薄壁帶筋輪座注射成型表面料花缺陷形成機(jī)理與改善*

程思竹，蔡偉南，徐 曉，張俊豪，夏琴香※

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣州 510430；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

注射成型是注塑件主要成型方式之一，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空工業(yè)、嬰幼兒產(chǎn)品和國防等領(lǐng)域[1]。注射成型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密尺寸零件的一次性成型，同時(shí)具有尺寸穩(wěn)定性好、材料利用率高、成型周期短等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。注射成型設(shè)計(jì)過程往往是復(fù)雜的非線性多種參數(shù)相互作用的結(jié)果，注射成形過程中易形成料花、欠注、溢邊、翹曲等成型缺陷[4-5]。并且在注射過程中，部分氣體會(huì)殘留在塑料制品的內(nèi)部從而產(chǎn)生氣泡（可能是水氣、困氣及分解氣等），進(jìn)而導(dǎo)致銀紋（料花）缺陷的形成。料花的形成受多種因素的影響，與原材料、天氣的變化、參數(shù)的控制、模具、成型系統(tǒng)等因素有著密不可分的關(guān)系[6-8]。在注射過程中，氣體的存在是無法避免的，所以如何消除料花缺陷成為了一個(gè)難點(diǎn)。

李維[9]利用可視化模具構(gòu)造并記錄了成型過程中銀紋等缺陷的形成過程，通過改變工藝條件改善了注射成型缺陷。趙順強(qiáng)等[10]提出將注射成型過程中溫度提高10℃、注塑壓力提高0.5~1.0 MPa、背壓提高0.5 MPa可以改善制品塑化不良、料花、尺寸等質(zhì)量問題。張甲敏等[11]提出降低機(jī)筒溫度、降低注射速度和加大澆口尺寸來消除注塑件銀紋的產(chǎn)生。目前對(duì)于料花的抑制和改善的研究集中在改變工藝條件上，對(duì)于進(jìn)膠點(diǎn)位置及模具排氣結(jié)構(gòu)改善方面的研究相對(duì)較少。

以某型號(hào)嬰兒車薄壁帶筋前輪座為研究對(duì)象，針對(duì)其注射成型過程中的表面料花問題，采用微觀試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，觀察前輪座側(cè)面的微觀組織形貌，通過模流分析結(jié)果對(duì)零件料花的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析。提出采用增加并加深排氣槽和提高進(jìn)膠位置的方法解決零件表面料花缺陷的問題。通過增加排氣槽和減少熔體在型腔的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排除，從而達(dá)到消除料花的目的。

1 前輪座結(jié)構(gòu)和材料

某型號(hào)嬰兒車前輪座模具為一模兩穴結(jié)構(gòu)，如圖1所示，采用冷流道，從產(chǎn)品側(cè)邊底部進(jìn)膠，使用PA66 21SPC材料生產(chǎn)。由于前輪座底部存在裝配孔位，因此設(shè)置了滑塊，由鏟機(jī)帶動(dòng)，如圖2所示。

圖1 一模兩穴結(jié)構(gòu)

圖2 前輪座滑塊

2 料花形成機(jī)理

2.1 料花形成過程及原因

注射成型充填過程中由于部分氣體殘留在塑料制品的內(nèi)部從而形成氣泡（水氣、困氣或分解氣）經(jīng)熔體的前沿呈噴射流動(dòng)，在制品表面會(huì)形成肉眼可見的缺陷，白色線條狀常稱為銀紋，白色團(tuán)塊狀稱之為料花。料花的形成大致分為3個(gè)過程，如圖3所示[12]：

圖3 料花形成過程

（1）注射成型充填過程中熔體夾雜氣體，產(chǎn)生氣泡；

（2）經(jīng)熔體的前沿呈噴射流動(dòng)，流動(dòng)時(shí)氣泡從圓形拉伸為橢圓形且可能伴有翻卷；

（3）氣泡與模具邊壁觸碰后，產(chǎn)生一串大小不等的泡點(diǎn)，冷卻凝固后定位于產(chǎn)品表面上，其中的染色劑會(huì)被不斷稀釋，最終回到塑料原本的顏色，形成料花。

2.2 料花微觀形貌觀察

前輪座的頂部與側(cè)面易出現(xiàn)料花，不良率最高為15%，不良品照片如圖4所示。在對(duì)前輪座澆口對(duì)側(cè)料花的形貌觀察時(shí)（圖4（a）），在類似于溝壑的表面上看到大小不一的氣泡，氣泡接觸模壁發(fā)生破裂，形成兩個(gè)小的氣泡，隨著外部壓力的減小，氣泡內(nèi)氣體漲大，其中的染色劑會(huì)被不斷稀釋，最終回到塑料原本的顏色，厚度減小到一定程度時(shí)，光線會(huì)發(fā)生薄膜干涉，出現(xiàn)七彩的顏色。顯微鏡下的觀察驗(yàn)證了料花產(chǎn)生的機(jī)理分析，由于熔體內(nèi)存在氣體導(dǎo)致料花，如圖5所示。

圖4 料花實(shí)際照片

圖5 料花微觀形貌

2.3 料花的形成原因分析

注射過程中料花形成的原因有以下幾點(diǎn)[13]。

（1）水分揮發(fā)：在物料沒有充分烘干的情況下，水分在成型過程中會(huì)氣化從而妨礙熔料與型腔表面之間的粘接，并在流動(dòng)方向上形成料花。物料中水分除造成料花缺陷以外，還可出現(xiàn)白化和氣泡等缺陷。

（2）熔料溫度偏低：若注入模腔的熔料溫度偏低，也有可能會(huì)導(dǎo)致料花缺陷的產(chǎn)生。

（3）卷入空氣：部分空氣隨物料進(jìn)入料斗后被送至噴嘴，經(jīng)噴嘴噴出的熔料中夾雜著氣體，從而導(dǎo)致型腔表面不貼合產(chǎn)生料花缺陷。

（4）塑料粉：使用粉料進(jìn)行成形時(shí)，很容易在粉料中摻雜空氣，成形時(shí)情況與（3）相同。

2.4 料花解決方案擬定

針對(duì)料花形成的原因，擬通過下述幾方面來改善料花缺陷。

（1）調(diào)整材料的含水率，減少原材料的含水率，降低水分的輸入。

（2）調(diào)整注射成型條件，降低制品側(cè)面熔體射速（第五段射速），使熔體中夾雜的氣體更易排除，同時(shí)避免流動(dòng)前沿變化較大夾雜氣體。

（3）修改模具結(jié)構(gòu)，增加排氣槽的數(shù)量將排氣槽前端的深度增加至0.03 mm。

（4）修改進(jìn)膠點(diǎn)，提高進(jìn)膠點(diǎn)減少熔體在型腔中的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排出[14-15]。

根據(jù)實(shí)際調(diào)機(jī)，發(fā)現(xiàn)上述（1）和（2）對(duì)于改善料花缺陷影響較小。因此主要從模具結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā)解決料花問題。

3 料花缺陷改善

基于Moldflow軟件，對(duì)料花解決方案（3）修改模具結(jié)構(gòu)和方案（4）修改進(jìn)膠點(diǎn)進(jìn)行模流分析。

3.1 增加頂部排氣鑲件

前輪座圈處的凸臺(tái)是一個(gè)小空腔，熔體流經(jīng)凸臺(tái)時(shí)，空腔內(nèi)的空氣會(huì)被沖擊擠壓，一部分空氣會(huì)隨著熔體排出，導(dǎo)致零件頂部附近表面產(chǎn)生料花，如圖6~7所示。

圖6 產(chǎn)品頂部

圖7 產(chǎn)品頂部流動(dòng)結(jié)果

同時(shí)，頂部存在料流匯聚的情況，熔體包裹的氣體無法排出，形成的氣泡破裂也易導(dǎo)致料花問題，如圖8所示。

圖8 頂部背面

因此在頂部增加排氣鑲件（圖9）加強(qiáng)排氣，在后續(xù)觀察中，頂部料花問題得到改善。由于前輪座料花主要集中在側(cè)面，料花不良率沒有明顯下降，依舊為15%左右。

圖9 頂部鑲件

原模具設(shè)計(jì)前模鑲件排氣槽數(shù)量僅有3條，通過將前模鑲件側(cè)面增加6條排氣槽并清理排氣槽中的模垢；同時(shí)，將排氣槽前端深度由0.02 mm增加至0.03 mm（圖10），生產(chǎn)后料花缺陷不良率由15%下降至5%左右。

圖10 排氣槽

3.2 修改進(jìn)膠點(diǎn)

原設(shè)計(jì)澆口位于零件側(cè)邊底部（圖1），熔體流動(dòng)時(shí)經(jīng)過的轉(zhuǎn)角較多，在熔體流動(dòng)和翻卷的過程中，易夾雜氣體。鋸開零件，發(fā)現(xiàn)零件內(nèi)側(cè)也存在較多發(fā)亮（排氣不良）的區(qū)域，如圖11所示。

圖11 零件發(fā)亮區(qū)域

因此將澆口往前模方向移動(dòng)，上移36 mm使?jié)部谔幱趥?cè)面的頂部，模擬結(jié)果表明，提高進(jìn)膠點(diǎn)，減少熔體在型腔中的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排出，如圖12所示。

圖12 不同澆口位置

針對(duì)該型號(hào)前輪座，有4種進(jìn)膠方案。

（1）澆口上移36 mm，原始進(jìn)膠方案中，熔體進(jìn)入型腔上翻后又往下流動(dòng)，轉(zhuǎn)角過多；澆口上移36 mm，熔體整體往下流動(dòng)，流動(dòng)更加穩(wěn)定，如圖13所示。從包風(fēng)模擬和流動(dòng)結(jié)果看，流動(dòng)末端有熔體接合的情況，外觀面存在包風(fēng)的情況。

圖13 澆口上移模擬結(jié)果

（2）三板模一點(diǎn)進(jìn)膠（靠近側(cè)邊），如圖14~15所示，在紅圈處進(jìn)膠，熔體整體流動(dòng)平順，從包風(fēng)模擬中看，外觀面不存在包風(fēng)的區(qū)域。

圖14 進(jìn)膠點(diǎn)示意圖

圖15 氣穴模擬

（3）三板模一點(diǎn)進(jìn)膠（遠(yuǎn)離側(cè)邊），如圖16~17所示，紅圈處進(jìn)膠時(shí)，將在側(cè)邊出現(xiàn)熔體匯聚的情況，存在包風(fēng)和熔接線，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可能難以調(diào)機(jī)解決。

圖16 進(jìn)膠點(diǎn)示意圖

圖17 模擬結(jié)果

（4）三板模兩點(diǎn)進(jìn)膠，如圖18所示，方案（4）與方案（3）類似，將在側(cè)邊存在包風(fēng)的情況，主要由于產(chǎn)品頂部是一個(gè)環(huán)形的結(jié)構(gòu)，在頂部進(jìn)膠易導(dǎo)致熔體分流又合流的情況，因此易形成包風(fēng)。

圖18 流動(dòng)示意圖

該型號(hào)前輪座原始澆口進(jìn)膠會(huì)導(dǎo)致熔體流動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角過多，易夾雜氣體考慮將澆口往前模方向移動(dòng)，從模擬結(jié)果來看，將4種進(jìn)膠方案進(jìn)行排序：（2）三板模，一點(diǎn)進(jìn)膠（靠近側(cè)邊）>（1）澆口上移36 mm>（4）三板模，兩點(diǎn)進(jìn)膠>（3）三板模，一點(diǎn)進(jìn)膠（遠(yuǎn)離側(cè)邊）。

原始模具為兩板模，因此要在面板和A板之間增加水口板、拉桿和鉤針，同時(shí)更換唧嘴和定位環(huán)，三板模示意圖如圖19所示。

圖19 三板模示意圖

4 結(jié)束語

對(duì)某薄壁帶筋輪座注塑件注射成型過程中注塑件表面易產(chǎn)生料花缺陷的問題，基于Moldflow軟件進(jìn)行了模流分析，結(jié)論如下。

（1）料花形成的原因是由于注射成型過程中，由于氣體殘留在塑料制品的內(nèi)部形成的氣泡與模具邊壁觸碰后，產(chǎn)生一串大小不等泡點(diǎn)，冷卻凝固后定型于產(chǎn)品表面上產(chǎn)生的。

（2）制品表面料花與模具的排氣相關(guān)性密切。將前模鑲件側(cè)面排氣槽的數(shù)量由3條增加到6條，并清理模垢；同時(shí)，將排氣槽前端深度由0.02 mm加深到0.03 mm后，前輪座料花改善明顯，不良率由15%降至5%左右。

（3）采用三板模結(jié)構(gòu)并提高進(jìn)膠位置，可減少熔體在型腔中的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排出；當(dāng)采用三板模并將進(jìn)膠位置從零件側(cè)面底部提高到零件頂部后，熔體整體流動(dòng)平順，對(duì)表面料花現(xiàn)象會(huì)有所改善。