肖清武，柳和生*，黃益賓，余 忠

(1.南昌大學(xué)聚合物成型研究室，南昌 330031；2.上饒師范學(xué)院，江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 上饒 334001)

0 前言

隨著人們對(duì)3C注塑制品要求越來越輕、薄、寬，且還要具有良好的力學(xué)性能以及完美的表面質(zhì)量，這就對(duì)注射成型技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。針對(duì)具有加強(qiáng)筋的寬薄平板制品，在加強(qiáng)筋內(nèi)不允許設(shè)置氣道的條件下，采用外部氣體輔助注射成型(EGAIM)[1]可以滿足人們對(duì)于3C制品的要求。EGAIM是相對(duì)內(nèi)部氣體輔助注塑成型(GAIM)[2]而言的一種先進(jìn)的注射成型技術(shù)，不同于內(nèi)部氣體輔助注塑過程中將氣體注入熔體內(nèi)部，EGAIM是將氣體加壓在塑料制件表面與型腔之間的規(guī)定區(qū)域。相對(duì)于傳統(tǒng)注射成型(CIM)，該技術(shù)的應(yīng)用可提高制品表面質(zhì)量、降低注射壓力與鎖模力、縮短成型周期、減輕制品質(zhì)量、提高制品設(shè)計(jì)自由度，近年來受到了廣大學(xué)者的關(guān)注[3-5]。

設(shè)置加強(qiáng)筋的注塑制品在其表面對(duì)應(yīng)位置處會(huì)出現(xiàn)明顯的加強(qiáng)筋表面凹痕，為了避免在制品表面出現(xiàn)凹痕，CIM中加強(qiáng)筋的厚度與平板厚度的比值通常設(shè)置為0.5～0.75[6]。目前，對(duì)于CIM與GAIM制品表面凹痕的形成和消除已有比較成熟的研究[7,8]，CHEN等[9]設(shè)置帶不同加強(qiáng)筋的平板，實(shí)驗(yàn)證明EGAIM能有效消除凹痕，并分析了注氣工藝對(duì)制品收縮率的影響。姜少飛等[10]探討了EGAIM中各工藝參數(shù)對(duì)加強(qiáng)筋所造成表面凹痕的影響規(guī)律。但關(guān)于不同厚度特別是突破常規(guī)設(shè)置比值的加強(qiáng)筋所造成的凹痕的研究罕見報(bào)道，對(duì)EGAIM工藝參數(shù)優(yōu)化也缺乏系統(tǒng)分析。

本文通過設(shè)計(jì)不同厚度比例(最大值為1.5)的加強(qiáng)筋寬薄平板，基于自主研發(fā)的外部氣體輔助注塑設(shè)備及模具，先采用單因素法對(duì)EGAIM中表面凹痕深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，然后以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)表面凹痕深度進(jìn)行分析優(yōu)化，最后對(duì)最佳化工藝參數(shù)EGAIM制品與CIM制品進(jìn)行比較分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，PA-727，熔體流動(dòng)速率(MFR)為4.6 g/10 min，收縮率為0.4 %，密度為1.04 g/cm3，中國(guó)臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

注塑機(jī)，JX-760KA，寧波金星塑料機(jī)械有限公司；

表面粗糙度及輪廓測(cè)量?jī)x，SV-C3200S4，Mitutoyo公司；

氣體控制系統(tǒng)，氣體通過透氣鋼柱體注入型腔，氣缸和透氣柱體裝配在模具上，北京中拓機(jī)械有限責(zé)任公司；

模具自制，采用鑲拼結(jié)構(gòu)以便更換型腔，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平板長(zhǎng)160 mm、寬80 mm、厚(T)2 mm，帶8個(gè)不同壁厚的加強(qiáng)筋(分別為0.6T=1.2 mm,0.8T=1.6 mm,1.0T=2.0 mm,1.1T=2.2 mm,1.2T=2.4 mm,1.3T=2.6 mm,1.4T=2.8 mm,1.5T=3.0 mm)，為了防止發(fā)生氣體側(cè)漏，在平板的邊緣采用矩形結(jié)構(gòu)，高度為6.0 mm、寬為4 mm，如圖1所示，以A-A與B-B位置的表面質(zhì)量作為分析對(duì)象。

圖1 制品示意圖Fig.1 Diagram of plastic part

2 表面凹痕深度的單因素實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了研究不同EGAIM工藝參數(shù)對(duì)帶不同厚度加強(qiáng)筋的平板制品凹痕的影響，基于表1的基本工藝參數(shù)條件設(shè)置，改變其中一個(gè)工藝參數(shù)，即利用單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)0.8T、1.0T、1.2T、1.3T、1.4T、1.5T加強(qiáng)筋所造成的表面凹痕深度進(jìn)行分析比較。

表1 工藝參數(shù)基本設(shè)置

加強(qiáng)筋厚度：■—1.5T ●—1.4T ▲—1.3T▼—1.2T ?—1.0T ?—0.8T圖2 模具溫度對(duì)凹痕的影響Fig.2 Effect of mold temperature on the sink mark

2.1 模具溫度的影響

由圖2可知，隨著模具溫度的升高，產(chǎn)品表面凹痕深度都有明顯的下降趨勢(shì)；當(dāng)模溫為60 ℃時(shí)，6種不同厚度的加強(qiáng)筋造成的表面凹痕深度在1～10 μm，加強(qiáng)筋厚度1.2T以下所造成的表面凹痕深度可減少至4 μm以下；而當(dāng)模溫從60 ℃ 升至70 ℃時(shí)，制品表面(特別是加強(qiáng)筋與產(chǎn)品厚度比為1.2以下所對(duì)應(yīng)的)凹痕深度變化趨勢(shì)趨于平緩。這是因?yàn)楦邷厝垠w注入型腔，當(dāng)模具型腔溫度偏低時(shí)，熔體會(huì)快速冷卻，形成較厚的冷凝層，使得氣體保壓時(shí)無法有效地傳遞壓力推擠熔體補(bǔ)償加強(qiáng)筋背面收縮所形成的凹痕；而當(dāng)模具溫度較高時(shí)，熔體的冷卻速度會(huì)變慢，冷凝層較薄，從而使得在氣體保壓階段氣體壓力能更有效地推擠熔體彌補(bǔ)制品表面縮痕。

2.2 熔體溫度的影響

從圖3可以看出，熔體溫度從200 ℃提高到220 ℃時(shí)，制品表面凹痕深度并沒有太大的變化，加強(qiáng)筋厚度1.3T以下對(duì)應(yīng)的表面凹痕深度區(qū)間在1～5.3 μm，1.4T與1.5T厚度加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕深度區(qū)間在8.5～9.6 μm。當(dāng)溫度提高至230 ℃時(shí)，制品表面凹痕深度都有不同程度的增大，1.5T加強(qiáng)筋造成表面凹痕深度增加趨勢(shì)較為明顯，增加1.5 μm。主要是因?yàn)椴煌瑴囟鹊母邷厝垠w進(jìn)入低溫型腔中，熔體的冷卻速度幾乎沒有差異，都會(huì)形成一定厚度的冷凝層，且冷凝層厚度也相差不多，此時(shí)氣體保壓作用的影響變化是有限的，表明熔體溫度對(duì)制品表面凹痕深度的影響并不明顯。但隨著溫度進(jìn)一步的升高，熔體收縮率與縮痕指數(shù)都將增加，氣壓的保壓效果下降，導(dǎo)致表面凹痕深度的增加。

加強(qiáng)筋厚度：■—1.5T ●—1.4T ▲—1.3T▼—1.2T ?—1.0T ?—0.8T圖3 熔體溫度對(duì)凹痕的影響Fig.3 Effect of melt temperature on the sink mark

2.3 注氣延遲時(shí)間的影響

加強(qiáng)筋厚度：■—1.5T ●—1.4T ▲—1.3T▼—1.2T ?—1.0T ?—0.8T圖4 注氣延遲時(shí)間對(duì)凹痕的影響Fig.4 Effect of gas delay time on the sink mark

注氣延遲時(shí)間是指熔體注射完成到氣體注入這段時(shí)間間隔。由圖4可知，隨著注氣延遲時(shí)間的延長(zhǎng)，制品表面凹痕深度增加。注氣延遲時(shí)間從0.2 s延長(zhǎng)至0.5 s，各加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕沒有明顯變化，當(dāng)氣體從0.5 s延長(zhǎng)至1 s和1.5 s時(shí)，各加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕深度增加都較大。1.5T加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕深度，相對(duì)于0.5 s時(shí)的深度，延遲1 s時(shí)凹痕加深2.5 μm，延遲1.5 s時(shí)則加深5.5 μm。

這是因?yàn)殡S著高溫熔體注入低溫型腔中，靠近型腔的區(qū)域?qū)⑿纬梢欢ê穸鹊睦淠龑樱S著注氣時(shí)間的增加，冷凝層的厚度隨之增加，當(dāng)冷凝層不超過一定厚度時(shí)，氣壓都能進(jìn)行有效的保壓，減少表面的收縮；而當(dāng)延遲時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，型腔熔體表層將逐漸凝固，注氣壓力就不足以推擠熔體補(bǔ)償表面收縮所產(chǎn)生的凹痕，氣體就達(dá)不到EGAIM的保壓效果。但如果氣體延遲時(shí)間過短或者不設(shè)置延遲時(shí)間，氣體很可能吹破熔體，破壞制品成型效果。因此氣體的延遲時(shí)間不能太短，也不能太長(zhǎng)。

2.4 注氣保壓壓力的影響

如圖5所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可知，當(dāng)注氣保壓壓力低于2 MPa時(shí)，氣體保壓效果明顯不足，當(dāng)從2 MPa增加到6 MPa，制品表面凹痕深度都有明顯的減小趨勢(shì)，分別從2.5～11.4 μm減少到1.3～9.4 μm；當(dāng)氣體壓力繼續(xù)增加到10 MPa時(shí)，加強(qiáng)筋厚度為0.8T至1.3T所對(duì)應(yīng)的凹痕并沒有明顯的改善，而對(duì)于厚度更大(如1.4T、1.5T)的加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的凹痕還有一定的改善作用。

加強(qiáng)筋厚度：■—1.5T ●—1.4T ▲—1.3T▼—1.2T ?—1.0T ?—0.8T圖5 注氣保壓壓力對(duì)凹痕的影響Fig.5 Effect of gas holding pressure on the sink mark

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于設(shè)置加強(qiáng)筋的寬薄平板此類制件，在EGAIM氣體保壓階段，2 MPa的氣體壓力明顯不足，增加氣壓能提高氣體的保壓效果，較大厚度的加強(qiáng)筋需要較大的氣壓才能提供足夠的壓力推擠熔體補(bǔ)償表面收縮凹痕，保證有效的保壓效果。但過高的氣體壓力對(duì)表面收縮凹痕并沒有明顯的改善，還會(huì)造成能源浪費(fèi)，所以可選擇適當(dāng)?shù)淖獗簤毫σ员ＷC達(dá)到有效的保壓效果，改善制品的表面質(zhì)量。

2.5 注氣保壓時(shí)間的影響

由圖6可知，當(dāng)注氣保壓時(shí)間為5 s時(shí)，氣體保壓效果明顯不足，各加強(qiáng)筋所對(duì)應(yīng)的凹痕深度都比較大，與制品厚度比值大于1.3及以上的加強(qiáng)筋所造成的表面凹痕深度達(dá)到12.4 μm以上，1.5T達(dá)到15.2 μm；當(dāng)注氣保壓時(shí)間增加到15 s時(shí)，制品表面收縮凹痕深度有明顯的減小趨勢(shì)，與制品厚度比值為1.3的加強(qiáng)筋所造成的表面收縮凹痕深度大幅減低至5.3 μm；繼續(xù)增加氣體保壓時(shí)間至20 s時(shí)，氣壓將推擠熔體繼續(xù)降低更大厚度(如1.4T、1.5T)的加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的凹痕，但對(duì)于加強(qiáng)筋厚度為0.8T至1.3T所造成的凹痕卻沒有明顯的改善。

加強(qiáng)筋厚度：■—1.5T ●—1.4T ▲—1.3T▼—1.2T ?—1.0T ?—0.8T圖6 注氣保壓時(shí)間對(duì)凹痕的影響Fig.6 Effect of gas holding time on the sink mark

以上結(jié)果表明，注氣保壓時(shí)間過短將導(dǎo)致保壓效果不理想，特別是對(duì)于加強(qiáng)筋較厚的區(qū)域更為明顯，較大厚度的加強(qiáng)筋需要較長(zhǎng)的保壓時(shí)間才能保證有效的保壓效果。注氣時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)消除表面凹痕并沒有更明顯的改善，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，凝固層厚度將越來越厚，氣壓就難以推擠熔體補(bǔ)償表面收縮凹痕，時(shí)間過長(zhǎng)將造成氮?dú)赓Y源浪費(fèi)。所以應(yīng)選擇合適的注氣保壓時(shí)間以減少表面凹痕深度，且還可以縮短成型周期、節(jié)約成本。

3 表面凹痕深度的正交實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化

3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

EGAIM注塑工藝涉及到眾多的工藝參數(shù)，基于以上實(shí)驗(yàn)研究，為此設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)來考察模具溫度、注氣延遲時(shí)間、注氣壓力、注氣保壓時(shí)間對(duì)制品表面凹痕深度影響的主次關(guān)系。正交實(shí)驗(yàn)的因素分別為模具溫度、注氣延遲時(shí)間、注氣壓力、注氣保壓時(shí)間，每個(gè)因素安排3個(gè)水平，具體設(shè)置如表2所示。由4因素3水平，選取L9(34)正交表，以制品表面凹痕深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)?；谡痪仃噷?duì)制品進(jìn)行EGAIM實(shí)驗(yàn)，并考察厚度為1.3T加強(qiáng)筋造成表面凹痕深度變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 因素與水平表

由表3中的極差分析結(jié)果可以看出，影響制品表面凹痕深度的因素主次順序?yàn)锽CAD，結(jié)合其因素水平效應(yīng)曲線(圖7所示)可知，注氣延遲時(shí)間和注氣壓力是影響制品表面凹痕深度的主要因素，模具溫度和氣體保壓時(shí)間對(duì)制品表面凹痕深度相對(duì)影響較小?？赏ㄟ^縮短注氣延遲時(shí)間、提高注氣壓力來減少制品表面凹痕深度。

對(duì)于有加強(qiáng)筋的注塑制品，采用EGAIM時(shí)要求制品表面凹痕深度越小越好，盡可能消除表面收縮凹痕。結(jié)合表3與圖7可得到EGAIM最佳工藝參數(shù)組合是A3B2C3D3。

表3 L9 (34)正交方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

■—模具溫度/℃ ○—注氣延遲時(shí)間/s★—注氣保壓壓力/MPa ▲—注氣保壓時(shí)間/s圖7 各因素對(duì)凹痕的影響Fig.7 Effect of factors on the sink mark

3.2 EGAIM與CIM制品表面凹痕深度對(duì)比分析

由正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析得出EGAIM中最佳工藝參數(shù)為A3B2C3D3，即模具溫度70 ℃、注氣延遲時(shí)間0.5 s、注氣壓力12 MPa、注氣保壓時(shí)間20 s，熔體溫度選取220 ℃。采用優(yōu)化的工藝參數(shù)組合進(jìn)行EGAIM實(shí)驗(yàn)，并與CIM實(shí)驗(yàn)制品的表面凹痕深度進(jìn)行對(duì)比。

由圖8可知，采用最佳化工藝參數(shù)的EGAIM實(shí)驗(yàn)制品的表面凹痕深度大幅減小，厚度為1.5T加強(qiáng)筋所造成的凹痕深度值為1.3 μm，小于CIM制品0.6T加強(qiáng)筋所對(duì)應(yīng)的凹痕深度(2.3 μm )，表明EGAIM工藝能有效消除制品表面凹痕。這是因?yàn)樵谳^高的模具溫度下，熔體冷卻速度減慢，注氣延遲時(shí)間較短的情況下冷凝層厚度較薄，再搭配足夠的注氣壓力和注氣保壓時(shí)間在熔體未凝固之前推擠熔體以補(bǔ)償熔體因冷卻收縮所產(chǎn)生的凹痕。圖9展示了EGAIM與CIM實(shí)驗(yàn)制品表面質(zhì)量，通過觀察成型制品表面，發(fā)現(xiàn)EGAIM實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)平滑的制品表面，而CIM制品表面有明顯的凹痕。該設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的極限可以使加強(qiáng)筋與制品厚度比值增加到1.5。

—CIM —EGAIM圖8 CIM與EGAIM不同加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)凹痕深度Fig.8 Comparisons of sink mark depths between CIM and EGAIM process under various rib width designs

圖9 CIM和EGAIM實(shí)驗(yàn)制品Fig.9 Comparisons of experimental sink mark for CIM and EGAIM

4 結(jié)論

(1)隨著EGAIM工藝參數(shù)變化，加強(qiáng)筋表面凹痕呈現(xiàn)不同特征：提高模具溫度、加大注氣保壓壓力與延長(zhǎng)注氣保壓時(shí)間，制品表面凹痕深度都有明顯的減小趨勢(shì)；提高熔體溫度，制品表面凹痕深度并沒有太大的變化；隨著注氣延遲時(shí)間的延長(zhǎng)，制品表面凹痕深度增加，較厚的加強(qiáng)筋區(qū)域需要較大的保壓壓力及較長(zhǎng)的保壓時(shí)間；

(2)EGAIM工藝參數(shù)中注氣延遲時(shí)間與注氣保壓壓力是影響制品表面凹痕的主要因素，熔體溫度變化對(duì)制品凹痕深度影響相對(duì)較小一些；

(3)優(yōu)化后的EGAIM工藝能使制品加強(qiáng)筋表面凹痕深度大幅度減小，1.5T加強(qiáng)筋所造成的制品表面凹痕深度(1.3 μm)小于CIM制品中0.6T加強(qiáng)筋所造成的凹痕深度(2.3μm)。