塑注件成型缺陷的分析與處理

戴志鵬，陳 鑫，柳益善，葉 峰

（浙江威邦機(jī)電科技有限公司，浙江 金華 321025）

引言

注塑成型是一種較為成熟的塑料加工工藝，占塑料制品的20%～30%左右，而且塑料制品因其材質(zhì)來(lái)源廣泛、實(shí)用，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在注塑成型過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)因溫度、壓力參數(shù)設(shè)計(jì)不合理而造成的注塑件翹曲、體積收縮或出現(xiàn)裂痕等問(wèn)題。本文通過(guò)研究分析，尋求最優(yōu)參數(shù)配比，以起到提高注塑件質(zhì)量的目的。

1 注塑成型工藝流程

注塑成型工藝是常用的塑料件加工工藝，其運(yùn)行原理是通過(guò)將熔融狀態(tài)下的塑料高壓注入模具中，注入完成后進(jìn)行冷卻脫模，脫模后便可得到與模具內(nèi)腔形狀相同的注塑制品。注塑成型加工如圖1 所示，主要包括熔融塑化、注塑充填、維壓、冷卻脫模四個(gè)部分。

1）模具的塑化，就是將所用固體材料加熱至熔融狀態(tài)，保證塑料的流動(dòng)性，便于后續(xù)注入模具成型，模具塑化之后，其組分密度等不會(huì)發(fā)生變化。

2）注塑充填就是將熔融狀態(tài)下的塑料熔體，通過(guò)螺桿在高壓作用下注入封閉模具中，其中施加的壓力可以進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

3）維壓階段就是將熔融狀態(tài)下的塑料熔體完成加壓注入后，一直到冷卻脫模階段之間的一段時(shí)間維持一定的壓力，同時(shí)讓少部分熔融狀態(tài)的熔體快速注入模具腔體，避免因冷卻收縮造成的空隙等對(duì)注塑成型后的制品質(zhì)量產(chǎn)生影響，此時(shí)注入熔體的體積較少，因此螺桿的位移也較小。

4）冷卻脫模階段。從熔融材料充填完成后即可開(kāi)始進(jìn)行脫模冷卻，這一階段模具腔體內(nèi)的壓力開(kāi)始快速下降，而且熔融塑料也在進(jìn)行冷卻直至脫模完成。此時(shí)，對(duì)脫模效果影響最大的兩個(gè)影響因素就是腔體的溫度以及腔體的壓力變化情況，如果脫模時(shí)溫度差較大，塑料制品在降溫時(shí)會(huì)極快地進(jìn)行收縮，同時(shí)壓力差值也不宜過(guò)大，否則很容易出現(xiàn)刮痕、氣泡等影響脫模塑料制品質(zhì)量的問(wèn)題。

2 注塑成型工藝影響因素

因注塑制品不同階段受到各工藝參數(shù)的影響，只有合理控制各工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)注塑過(guò)程中的溫度、壓力以及時(shí)間等參數(shù)值，進(jìn)行合理設(shè)定，才能確保沖模、保壓、冷卻脫模工藝的順利進(jìn)行，防止塑注件成型缺陷問(wèn)題的發(fā)生。

2.1 壓力影響

1）注塑壓力。將熔融狀態(tài)的塑料經(jīng)螺桿向腔體推進(jìn)時(shí)的壓力即注塑壓力，這個(gè)壓力值的大小將直接影響到注塑效果的好壞。若注塑壓力過(guò)高，熔融體注塑的速度將會(huì)加快，而且熔融體的各種機(jī)械性能也會(huì)因較大的壓力而得到顯著提高。但注塑壓力過(guò)大也會(huì)出現(xiàn)因超過(guò)容腔承受極限等造成變形、熔融件損傷等問(wèn)題。而注塑壓力過(guò)低時(shí)，熔融塑料在腔體內(nèi)流動(dòng)而無(wú)法完全充填，造成充填缺陷，也會(huì)影響到注塑成型件的質(zhì)量。因此必須合理控制注塑壓力，依據(jù)注塑材料屬性、模具結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行考慮。

2）維壓壓力。維壓壓力即將熔融狀態(tài)下的塑料充填滿整個(gè)容腔后，繼續(xù)施加一個(gè)壓力，將材料進(jìn)行壓實(shí)，并進(jìn)行一定量的熔融體補(bǔ)充，保證充填體收縮狀態(tài)下仍能充滿容腔。維壓壓力偏大時(shí)，有利于提高塑料制品的密實(shí)度，增強(qiáng)其機(jī)械性能。但壓力過(guò)大時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，造成塑注成型件的翹曲變形等缺陷。

2.2 溫度影響

1）熔融塑料溫度。即熔體溫度，這一溫度的高低將直接決定熔融狀態(tài)下流體的流動(dòng)性以及成型制品的質(zhì)量。當(dāng)熔體溫度偏低時(shí)，流體的流動(dòng)性就會(huì)較差，從而產(chǎn)生極高的粘度，給后續(xù)的注塑成型帶來(lái)極大的困難，同時(shí)流動(dòng)性較差也會(huì)使注塑成型件的表面較為粗糙，產(chǎn)生裂痕、缺料等問(wèn)題。溫度偏低時(shí)熔融體冷卻較快，造成內(nèi)部應(yīng)力來(lái)不及釋放，也很容易出現(xiàn)注塑件成型后的翹曲變形問(wèn)題。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，熔體的流動(dòng)性得到顯著增強(qiáng)，無(wú)需較大的注塑壓力即可快速充填模具容腔，注塑制品的表面較為光滑。但熔體溫度過(guò)高時(shí)，因塑料的材質(zhì)問(wèn)題會(huì)發(fā)生材料的降解，同時(shí)體積也會(huì)出現(xiàn)較大的收縮。

2）模具容腔溫度。模具容腔的溫度需要在加工注塑件之前預(yù)先設(shè)定，這一流程至關(guān)重要，將直接決定注塑件的質(zhì)量好壞。模具溫度在注塑過(guò)程中要盡可能保持相對(duì)均衡，否則會(huì)影響到注塑件制品產(chǎn)生翹曲、收縮等缺陷。模具容腔溫度過(guò)高，注塑件會(huì)產(chǎn)生大的收縮。而模具容腔的溫度過(guò)低，則會(huì)影響到注塑件的流動(dòng)性，而且注塑件冷卻過(guò)快，也會(huì)影響到制品的機(jī)械強(qiáng)度[1]。

2.3 熔融體狀態(tài)方程

通過(guò)對(duì)注塑體熔融狀態(tài)下的流體熱力學(xué)靜態(tài)狀態(tài)方程進(jìn)行分析，研究熔融注塑體壓力、溫度以及體積之間的關(guān)系。

式中：V 為注塑體體積；N 為氣體常數(shù)；T 為熔融注塑體的溫度；W 為注塑體材料的相對(duì)分子質(zhì)量；σ 為注塑體材料的屈服強(qiáng)度；p 為注塑體承受壓力；B 為注塑體分子的固有壓力?？梢钥闯鍪街械膮?shù)較多，不易計(jì)算。因此在實(shí)際工程中需根據(jù)具體需求進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算[2]。

3 塑注件模擬優(yōu)化

利用UG10.0 軟件建立葉輪模型，建立澆注系統(tǒng)作為熔融塑料澆注通道，如圖2 所示。澆注通道位于齒輪中心附近，通過(guò)在模型周圍環(huán)繞冷卻管路對(duì)模具進(jìn)行降溫處理，管路直徑設(shè)計(jì)為6 mm，分布在模具腔板以及型芯板內(nèi)，各管路之間間隔15 mm，分布均勻[3]。

注塑件成型缺陷大多呈現(xiàn)三種形式，即體積收縮、翹曲變形以及裂痕。本文對(duì)葉輪注塑質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)也由這三者來(lái)進(jìn)行衡量，主要對(duì)體積收縮情況進(jìn)行分析，其中設(shè)計(jì)各參數(shù)值如表1 所示[4]。

表1 注塑件仿真影響參數(shù)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述參數(shù)影響因子以及仿真模型模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)各參數(shù)影響下模型的體積收縮趨勢(shì)進(jìn)行研究，最終結(jié)果如表2 所示。

表2 注塑件仿真葉輪體積收縮情況分析表

表2 中，a 為模具溫度設(shè)置，其中最大值為70 ℃下，體積收縮率最小。b 為熔融體問(wèn)題，在溫度設(shè)置為210 ℃時(shí)取值最大，此時(shí)的葉輪體積收縮率最低。c 為注塑壓力變化量，在140 MPa 時(shí)，取值最大。d 為維壓壓力，在140 MPa 時(shí)，取值最大。e 為維壓時(shí)間，取值為8 s，f 為冷卻時(shí)間，取值25 s。

由此可以看出，對(duì)于葉輪模型的體積收縮情況，各參數(shù)最優(yōu)配比為a5b4c5d3e3f3 時(shí)，即模具的溫度設(shè)計(jì)為70 ℃，熔融體的溫度設(shè)計(jì)為210 ℃，注塑壓力設(shè)置為140 MPa，維壓維持在140 MPa，維壓維持時(shí)間8 s，冷卻降溫時(shí)間持續(xù)25 s 時(shí)，效果最為明顯，也就是體積收縮量最小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)塑注件成型缺陷的影響因素進(jìn)行分析，可以看出在不同的注塑壓力和維持壓力、不同的熔融體溫度和模具容腔溫度情況下，對(duì)塑注件成型質(zhì)量有著顯著影響。同時(shí)通過(guò)對(duì)葉輪注塑體進(jìn)行仿真模擬看出，在研究塑注件體積收縮率影響因素過(guò)程中，設(shè)計(jì)各參數(shù)即模具的溫度設(shè)計(jì)為70 ℃，熔融體的溫度設(shè)計(jì)為210 ℃，注塑壓力設(shè)置為140 MPa，維壓維持在140 MPa，維壓維持時(shí)間8 s，冷卻降溫時(shí)間持續(xù)25 s時(shí)，葉輪模型的體積收縮量最小。