薄壁多孔塑件注塑成型和注射壓縮成型對比分析

黃永程

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526100）

0 引言

采用傳統加工方法很難得到高質量的薄壁塑件，為此諸多研究者對注塑成型工藝進行了大量的數值模擬和實驗對比分析。例如，李六月等[1]采用正交試驗分析了影響汽車頂棚塑件翹曲變形的因素。結果表明，影響汽車頂棚塑件的因素依次為：澆口數量＞熔體溫度＞保壓壓力時間＞保壓壓力時，澆口數量對翹曲變形影響最大，保壓壓力影響最小。張建鵬等[2]以薄壁雙色鼠標殼為例，采用DOE實驗，以模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、速度/壓力切換作為影響重疊注塑的因子，以翹曲變形和體積收縮率為指標進行模擬分析。結果表明，工藝參數的優化組合可以減少薄壁雙色塑件的體積收縮和翹曲變形。此外，為了提高薄壁塑件的質量，還可以采用注射壓縮成型等特殊成型方法。注射壓縮成型是注射成型和壓縮成型的組合成型技術，即將塑料熔體注射到稍微打開的模具中。大量研究表明，注射壓縮成型比傳統的注射成型具有很大的優勢。例如，J Y Ho等[3]采用有限元方法對厚度為1.5 mm、半徑為70 mm的圓盤注塑壓縮成型進行了模擬和試驗，并對模擬和試驗數據進行了對比分析。研究發現，與注塑成型相比，注塑壓縮成型具有更低的剪切速率和更均勻的剪切應力分布。本研究對薄壁多孔塑件的注塑成型和注射壓縮成型進行對比分析，為薄壁多孔塑件的加工具有一定的指導意義。

1 薄壁多孔塑件前處理

1.1 模型建立

所謂薄壁塑件是指成型的塑件壁厚小于1 mm（或1.5 mm），或t/d（塑件厚度t，塑件直徑d，對于圓盤形塑件）低于0.05的注塑件。本研究以空調擋風玻璃外殼為分析模型，如圖1所示，尺寸為800 mm×160 mm×1.5 mm，圓孔尺寸為?10 mm，為典型的薄壁多孔塑料零件[4]。

圖1 空調擋風板

在Solidworks中建立該三維模型，然后導入Moldflow CAD Doctor進行檢查修復，經過檢查有495個面丟失需要修復。將修復后的模型導入Moldflow進行3D網格劃分。3D網格分析更接近實際流動分析。網格邊長一般為產品最小壁厚的1.5～2倍，基本可以保證分析的準確性。網格越小，分析精度越高。最后，使用邊長為2.25 mm的較小全局網格將模型劃分為3D網格并修復網格缺陷[5]。

1.2 設置成型工藝、表面屬性和材料選取

成型工藝分別設定為熱塑性塑注射成型和熱塑性塑料注射壓縮成型，將883349個四面體定義為壓縮單元。目前薄壁注塑成型常用的原材料有：PC、ABS、PC/ABS共混物和PA6等。考慮到空調擋風板的機械強度、質量和光澤度，選用工程材料ABS（苯乙烯-丁二烯-丙烯腈），具有高度高、尺寸穩定、易于成型加工等優點[5]。本實驗采用美國INEOS牌號為Lustran ABS 1146材料，該材料庫推薦工藝參數是模具表面溫度80℃，熔體溫度260℃。

1.3 澆注系統和冷卻系統設計

空調擋風塑料件更薄，面積更大，圓孔多。一模一腔五澆口進料。為了獲得最佳澆口位置，采用Moldflow軟件的高級澆口定位器作為澆口定位算法，得到5個澆口匹配分析圖[6]，得出藍色區域為最佳澆口位置，澆口位置為N107539、N108060、N106000、N103028、N104863。為不影響塑件外觀，采用點澆口進澆。為了減少壓力損失，主流道的長度應盡可能短，一般取L≤60 mm，ABS主流道直徑尺寸一般取4.7 mm～9.5 mm。

主流道的始端直徑計算：

主流道的末端直徑的計算：

式中，L為主流道的長度。主流道長度為50 mm，噴嘴直徑為5 mm，根據式（1）（2）計算得到主流道始端直徑6 mm，末端直徑8 mm。具體的澆注系統參數見表1[4]。

表1 澆注系統參數

為了使塑件得到均衡的冷卻，冷卻介質為1#純水，入水口水溫為50℃，入口雷諾系數為10000，具體冷卻系統參數見表2。

表2 冷卻系統參數

整個澆注系統和冷卻系統如圖2所示。

圖2 澆注系統和冷卻系統

2 工藝分析

通過Moldflow對空調擋風模型進行模流分析，實驗表明：在成型過程中可以實現充型平衡和均勻冷卻，進一步驗證了所設計的澆注系統和冷卻系統的合理性。成型條件根據材質自動匹配，均為默認值。分別把成型工藝設置為熱塑性注塑成型和熱塑性注射壓縮成型工藝，并把分析序列設置為冷卻+填充+保壓+翹曲。

2.1 充填的時間

填充時間顯示腔內流體的填充狀態，每種顏色代表腔內同時填充的部分。短射的部分是由透明表示。如圖3所示，注塑時間為8.053 s，有短射現象，注射壓縮成型時間為2.680 s，無短射現象。

圖3 充填時間

2.2 平均體積收縮率

平均體積收縮率是產品在保壓和冷卻過程中收縮率的變化，表示各單元相對于自身原始體積的收縮率。平均體積收縮率必須均勻分布在整個塑件上，以減少翹曲變形。圖4為注塑成型和注射壓縮成型的平均體積收縮模流分析結果。從圖4可以看出，注射壓縮成型的平均體積收縮率變化不大，而注塑成型的平均體積收縮率變化較大。

圖4 平均體積收縮率

2.3 熔接線

當兩種聚合物熔體的流動前沿匯合在一起，或者當一個流動前沿分開然后連接在一起時，就會產生熔接線。熔接線是塑件的常見缺陷，它的存在不僅影響產品的外觀質量，而且對產品的機械強度也有很大的影響。從圖5中可以看出，注塑成型產生的熔接線明顯多于注射壓縮成型。

圖5 熔接線

2.4 翹曲變形

翹曲變形是塑件常見的加工缺陷之一，是指塑件的形狀與模具型腔的形狀有偏差。對于薄壁多孔塑件，更容易發生翹曲變形，翹曲變形會嚴重影響性能和外觀。從圖6可以看出，注塑成型的最大翹曲變形為6.459 mm，注射壓縮成型的最大變形為2.138 mm。注射壓縮成型引起的翹曲變形明顯小于注塑成型。

圖6 翹曲變形

3 結論

綜上分析，得出以下結論：

（1）注射壓縮成型的填充時間為2.680 s，而注塑成型充填時間為8.053 s，注射壓縮成型比注塑成型填充時間少66.7%，大大提高了加工效率，注塑成型時出現短射現象。

（2）注射壓縮成型的平均體積收縮率為5.732%，而注塑成型平均體積收縮率為7.095%，注射壓縮成型比注塑成型平均體積收縮率少19.2。

（3）注射壓縮成型的翹曲變形為2.138，而注塑成型翹曲變形為6.459，注射壓縮成型比注塑成型翹曲變形少66.9%。

（4）與注射壓縮成型工藝相比，普通注塑成型的熔接線和各向異性熔接線較多，嚴重影響塑件質量。