注塑件熔接痕的形成及控制

周雪峰

（常熟理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 2 15500）

1 引言

熔接痕是在注射或擠出成型過(guò)程中多股塑料熔體在模具中分流、匯合而形成的形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能不同于制品其他部分的三維區(qū)域.熔接痕的存在直接影響塑件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能，特別是汽車儀表盤、保險(xiǎn)杠、燈罩等高附加值的大型外觀塑件，熔接痕的控制是生產(chǎn)該類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù).然而對(duì)于大多數(shù)塑件而言，熔接痕的形成是難以避免的，但是通過(guò)一些合理的措施，可以改善熔接痕處的強(qiáng)度，并調(diào)整熔接痕的形成位置，從而提高熔體匯合時(shí)的熔合質(zhì)量或使熔接痕處于外觀不明顯的區(qū)域，達(dá)到改善制品綜合性能的目的.關(guān)于避免或減少熔接痕對(duì)塑件質(zhì)量影響研究的報(bào)道很多，通過(guò)模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，包括優(yōu)化澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及其模具表面質(zhì)量，或采用順序閥澆口、振動(dòng)輔助注射成型等新工藝、新方法[1-2]，均能有效改善熔接痕對(duì)制品質(zhì)量的影響.而注射工藝參數(shù)的優(yōu)化，尤其是熔體溫度和模具溫度的優(yōu)化是縮短熔接痕長(zhǎng)度的有效措施，從而改善熔接痕對(duì)塑件質(zhì)量的影響[3-4].

2 熔接痕的形成機(jī)理

塑料熔體流動(dòng)產(chǎn)生分流后再匯合是注射成型過(guò)程中熔接痕形成的必要條件，而造成熔體分流后匯合的原因主要有兩個(gè)方面：一是制品本身存在如孔、槽、嵌件等功能結(jié)構(gòu)；二是模具結(jié)構(gòu)，如澆口數(shù)量、位置、尺寸等設(shè)計(jì).因此，注塑件中常見的熔接痕可以歸納為三種類型，一是由于采用多澆口進(jìn)膠造成多股料流匯合而形成的冷接痕（或?qū)雍郏湫纬蛇^(guò)程如圖1（a）所示；二是由于制品中孔、嵌件等結(jié)構(gòu)的存在引起熔體分流后再匯合而形成的熱接痕，其形成過(guò)程如圖1（b）所示；此外，當(dāng)塑件不同部位壁厚相差過(guò)分懸殊時(shí)，熔體流經(jīng)型腔不同位置所受的阻力不同，而使熔體以不同流速匯合，最終也會(huì)在匯合處形成熔接痕，其形成過(guò)程如圖1（c）所示.

3 熔接痕的影響因素及其控制措施

3.1 模具設(shè)計(jì)對(duì)熔接痕的影響及其控制措施[5-7]

模具設(shè)計(jì)直接決定熔接痕的形成，如澆口數(shù)量位置及其尺寸對(duì)于熔接痕具有重要影響.實(shí)踐表明，澆口數(shù)量與熔接痕數(shù)量的關(guān)系：澆口數(shù)量為n則熔接痕的數(shù)量為n-1.因此，控制澆口數(shù)量有利于減少熔接痕數(shù)量.但是，對(duì)于大型注塑件，如汽車保險(xiǎn)杠，當(dāng)采用多澆口充型時(shí)可以大大縮短熔體充型流程及注射時(shí)間，避免熔體前鋒溫度和壓力損失過(guò)大而有利于熔體前鋒的相互熔合，可以明顯提高熔接痕處質(zhì)量，從而改善制品的整體性能.另外，澆口位置對(duì)于制品質(zhì)量也有重要影響，如澆口位置設(shè)置不當(dāng)，會(huì)使熔接痕形成于制品需要避免的區(qū)域，或者加重熔接痕的明顯程度，甚至造成制品的報(bào)廢.此外，澆口尺寸對(duì)于熔接痕的影響也不容忽視，如小澆口正對(duì)著一個(gè)大型腔，會(huì)使熔體產(chǎn)生噴射流動(dòng)而使熔體回旋堆集，冷卻后將產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的波紋狀熔接痕.因此，澆口數(shù)量、位置及其尺寸應(yīng)該合理設(shè)計(jì)，可以通過(guò)Moldflow軟件模擬注射成型過(guò)程，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及澆口設(shè)計(jì)，有利于改善甚至避免熔接痕對(duì)制品質(zhì)量的影響.

此外，保持模具排氣通暢可以避免殘留壓縮氣體灼傷制品或被排擠到熔體的匯合部位而形成熔接痕，同時(shí)，在熔體充型末端設(shè)置冷料穴可以儲(chǔ)存熔體前鋒冷料，有利于減輕甚至消除熔接痕.另外，在熔接痕附近設(shè)置加熱或絕熱裝置，并保持熔體冷卻均勻，可以確保熔體的良好熔合.采用順序閥澆口、雙推充模、振動(dòng)輔助注射成型等新工藝、新方法，均能有效改善熔接痕對(duì)制品質(zhì)量的影響.

圖1 注塑制品常見的熔接痕

3.2 工藝參數(shù)對(duì)熔接痕的影響及其控制措施[3-8]

塑料熔體流動(dòng)產(chǎn)生分流后再匯合是熔接痕形成的必要條件，而匯合處熔體特性的改變是熔接痕形成的根本原因.因此，注射成型工藝條件直接影響熔接痕的形成.其中，溫度的控制至關(guān)重要.實(shí)踐表明，在高聚物分子分解溫度以下適當(dāng)提高熔體溫度和模具溫度，使熔體充型過(guò)程中保持較高溫度，有利于保證熔體前鋒匯合時(shí)所必需的溫度，有助于減輕甚至消除熔接痕.但是，熔體溫度過(guò)高，高聚物分子將會(huì)發(fā)生熱降解，尤其是加重小澆口處熔體的局部過(guò)熱，最終在制品表面形成斑點(diǎn)等缺陷.同時(shí)，溫度的提高將影響模具的使用壽命.

另外，對(duì)于一些熱敏性塑料，如必須采用低溫注射工藝時(shí)，可以適當(dāng)提高注射壓力或注射速度，有利于減緩熔體溫度降低，并有助于熔體克服流道阻力，使熔體在熔接痕處以高壓高溫熔合，從而提高熔接痕處強(qiáng)度.實(shí)踐也表明，靠近澆口處因壓力較大、溫度較高而熔接痕強(qiáng)度較高.而提高保壓壓力有助于增加接痕處的密度，提高熔接痕處強(qiáng)度.但是注射壓力和保壓壓力的提高，容易在分型面等區(qū)域形成飛邊等缺陷，不但影響制品質(zhì)量，還嚴(yán)重降低模具壽命.

通過(guò)提高熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力等工藝參數(shù)，可以在一定程度上改善熔接痕強(qiáng)度，但不能完全消除熔接痕，設(shè)置不當(dāng)甚至可能引起制品的其他成型缺陷.因此，關(guān)于工藝參數(shù)的選擇可以采用Taguchi方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)Moldflow軟件模擬注射成型過(guò)程，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而改善制品的整體性能.

4 數(shù)值模擬

4.1 初步分析

本實(shí)例選用某型號(hào)轎車左后門把手處的一塑件，將模型以igs格式從CATIA中導(dǎo)出并導(dǎo)入Moldflow中，選擇網(wǎng)格類型為FUSION，網(wǎng)格全局邊長(zhǎng)設(shè)為4.5，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并修改網(wǎng)格缺陷，修改后的有限元模型如圖2所示，其平均縱橫比為2.135，網(wǎng)格匹配率達(dá)88.8%.塑件材料選用PP，工藝參數(shù)如下：模具溫度為50℃，熔體溫度為230℃，注射時(shí)間0.5 s，其余參數(shù)選用Moldflow軟件數(shù)據(jù)庫(kù)推薦的參數(shù).通過(guò)澆口分析，確定塑件的最佳澆口位置，如圖3所示.分析方案選用Flow+Warp，通過(guò)Moldflow軟件計(jì)算，熔接痕的分布情況如圖4所示，圖中所注位置的熔接痕在制品力學(xué)性能要求較高的部位.

圖2 注塑件有限元模型

圖3 最佳澆口位置

4.2 優(yōu)化方案

分析熔接痕的形成機(jī)理及影響因素，調(diào)整澆口位置并通過(guò)Moldflow軟件計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示，圖4中所注區(qū)域熔接痕的數(shù)量和分布狀況有了明顯的改善，但是不能完全消除熔接痕.因此，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，以改善熔接痕處的性能.具體工藝參數(shù)調(diào)整為：模具溫度60℃，熔體溫度240℃，注射時(shí)間為0.45 s，其余參數(shù)不變，通過(guò)Moldflow軟件計(jì)算，結(jié)果如圖6所示，熔接痕位置沒有明顯改變，圖中標(biāo)注區(qū)域熔接痕的數(shù)量和尺寸與圖5相比有了明顯的縮小.

圖4 優(yōu)化方案前熔接痕的分布

圖5 澆口位置改變后熔接痕的分布

圖6 工藝參數(shù)改變后熔接痕的分布

5 結(jié)論

注射成型過(guò)程中熔接痕的存在是不可避免的，通過(guò)Moldflow軟件預(yù)測(cè)成型過(guò)程中熔接痕可能出現(xiàn)的情況和出現(xiàn)的區(qū)域，通過(guò)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及成型工藝參數(shù)，可以減少甚至避免熔接痕的產(chǎn)生，或調(diào)整熔接痕的位置，改善熔接痕處的性能，從而使制品外觀及力學(xué)性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求.

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