塑注件成型缺陷的分析與處理

戴志鵬，陳 鑫，柳益善，葉 峰

（浙江威邦機電科技有限公司，浙江 金華 321025）

引言

注塑成型是一種較為成熟的塑料加工工藝，占塑料制品的20%～30%左右，而且塑料制品因其材質來源廣泛、實用，已廣泛應用于各個領域。在注塑成型過程中，經常出現因溫度、壓力參數設計不合理而造成的注塑件翹曲、體積收縮或出現裂痕等問題。本文通過研究分析，尋求最優參數配比，以起到提高注塑件質量的目的。

1 注塑成型工藝流程

注塑成型工藝是常用的塑料件加工工藝，其運行原理是通過將熔融狀態下的塑料高壓注入模具中，注入完成后進行冷卻脫模，脫模后便可得到與模具內腔形狀相同的注塑制品。注塑成型加工如圖1 所示，主要包括熔融塑化、注塑充填、維壓、冷卻脫模四個部分。

1）模具的塑化，就是將所用固體材料加熱至熔融狀態，保證塑料的流動性，便于后續注入模具成型，模具塑化之后，其組分密度等不會發生變化。

2）注塑充填就是將熔融狀態下的塑料熔體，通過螺桿在高壓作用下注入封閉模具中，其中施加的壓力可以進行靈活調節。

3）維壓階段就是將熔融狀態下的塑料熔體完成加壓注入后，一直到冷卻脫模階段之間的一段時間維持一定的壓力，同時讓少部分熔融狀態的熔體快速注入模具腔體，避免因冷卻收縮造成的空隙等對注塑成型后的制品質量產生影響，此時注入熔體的體積較少，因此螺桿的位移也較小。

4）冷卻脫模階段。從熔融材料充填完成后即可開始進行脫模冷卻，這一階段模具腔體內的壓力開始快速下降，而且熔融塑料也在進行冷卻直至脫模完成。此時，對脫模效果影響最大的兩個影響因素就是腔體的溫度以及腔體的壓力變化情況，如果脫模時溫度差較大，塑料制品在降溫時會極快地進行收縮，同時壓力差值也不宜過大，否則很容易出現刮痕、氣泡等影響脫模塑料制品質量的問題。

2 注塑成型工藝影響因素

因注塑制品不同階段受到各工藝參數的影響，只有合理控制各工藝參數，調節注塑過程中的溫度、壓力以及時間等參數值，進行合理設定，才能確保沖模、保壓、冷卻脫模工藝的順利進行，防止塑注件成型缺陷問題的發生。

2.1 壓力影響

1）注塑壓力。將熔融狀態的塑料經螺桿向腔體推進時的壓力即注塑壓力，這個壓力值的大小將直接影響到注塑效果的好壞。若注塑壓力過高，熔融體注塑的速度將會加快，而且熔融體的各種機械性能也會因較大的壓力而得到顯著提高。但注塑壓力過大也會出現因超過容腔承受極限等造成變形、熔融件損傷等問題。而注塑壓力過低時，熔融塑料在腔體內流動而無法完全充填，造成充填缺陷，也會影響到注塑成型件的質量。因此必須合理控制注塑壓力，依據注塑材料屬性、模具結構等多方面進行考慮。

2）維壓壓力。維壓壓力即將熔融狀態下的塑料充填滿整個容腔后，繼續施加一個壓力，將材料進行壓實，并進行一定量的熔融體補充，保證充填體收縮狀態下仍能充滿容腔。維壓壓力偏大時，有利于提高塑料制品的密實度，增強其機械性能。但壓力過大時，則會產生殘余應力，造成塑注成型件的翹曲變形等缺陷。

2.2 溫度影響

1）熔融塑料溫度。即熔體溫度，這一溫度的高低將直接決定熔融狀態下流體的流動性以及成型制品的質量。當熔體溫度偏低時，流體的流動性就會較差，從而產生極高的粘度，給后續的注塑成型帶來極大的困難，同時流動性較差也會使注塑成型件的表面較為粗糙，產生裂痕、缺料等問題。溫度偏低時熔融體冷卻較快，造成內部應力來不及釋放，也很容易出現注塑件成型后的翹曲變形問題。當溫度過高時，熔體的流動性得到顯著增強，無需較大的注塑壓力即可快速充填模具容腔，注塑制品的表面較為光滑。但熔體溫度過高時，因塑料的材質問題會發生材料的降解，同時體積也會出現較大的收縮。

2）模具容腔溫度。模具容腔的溫度需要在加工注塑件之前預先設定，這一流程至關重要，將直接決定注塑件的質量好壞。模具溫度在注塑過程中要盡可能保持相對均衡，否則會影響到注塑件制品產生翹曲、收縮等缺陷。模具容腔溫度過高，注塑件會產生大的收縮。而模具容腔的溫度過低，則會影響到注塑件的流動性，而且注塑件冷卻過快，也會影響到制品的機械強度[1]。

2.3 熔融體狀態方程

通過對注塑體熔融狀態下的流體熱力學靜態狀態方程進行分析，研究熔融注塑體壓力、溫度以及體積之間的關系。

式中：V 為注塑體體積；N 為氣體常數；T 為熔融注塑體的溫度；W 為注塑體材料的相對分子質量；σ 為注塑體材料的屈服強度；p 為注塑體承受壓力；B 為注塑體分子的固有壓力?？梢钥闯鍪街械膮递^多，不易計算。因此在實際工程中需根據具體需求進行簡化計算[2]。

3 塑注件模擬優化

利用UG10.0 軟件建立葉輪模型，建立澆注系統作為熔融塑料澆注通道，如圖2 所示。澆注通道位于齒輪中心附近，通過在模型周圍環繞冷卻管路對模具進行降溫處理，管路直徑設計為6 mm，分布在模具腔板以及型芯板內，各管路之間間隔15 mm，分布均勻[3]。

注塑件成型缺陷大多呈現三種形式，即體積收縮、翹曲變形以及裂痕。本文對葉輪注塑質量的評價指標也由這三者來進行衡量，主要對體積收縮情況進行分析，其中設計各參數值如表1 所示[4]。

表1 注塑件仿真影響參數設計

通過上述參數影響因子以及仿真模型模擬實驗，并對各參數影響下模型的體積收縮趨勢進行研究，最終結果如表2 所示。

表2 注塑件仿真葉輪體積收縮情況分析表

表2 中，a 為模具溫度設置，其中最大值為70 ℃下，體積收縮率最小。b 為熔融體問題，在溫度設置為210 ℃時取值最大，此時的葉輪體積收縮率最低。c 為注塑壓力變化量，在140 MPa 時，取值最大。d 為維壓壓力，在140 MPa 時，取值最大。e 為維壓時間，取值為8 s，f 為冷卻時間，取值25 s。

由此可以看出，對于葉輪模型的體積收縮情況，各參數最優配比為a5b4c5d3e3f3 時，即模具的溫度設計為70 ℃，熔融體的溫度設計為210 ℃，注塑壓力設置為140 MPa，維壓維持在140 MPa，維壓維持時間8 s，冷卻降溫時間持續25 s 時，效果最為明顯，也就是體積收縮量最小。

4 結語

通過對塑注件成型缺陷的影響因素進行分析，可以看出在不同的注塑壓力和維持壓力、不同的熔融體溫度和模具容腔溫度情況下，對塑注件成型質量有著顯著影響。同時通過對葉輪注塑體進行仿真模擬看出，在研究塑注件體積收縮率影響因素過程中，設計各參數即模具的溫度設計為70 ℃，熔融體的溫度設計為210 ℃，注塑壓力設置為140 MPa，維壓維持在140 MPa，維壓維持時間8 s，冷卻降溫時間持續25 s時，葉輪模型的體積收縮量最小。