吳雄喜，劉 健

(1浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000； 2西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安710072)

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熔接痕性能評價(jià)的WSt模型及其驗(yàn)證

吳雄喜1,2，劉 健1

(1浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000； 2西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安710072)

提出采用熔體匯合角度、流動前沿溫度、壓力三個(gè)參數(shù)來表征熔接痕，構(gòu)建了評價(jià)熔接痕性能優(yōu)劣的WSt模型，基于此模型對比了相同工藝參數(shù)下快速變模溫成型(Rapid Heat Cycle Molding，RHCM)與普通成型的熔接痕質(zhì)量，并以導(dǎo)風(fēng)板為對象進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：快速變模溫成型熔接痕的整體性能由普通成型的0.681提高到0.819，提高了20.3%；RHCM成型導(dǎo)風(fēng)板熔接痕處的拉伸強(qiáng)度由普通成型的45.3MPa提高到 53.8 MPa，強(qiáng)度提高了18.8%，與WSt模型所預(yù)測的20.3%接近。

熔體匯合角度；流動前沿溫度；壓力；WSt模型；RHCM

熔接痕是注塑制品中最常見缺陷之一，熔接痕的產(chǎn)生不僅影響塑料件的外觀形態(tài)，而且顯著降低其力學(xué)性能，因而，對熔接痕進(jìn)行相關(guān)研究顯得尤為重要。

關(guān)于注塑成型中的熔接痕問題，國內(nèi)外許多學(xué)者做了相關(guān)研究。Kovacs等[1]實(shí)驗(yàn)研究了熔接痕的形成過程；Ozcelik等[2]探討了產(chǎn)品尺寸和注塑成型參數(shù)對熔接痕強(qiáng)度的影響； Wang等[3]采用快速變模溫成型(Rapid Heat Cycle Molding，RHCM)技術(shù)得到了沒有熔接痕的產(chǎn)品。Chen等[4]通過感應(yīng)加熱模具，研究了其對產(chǎn)品表面熔接痕的影響。然而，目前關(guān)于熔接痕的研究主要集中在影響因素[5-8]及改善措施方面[9-13]，而關(guān)于熔接痕質(zhì)量的好壞，除了實(shí)驗(yàn)測量外，尚缺乏一種綜合有效的數(shù)值表征方法。目前，評價(jià)熔接痕最常用的數(shù)值表征方法是根據(jù)熔體匯合角度的大小，匯合角度越大，則熔接線的質(zhì)量越好。然而根據(jù)熔接痕的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)這種表征方法比較片面。基于此，本工作根據(jù)熔接痕的形成機(jī)理，提出采用熔體匯合角度、熔體流動前沿溫度、壓力三個(gè)參數(shù)來表征熔接痕的性能，并構(gòu)建評價(jià)熔接痕性能優(yōu)劣的WSt模型。同時(shí)，對比了RHCM成型與普通成型的熔接痕情況并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 熔接痕形成機(jī)理

在注塑成型過程中，熔接痕的形成主要有兩種情況：一種是采用多澆口時(shí)，從不同方向流動的熔體相遇而形成熔接痕，往往被稱為冷熔接；另一種是由于制品存在孔洞、嵌件等結(jié)構(gòu)問題引起的熔體分開再匯合而形成熔接痕，稱之為熱熔接。

熔接痕的形成可以分為四個(gè)階段[14]：(1)當(dāng)兩股熔體前沿尚未匯合以前，熔體前沿的壓力為零，而前沿的泉涌流動使熔體前沿的分子受到拉伸，前沿的分子鏈取向平行于流動方向；(2)一旦熔體匯合，熔體前沿處的壓力增加，流動停止，兩個(gè)自由表面相互接觸并發(fā)生非線性的黏彈性變形；(3)由于擴(kuò)散和分子運(yùn)動，接觸表面的分子鏈開始松弛、纏結(jié)和遷移，這種纏結(jié)和遷移的結(jié)果是為熔接痕提供鍵接強(qiáng)度，因此在熔接處熔體結(jié)合強(qiáng)度隨著分子鏈纏結(jié)程度的增加而增大；(4)大多數(shù)情況下，往往會因滯留在型腔中的空氣或充模過程中產(chǎn)生的揮發(fā)物來不及排出而產(chǎn)生V型缺口。

熔接痕包括熔接線和熔合線，熔接線和熔合線的差異取決于熔體相遇時(shí)的角度，當(dāng)角度θ大于135℃時(shí)，將形成熔合線，如果θ小于135℃，將形成熔接線。通常情況下，熔合線的強(qiáng)度大于熔接線，而且熔體匯合角度越大，則熔接痕的強(qiáng)度越高。

由熔接痕的形成機(jī)理及分類可知，熔接痕的強(qiáng)度除了與材料屬性有關(guān)外，還主要取決于熔體匯合時(shí)的角度、溫度以及匯合時(shí)的壓力。當(dāng)熔體匯合時(shí)溫度高、壓力大時(shí)，有利于相遇熔體的分子擴(kuò)散和運(yùn)動，分子鏈的松弛、纏結(jié)和遷移將更加容易進(jìn)行，熔接痕的強(qiáng)度增加；而當(dāng)熔體匯合角度大時(shí)，熔接痕的強(qiáng)度也更高，因此，可以采用熔體匯合時(shí)的角度、溫度、壓力三個(gè)參數(shù)來表征熔接痕的強(qiáng)度。

2 熔接痕數(shù)值表征模型的建立

目前模流分析中只能對熔接痕的位置作比較精確的預(yù)測，而對其強(qiáng)度并不能進(jìn)行可靠的預(yù)測。然而，Moldflow模流分析結(jié)果中，流動前沿溫度場可以表征產(chǎn)品中每個(gè)節(jié)點(diǎn)填充時(shí)的熔體溫度；壓力場可以查看每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的壓力隨時(shí)間變化；而熔接線匯合角度則可查看熔體匯合時(shí)的角度。因此，本工作采用流動前沿溫度場、壓力場、熔體匯合角度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行耦合，構(gòu)建了評價(jià)熔接痕強(qiáng)度的綜合數(shù)值模型，在此將它稱之為WSt模型，具體如下：

(1)

式中：St表示熔接痕的強(qiáng)度；θ表示熔體匯合角度；Twf表示熔接痕處節(jié)點(diǎn)流動前沿溫度；T表示熔體充填時(shí)設(shè)置的熔體溫度；f(Wp)表示熔接痕處壓力隨時(shí)間的函數(shù)；t1表示熔體開始匯合時(shí)的時(shí)間，t2表示熔接痕完全凍結(jié)時(shí)間；Ph表示保壓壓力。

由于流動前沿溫度場、壓力場、熔體匯合角度的單位不同，必須對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行去單位化，才能對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行賦權(quán)值耦合，以數(shù)值表征熔接痕的強(qiáng)度。根據(jù)模流分析經(jīng)驗(yàn)，75°為衡量熔接線質(zhì)量好壞的參考標(biāo)準(zhǔn)，一般而言，當(dāng)熔體匯合角度大于75°時(shí)，熔接痕質(zhì)量較好；而小于75°時(shí)，熔接痕的質(zhì)量可能較差，并且在模流分析中，熔體匯合角度處于75°左右的最多。因此將熔體匯合角度除以75°進(jìn)行去單位化；而流動前沿溫度除以設(shè)定的熔體溫度進(jìn)行去單位化。熔接痕處的熔體從匯合直到完全凍結(jié)，其壓力將一直對熔接痕的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此，將壓力隨時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行積分以表征壓力場對熔接痕強(qiáng)度的影響，并除以保壓壓力進(jìn)行去單位化。根據(jù)熔接痕形成機(jī)理，熔體匯合角度是判斷熔接線與熔合線的依據(jù)，而熔接線與熔合線的強(qiáng)度相差較大，并且這也是目前用來表征熔接痕質(zhì)量好壞的最主要參數(shù)，因此將熔體匯合角度設(shè)定為影響最大的因素。而溫度場與壓力場主要影響分子擴(kuò)散和運(yùn)動，當(dāng)熔體匯合溫度高、壓力大時(shí)，有利于相遇熔體的分子擴(kuò)散和運(yùn)動，分子鏈的松弛、纏結(jié)與遷移將更加容易進(jìn)行，熔接痕的強(qiáng)度增加，因此兩者對于熔接痕的影響是等效的，基于此，筆者將熔體匯合角度的權(quán)值設(shè)為0.4，壓力場及流動前沿的溫度場設(shè)為0.3可得到WSt模型，如式(1)所示。考慮到當(dāng)匯合角度大于135°時(shí)，熔合線強(qiáng)度一般較大，產(chǎn)品上的熔接痕也不明顯，可以不予考慮；并且由于熔合線與熔接線實(shí)際強(qiáng)度相差較大，因此，當(dāng)匯合角度大于135°時(shí)，其對WSt模型強(qiáng)度權(quán)重的影響應(yīng)與熔接線的不同，因此，本模型主要應(yīng)用于熔體匯合角度小于135°的情況。

3 基于WSt模型的RHCM成型與普通成型熔接痕強(qiáng)度對比

RHCM注塑成型又稱高光無痕注塑或快速變模溫注塑成型。其原理主要是利用三維無匯線模具及溫控設(shè)備，令模具內(nèi)的溫度急速加熱及冷卻，從而使得產(chǎn)品表面質(zhì)量得到明顯改善。目前，高光注塑成型技術(shù)已成為一個(gè)新的研究方向，并且成為解決產(chǎn)品熔接痕問題的最有效方式[15，16]，國內(nèi)外的大量學(xué)者采用RHCM成型技術(shù)對熔接痕進(jìn)行了改善，如Zhao等[17]研究電磁加熱模具對產(chǎn)品外觀的影響；王桂龍等[18]研究了快速變模溫的注塑平板設(shè)計(jì)。然而，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是實(shí)驗(yàn)測量；因此，本工作將根據(jù)所建立的WSt模型，對RHCM成型及普通成型的熔接痕強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值對比分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)探討RHCM成型對熔接痕質(zhì)量的改善。

3.1 RHCM成型與普通成型CAE模型的建立

本工作以空調(diào)中的長導(dǎo)風(fēng)板為例，采用模流分析軟件Moldflow 2013版，網(wǎng)格采用3D網(wǎng)格。構(gòu)建常規(guī)分析模型及RHCM成型分析模型如圖1所示，其中圖1(a)為普通成型，采用常溫水(25℃)冷卻；圖1(b)為RHCM成型，采用飽和蒸汽加熱+急速水冷。

導(dǎo)風(fēng)板選取PP材料，牌號為Polyflam RPP1058 UHF-；分析類型：冷卻/冷卻(FEM)+填充+保壓+冷卻；工藝參數(shù)：注射時(shí)間2s，注射+保壓+冷卻30s，熔體溫度230℃，保壓曲線采用默認(rèn)。得到普通成型與RHCM成型的熔接痕情況如圖2所示。從圖2可以比較準(zhǔn)確地看出熔接痕的位置情況，但對于兩者之間熔接痕的強(qiáng)度很難作出綜合的判斷。本工作將采用WSt模型對兩者的熔接痕情況進(jìn)行量化對比分析。

圖1 CAE分析模型 (a)普通成型；(b)RHCM Fig.1 CAE analysis model (a)ordinary molding；(b)RHCM

圖2 普通成型(a)與RHCM成型(b)熔接痕情況對比Fig.2 The weld line of ordinary molding (a) and RHCM (b)

3.2 熔接痕處熔體匯合角度、流動前沿溫度與壓力結(jié)果處理

將熔接痕結(jié)果、流動前沿溫度以Patran格式輸出，得到普通成型與RHCM成型熔接痕處的熔體匯合角度及流動前沿溫度如表1所示。表1中1.00E+38的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為間隔數(shù)據(jù)，兩個(gè)間隔數(shù)據(jù)之間的節(jié)點(diǎn)依次組成同一條熔接線。由表1可以看出，普通成型熔接痕處節(jié)點(diǎn)匯合角平均值為41.6°；RHCM成型為60.2°；普通成型的流動前沿溫度為231.74℃，RHCM成型為231.83℃。普通成型與RHCM成型的流動前沿溫度都與PP材料的熔體設(shè)置溫度230℃接近，這主要是由于本產(chǎn)品充模性良好，熔接痕為迎面相碰，沒有出現(xiàn)滯留、熔體冷卻等現(xiàn)象，這與零件的結(jié)構(gòu)、材料屬性及工藝設(shè)置等都是相關(guān)的。這說明了對于本產(chǎn)品的熔接痕而言，流動前沿溫度是非常好的。不過對于大多數(shù)熔接痕而言，當(dāng)兩股料流相碰后，很容易出現(xiàn)滯留、熔體冷卻等現(xiàn)象，此時(shí)的熔接痕處的熔體溫度將比整體流動前沿溫度低10℃甚至20℃，這將明顯影響熔接痕的強(qiáng)度。

由于熔接痕處的各節(jié)點(diǎn)距離接近，發(fā)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化幾乎是一致的。普通成型與RHCM成型注射位置的壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。通過壓力場得到普通成型與RHCM成型的熔接痕處壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖3與圖4比較可以得出，雖然RHCM成型注射位置處的壓力低于普通成型，但熔接痕處的壓力是高于普通成型的。

3.3 WSt模型求解與結(jié)果分析

表1 普通成型與RHCM成型熔體匯合角度

圖3 普通成型(a)與RHCM成型(b)注射位置處壓力Fig.3 The pressure in the injection location of ordinary molding (a) and RHCM (b)

圖4 熔接痕處壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Pressure change curve with time in the position of weld line

由表2可以看出，RHCM成型與普通成型相比，熔體匯合角度由41.6°提高到60.2°。這可能是由于當(dāng)普通成型時(shí)，模具表面溫度低，靠近模壁處的熔體黏度高，流速慢，熔體呈噴泉流動；當(dāng)兩股熔體匯合時(shí)，芯部熔體首先進(jìn)行相遇，然后熔體垂直于流動方向向模壁流動，而當(dāng)RHCM成型時(shí)，由于模壁表面溫度高，模壁表面的熔體流速幾乎與芯部一致，這使得熔體幾乎是平行地向前充填，從而使得RHCM成型的熔接痕處的匯合角度要高于普通成型。

表2 WSt模型中相關(guān)參數(shù)

圖5為填充時(shí)模具型腔界面處溫度。雖然RHCM成型注射位置處的壓力更小，但熔接痕處的壓力反而更大。這主要是由于RHCM成型時(shí)，由圖5可知，模具型腔表面的溫度可以達(dá)到110℃左右，而PP材料的Tg為93℃，因此熔體充填時(shí)，與模具表面接觸的冷卻層幾乎消失，流動層的厚度將增加，這將更便于熔體的充填及壓力的傳遞。因此，雖然RHCM成型注塑位置處的壓力小于普通成型，但熔接痕處的壓力反而高于普通成型。

根據(jù)普通成型與RHCM成型的熔接痕情況對比可知，相比普通成型，RHCM成型的熔接痕處匯合角度更大、流動前沿溫度更高、壓力隨時(shí)間的作用效果也更加明顯。這說明了RHCM成型可以明顯改善熔接痕的質(zhì)量。根據(jù)本工作所建立的WSt模型，普通成型的熔接痕強(qiáng)度只有0.681，而RHCM成型熔接痕強(qiáng)度達(dá)到0.819，提高了20.3%。

圖5 填充時(shí)模具型腔界面處溫度Fig.5 Temperature at mold-cavity interface in filling

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)如圖6所示，模具采用一模兩腔。其中圖6(a)為注塑生產(chǎn)的注塑機(jī);圖6(b)為用于RHCM成型的蒸汽加熱控制器；圖6(c)為生產(chǎn)的導(dǎo)風(fēng)板，圖6(d)為澆注系統(tǒng)凝料。

圖6 導(dǎo)風(fēng)板實(shí)驗(yàn)生產(chǎn) (a)注塑機(jī)；(b)蒸汽加熱控制器；(c)導(dǎo)風(fēng)板；(d)澆注系統(tǒng)凝料Fig.6 Wind deflector production (a)injection molding machine； (b)steam heating controller；(c)wind deflector；(d)runner system

普通成型與RHCM成型得到的導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)品對比如圖7所示。圖7(a)為普通成型得到的導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)熔接痕位置有一條明顯的熔接線。圖7(b)為采用RHCM成型技術(shù)對導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行生產(chǎn)。由圖7(b)可以看出，熔接痕位置處的熔接線消失了，而且整個(gè)產(chǎn)品與普通成型相比，也顯得更加光亮。

圖7 普通成型與RHCM成型產(chǎn)品對比 (a)普通成型；(b)RHCM Fig.7 The product comparison with common injection and RHCM injection(a)ordinary molding；(b)RHCM

為了驗(yàn)證所建立WSt模型的可行性，將普通成型與RHCM成型得到的導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)品分別進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)測量，可得到普通成型的導(dǎo)風(fēng)板熔接痕處的拉伸強(qiáng)度為45.3MPa，而RHCM成型熔接痕處的拉伸強(qiáng)度為53.8MPa。比普通成型提高了18.8%，與WSt模型所預(yù)測的20.3%接近，因此驗(yàn)證了本工作構(gòu)建的WSt模型具有可行性。

5 結(jié)論

(1)熔接痕的強(qiáng)度可以通過熔體匯合角度、溫度場、壓力場三個(gè)參數(shù)來表征。

(2)相比普通成型，RHCM成型熔接痕處的熔體匯合角度更大、流動前沿溫度更高、壓力的作用效果更明顯。

(3)采用RHCM成型技術(shù)可以改善產(chǎn)品的熔接痕情況，而且得到的產(chǎn)品更加光亮。

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WSt Model of Estimating Weld Line Performance and Its Verification

WU Xiong-xi1,2，LIU Jian1

(1 Zhejiang Industry Polytechnic College,Shaoxing 312000, Zhejiang,China; 2 School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The parameters of melt converging angle, flow front temperature, pressure were proposed to characterize the performance of weld line and the WSt model was established to judge the quality of weld line. Based on this, the quality of weld line was contrasted between ordinary molding and rapid heat cycle molding(RHCM) under the same processing parameters. The wind deflector was produced to verification.The results indicate that the weld line performance increases from 0.681 to 0.819, with an increase of 20.3%. And through the tensile experiment of the wind deflector, it can be found that the tensile strength of wind deflector increases from 45.3MPa to 53.8MPa. The strength increases by 18.8%, which is close to 20.3%, as predicted by WSt model.

melt converging angle;flow front temperature;pressure;WSt model;RHCM

TQ320.66

A

1001-4381(2015)09-0046-07

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012C31018)

2014-06-24；

2015-07-04

吳雄喜(1976—)，男，副教授，主要從事先進(jìn)加工技術(shù)及數(shù)值模擬研究，聯(lián)系地址：浙江省紹興市鏡湖新區(qū)曲屯路151號浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處(312000)，E-mail:nwpu960196@163.com

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.008