周大路

（華東交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江西南昌330013）

加工與應(yīng)用

氣體輔助注射成型中溢料井對翹曲的影響

周大路

（華東交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江西南昌330013）

采用數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)方法對聚丙烯（PP）氣體輔助注射成型（GAIM）制品的翹曲缺陷進(jìn)行分析，分別研究了氣體注射延遲時間、氣體注射壓力等工藝參數(shù)以及設(shè)計(jì)輔助溢料井結(jié)構(gòu)影響因素之間的交互作用對GAIM制品翹曲變形缺陷的影響。結(jié)果表明，氣體注射壓力與溢料井結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系是影響翹曲程度的關(guān)鍵；選擇合適的注射壓力和設(shè)計(jì)輔助溢料井結(jié)構(gòu)可以顯著降低制品翹曲變形的程度。

氣體輔助注射成型；溢料井；翹曲；工藝參數(shù)；正交試驗(yàn)

0 前言

GAIM的工藝是先將熔融塑料注入模具，然后向熔體內(nèi)部或模具與塑件之間注入高壓氣體。氣體被注入原料內(nèi)部，形成中空部分，熔體被氣流推向型腔盡頭，形成中空塑件。GAIM具有低成本、翹曲變形小、可加工厚薄一體件、結(jié)構(gòu)剛度高、設(shè)計(jì)自由度高等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］。周文偉等［2］基于GAIM過程的數(shù)值模擬，利用Taguchi試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了L18（37）試驗(yàn)矩陣，采用標(biāo)準(zhǔn)方差分析方法，分析了GAIM工藝參數(shù)對制品翹曲缺陷的影響。

關(guān)于GAIM的研究多是關(guān)于設(shè)備、原理、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，即使有針對GAIM相關(guān)工藝的介紹，主要也是從模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力、注塑壓力和注氣時間、延遲時間等注塑參數(shù)方面進(jìn)行研究，鮮有關(guān)于GAIM中溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對制品翹曲程度影響的報(bào)道。

本文基于數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)法對GAIM中氣體注射延遲時間與氣體注射壓力等工藝參數(shù)及增加輔助溢料井結(jié)構(gòu)的交互作用對PP制品翹曲缺陷的影響進(jìn)行了探討，溢料井結(jié)構(gòu)可大大改善PP制品翹曲變形，提高產(chǎn)品品質(zhì)［3-5］。

1 工藝參數(shù)優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)材料選擇PP（Hostacom G3 N01），實(shí)驗(yàn)制品為一個T形棒，如圖1所示。外形尺寸為300 mm× 30 mm×20 mm，模型中間作為氣道。Moldflow軟件在前處理模型時把氣體入口做了簡化。如圖2所示。

圖1 T形棒Fig．1 T shape stick

圖2 澆口、進(jìn)氣口的設(shè)置方案Fig．2 Runner，air inlet establishment plan

GAIM過程中，在氣體射流沖擊區(qū)和氣體均勻穿透區(qū)較容易形成“氣指”缺陷。而“氣指”是導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲的直接原因。影響“氣指”缺陷有4個可控的工藝參數(shù)：氣體注射延遲時間、氣體注射壓力、熔體溫度以及熔體預(yù)注射量。本文只對氣體注射延遲時間、氣體注射壓力兩方面工藝參數(shù)進(jìn)行探討分析。

1.1 延遲時間

首先，設(shè)定延遲時間以1 s為單位順序展開，根據(jù)模擬結(jié)果得到變形量和延遲時間的關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯?，PP制品的翹曲變形量呈上下震蕩關(guān)系，當(dāng)延遲時間超過4 s時，產(chǎn)品翹曲變形量增大。分析可能是由于隨著延遲時間的延遲，靠近模腔內(nèi)壁表面的PP熔體更能冷卻固化，固體層厚度增加，從而橫向充填阻力變大，氣體遵循阻力最小原則沿氣道中央縱向延伸，使氣道的長度加深，直徑變細(xì)，氣泡穿過制品氣道之外的薄壁區(qū)域形成“氣指”缺陷的程度減小。當(dāng)延遲時間少于4 s時，PP制品的熔狀態(tài)使制品外形還不確定。當(dāng)延遲時間等于4 s時，PP制品的翹曲變形最小，與最大翹曲變形量相比降低了3．14％。

圖3 延遲時間對制品翹曲變形量的影響Fig．3 Influences of delay time on warpage deformation

1.2 氣體注射壓力

由圖4可知，當(dāng)氣體注射壓力大于90 MPa時，PP制品的翹曲變形量會陡然增大；當(dāng)氣體注射壓力小于90 MPa時，翹曲量依然會增大。當(dāng)氣體注射壓力等于90 MPa時制品的翹曲變形量最小，較最大翹曲變形量降低了5．39％［6］。

圖4 氣體注射壓力對制品翹曲變形量的影響Fig．4 Influences of pressure on warpage deformation

分析可知，在氣體注入初期，由于熔體黏度較低，氣體所受到的阻力較小，很容易使氣體射流沖擊區(qū)及氣體射流緩沖區(qū)擴(kuò)大，在氣體注入口附近形成“氣指”缺陷。在氣體保壓階段，氣體壓力過大會使氣體繼續(xù)穿透熔體，形成氣體二次穿透區(qū)，同時“氣指”的程度也會繼續(xù)擴(kuò)大。因此，90 MPa是介于氣體注入初期和保壓階段初期的一段壓力值。

利用以上參數(shù)設(shè)定的正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，可以很快地得到優(yōu)化工藝參數(shù)，用于實(shí)踐操作。翹曲變形量最低的工藝參數(shù)為：延遲時間為4 s、氣體注射壓力為90 MPa，其優(yōu)化后制品的翹曲變形量Moldflow模擬結(jié)果如圖5所示。如果需要得到翹曲變形量極低的制件時，僅通過優(yōu)化GAIM過程中的工藝參數(shù)顯然無法達(dá)到要求。

圖5 GAIM中延遲時間和氣體注射壓力優(yōu)化后的制品翹曲變形量Fig．5 Warpage deformation variation in GAIM after delay time and barometric pressure optimization

2 溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6所示為設(shè)有溢料井結(jié)構(gòu)的T形棒制品照片?？梢钥闯觯谧詈筇畛涮幵O(shè)置溢料井，可促進(jìn)氣體穿透，增加氣道掏空率，消除熔接痕，穩(wěn)定塑件品質(zhì)。而在型腔和溢料井之間加設(shè)閥澆口，可確保最后填充發(fā)生在溢料井內(nèi)［2］。利用該特征，必需在工藝參數(shù)設(shè)置模板上設(shè)置其參數(shù)，在有限元網(wǎng)格分析中相關(guān)的閥澆口的開關(guān)時間也必需指定。所以，在設(shè)置溢料井結(jié)構(gòu)之前，要進(jìn)行必要的工藝參數(shù)設(shè)定。

圖6 帶溢料井的T形棒制品Fig．6 T shape stick with belt flash well

如圖7所示為增加溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制品翹曲變形量Moldflow模擬結(jié)果圖。溢料井可連接在氣道的末端，以便獲得理想的氣體穿透效果。在材料注射階段，材料填充型腔的其他區(qū)域，而到溢料井的通道是關(guān)閉的，在材料注射結(jié)束后，可設(shè)定一個延遲時間，讓材料松弛、薄壁區(qū)域材料固化。在注氣之前必須立即打開溢料井，創(chuàng)建多余的一部分體積，與被注入的氣體代替的材料相當(dāng)。當(dāng)制件被頂出型腔后，溢料井如不需要可修剪掉。設(shè)計(jì)溢料井結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可減少材料和氣體充填時動力學(xué)方面的復(fù)雜性問題，同時，還提供了另一個控制氣體穿透的方法。但該設(shè)計(jì)也存在兩方面缺點(diǎn)：一是需要進(jìn)行二次修剪工作；二是要增加額外的用料來填充溢料井［7］。

圖7 不同延遲時間條件下帶溢料井結(jié)構(gòu)的制品翹曲變形量變化Fig．7 Warpage deformation variation with belt flash well at different delay time

將T形棒制件的溢料井布置在氣道的末端，選擇氣體壓力控制，延遲時間為1～10 s、氣體注射時間為10 s、氣體注射壓力為90 MPa。再次進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯?dāng)延遲時間為2 s，制品的翹曲變形量為0．1168 mm，達(dá)到最小值；當(dāng)延遲時間為9 s時，制品的翹曲變形量達(dá)到最大值0．9903 mm，比最低值高出了88．2％。

圖8 溢料井結(jié)構(gòu)對制品翹曲變形量的影響Fig．8 Influence of flash well on warpage deformation

3 結(jié)論

（1）普通T形棒制品在氣體輔助注射成型過程中氣體注射壓力與延遲時間之間的交互作用對翹曲變形量有影響，但效果不明顯；

（2）溢料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能顯著降低制品翹曲變形量，且正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。

［1］陳艷霞，陳如香，吳盛金．Moldflow2012完全自學(xué)與速查手冊［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010：367．

［2］周偉文，黃漢雄．工藝參數(shù)對氣輔注射制品翹曲的影響［J］．模具工業(yè)，2009，35（12）：38-41．Zhou Weiwen，Huang Hanxiong．Effects of Process Parameters on the Warpage of Gas Assisted Injection Molded Part［J］．Die＆Mould Industry，2009，35（12）：38-41．

［3］周大路．氣輔成型中成型工藝對制品翹曲的影響［J］．塑料工業(yè)，2014，（10）：65-67．Zhou Dalu．Effect of Molding Process on the Warpage of Product in the Gas Assistance Formation［J］．China Plastics Industry，2014，（10）：65-67．

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［6］Shen C Y，Ming Z．An Improved Algorithm for the Simulation of Injection-molding Filling Process［J］．Journal of Reinforced Plastic and Composites，2005，24（7）：691-698．

［7］郭建民，申開智．氣體輔助注射成型制品常見缺陷及其改進(jìn)措施［J］．現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2001，13（5）：22-24．Guo Jianmin，Shen Kaizhi．Gas Assistance Injection Formation Product Common Flaw and Improvement Measure［J］．Modern Plastics Pocessing and Application，2001，13（5）：22-24．

Influence of Flash Well on Warp in Gas-assisted Injection Molding Process

ZHOU Dalu
（Engineering Training Center，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

The warp defects of a gas-assisted injection-molded polypropylene（PP）part were analyzed by numerical simulation and orthogonal experimental method．The effects of gas-delay time，gas pressure and the structure of flash well on the warp defects were investigated．The results indicated that the relationship between the gas-injection pressure and the structure of flash well played a key role in determining the degree of warps for the PP part．A rational structure of flash well along with a certain gas-injection pressure could reduce the degree of warps significantly．

gas-assisted injection molding；flash well；warp；process parameter；orthogonal experiment

TQ320．66

B

1001-9278（2017）01-0066-04

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．012

2016-06-29

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