成型工藝參數對聚碳酸酯零件殘余應力的影響

汪建松 余龍穎 王燕楓

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

聚碳酸酯（簡稱PC）是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是一種綜合性能優良的無定型熱塑性工程塑料。聚碳酸酯因其具有優良的沖擊強度、耐蠕變性、耐候性及透光性等，被廣泛應用于電氣電子零部件、航空透明材料零部件及汽車零部件等。PC材料由于其本身分子結構中存在苯環，導致取向比較困難，在成型后，被取向的鏈節有恢復自然狀態的趨勢。但是由于整個分子鏈已經被凍結以及大分子鏈之間的相互作用，從而造成制品存在殘余應力。當PC材料注塑件存在較大殘余應力的情況下，注塑件經過噴涂油漆后會出現開裂現象，嚴重影響產品外觀和其使用性能，限制了PC材料在注塑件上的發展。本文選取某型號家用空調PC面板為研究對象，采用噴涂油漆的實驗方法觀察殘余應力開裂現象，研究模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、退火等工藝參數對零件殘余應力的影響，為聚碳酸酯（PC）零件生產工藝提供合理化建議。

2 面板的Moldflow模擬分析及實驗

2.1 Moldflow模擬分析

以某型號家用空調面板為對象，研究相關注塑工藝參數中模具表面溫度、熔體溫度對零件殘余應力的影響。在Moldflow軟件中選擇材料聚碳酸酯PC（牌號：Makrolon 2405），該牌號PC材料Moldflow推薦工藝參數為：模具表面溫度80℃～120℃、熔體溫度280℃～320℃，其余注射成型工藝參數如表1所示。

為了對比單一工藝參數對零件殘余應力的影響，制定了表2所示的九種方案：方案1、2、3、4、5熔體溫度不同，其余各工藝參數都相同；方案3、6、7、8、9模具表面溫度不同，其余各工藝參數都相同。

2.2 實驗部分

2.2.1 試劑及儀器

原料：PC（牌號：Makrolon 2405）；零件：某型號家用空調面板注塑件；油漆：聚氨酯丙烯酸油漆（億鑫化工有限公司），其化學成分為聚氨酯丙烯酸、顏料、助劑和丁酯。

儀器：①注塑機：海天MA10000/7950G，海天國際控股有限公司；②鼓風干燥箱：DHG-9240A，上海一恒科學儀器有限公司。

表1 面板注射成型工藝參數

表2 對比模具表面溫度、熔體溫度對殘余應力影響的九種方案

表3 退火條件不同的四種對比方案

實驗原理及方法：零件在成型冷卻后內部形成微空穴，在化學環境作用下，微空穴分子鍵斷裂，殘余應力得到釋放，微空穴互相連接成銀紋。銀紋進一步發展，在尖端產生裂紋，材料失效開裂。將各工藝條件成型的空調面板噴涂油漆，通過觀察開裂情況，評估各工藝條件對殘余應力的影響。

3 結果與討論

3.1 Moldflow模擬分析

3.1.1 Moldflow中熔體溫度對殘余應力的影響

圖1為不同熔體溫度下第一主方向上的型腔內殘余應力，圖1中藍、綠、黃、紅四種顏色，按順序代表殘余應力依次增大。方案1中280℃的熔體溫度注射成型存在大面積的高殘余應力，方案2中290℃的熔體溫度注射成型中間部分殘余應力有所下降，方案5中320℃的熔體溫度注射成型形成的殘余應力大面積為低殘余應力狀態。隨著熔體溫度升高，零件大面積殘余應力趨向于低應力。

3.1.2 Moldflow中模具表面溫度對殘余應力的影響

圖1 不同熔體溫度下第一主方向上的型腔內殘余應力

圖2 不同模具表面溫度下第一主方向上的型腔內殘余應力

表4 注塑壓力、模具表面溫度的五種對比方案

表5 注塑溫度不同的三種對比方案

圖2為不同模具表面溫度下第一主方向上的型腔內殘余應力，由圖2可知，方案3、6、7、8、9在Moldflow分析中殘余應力值分布區域無明顯差異。當模具溫度在80℃～120℃范圍內變化時，模流分析殘余應力分布及大小無明顯變化。

3.2 面板不同成型工藝參數實驗

3.2.1 退火條件對殘余應力的影響

表3為退火條件不同的四種對比方案，選取同一批次、同種工藝條件的PC面板零件，每個方案選取2塊面板，觀察在不同退火條件處理后的噴涂開裂情況。退火溫度高于80℃時，退火溫度升高，開裂情況嚴重；在退火溫度為80℃，退火時間為4 h時，零件殘余應力相對較小。塑料制品在注塑成型后對其進行熱處理將有效降低注塑成型過程中形成的殘余應力，從而使制品內部的應力得到釋放，使不平衡構象重新恢復到平衡構象。

3.2.2 面板實驗：注塑壓力、模具表面溫度對殘余應力的影響

表4為同一注塑溫度（290℃）下的五種方案，對比注塑壓力、模具表面溫度對殘余應力的影響。根據方案1、2、3噴涂后開裂情況，注塑壓力對零件內應力影響較大。注塑壓力增大，殘余應力增大。注塑過程中的注塑壓力過高時會使熔體在充模過程中受到的剪切作用增加，從而使其產生取向應力的幾率增大。因此，注塑時適當降低注塑壓力可以對降低取向應力和消除脫模應力起到一定作用。

根據方案1、4、5噴涂后開裂情況可知，模具表面溫度提高，零件殘余內應力降低。在成型過程中，熔體在沖模過程中遇到較低溫模具，會在模具表面產生冷卻不均收縮，而形成殘余應力。

3.2.3 面板實驗：注塑溫度對殘余應力的影響

表5為同一零件在同一注塑壓力130 MPa、模具表面溫度90℃下，不同注塑溫度的三種方案對比。由表5可知，方案1、2、3噴涂后均有開裂情況，且開裂程度無明顯規律。較高的注射溫度熔體塑化均勻，分子鏈段活動能力增加，粘度下降，流動性增加，分子間取向作用小，有利于取向應力的降低。但是過高的注射溫度容易導致冷卻不充分，使得冷卻應力和脫模應力增加，導致較高注塑溫度注塑成型的零件存在高殘余應力，零件在噴涂后高殘余應力得到釋放并開裂。

4 結論

目前行業內主要以冰乙酸等化學溶劑浸泡法作為塑料材料殘余應力的快速檢測方法。Moldflow模擬分析中型腔內殘余應力是通過保壓分析計算得出，它表示頂出之前零件內的應力分布，模擬部分對于非結晶材料分子鏈無規則分布，熔體溫度能提高其分子鏈活動能力，故而熔體溫度對殘余應力分布較為顯著，模具溫度影響不明顯。但實際實驗過程中因為過高的注射溫度容易導致冷卻不充分，使得殘余應力模擬與實驗不一致；實驗部分的零件為頂出后再進行噴涂，頂出后的零件將緩慢冷卻至室溫，存在應力釋放的現象，不同模具溫度頂出后零件殘余應力分布也將發生變化。以下結論主要結合實際化學油漆溶劑噴涂實驗結果給出：在正常注塑范圍內，通過設定較高的模具溫度、較低的保壓壓力，以及進行退火處理，有利于降低PC注塑件的殘余應力，減少注塑件噴涂開裂情況的發生。