注塑件表面縮痕的影響參數(shù)及優(yōu)化

王春國

(海灣安全技術(shù)有限公司，河北 秦皇島 066006)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中，注塑品的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝在進(jìn)行不斷優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良注塑件的生產(chǎn)及降低缺陷率[1]。目前，在注塑生產(chǎn)過程中，較為普遍存在的問題是注塑件由于物料補(bǔ)充不足或者是局部冷卻溫度不一致導(dǎo)致的表面坍縮、縮痕等問題[2]，尤其在壁厚在15 mm之上的注塑件部位[3]。針對上述問題，國內(nèi)外的同行業(yè)專家進(jìn)行了大量的研究。陳愛霞[4]針對厚壁注塑件采用了一次注射物料填充后在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行再次補(bǔ)充注射的方式，以此解決厚壁部位的冷熱不均勻和縮孔等缺陷問題，取得了良好的效果。李小林[5]等人對壓縮工況下的簡單外形體注塑成型過程進(jìn)行了工藝研究，在厚度達(dá)到20 mm以上的超厚壁部位取得了良好的成型效果。由于壁厚均勻性較差和復(fù)雜曲面注塑件對壓縮條件的適應(yīng)性較差，因此該種方法暫時(shí)不適用于上述條件的注塑件。為了更好的分析注塑件的表面縮痕現(xiàn)象的有關(guān)影響因素，針對更多的注塑件取得更強(qiáng)的適應(yīng)性，本研究的物料填充方式限定為普通注射。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的影響研究和工藝優(yōu)化。

1 研究對象

在注塑工業(yè)生產(chǎn)中，注塑件體的外形、尺寸、壁厚、材料等有著非常多的選擇和組合種類。對于復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的注塑件，往往進(jìn)行分模設(shè)計(jì)和多口澆筑，構(gòu)件分模設(shè)計(jì)的目的和最終結(jié)果往往是構(gòu)件簡化[6～8]。因此，選定外形相對簡略的構(gòu)建模型更容易分析工藝參數(shù)對注塑件質(zhì)量的影響。

為了研究厚壁注塑件在普通注射工藝下表面縮痕等問題，本研究選取了某型模型構(gòu)件進(jìn)行建模研究，其外形尺寸為（40×40×20）mm，圓壁壁厚為10 mm。具體如圖1所示。選定材料為PP-PPU-1752S2S003。

運(yùn)用workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分（具體如圖1所示），而后導(dǎo)入Moldflow軟件中進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。

圖1 兩種壁厚構(gòu)件示意圖

2 選取表面縮痕影響參數(shù)

在仿真過程中，采用正交實(shí)驗(yàn)方法[9]研究模型注塑成型過程中產(chǎn)生表面縮痕等缺陷的參數(shù)影響。根據(jù)文獻(xiàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)我們選擇模具溫度、注塑流體溫度、模具壓力保持時(shí)間、和冷卻時(shí)間四個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)分析，對上述四個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行2個(gè)初始參數(shù)值的設(shè)定，具體如表1所示。本文對于注塑件縮痕缺陷的特征分析指標(biāo)主要為縮痕部位深度和體積收縮率。選用體積收縮率的原因在于縮痕等缺陷與體積收縮情況有著直接關(guān)聯(lián)。選定的四個(gè)參數(shù)同兩個(gè)分析指標(biāo)的影響比例關(guān)系如表2所示。由表2可以看出，除去冷卻時(shí)間因素外，其余三個(gè)參數(shù)對于兩個(gè)特征分析指標(biāo)的影響因素最高，其中模具壓力保持時(shí)間的影響最大。

表1 各個(gè)參數(shù)初始實(shí)驗(yàn)值

表2 影響比例關(guān)系

3 單個(gè)參數(shù)影響

根據(jù)第2節(jié)參數(shù)同分析指標(biāo)間的影響比例關(guān)系可知，對于縮痕缺陷和體積收縮率影響最大的參數(shù)共有三個(gè)。為進(jìn)一步明確三個(gè)參數(shù)同分析指標(biāo)間的影響關(guān)系，在本小節(jié)采用單一變量法考察三個(gè)參數(shù)對分析指標(biāo)的具體影響[10～11]。對于表面縮痕缺陷而言，深度尺寸直接影響整體注塑件的力學(xué)性能和外觀合規(guī)率，因此該值越小越符合注塑件工藝和制作目標(biāo)。對于體積收縮率而言，主要關(guān)注其最值大小情況，原因在于過大的體積收縮率代表了注塑件內(nèi)部或者厚壁局部的材料填充缺陷等題。

3.1 模具壓力保持時(shí)間

在此單一因素變量仿真中，主要考察壓力保持時(shí)間10 s～30 s范圍內(nèi)的兩個(gè)分析指標(biāo)的變化關(guān)系，具體如圖2所示。由圖中可以看出，表面縮痕深度與體積收縮率同模具壓力保持時(shí)間基本呈現(xiàn)反比例的關(guān)系。對于縮痕深度而言，可以通過盡量拉長壓力保持時(shí)間使得其呈現(xiàn)更小值；對于體積收縮率來說，其在20 s后的體積收縮率下降較快，且在35 s后能保持在6%之下。因此在注塑過程中，需要保證最少20 s的壓力保持時(shí)間，且時(shí)間長度超過35 s最好，這要求在注塑過程中防止注塑流道部位的物料過早凝結(jié)。

圖2 模具壓力保持時(shí)間與兩個(gè)分析指標(biāo)的影響關(guān)系

3.2 模具溫度

選定模具溫度為30～60 ℃，以此考察模具溫度同表面縮痕深度與體積收縮率的影響關(guān)系。具體如圖3所示。由圖3可知，在選定的模具溫度范圍內(nèi)，表面縮痕深度同模具溫度呈現(xiàn)正比關(guān)系。在模具溫度在40℃后，表面縮痕的上升速度加快明顯。體積收縮率同范圍內(nèi)的模具溫度雖呈現(xiàn)反比關(guān)系，但是整體的體積收縮率在6.5%～6.9%之間，數(shù)值相差極小，因此可以忽略此模具溫度范圍對體積收縮率的影響?？紤]到過小的模具溫度范圍對于實(shí)際生產(chǎn)過程的不便影響，因此選定30～35 ℃為適宜溫度。

圖3 模具溫度與兩個(gè)分析指標(biāo)的影響關(guān)系

3.3 注塑流體溫度

選定注塑流體溫度范圍為220～250 ℃，以此考察注塑流體溫度同表面縮痕深度與體積收縮率的影響關(guān)系，具體如圖4所示。由圖4可以看出，在選定的注塑流體溫度范圍內(nèi)，縮痕深度與體積收縮率同注塑流體溫度均呈現(xiàn)正相關(guān)的影響關(guān)系。呈現(xiàn)此種關(guān)系的原因在于，較高溫度的注塑流體的密度降低，收縮能力升高，使得縮痕深度與體積收縮率均升高。在實(shí)際生產(chǎn)中，在物料熔點(diǎn)溫度的前提下，其溫度也不宜過低，原因在于溫度過低時(shí)，分子內(nèi)部的力學(xué)性能可能不完善，造成局部裂紋、斷裂的現(xiàn)象。因此，對于注塑流體溫度，選用220 ℃左右最好。

圖4 注塑流體溫度與兩個(gè)分析指標(biāo)的影響關(guān)系

3.4 參數(shù)優(yōu)化

通過3.1～3.3的關(guān)系分析，我們將模具壓力保持時(shí)間、模具溫度、注塑流體溫度分別設(shè)定為40 s，30℃，220 ℃進(jìn)行再次模擬，最終表面縮痕深度為0.589 5 mm，體積收縮率為6.612%，符合生產(chǎn)工藝要求。

4 結(jié)論

本研究針對某型注塑件進(jìn)行建模仿真，利用正交實(shí)驗(yàn)方式找出了影響表面縮痕深度的重要因素，即模具壓力保持時(shí)間、模具溫度、注塑流體溫度。并通過將上述三個(gè)參數(shù)設(shè)置合理參數(shù)范圍，考察單一參數(shù)變化后的表面縮痕深度和體積收縮率的變動(dòng)關(guān)系，逐一分析了各個(gè)參數(shù)同表面縮痕深度和體積收縮率變化關(guān)系的內(nèi)在原因。最后根據(jù)單一參數(shù)變化關(guān)系，取定最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行再次仿真，仿真結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)的工藝要求，并處在較為優(yōu)良區(qū)間。研究為注塑生產(chǎn)和相關(guān)工藝提供了一定參考。