二次處理烘烤工序對注塑件尺寸的影響及相關結構設計研究

趙東東

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

前言

注塑材料具有質量輕、結構強度高以及適合模具大批量生產特性，廣泛應用于家電產品，并且開發出各式各樣的表面二次處理工藝，例如噴涂、電鍍、燙金等，以滿足外觀及結構設計需求。

注塑材料本身特性、模具設計以及工藝條件會對制品收縮率產生影響[1]，但不僅僅是注塑工藝參數有影響，出模后的二次處理工藝也會產生影響。二次處理工藝后為使油漆快速固化，多數情況下需要進行高溫烘烤，而注塑材料因具有吸水性，在烘烤過程中水分蒸發，會產生尺寸縮水的現象，對于關鍵裝配結構尺寸，要求的精度高，尺寸縮水后容易導致裝配配合異常，因此收集常見的二次處理注塑基材，進行烘烤驗證，得出平均尺寸變化率，以指導后續產品結構設計。

空調室內機產品以注塑件構成為主，影響產品一次合格率的首要因素就是注塑零件的一致性和穩定性，零件的尺寸、變形量控制至關重要。從注塑原料、模具注塑、包裝運輸、二次處理加工等多個過程制作成注塑零件成品，每一道工序均會影響注塑件的尺寸變化。

以往的研究方向主要是針對模具注塑工序對零件尺寸波動的影響，例如注塑材料本身特性、模具設計以及工藝條件會對制品收縮率產生影響[1]，零件的厚度也會對零件收縮率產生影響[2]等，亦或是采用CAE仿真技術進行模流分析。

1 研究方案

首先是選取試驗對象，主要針對家用空調產品常用注塑材料進行驗證。二次處理主要包含噴涂、電鍍、燙金、絲印、涂黑等，其中燙金工藝無需進行高溫烘干，并且多是局部燙金處理，例如商標燙金，局部燙金高溫對注塑件整體尺寸變化影響小。PMMA面板絲印后會進行熱彎、雕刻，熱彎高溫工序在雕刻工序之前，所以高溫工序對尺寸無影響。而電鍍和噴涂、涂黑均需要進行高溫烘干，以保證烘干水分，使油漆固化，烘烤溫度一般為60～80 °之間，此前出現了運動機構零件因烘烤工序產生尺寸縮水，導致尺寸偏小產生運行抖動的問題。

因此主要考慮對需要噴涂處理的零件進行試驗研究，調查空調產品應用于噴涂工藝的基材主要為ABS、ABSGF、ABS+PC、PP-GF、PA66，試驗分別選取對應材料的零件進行試驗驗證。

試驗方案：

1）采用PA66材料零件改變烘烤時間（從30～60 min），溫度不變，驗證烘烤時間對尺寸變化的影響，確定尺寸變化相對穩定的時間；

2）采用PA66材料零件，改變烘烤溫度（從40～70 ℃），時間不變進行驗證，測量尺寸變化，驗證烘烤溫度對尺寸變化的影響，確定尺寸變化相對穩定的溫度；

3）根據前面2項試驗確定的時間和溫度，取多種材料（ABS、ABS-GF、ABS+PC、PP-GF）進行高溫烘烤驗證，測量尺寸變化，測出各常用材料的烘烤收縮率。

對比各零件尺寸變化情況，總結零件尺寸設計思路。

2 試驗情況

2.1 烘烤時間對注塑材料尺寸變化的影響

1）試驗一：PA66注塑件（10 件）在室溫常規環境下放置24 h后（溫度25 ℃、濕度80 %、地點：珠海），測量尺寸變化，結果如圖1所示；

圖1 零件放置24 h時后尺寸變化

2）試驗二：上述試驗樣件，放入試驗箱（80 ℃高溫）烘干30 min后測量尺寸變化，結果如圖2所示；

圖2 零件烘烤30 min尺寸變化

3）試驗三：上述試驗樣件，繼續烘干至40 min后測量尺寸變化，結果如圖3所示；

圖3 零件烘烤40 min尺寸變化

4）試驗四：上述試驗樣件，繼續烘干至60 min后測量尺寸變化，結果如圖4所示；

圖4 零件烘烤60 min尺寸變化

5）試驗五：上述試驗樣件，繼續烘干至70 min測量尺寸變化，結果如圖5所示。

圖5 零件烘烤70 min尺寸變化

結論：

1）樣件經高溫烘干后，水分蒸發，尺寸呈縮小趨勢，室溫狀態下放置無尺寸變化。

2）烘干30 min之后尺寸變化率的平均值為0.1%（400 mm尺寸長度變化0.4 mm），繼續烘干至40 min后尺寸變化率的平均值0.13 %（400 mm尺寸長度變化0.55 mm），再繼續烘干至60 min尺寸變化率的平均值為0.14 %（400 mm尺寸長度變化0.56 mm），再度烘烤至70 min后，尺寸無明顯變化。

3）尺寸從40 min后一直到70 min，尺寸近乎沒有變化，趨于穩定，最終變化率穩定在0.14 %，初步可以推導出，在珠海室溫環境下擺放零件，最終導致PA66零件產生的尺寸變化約為0.14 %。

4）試驗60 min之后繼續加長時間，對于零件尺寸波動無更多的影響，因此試驗安排60 min即可，無需再繼續安排試驗，增加相應的試驗成本和時間成本。

2.2 烘烤溫度對注塑材料尺寸變化的影響

1）試驗六：取上述試驗一樣件（10 件），放置在試驗箱（70 ℃高溫）進行烘烤60 min，測量尺寸變化，結果如圖6所示；

圖6 零件70 ℃烘烤后尺寸變化

2）試驗七：取上述試驗一樣件（10 件），放置在試驗箱（60 ℃高溫）進行烘烤60 min，測量尺寸變化，結果如圖7所示；

圖7 零件60 ℃烘烤后尺寸變化

3）試驗八：取上述試驗一樣件（10 件），放置在試驗箱（40 ℃高溫）進行烘烤60 min，測量尺寸變化，結果如圖8所示。

圖8 零件40 ℃烘烤后尺寸變化

結論：

1）樣件在40～80 ℃高溫烘干后，水分蒸發，均呈現尺寸縮小的趨勢；

2）樣件在70 ℃高溫箱烘烤之后尺寸變化率的平均值為0.13 %（400 mm尺寸長度變化0.55 mm），60 ℃高溫箱烘烤之后尺寸變化率的平均值為0.13 %（400 mm尺寸長度變化0.5 mm），40 ℃高溫箱烘烤之后尺寸變化率的平均值為0.08 %（400 mm尺寸長度變化0.33 mm）。

3）40 ℃高溫箱中尺寸變化較慢，而60 ℃高溫箱中尺寸變化率與80 ℃高溫箱中的變化率基本相同，因此后續試驗可采取60 ℃高溫進行驗證。

圖9 各材料60 ℃烘烤60 min尺寸變化

2.3 各常見材料經過高溫烘烤后的影響

收集ABS-121H、ABS-GF5、ABS+PC、PP-GF常見二次處理零件基材。

試驗九：取上述樣件，放置在試驗箱（60 ℃高溫）進行烘烤60 min，測量尺寸變化，結果如圖8所示。

1）ABS-121H、ABS-GF5、ABS+PC、PP-GF四種材料經過烘烤后均產生了尺寸縮水；

2）ABS-121H經過烘烤后尺寸變化率0.44 %（100 mm尺寸長度變化0.44 mm）；

3）ABS-GF5經過烘烤后尺寸變化率0.26 %（100 mm尺寸長度變化0.26 mm）；

4）ABS+PC經過烘烤后尺寸變化率0.58 %（100 mm尺寸長度變化0.58 mm）；

5）PP-GF經過烘烤后尺寸變化率0.36 %（100 mm尺寸長度變化0.36 mm）。

ABS的吸水率為0.4～0.6 %、PP的吸水率為0.01 %、PA66的吸水率為2.5 %（重量變化），注塑材料烘干后的尺寸變化與吸水率數值并不相當，考慮尺寸變化時，不能直接參考吸水率的數值。

3 總結

1）試驗中ABS、PA66、PP等常見基材材料，在高溫烘烤工序中均會產生尺寸縮水問題，需要在設計階段提前考慮是否采用二次處理工藝，并提前預留相應的尺寸配合間隙，幾種材料分布在0.26～0.58 %之間。

2）最為常見的ABS材料，不同的添加劑，最終表現出的尺寸變化差別較大，ABS+PC與ABS-GF5的尺寸變化率可達到一倍，因此后續設計時也需注意材料的添加劑問題，在合適的結構設計位置，選擇合適的材料添加劑。

3）不同的地區，溫度不同，潮濕度差異大，產生的結果也會有差異，例如北方濕度低，溫度低，冬天-30 ℃的情況下，零件可能會產生更大的尺寸變化，因此，針對不同地區的工廠，應考慮不同的結構設計預留。

4）由于試驗樣件選取的結構形狀不一致，存在因部分結構強度高導致尺寸變化率小，部分結構弱則尺寸變化率大的問題，對于此問題未做相應的深入研究，具體的變化率數據僅供參考。