抑制聚甲醛齒輪塑件縮孔的工藝參數研究

0 引 言

聚甲醛（POM）具有良好的力學性能以及耐疲勞特性，常用于塑料齒輪加工，但是POM易于結晶，導致塑件加工過程中因結晶收縮而產生內部縮孔，這種缺陷在厚壁塑件加工中尤其明顯，影響齒輪的強度和使用壽命。由于注射工藝條件相互影響，作用機理復雜，且與材料結構、分子量等密切相關，厚壁塑件的內部縮孔問題一直是注射成型中難以解決的問題。

為解決塑件收縮產生的缺陷，國內外學者進行了深入研究。K JANSEN等

分析了工藝參數對塑件收縮的影響，發現保壓壓力和熔體溫度對塑件收縮有顯著影響，注射速度和模具溫度影響較小。王利霞等

結合CAE以及田口試驗設計也發現了類似的規律。祝鐵麗等

通過分析注射成型塑件的收縮機理，提出“收縮中心”的概念。趙永成等

綜合分析了材料特性、模具結構設計及成型工藝條件對收縮的影響及相互作用。在此基礎上，歐相麟等

提出了縮孔形成機理，并從產品設計、模具設計和成型工藝以及材料等方面提出了解決方案。沈亞強等

研究了收縮機理，提出了注射齒輪“縮腰”的模具改進方案。R Y CHANG等

分析了結晶對塑件翹曲、收縮的影響，結合結晶動力學理論和有限元方法模擬了塑件的收縮和翹曲變形。張世勛等

通過仿真與試驗發現縮孔的成型機理，提出了抑制方法。目前研究集中在單因素作用及優化，缺少工藝參數相互依賴性的具體分析，在實際注射過程中單純改變一個因素會引起其他問題，需考慮因素間的協同效應。

當前國內外研究縮孔主要采用線割法或密度法，對縮孔的檢測不準確，而且是破壞性檢測，并不適用工業產品的質量檢驗。隨著工業檢測設備的進步以及分析軟件的發展，工業CT已應用于塑件內部縮孔的非破壞檢測，為檢測該類缺陷提供了新的方法。根據工程實踐經驗確定了較易控制的工藝參數開展試驗，運用全因子試驗設計揭示參數間交互作用機理，對主要影響因素開展單因素試驗驗證，研究結果表明保壓壓力對縮孔缺陷的影響最為顯著，分析了工藝對于縮孔缺陷的交互作用，為實際的工業生產提供了指導的解決方案。

1 塑料齒輪成型及縮孔檢測

1.1 齒輪參數以及試驗材料

齒輪如圖1所示，齒數

為33，模數

為1.48 mm，壓力角

為29°，變位系數

為-0.971，齒頂圓尺寸

d

=48.60

mm，齒根圓尺寸

d

=42.60

mm，采用Delrin 100 NC010牌號POM為試驗材料，材料參數如表1所示。

1.2 齒輪縮孔檢測

采用工業CT對成型后齒輪進行掃描，得到灰度衰減圖像，如圖2所示，輸入VG studio軟件并通過三維圖像重構算法（feldkamp-davis-kress，FDK）重構可視化實體圖像，按照行業要求定義0.2 mm

以上尺寸的孔隙為縮孔。從塑件一側均勻地掃描到另一側，從圖2可以看出縮孔集中在齒輪腹板的中間層，且在輪轂中間層有顯著的大尺寸縮孔，縮孔的微觀結構采用SEM觀測，如圖3所示，對縮孔占比進行統計并作為縮孔工藝改善的響應值。

2 試驗方案及結果分析

結合加工經驗及Moldflow成型分析確定加工參數設置為：熔體溫度210～220℃，模具溫度80～120℃，冷卻時間20～40 s。塑件經過工業CT檢測，存在大小不一的縮孔。

政協制度是貫徹黨的群眾路線的基本制度。人大制度是反映國家政治生活性質和政治力量源泉的根本性制度。它作為人民當家作主的關鍵制度設計，其具有很大代表性，但還不能囊括所有的方面。此外，中國共產黨是領導國家的核心力量，但還不是全部力量。中國共產黨踐行群眾路線還需要通過統一戰線團結聯合其他力量。人民政協是中國人民愛國統一戰線的組織，是中國共產黨領導的多黨合作和政治協商的重要機構，是中國政治生活中發揚社會主義民主的一種重要形式。人民政協作為具有中國特色的制度安排，成為中共踐行群眾路線的基礎通道。

2.1 全因子試驗設計

較大的保壓壓力使材料被充分壓實，壓縮縮孔空間，抑制材料內部收縮。升高熔體溫度，較高的熔體溫度使相同時間的降溫過程中塑件芯層與塑件外表層溫度的溫差增加，塑件收縮不均勻，產生更多更大的縮孔，縮孔占比會增大。試驗結果還顯示提高注射速度，縮孔占比會增大，注射速度的加快會導致熔體溫度升高，但并沒有熔體溫度的影響顯著。

高潮和田卓一道進了常青樹大酒店，在進行了嚴格的身份審查與登記后，兩人乘電梯上到八樓。在多功能會議廳入口處有一個吧臺，上面豎著一塊“媒體見面懇談會簽到處”的牌子，兩人又在這里簽了到，各自領取了一份鼓鼓囊囊的文檔袋，就在工作人員的引導下，走進多功能會議廳。

全因子試驗對每個因素設計兩水平，試驗水平如表2所示，按隨機化和劃分區組等試驗設計要求在高水平、低水平開展重復試驗，并在中心點處進行3次重復試驗，試驗設置以及縮孔占比測試結果響應值如表3所示。

此外，中國成品油出口目的地國家數量不斷增加。一直以來，東南亞是中國成品油出口的主要市場，隨著出口規模的增長、競爭力的不斷提升，澳大利亞、非洲國家及美洲國家逐漸成為目的地市場。

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行數據處理和多重比較(Duncan氏新復極差法)分析。

全因子試驗設計可以估算所有因素的主效應及各階的交互作用。在全因子試驗前對注射過程中的工藝參數（保壓壓力、模具溫度、注射速度、冷卻時間、熔體溫度、保壓時間）進行田口試驗設計并初篩，通過極差分析得出保壓時間對縮孔占比沒有顯著影響，因注射成型過程中各因素間有復雜的交互作用，結合田口試驗結果與實際加工經驗選定主要的影響因素為保壓壓力、注射速度、冷卻時間和模具溫度，將其作為主要變量因子對其進行全因子試驗設計，以探索主效應及因素間的交互作用。

全因子試驗設計區分保壓壓力（A）、模具溫度（B）、熔體溫度（C）、注射速度（D）4個因素對縮孔占比的影響程度及其交互作用。從圖4所示的標準化效應可以看出對縮孔占比的顯著影響依次是保壓壓力（A）、熔體溫度（C）、保壓壓力&注射速度（AD）、模具溫度&注射速度（BD）、保壓壓力&模具溫度（AB），保壓壓力是影響縮孔占比的主要影響因素，而其他顯著的二階交互作用也與保壓壓力密不可分。結合圖5、圖6可以看出，保壓壓力（A）、保壓壓力&注射速度（AD）及保壓壓力&模具溫度（AB）對縮孔占比有明顯的負效應，熔體溫度（C）對縮孔占比有顯著的正效應。

具體分析試驗中反映影響因素間的交互作用，從圖7中的因子交互作用可以看出，保壓壓力&模具溫度（AB）以及保壓壓力&注射速度（AD）、模具溫度&注射速度（BD）、熔體溫度&注射速度（CD）交互作用均值線不平行，說明因素之間交互作用顯著；而其余2組有較好的平行度，說明因素間不存在強烈的交互作用，設置參數時不需考慮其相互影響，可以單獨設置。在實際的材料成型過程中，在改變一個因素的同時考慮與之交互作用顯著的另一個因素，試驗研究表明保壓壓力與熔體溫度沒有顯著的交互作用，可以根據圖5反映的結果設置高保壓壓力、低熔體溫度作為抑制縮孔缺陷的工藝改善措施。

2.2 單因素試驗驗證

為了驗證試驗分析主效應結果，對顯著影響因素保壓壓力進行單因素試驗設計，考慮實際試模過程中保壓壓力增高到130 MPa時，出現了塑件脫模困難的現象，保壓壓力從70～120 MPa間隔10 MPa均勻取值。為保證待成型塑件充填完整，兼顧聚甲醛材料的降解特性，結合全因子試驗結果要求，熔體溫度設置為210℃；結合模具溫度與注射速度的交互作用選定注射速度設置為低水平36 mm/s；考慮保壓壓力與模具溫度的交互作用將模具溫度設置為高水平120℃。在其他因素設為定值時，隨著保壓壓力的增大，縮孔占比顯著下降，如圖8所示，試驗結果與全因子試驗中主效應保壓壓力趨勢結果一致，驗證了試驗設計對主效應考量的可靠性，同時說明了工藝設置需要考量注射工藝間的交互作用的必要性。

將加入了交互作用考量的全因子試驗方案結果與初篩田口設計中最優方案：模具溫度120℃、熔體溫度210℃、保壓壓力120 MPa、注射速度72 mm/s、冷卻時間20 s、保壓速度18 mm/s進行對比。田口試驗中縮孔占比從0.49%優化到了0.07%，加入全因子試驗中的交互作用分析縮孔占比從0.7%優化到了0.06%，相比之下優化效果更明顯。

3 結束語

以塑料齒輪成型過程的縮孔缺陷為研究對象，結合實際加工條件對工藝參數進行試驗設計，找到影響齒輪縮孔缺陷的主要因素是保壓壓力及熔體溫度，正交試驗結果表明其沒有顯著的交互作用，參數選取可以單獨設置，同時證明在齒輪塑件成型過程中，增大保壓壓力、降低熔體溫度對塑件縮孔缺陷有較好的改善作用。結合加工經驗，設置主要影響參數保壓壓力120 MPa、熔體溫度210℃，根據其因素間的交互作用關系選定模具溫度為120℃、注射速度為36 mm/s，縮孔占比能得到有效控制。試驗表明注射過程中對交互作用進行考量可以針對缺陷有效地進行工藝設置。

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