片發(fā)現(xiàn)，縮孔一般集中在厚壁部分，靠近澆口位置。注塑件在保壓流動和冷卻定型階段的收縮都隨著熔體溫度的提高而增大，在保證熔體能夠正常流動情況下，將熔體溫度適當降低；注塑時，熔體在一定條件下充進模腔并直到澆口封閉為止，該段壓力為封口壓力，注塑件的密實程度隨著封口壓力的升高而升高，且收縮減小，將注塑壓力和保壓壓力提高至110～135 MPa 的較高壓力值，保證充分的補縮；在澆口封閉前，注入的熔體隨著注塑時間增加而增多，同時在澆口凝固前，保壓時間越長，越有利于熔體的補縮壓實，故注塑和保壓總時間控制在200 s 內(nèi)；冷卻時間對注塑件內(nèi)部縮孔影響比較顯著，對于厚壁塑件，隨著冷卻時間的延長，在外部已經(jīng)冷卻定型的情況下，內(nèi)部尚未冷卻，在內(nèi)部熔體冷卻收縮時得不到外部補縮，內(nèi)部必然形成縮孔，故冷卻時間應控制在一個合理的時間段；同時在能夠定型的情況下，盡量不通冷卻水。依據(jù)正交試驗[15]和切片試驗，得到該模具結構下優(yōu)化的工藝參數(shù)，結果見表2。按照優(yōu)化后的工藝參數(shù)注塑樣品，結果如圖6 所示。

表2 PE-MD 球閥舊閥體優(yōu)化工藝參數(shù)

圖6 優(yōu)化工藝參數(shù)后PE-MD 球閥舊閥體切片圖

由圖6 可以看出，優(yōu)化工藝參數(shù)后，舊閥體的縮孔得到明顯改善，但是內(nèi)部仍有隨機分布的小縮孔。針對上述情況，從注塑工藝的角度很難得到解決，并且對注塑機提出了更高的要求?？紤]到產(chǎn)品的用途和高厚度的結構特點，筆者從產(chǎn)品結構出發(fā)，利用CAE 分析和注塑試驗優(yōu)化產(chǎn)品結構，徹底解決內(nèi)部縮孔問題。

4 PE-MD 球閥新閥體

4.1 新閥體分析及建模

對PE-MD 球閥閥體進行Moldflow 厚度診斷可知，球閥閥體壁厚最大值達54.34 mm，平均厚度也到達40 mm 以上，而PE-MD 的收縮率達到1.5%～3.6%，計算可知，閥體最厚處的最大線性收縮尺寸可達到1.96 mm，平均壁厚的最大收縮尺寸也可達1.44 mm，如此高的壁厚，在外部冷卻后，塑件內(nèi)部的收縮很難從外部得到補縮，故在保證產(chǎn)品基本結構性能前提下，主要從減少產(chǎn)品壁厚著手。優(yōu)化的產(chǎn)品結構如圖7a 所示，可以看出，球閥舊閥體澆口位置的凸臺部分去除，改為了兩個單獨的支撐座，球閥舊閥體澆口凸臺的背面凸起的中心已掏空。如圖7b 所示，利用Moldflow 分析診斷厚度可知，產(chǎn)品最厚部分已經(jīng)減至40.17 mm，平均壁厚降至30 mm左右。如圖7c 所示，對球閥新閥體進行最佳澆口分析可知，最佳澆口位置位于兩支撐座內(nèi)側，從產(chǎn)品的外觀和模具結構出發(fā)，選擇從兩支撐座底部中間進膠。為避開相關的冷卻水路，主流道有一定的偏移。燃氣管道球閥閥體屬于承壓管件，兩點進膠將會產(chǎn)生熔接痕，這將導致熔接痕附近塑件的強度會極大降低，考慮到這層因素，將主流道向一側偏移一定距離，同時避開相應的冷卻水路。熔接線向一側偏移，可使熔接痕集中在一側壁厚較厚的位置，減少熔接痕對產(chǎn)品強度的影響。

圖7 PE-MD 球閥新閥體軟件分析圖

4.2 新閥體試驗

試驗選取Moldflow 軟件推薦的工藝參數(shù)如下：熔體溫度210℃，模具表面溫度40℃，填充控制以及速度壓力切換均選取自動，保壓控制中保壓時間10 s，填充壓力80 MPa，冷卻時間制定20 s，在翹曲設置中，分析翹曲原因，考慮角效應。通過Moldflow 軟件分析，球閥新、舊閥體體積收縮率均值、總變形量均值，以及X，Y，Z向的變形量均值見表3。

由表3 可知，相比球閥舊閥體，球閥新閥體的體積收縮率均值、總變形量均值、X向變形量均值和Y向變形量均值分別降低0.499%，0.059 mm，0.615 mm 和0.081 mm，但是球閥新閥體的Z變形量均值相比球閥舊閥體卻提高0.193 mm。這是由于球閥新、舊閥體結構的不同所致，相比球閥舊閥體，球閥新閥體在Z方向有較大部分已掏空，并且進膠口凸臺部分去除，再加上注塑過程中分子取向等因素影響，使Z向變形量均值反而升高。總體來看，改進球閥閥體結構以及澆口位置后，塑件的收縮變形得到明顯降低。根據(jù)以上分析結果，對球閥新閥體進行注塑試驗，結合實際生產(chǎn)條件，按照球閥舊閥體的工藝參數(shù)優(yōu)化試驗方法，對球閥新閥體的注塑工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得出其最佳注塑工藝參數(shù)為：熔體溫度170～190℃，注塑壓力110～125 MPa，注塑時間30～60 s，注塑速度10%～20%，保壓壓力20～135 MPa，保壓時間100～150 s，冷卻時間50～100 s，不通冷卻水。圖8 為采用最佳注塑工藝參數(shù)生產(chǎn)的球閥新閥體的切片圖，可以看出，球閥新閥體內(nèi)部看不到縮孔。

表3 球閥新、舊閥體的體積收縮率均值、總變形量均值及X，Y，Z 向變形量均值

圖8 PE-MD 球閥新閥體切片圖

5 結論

在保證產(chǎn)品基本結構性能的前提下，主要從減少產(chǎn)品壁厚著手，改進PE-MD 球閥閥體的結構，將球閥舊閥體澆口位置的凸臺部分去除，改為兩個單獨的支撐座，將球閥舊閥體澆口凸臺背面凸起的中心掏空，最佳澆口位置位于兩支撐座底部的中間，改進球閥閥體結構及澆口位置后，塑件的收縮變形得到明顯降低。利用Moldflow 分析軟件分析PE-MD球閥新、舊閥體的收縮變形情況，經(jīng)過優(yōu)化試驗，得出PE-MD 球閥新閥體的最佳注塑工藝參數(shù)為：熔體溫度170～190℃，注塑壓力110～125 MPa，注塑時間30～60 s，注塑速度10%～20%，保壓壓力20～135 MPa，保壓時間100～150 s，冷卻時間50～100 s，不通冷卻水。利用最佳注塑工藝參數(shù)注塑的球閥新閥體內(nèi)部無縮孔現(xiàn)象。