注塑件成型缺陷分析與解決方案

白英博，文根保，楊建世

(1. 北京拾壹德圣科技有限公司，北京 海淀 100083；2. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司航宇救生裝備有限公司， 湖北 襄樊 441002)

在注塑過程中注射模具澆口類型和數(shù)量的不合理設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)注塑件產(chǎn)生多種的缺陷。

澆口類型包含有直澆口、點(diǎn)澆口、側(cè)澆口等，因其各自特點(diǎn)而應(yīng)用到不同的注射模具中［1］。當(dāng)注射模具為一模多腔，其各個(gè)澆口類型和尺寸相同，且多條分澆道截面尺寸相同時(shí)，在注塑過程中因分澆道流程的不同，會(huì)造成流入模具各型腔熔體的壓力、流速、流量、溫度、剪切和摩擦作用等參數(shù)都有所不同，從而造成了注塑件易產(chǎn)生縮痕和填充不足等缺陷。對(duì)此可通過調(diào)整模具澆口的寬度、厚度或直徑尺寸的方式，達(dá)到調(diào)整流入模具型腔熔體量平衡的目的，進(jìn)而達(dá)到消除注塑件缺陷的目的。

對(duì)于模具澆口的數(shù)量的設(shè)計(jì)，比如在設(shè)計(jì)了若干個(gè)澆口的注射模具里，注塑件更易產(chǎn)生熔接痕的缺陷，一般情況下產(chǎn)生的熔接痕數(shù)量不大于澆口的數(shù)量。對(duì)于澆口的利用，當(dāng)注塑件長(zhǎng)厚比超過70（硬聚氯乙烯）［1］時(shí)，需增設(shè)一個(gè)澆口，以防注塑件因補(bǔ)塑困難而產(chǎn)生填充不足的缺陷；而當(dāng)澆口間距離太近，在熔體填充模腔時(shí)因料流的相互沖擊作用又易產(chǎn)生皺折的缺陷。

在加工注塑件時(shí)，由于加工時(shí)收縮率的存在，因此不合理的脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)注塑件產(chǎn)生多種的缺陷［2］，其中注塑件的翹曲、裂紋和變形等缺陷與注塑其脫模形式及脫模斜度和位置有關(guān)。為了避免這些缺陷的產(chǎn)生，不同注塑件注射模具應(yīng)設(shè)計(jì)合理的脫模形式、脫模斜度和脫模位置。

1 薄壁殼體注塑件填充不足、熔接痕等缺陷的原因及其解決方案

注塑件名稱為耳罩圈，其詳細(xì)尺寸如圖1所示，材料為ABS，其形狀特點(diǎn)，即從圓弧過渡至平邊處壁厚逐漸變厚，整體呈環(huán)形薄壁狀。

圖1 耳罩圈

1.1 現(xiàn)象概述

如圖2和圖3(a)所示，耳罩圈存在有明顯的填充不足和熔接痕的缺陷；熔接痕可以根據(jù)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處的澆口位置和對(duì)熔體在模具型腔中流動(dòng)狀況的分析來確定。該模具有三處澆口，當(dāng)此三處注入熔體時(shí)，在理想情況下熔體的流動(dòng)必定存在著三處匯交，其大致位置如圖3(a)中匯交1、2和3處，即此三處在注塑過程中易產(chǎn)生填充不足或熔接痕等缺陷。而根據(jù)圖2可知，填充不足和熔接痕缺陷產(chǎn)生的位置與上所述是一致的。

圖2 耳罩圈缺陷

圖3 耳罩圈缺陷分析與注射模整改方案圖

1.2 問題原因

在圖3(a)中，三處澆口Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均為側(cè)向澆口，都是直對(duì)著大的型芯。在壓力的作用下，高溫熔體的前鋒直接沖擊著大的型芯，而后 填充，此時(shí)熔體前鋒的溫度會(huì)迅速地降低進(jìn)而形成冷凝薄膜。由于型腔僅有1 mm厚的空間，加之熔體流到匯交1處的流程較長(zhǎng)，在流動(dòng)的過程中，熔體前鋒的溫度會(huì)進(jìn)一步下降，以致其還未流到匯交1處時(shí)便已凝固，因而出現(xiàn)了填充不足的缺陷。匯交2和匯交3處因流程較短，雖然不會(huì)出現(xiàn)填充不足的缺陷，但熔體的前鋒沖擊著大的型芯后必定會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生較大降溫，兩股熔體相溶性較差，即導(dǎo)致匯交處產(chǎn)生熔接痕。

1.3 解決方案之一

鑒于耳罩圈出現(xiàn)填充不足和較多數(shù)量熔接痕缺陷的事實(shí)，經(jīng)分析可知這些缺陷產(chǎn)生的根源是所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式（包括澆口位置和數(shù)量等）的不合理，因此解決方案主要是從澆注系統(tǒng)方面入手。

在原注射模結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型的解決辦法。該方案僅對(duì)注射模的澆注系統(tǒng)稍作修改，即可達(dá)到立竿見影的效果，且修改所發(fā)生的費(fèi)用極少。具體措施如下，如圖3(b)所示。

（1）由于有三處側(cè)向澆口就會(huì)存在三處熔體料流的匯交，即可產(chǎn)生三處熔接痕，因此要減少熔接痕的數(shù)量，就必須減少側(cè)向澆口的數(shù)量，因原設(shè)計(jì)的三處澆口比較集中，為此先將中間的澆口封死，只保留兩側(cè)澆口，如此熔接痕的數(shù)量就減少了一處。

（2）矩形側(cè)向澆口中的熔體在填充模具型腔時(shí)，會(huì)直接沖擊較大的型芯而造成自身大幅度地降溫，故應(yīng)該將矩形側(cè)向澆口改成扇形澆口，避免熔體料流直接沖擊大的型芯而使其產(chǎn)生較大降溫，具體是將3×2 mm×3 mm的側(cè)向澆口改成2×3 mm×1 mm×90°的扇形澆口。

（3）在產(chǎn)生熔接痕的地方設(shè)置冷料穴，以儲(chǔ)存已降溫和被氧化的熔體前鋒，從而改善熔接痕處的熔接狀況，增大熔接處的強(qiáng)度。

（4）進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)角半徑，減小熔體直接沖擊大的型芯而造成其較快降溫，避免熔體流動(dòng)性地降低。

1.4 處理結(jié)果之一

熔接痕的數(shù)量減少了一處；填充不足的缺陷得到了解決；熔接痕已不明顯，熔接痕處的強(qiáng)度得到了提高。

1.5 解決方案之二

該方案只設(shè)一個(gè)扇形澆口，因?yàn)閳D3(a)左端1的位置模腔寬度為2 mm，而右端1的位置模腔寬度為1 mm，根據(jù)澆口應(yīng)設(shè)置在寬模腔處的原則，將扇形澆口設(shè)計(jì)在如圖3(a)所示左端熔接痕1的位置上，扇形澆口的規(guī)格為3 mm×1 mm×120°，可使熔體沿扇形狀澆口填充型腔，避免熔體直接沖擊大的型芯而產(chǎn)生大幅度地降溫；在熔接痕處設(shè)置冷料穴，即在熔體填充模腔的過程中使得熔體的前鋒進(jìn)入冷料穴，從而達(dá)到改善熔接痕處熔接效果的目的。

1.6 處理結(jié)果之二

填充不足的缺陷得到了徹底解決；熔接痕數(shù)量只有一處，痕跡不再明顯，熔接痕處的強(qiáng)度得到了大幅度提高。

1.7 小結(jié)

從完善注塑件質(zhì)量的角度來評(píng)價(jià)，方案之二是理想型方案，它的實(shí)施注塑件將會(huì)獲得較方案之一更好的成型效果。但采用方案之二就意味著要將現(xiàn)有模具報(bào)廢，這樣就會(huì)產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)損失，一般方案之二只在新模具設(shè)計(jì)或現(xiàn)有模具復(fù)制時(shí)才能采用，因此不是在萬不得已的情況下不能輕易采用此方案。

2 注塑護(hù)蓋件縮痕等缺陷的原因及其解決方案

注塑件名稱為護(hù)蓋，如圖4所示；其材料為聚甲醛，密度1.41～1.43 g/cm3；注塑過程中的工藝參數(shù)為噴嘴溫度170～180 ℃、模具溫度90～120 ℃、注射壓力80～130 MPa、螺桿轉(zhuǎn)速 28 r/min、注射時(shí)間 20～90 s、高壓時(shí)間 0～5 s、冷卻時(shí)間 20～60 s、總周期 60～160 s、收縮率1.2%～3.0%；注塑設(shè)備采用螺桿式注射機(jī)。

圖4 護(hù)蓋

2.1 現(xiàn)象概述

護(hù)蓋注射模具型腔為一模六腔，如圖5所示。在六澆口尺寸相同的情況之下，六腔中只有中間兩腔的護(hù)蓋是合格的，兩側(cè)四腔中的護(hù)蓋均存在著縮痕，為不合格件。

圖5 護(hù)蓋型腔分布

2.2 問題原因

由于中間兩腔分澆道的流程短，其熔體的壓力和流量較大，因此熔體先充滿這兩個(gè)型腔。而兩側(cè)四腔的分澆道流程長(zhǎng)，在與中間的兩腔點(diǎn)澆口直徑和長(zhǎng)度相同的條件下，其分澆道熔體的壓力和流量較小，也就很難充滿各自對(duì)應(yīng)的型腔［3］。

2.3 解決方案

根據(jù)上述原因，可在保持主澆道和分澆道尺寸不變的情況之下，通過將兩側(cè)四腔澆口封堵住的方案，這樣只成型中間兩腔的注塑件，但這樣會(huì)造成生產(chǎn)效率的降低。為了平衡六腔熔體流量，并保證一模六腔護(hù)蓋的生產(chǎn)效率，應(yīng)采用擴(kuò)大兩側(cè)四腔點(diǎn)澆口直徑的方案。對(duì)于如何擴(kuò)大兩側(cè)四腔點(diǎn)澆口直徑，可采取以下兩種方法，一是通過多型腔流量平衡計(jì)算的方法確定點(diǎn)澆口直徑，二是通過試模修理的方法最終確定點(diǎn)澆口直徑。另外模具護(hù)蓋件型腔也可采用“O”字形排列設(shè)計(jì)，使得六個(gè)型腔分澆道尺寸完全一致，以確保熔體充模平衡,如圖6所示。

圖6 護(hù)蓋件模具“O” 型腔排列設(shè)計(jì)

2.4 處理結(jié)果

通過擴(kuò)大兩側(cè)四腔點(diǎn)澆口直徑的辦法，使得注塑過程中六型腔熔體充模平衡，加工后六個(gè)型腔中的護(hù)蓋件形態(tài)飽滿且合格，達(dá)到了模具設(shè)計(jì)要求的效率。

3 薄壁殼體注塑件壓痕等缺陷的原因及其解決方案

注塑件名稱為殼體，如圖7所示，材料為黑色聚酰胺1010。

3.1 現(xiàn)象概述

如圖8所示，殼體上存在著明顯的折皺、壓痕、翹曲缺陷。

圖7 殼體二維圖

圖8 殼體

3.2 問題原因

殼體凹底尺寸為102 mm×80 mm×20 mm，而壁厚只有2 mm，壁厚與凹底面積比值很小，故所需的脫模力很大；而用四根截面很小的頂桿進(jìn)行脫模，使得凹洼底面與頂桿接觸處受力集中，因此殼體易在接觸部位產(chǎn)生壓痕以及其他形式的變形。

3.3 解決方案

該模具脫模結(jié)構(gòu)采用的頂桿脫模是不合理的，可采用脫件板方式進(jìn)行殼體的脫模，以避免殼體產(chǎn)生壓痕等變形缺陷。

4 注塑墊片填充不足等缺陷的原因及其解決方案

墊片為薄壁件，如圖9(a)所示，其材料為低密度的聚乙烯。

4.1 現(xiàn)象概述

注塑墊片有明顯的填充不足、氣孔、熔接痕和流痕等缺陷［4］。

4.2 問題原因

可知所設(shè)計(jì)的型芯Ⅰ為長(zhǎng)方形，型芯Ⅱ?yàn)殚L(zhǎng)方形和半圓形的組合。熔體料流的流動(dòng)狀況，如圖9(a)所示，側(cè)澆口所注入的熔體，在碰到型腔壁后便改變了流向，并繼續(xù)填充模腔，當(dāng)熔體料流繞過型芯Ⅰ時(shí)，其上下前緣熔體匯合后并與長(zhǎng)方形壁之間形成了三角形的渦流區(qū)。三角渦流區(qū)內(nèi)易存貯著殘留的氣體，即產(chǎn)生了填充不足和氣孔等缺陷。熔體蛇形流到三角渦流區(qū)時(shí)，因較長(zhǎng)路程的流動(dòng)造成了熔體的降溫，冷凝的熔體在此處交匯，形成了熔接痕，且塑件在熔接痕處的強(qiáng)度較差；而熔體流過型芯Ⅱ時(shí)，料流形成了喇叭區(qū)，此處所產(chǎn)生的熔接痕也很明顯；因?yàn)橛勺⑺芗涂状_定的注射模具形狀是無法改變的，故料流在型芯Ⅰ和型芯Ⅱ處的流動(dòng)狀態(tài)和熔接痕位置也因此固定了下來；好在墊片只是起到襯墊的作用，對(duì)其強(qiáng)度和剛性要求不嚴(yán)，因此墊片熔接痕的缺陷可以忽略。而澆口處的熔體流動(dòng)狀態(tài)的流速V1變化較大，加之型腔長(zhǎng)度較長(zhǎng)，如此形成的震蕩流便造成了流痕缺陷。

4.3 解決方案

（1）方案一 將矩形側(cè)向澆口改成扇形澆口，如圖9(b)所示。更改之后，由于熔體料流噴射范圍的擴(kuò)大而形成了噴射流，同時(shí)澆口處熔體流速也變得平緩，即避免了流痕的產(chǎn)生。而針對(duì)出現(xiàn)塑件填充不足的缺陷，可適當(dāng)?shù)匦迣挐部?，即可改善填充不足的現(xiàn)象，再在產(chǎn)生熔接痕的位置上設(shè)置冷料穴，讓料流前鋒的冷凝料進(jìn)入冷料穴，即可避免熔接痕缺陷的產(chǎn)生。

（2）方案二 若將一個(gè)點(diǎn)澆口改成多個(gè)點(diǎn)澆口，并將其分布在如圖9(c)所示的位置上，注塑時(shí)形成局部擴(kuò)散流，如此可減少熔體流動(dòng)的流程，進(jìn)而降低熔體產(chǎn)生的溫降效果，這樣有利于料流平穩(wěn)填充，從而消除填充不足、熔接痕和流痕等缺陷，還可以進(jìn)一步提高墊片成型的質(zhì)量。但此方案因模具的改動(dòng)量過大，模具將從二模板改成三模板，且整個(gè)澆注系統(tǒng)要推翻重造，存在著較大的經(jīng)濟(jì)損失。這種方案只有在模具重新制造時(shí)，才可以采用。

5 結(jié)束語

為了解決耳罩圈注塑件產(chǎn)生填充不足和熔接痕的缺陷問題，本文采用了合理設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，即對(duì)澆口形式和數(shù)量作進(jìn)一步優(yōu)化的方案；為了消除注塑護(hù)蓋件存在得縮痕缺陷，采用了擴(kuò)大兩側(cè)四腔點(diǎn)澆口直徑的方案，控制各模腔壓力平衡；為了避免薄壁殼體注塑件壓痕變形等缺陷的問題，采用了脫件板方式進(jìn)行殼體脫模的方案；為了解決注塑墊片填充不足和熔接痕等的缺陷問題，則采用了將側(cè)澆口改成扇形澆口并設(shè)計(jì)多個(gè)數(shù)量澆口的方案，控制注塑過程熔體料流進(jìn)行平穩(wěn)填充模腔。

圖9 墊片缺陷分析圖

綜合上述注塑件的缺陷問題及其解決方案，在實(shí)際生產(chǎn)中考慮到生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，一般會(huì)采用對(duì)原模具進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的解決方案，而較少涉及到推翻和報(bào)廢已有模具，對(duì)于完善的模具方案在新設(shè)計(jì)的模具采用。再者，可在模具結(jié)構(gòu)方案制訂之初，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或通過有限元預(yù)成型模擬的方式對(duì)注塑件成型效果作預(yù)期分析，可以預(yù)期分析到注塑件可能出現(xiàn)的缺陷問題，并以此對(duì)模具進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，最終達(dá)到避免注塑件產(chǎn)生缺陷的目的。