抑制聚甲醛齒輪塑件縮孔的工藝參數(shù)研究

0 引 言

聚甲醛（POM）具有良好的力學(xué)性能以及耐疲勞特性，常用于塑料齒輪加工，但是POM易于結(jié)晶，導(dǎo)致塑件加工過程中因結(jié)晶收縮而產(chǎn)生內(nèi)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(qiáng)度和使用壽命。由于注射工藝條件相互影響，作用機(jī)理復(fù)雜，且與材料結(jié)構(gòu)、分子量等密切相關(guān)，厚壁塑件的內(nèi)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(chǎn)生的缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。K JANSEN等

分析了工藝參數(shù)對(duì)塑件收縮的影響，發(fā)現(xiàn)保壓壓力和熔體溫度對(duì)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(jié)合CAE以及田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。祝鐵麗等

通過分析注射成型塑件的收縮機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成型工藝條件對(duì)收縮的影響及相互作用。在此基礎(chǔ)上，歐相麟等

提出了縮孔形成機(jī)理，并從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和成型工藝以及材料等方面提出了解決方案。沈亞強(qiáng)等

研究了收縮機(jī)理，提出了注射齒輪“縮腰”的模具改進(jìn)方案。R Y CHANG等

分析了結(jié)晶對(duì)塑件翹曲、收縮的影響，結(jié)合結(jié)晶動(dòng)力學(xué)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(yàn)發(fā)現(xiàn)縮孔的成型機(jī)理，提出了抑制方法。目前研究集中在單因素作用及優(yōu)化，缺少工藝參數(shù)相互依賴性的具體分析，在實(shí)際注射過程中單純改變一個(gè)因素會(huì)引起其他問題，需考慮因素間的協(xié)同效應(yīng)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究縮孔主要采用線割法或密度法，對(duì)縮孔的檢測(cè)不準(zhǔn)確，而且是破壞性檢測(cè)，并不適用工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)。隨著工業(yè)檢測(cè)設(shè)備的進(jìn)步以及分析軟件的發(fā)展，工業(yè)CT已應(yīng)用于塑件內(nèi)部縮孔的非破壞檢測(cè)，為檢測(cè)該類缺陷提供了新的方法。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定了較易控制的工藝參數(shù)開展試驗(yàn)，運(yùn)用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)揭示參數(shù)間交互作用機(jī)理，對(duì)主要影響因素開展單因素試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果表明保壓壓力對(duì)縮孔缺陷的影響最為顯著，分析了工藝對(duì)于縮孔缺陷的交互作用，為實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)提供了指導(dǎo)的解決方案。

1 塑料齒輪成型及縮孔檢測(cè)

1.1 齒輪參數(shù)以及試驗(yàn)材料

齒輪如圖1所示，齒數(shù)

為33，模數(shù)

為1.48 mm，壓力角

為29°，變位系數(shù)

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(hào)POM為試驗(yàn)材料，材料參數(shù)如表1所示。

1.2 齒輪縮孔檢測(cè)

采用工業(yè)CT對(duì)成型后齒輪進(jìn)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(gòu)算法（feldkamp-davis-kress，F(xiàn)DK）重構(gòu)可視化實(shí)體圖像，按照行業(yè)要求定義0.2 mm

以上尺寸的孔隙為縮孔。從塑件一側(cè)均勻地掃描到另一側(cè)，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(jié)構(gòu)采用SEM觀測(cè)，如圖3所示，對(duì)縮孔占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并作為縮孔工藝改善的響應(yīng)值。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)及Moldflow成型分析確定加工參數(shù)設(shè)置為：熔體溫度210～220℃，模具溫度80～120℃，冷卻時(shí)間20～40 s。塑件經(jīng)過工業(yè)CT檢測(cè)，存在大小不一的縮孔。

政協(xié)制度是貫徹黨的群眾路線的基本制度。人大制度是反映國(guó)家政治生活性質(zhì)和政治力量源泉的根本性制度。它作為人民當(dāng)家作主的關(guān)鍵制度設(shè)計(jì)，其具有很大代表性，但還不能囊括所有的方面。此外，中國(guó)共產(chǎn)黨是領(lǐng)導(dǎo)國(guó)家的核心力量，但還不是全部力量。中國(guó)共產(chǎn)黨踐行群眾路線還需要通過統(tǒng)一戰(zhàn)線團(tuán)結(jié)聯(lián)合其他力量。人民政協(xié)是中國(guó)人民愛國(guó)統(tǒng)一戰(zhàn)線的組織，是中國(guó)共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)的多黨合作和政治協(xié)商的重要機(jī)構(gòu)，是中國(guó)政治生活中發(fā)揚(yáng)社會(huì)主義民主的一種重要形式。人民政協(xié)作為具有中國(guó)特色的制度安排，成為中共踐行群眾路線的基礎(chǔ)通道。

2.1 全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

較大的保壓壓力使材料被充分壓實(shí)，壓縮縮孔空間，抑制材料內(nèi)部收縮。升高熔體溫度，較高的熔體溫度使相同時(shí)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(chǎn)生更多更大的縮孔，縮孔占比會(huì)增大。試驗(yàn)結(jié)果還顯示提高注射速度，縮孔占比會(huì)增大，注射速度的加快會(huì)導(dǎo)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(jìn)了常青樹大酒店，在進(jìn)行了嚴(yán)格的身份審查與登記后，兩人乘電梯上到八樓。在多功能會(huì)議廳入口處有一個(gè)吧臺(tái)，上面豎著一塊“媒體見面懇談會(huì)簽到處”的牌子，兩人又在這里簽了到，各自領(lǐng)取了一份鼓鼓囊囊的文檔袋，就在工作人員的引導(dǎo)下，走進(jìn)多功能會(huì)議廳。

全因子試驗(yàn)對(duì)每個(gè)因素設(shè)計(jì)兩水平，試驗(yàn)水平如表2所示，按隨機(jī)化和劃分區(qū)組等試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求在高水平、低水平開展重復(fù)試驗(yàn)，并在中心點(diǎn)處進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置以及縮孔占比測(cè)試結(jié)果響應(yīng)值如表3所示。

此外，中國(guó)成品油出口目的地國(guó)家數(shù)量不斷增加。一直以來，東南亞是中國(guó)成品油出口的主要市場(chǎng)，隨著出口規(guī)模的增長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)力的不斷提升，澳大利亞、非洲國(guó)家及美洲國(guó)家逐漸成為目的地市場(chǎng)。

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和多重比較(Duncan氏新復(fù)極差法)分析。

全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以估算所有因素的主效應(yīng)及各階的交互作用。在全因子試驗(yàn)前對(duì)注射過程中的工藝參數(shù)（保壓壓力、模具溫度、注射速度、冷卻時(shí)間、熔體溫度、保壓時(shí)間）進(jìn)行田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)并初篩，通過極差分析得出保壓時(shí)間對(duì)縮孔占比沒有顯著影響，因注射成型過程中各因素間有復(fù)雜的交互作用，結(jié)合田口試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)選定主要的影響因素為保壓壓力、注射速度、冷卻時(shí)間和模具溫度，將其作為主要變量因子對(duì)其進(jìn)行全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以探索主效應(yīng)及因素間的交互作用。

全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)區(qū)分保壓壓力（A）、模具溫度（B）、熔體溫度（C）、注射速度（D）4個(gè)因素對(duì)縮孔占比的影響程度及其交互作用。從圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)可以看出對(duì)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(jié)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(duì)縮孔占比有明顯的負(fù)效應(yīng)，熔體溫度（C）對(duì)縮孔占比有顯著的正效應(yīng)。

具體分析試驗(yàn)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(qiáng)烈的交互作用，設(shè)置參數(shù)時(shí)不需考慮其相互影響，可以單獨(dú)設(shè)置。在實(shí)際的材料成型過程中，在改變一個(gè)因素的同時(shí)考慮與之交互作用顯著的另一個(gè)因素，試驗(yàn)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(jù)圖5反映的結(jié)果設(shè)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(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證試驗(yàn)分析主效應(yīng)結(jié)果，對(duì)顯著影響因素保壓壓力進(jìn)行單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮實(shí)際試模過程中保壓壓力增高到130 MPa時(shí)，出現(xiàn)了塑件脫模困難的現(xiàn)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(jié)合全因子試驗(yàn)結(jié)果要求，熔體溫度設(shè)置為210℃；結(jié)合模具溫度與注射速度的交互作用選定注射速度設(shè)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(shè)置為高水平120℃。在其他因素設(shè)為定值時(shí)，隨著保壓壓力的增大，縮孔占比顯著下降，如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果與全因子試驗(yàn)中主效應(yīng)保壓壓力趨勢(shì)結(jié)果一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)主效應(yīng)考量的可靠性，同時(shí)說明了工藝設(shè)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(yàn)方案結(jié)果與初篩田口設(shè)計(jì)中最優(yōu)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(shí)間20 s、保壓速度18 mm/s進(jìn)行對(duì)比。田口試驗(yàn)中縮孔占比從0.49%優(yōu)化到了0.07%，加入全因子試驗(yàn)中的交互作用分析縮孔占比從0.7%優(yōu)化到了0.06%，相比之下優(yōu)化效果更明顯。

3 結(jié)束語

以塑料齒輪成型過程的縮孔缺陷為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際加工條件對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(yàn)結(jié)果表明其沒有顯著的交互作用，參數(shù)選取可以單獨(dú)設(shè)置，同時(shí)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(duì)塑件縮孔缺陷有較好的改善作用。結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置主要影響參數(shù)保壓壓力120 MPa、熔體溫度210℃，根據(jù)其因素間的交互作用關(guān)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(yàn)表明注射過程中對(duì)交互作用進(jìn)行考量可以針對(duì)缺陷有效地進(jìn)行工藝設(shè)置。

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