成型塑件表面模流分析收縮痕深度與實(shí)際收縮痕深度對應(yīng)性研究

聶 恒， 趙世偉

（延鋒彼歐汽車外飾系統(tǒng)有限公司， 上海 201805）

0 引 言

成型塑件的收縮痕作為一種外觀缺陷，會(huì)影響塑件的外觀質(zhì)量，在成型塑件冷卻過程中，材料的收縮性會(huì)使其向內(nèi)塌陷，一般在塑件壁厚較厚的位置會(huì)形成凹坑形狀的收縮痕。模流分析中，成型塑件收縮痕深度受材料、塑件幾何形狀、注射位置、填充條件等因素影響，若改變其中一個(gè)因素，收縮痕深度也會(huì)改變。若無法去除或減少收縮痕，可以通過添加設(shè)計(jì)特征將其掩蓋，如在收縮痕區(qū)域增加皮紋，對于POM材料，收縮痕深度不超過某值時(shí)，在某種皮紋條件下，成型塑件表面收縮痕可以去除，但該值目前還不清楚具體是多少，而且模流分析中的收縮痕深度與實(shí)際收縮痕深度是否有一定的對應(yīng)性也不明確。現(xiàn)以某汽車門把手為例，研究模流分析中的收縮痕深度與實(shí)際成型時(shí)塑件的收縮痕深度的對應(yīng)性。

1 收縮痕產(chǎn)生機(jī)理

塑件表面產(chǎn)生收縮痕的根本原因是由于熔體凝固過程的體積變化，既有液相收縮，也有固相收縮。一般塑料熔體進(jìn)入型腔是以噴泉流的形式，表層的熔體遇到較冷的模具零件就形成了固化層，而芯部區(qū)域此時(shí)還處于熔融階段。當(dāng)成型塑件冷卻后，芯部區(qū)域收縮會(huì)對表面產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致成型塑件表面拉凹，形成收縮痕。如圖1所示，在壁厚厚的地方就可能產(chǎn)生收縮痕，而收縮又分為模內(nèi)收縮和脫模后收縮。模內(nèi)收縮取決于注塑機(jī)的保壓壓力，當(dāng)澆口凝料凝固后，收縮又取決于材料的熱膨脹系數(shù)和脫模溫度。如果是結(jié)晶型材料，如POM材料，還取決于成型塑件的結(jié)晶度。因此，POM材料實(shí)際試模過程中，模具溫度一定要高，如果模具溫度偏低，成型塑件來不及收縮，最終的塑件尺寸會(huì)比理論值大。如上所述，影響成型塑件表面收縮痕深度因素較多，但是實(shí)際成型塑件由于一些功能性的要求，其結(jié)構(gòu)一般不會(huì)修改，只能通過更改保壓壓力和保壓時(shí)間觀察其表面收縮痕深度，使之符合驗(yàn)收要求。

圖1 收縮痕

2 過程分析

查閱相關(guān)資料，許多學(xué)者的研究集中在影響收縮痕的工藝因素上，如張冬[1]分析了收縮痕產(chǎn)生的原因和影響因素，利用模流分析軟件對原有的模具澆注系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到較優(yōu)的方案，最后研究不同注射工藝對收縮痕深度的影響；賀華波等[2]利用正交試驗(yàn)法，用較少的試驗(yàn)得到注射工藝對表面缺陷的影響。張國俊[3]采用正交試驗(yàn)法確定注射成型收縮痕指數(shù)較小的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，研究了注射成型工藝參數(shù)對塑件收縮痕的影響。以上都是在模流分析中驗(yàn)證不同工藝參數(shù)對收縮痕的影響，與實(shí)際的對應(yīng)性研究較少，且這些研究成果表明：保壓壓力、保壓時(shí)間、熔體溫度等工藝參數(shù)對最后收縮痕影響較大。現(xiàn)將熔體溫度工藝參數(shù)固定，設(shè)置不同的保壓壓力和保壓時(shí)間，觀察其對收縮痕深度的影響。

2.1 模流分析前處理

汽車門把手網(wǎng)格模型如圖2所示，壁厚顯示如圖3所示。塑件總體壁厚為2.5 mm，外形尺寸為290 mm×66 mm×80 mm，加強(qiáng)筋厚度為1 mm，塑件為外觀件，澆口位置只能設(shè)計(jì)在背面，且門把手有強(qiáng)度和剛度要求，故選擇了汽車內(nèi)飾件中常用的POM材料，牌號(hào)為Hostaform C 9021。由于塑件的尺寸要求，在其背面設(shè)計(jì)了許多加強(qiáng)筋，只能通過調(diào)整注射工藝參數(shù)，使成型塑件的收縮痕深度減小，并在某種皮紋條件下掩蓋收縮痕。采用Catia軟件對塑件進(jìn)行三維實(shí)體建模，將數(shù)模轉(zhuǎn)換為.stp格式后導(dǎo)入CAD doctor進(jìn)行數(shù)模修補(bǔ)和完善，轉(zhuǎn)換成.udm格式，然后導(dǎo)入Moldflow2019中，采用雙層面網(wǎng)格劃分，利用Moldflow網(wǎng)格診斷工具完善網(wǎng)格模型以提高分析的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格數(shù)量為22 136個(gè)，最大縱橫比為10，平均縱橫比為1.97，最小縱橫比為1.16，匹配百分比為90.4%，相互百分比為91.6%，符合大于90%的要求。

圖2 網(wǎng)格模型

圖3 壁厚顯示

2.2 成型工藝設(shè)置及分析結(jié)果

塑件材料為POM，將模具的動(dòng)模溫度設(shè)為85 ℃，定模溫度設(shè)定為90 ℃，熔體溫度設(shè)為210 ℃，開模時(shí)間設(shè)為10 s，注射時(shí)間設(shè)為2 s，保壓壓力和保壓時(shí)間設(shè)為不同的梯度：45 MPa/5 s，45 MPa/20 s，75 MPa/20 s，135 MPa/20 s。使用模流分析軟件對設(shè)置好的不同工藝方案進(jìn)行分析，觀察在不同的保壓壓力和保壓時(shí)間條件下，各參數(shù)對加強(qiáng)筋收縮痕指數(shù)的影響，測量位置如圖4所示的方框處，不同工藝的結(jié)果如圖5所示，在模流分析中分別測得表面收縮痕深度，取3個(gè)值，再將其平均，如表1所示。

表1 不同工藝的收縮痕估算值 μm

圖4 測量位置

圖5 不同工藝的收縮痕估算值

2.3 注射試驗(yàn)

為了保證實(shí)際成型工藝與模流分析一致，選擇合適的設(shè)備來確保穩(wěn)定的工藝過程至關(guān)重要。采用HT600ton注塑機(jī)成型塑件；由于POM材料吸水性強(qiáng)，采用除濕干燥機(jī)進(jìn)行干燥；使用溫控箱控制熱流道溫度；選擇模溫機(jī)用于精確控制模具型腔的溫度。以上措施起到穩(wěn)定塑件成型周期，提高塑件成型品質(zhì)的作用，實(shí)際工藝參數(shù)如表2所示。

表2 工藝參數(shù)設(shè)定

2.4 實(shí)際收縮痕測量

利用微觀測量儀測量塑件表面收縮痕深度，將塑件樣品截取需要測量的部分，放置在光學(xué)顯微鏡的平臺(tái)上，鏡頭400倍聚焦，緊貼塑件表面，在塑件表面畫一個(gè)小框，鏡頭掃描框中的小部分，如圖6所示，在收縮痕左右兩側(cè)拉一條直線，每隔一段距離測量一個(gè)，每個(gè)塑件測量3個(gè)數(shù)據(jù)，取工藝條件下的9個(gè)樣品，測量收縮痕深度的平均值。

圖6 實(shí)際測量位置

利用微觀測量儀器測量實(shí)際塑件表面收縮痕深度，如圖7所示，方框處代表塑件收縮痕位置。實(shí)際測量數(shù)據(jù)如表3所示。

圖7 測量收縮痕深度

表3 實(shí)際收縮痕數(shù)據(jù) μm

3 偏倚和線性分析

測量系統(tǒng)中偏倚是指多次測量的理論平均值與參考值的差異[4]，參考值的來源多種：多個(gè)準(zhǔn)確測量設(shè)備重復(fù)測量值的平均值、專業(yè)團(tuán)體認(rèn)可的值等。偏倚是針對單點(diǎn)而言，每個(gè)測量系統(tǒng)都會(huì)有量程作為測量結(jié)果的范圍，如果在這一點(diǎn)處能夠準(zhǔn)確獲得偏倚的數(shù)值，或者在整個(gè)量程都有共同的偏倚，可以通過扣除偏倚加以修正；如果可以確定測量系統(tǒng)的偏倚在整個(gè)范圍都有線性，則可以推測任何指定一點(diǎn)的偏倚。

模流分析的理論值對應(yīng)測量系統(tǒng)中的參考值，而微觀測量儀所測量的數(shù)據(jù)是實(shí)際值，在每一個(gè)工藝條件下，都可以得到一個(gè)參考值，同樣也有一個(gè)實(shí)際測量值，如果參考值與實(shí)際值有上述測量系統(tǒng)的偏倚和線性關(guān)系，則可以對每一個(gè)模流分析值進(jìn)行修正，達(dá)到提前預(yù)測實(shí)際值的目的，然后根據(jù)這個(gè)值判斷塑件表面皮紋處理后，表面收縮痕是否可以掩蓋。

對于該塑件中的收縮痕，估算結(jié)果受材料、塑件幾何形狀及填充條件等影響，其計(jì)算結(jié)果為以下公式：

其中，Ttrans是聚合物的轉(zhuǎn)變溫度；x＋是雙層面Tait pvt模型中聚合物的溫度值為b5的上部面間位置；x-為下部面間位置；ρδ是聚合物的固體密度；Patm是大氣壓；h是半空隙厚度。

由上述公式可知，收縮痕估算受溫度、塑件厚度的影響，但是在實(shí)際成型中，難以做到與模流分析成型一致，所以利用線性與偏倚的工具尋找模流分析與實(shí)際成型的關(guān)系，可以修正模流分析與實(shí)際成型的差異值。

選擇Minitab中統(tǒng)計(jì)→質(zhì)量工具→量具研究→量具偏倚與線性分析，部件號(hào)選擇塑件，參考值為模流值，測量數(shù)據(jù)為實(shí)測值，偏倚與線性分析如圖8所示。

從圖8可以看出，整體偏倚值為0.350 750，對應(yīng)的斜率P=0<0.05，所以判定存在整體偏倚，同時(shí)還可以查閱4個(gè)具有代表性的測量點(diǎn)的偏倚值和偏倚百分率，其中在參考值為20.1時(shí)存在嚴(yán)重偏倚。偏倚的線性回歸方程擬合方程：y=-0.531 7+0.06x（參考值），因?yàn)樾甭实腜值小于0.05，但是截距的P值大于0.05，為0.057，可以認(rèn)為近似顯著。結(jié)合圖8中擬合直線的散點(diǎn)圖，表明該塑件在不同的工藝條件下，有線性偏倚，所以對于測定的收縮痕深度，按照上述回歸方程計(jì)算偏倚值，并加以修正。為了驗(yàn)證此方程的有效性，在模流分析中設(shè)定工藝參數(shù)為15 MPa、5 s進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，利用上述微觀測量儀可計(jì)算實(shí)際值，實(shí)際值如表4所示，再與回歸方程得到的修正值76.9 μm對比，發(fā)現(xiàn)兩者相差0.31 μm，證明此回歸方程有效，可以預(yù)測實(shí)際收縮痕深度值。

圖8 偏倚與線性分析

圖9 計(jì)算結(jié)果

表4 實(shí)際收縮痕深度 μm

4 結(jié)束語

通過模流分析的收縮痕深度和實(shí)際收縮痕深度進(jìn)行對比，兩者有相關(guān)性，且可以構(gòu)成一個(gè)簡單的線性方程，采用微觀顯微鏡測量實(shí)際塑件表面的收縮痕深度，避免主觀判斷成型塑件的表面好與壞，對于材料為POM的塑件，當(dāng)其表面收縮痕深度低于13 μm、在主機(jī)廠皮紋號(hào)為eamas時(shí)，該皮紋深度為150 μm，光澤度2°，在75 MPa的保壓壓力和20 s的保壓時(shí)間下，塑件的收縮痕可以被皮紋掩蓋，根據(jù)此可擴(kuò)展為不同主機(jī)廠在不同皮紋條件下對應(yīng)的模流參考值，如表5所示。

表5 不同主機(jī)廠皮紋深度 μm