曹 磊，遲文凱，譚偉華，謝鵬程

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

隨著科學技術的發(fā)展，在汽車內(nèi)外飾件、光學元器件等行業(yè)領域對厚壁塑料制品需求的不斷增加，但目前對于厚壁制品的成型加工，技術難度較大，成品率較低，生產(chǎn)效率也比較低。因為對于成型厚壁制品來說，制品本身屬于厚壁制品，注射成型過程中表層溫度和芯層溫度差異大，同時需要較長的保壓時間，導致制品收縮率比較大，容易產(chǎn)生體積收縮，因而對厚壁塑料制品尺寸的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，嚴重影響了厚壁塑料制品的進一步工業(yè)化[1]。針對厚壁塑料制品尺寸穩(wěn)定性影響機理及工藝優(yōu)化，國內(nèi)外的學者對厚壁制品的加工成型方法以及成型工藝參數(shù)進行了相關的研究。Martin等[2]最早提出了將注射與壓縮工藝融合到一起，主要是為了熔體中空隙能夠被填充，滿足生產(chǎn)復雜薄壁制品的生產(chǎn)需求。雖然注射壓縮成型的優(yōu)勢很明顯，然而壓縮階段的融入，帶來了更復雜的技術融入，這使得壓縮成型的應用受到了較大的阻礙。Guan等[3]和葛勇等[4]主要以注射壓縮成型樣品厚度的均勻性研究出發(fā)，分別分析了薄壁和厚壁制品注射成型過程，發(fā)現(xiàn)薄壁產(chǎn)品的厚度均勻性主要受熔體溫度和壓縮相關參數(shù)的影響，而厚壁制品尺寸穩(wěn)定性則與注射量及壓縮起始位置有關。英國Brunei大學的Bevis教授等[5]開發(fā)設計出一種多流道注射成型技術，相對比于傳統(tǒng)注射成型技術，利用該技術在注射成型厚壁塑件時更具有優(yōu)勢，是動態(tài)保壓注射成型的提出者。官青等[6]應用動態(tài)保壓注射成型技術成型厚壁制品，成功得到表面尺寸穩(wěn)定的聚乙烯厚壁長條樣件。Allan等[7-9]提出剪切控制定向注射成形(SCORIM)特種注射成形方法可消除厚壁制品常出現(xiàn)的縮痕、氣泡和殘余應力變形。Vaatainen 等[10]使用 Taguchi 理論方法研究注射成型參數(shù)對厚壁塑件的表觀品質的影響； Chang[11]利用Taguchi 理論和方差分析方法研究 聚苯乙烯(PS)、高密度聚乙烯(PE-HD)、丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)部件的收縮行為及其成型工藝優(yōu)化。Hopmann等[12]使用分層注射的方法，制備了厚壁的光學透鏡，減小了其內(nèi)應力，使其具有優(yōu)異的性能。本文以AS為原材料，采用提出的反壓注射成型厚壁制品的方法，觀察反壓壓力對于厚壁制品尺寸穩(wěn)定性的影響，利用千分尺對厚壁制品尺寸進行測量，分析厚壁制品尺寸收縮率與反壓壓力的關系，同時提出分層反壓注射成型厚壁制品的方案，與普通反壓注射成型方案作對比。

1 實驗部分

1.1 主要原料

AS，82TR，熔體流動速率為2.7 g/10 min，LG化學公司。

1.2 主要設備及儀器

注射成型機，TH90/TP,山東通佳機械有限公司；

圖1 三棱柱模型與實物Fig.1 Triangular prism model and actual product

注射模型為底面邊長60 mm的正三角形、高60 mm的三棱柱，具體如圖1所示，測量部位為各個邊長，采用精度為0.01 mm千分尺對樣件的平面進行定量測量，取平均值。

1.3 反壓注射成型工藝過程

普通反壓注射成型工藝過程：本文中提出的反壓注射成型是一種在模具型腔內(nèi)加活塞，依靠熔體的注射壓力逐步推動活塞后退的注射成型方法，模具結構如圖2所示，在模具的型腔內(nèi)加入三棱柱活塞4以及壓力元件2；該反壓注射成型的原理為：未進行注射原料前，壓力元件2推動活塞4將模具的型腔封閉，在注射過程中，塑料熔體通過澆口填充到模具型腔，會受到活塞4的阻力，熔體與活塞4相互作用在模具型腔中形成反壓，從而迫使熔體進行縱向的層流運動；活塞4確保了壓力在型腔中的傳遞，由此可以極大地避免注射初期噴射、蛇形流等問題，隨著物料的不斷填充，活塞4依靠壓力元件2在模具型腔內(nèi)實現(xiàn)了上下移動，為熔體進行實時動態(tài)保壓。

1—動模板 2—壓力元件 3—定模板 4—活塞圖2 模具型芯結構示意圖Fig.2 Schematic of the mold core structure

1—定模板 2—動模板 3—外層活塞4—內(nèi)層活塞 5—外氣壓桿 6—內(nèi)氣壓桿圖3 退芯模具型芯結構示意圖Fig.3 Retracting core mold structure

分層反壓注射成型工藝流程：分層注射模具，提出在模具的型腔內(nèi)加入活塞以及氣壓桿(圖3)；氣壓桿是一種以氣體為工作介質的彈性元件，內(nèi)部充有高壓氮氣，彈力大小可以通過設置不同的氮氣壓力或者不同直徑的活塞桿來調節(jié)，具有近乎線形的彈性曲線；活塞最初將模具的型腔封閉，在注射過程中，物料填充模具型腔，物料受到活塞的阻力，形成反壓，迫使物料填充完整與穩(wěn)定流動；由此可以極大地避免厚壁制品欠注的發(fā)生，而且通過活塞分層，連接不同型號的氣壓桿，可以實現(xiàn)分層注射的功能，活塞依靠氣壓桿提供反壓壓力，活塞、氣壓桿方便易可拆卸，整個結構可以根據(jù)不同的物料、不同的注射條件進行調整，比如氣壓桿氣壓數(shù)值大小以及是否為恒力可以進行調整；活塞可以多層布置，通過不同型號氣壓桿提供不同的反壓，從而實現(xiàn)分層注射，如圖4所示。

圖4 活塞布置截面圖Fig.4 Piston layout section

1.4 實驗過程

模具模型：通過反壓注射成型技術，模具形狀是規(guī)則的三棱柱，活塞、壓力元件等具體實物圖如圖5所示。

(a)模具 (b)活塞 (c)壓力桿件 (d)抽芯活塞圖5 實物圖Fig.5 Photograph of the actual parts

制備厚壁制品三棱柱：首先將AS粒料在80 ℃的溫度下干燥4～8 h，通過反壓注射成型制備厚壁制品三棱柱試樣；相關注射參數(shù)如下，注射參數(shù)為：模溫90 ℃，注射壓力10 MPa，物料溫度215 ℃，注射速度3 mm/s，保壓壓力5 MPa，保壓時間2 min；由于反壓壓力實際上由壓力元件來提供，為方便統(tǒng)一單位，現(xiàn)都已經(jīng)將其換算成統(tǒng)一單位 MPa，下同；具體如普通反壓注射成型實驗參數(shù)表所示，分層注射成型實驗參數(shù)表下同。

厚壁制品三棱柱尺寸測量：本文是探究反壓壓力對厚壁制品尺寸穩(wěn)定性的影響，因此本次實驗選擇三棱柱尺寸收縮率用來表征厚壁制品尺寸的穩(wěn)定性，尺寸收縮率公式為：

(1)

式中S——收縮率

D——模具標準尺寸

M——厚壁制品尺寸

制品選擇千分尺進行測量，每一尺寸均在同樣條件下制備的塑件制品上測量，取其平均值，模具的標準為60 mm。

2 結果與討論

2.1 反壓壓力

圖6 不同反壓壓力對三棱柱厚壁制品尺寸收縮率的影響Fig.6 Effect of different counter-pressure on dimensional shrinkage of thick-walled products with triangular columns

圖6中所示為不同反壓壓力對三棱柱厚壁制品尺寸收縮率的影響。在圖中L表示不同反壓壓力下實際厚壁制品尺寸，S表示不同反壓壓力作用下厚壁制品尺寸收縮率。從圖中可以看出，沒有反壓壓力時厚壁制品的收縮率最大，施加反壓壓力后，厚壁制品的收縮率隨著反壓壓力的增大而減??；反壓壓力從0 MPa升至0.135 MPa，厚壁制品的收縮率有較大幅度的降低，降低了約30 %；隨著反壓壓力繼續(xù)升高，厚壁制品收縮率降低幅度趨于平緩。這是因為，在反壓壓力低于0.135 MPa，厚壁制品仍處于“未填滿”狀態(tài)，增大反壓壓力，使得更多熔體仍然進行縱向的層流運動補充進型腔，從而使得型腔內(nèi)的熔體變得越密實，并且使得先前因收縮而產(chǎn)生的空隙也得到了補充，保證了厚壁制品的致密性，從而能夠減少厚壁制品的體積收縮率，所以在反壓壓力低于0.135 MPa時，塑件制品的收縮率能夠得到大幅度的降低。但是當反壓壓力繼續(xù)升高，由于先前的反壓壓力已經(jīng)促使熔體基本填滿型腔，補充的熔體量相對之前來說比較少，故厚壁制品收縮率降低幅度趨于平緩。

壓力/MPa:■—0 ●—0.019 ▲—0.045 ▼—0.065◆—0.135 ?—0.192 ?—0.256圖7 反壓注射在不同的保壓時間下對厚壁制品尺寸的影響Fig.7 Effect of counter-pressure injection on the thickness of thick-walled products at different dwell time

2.2 保壓時間

圖7為反壓注射在不同的保壓時間下不同反壓壓力對厚壁制品尺寸收縮率影響效果。從圖中可以看出在，隨著保壓時間的延長，厚壁制品的尺寸收縮率都是先下降然后趨于平緩，逼近厚壁制品的理想尺寸收縮率。保壓時間在3 min之后有拐點，這是因為流道內(nèi)熔體逐漸冷卻，熔體沒有來得及補充熔體收縮留下來的空隙，型腔內(nèi)的熔體沒有被填充的更加密實，從而導致尺寸逐漸趨向穩(wěn)定。對比直接注射(0 N)保壓4 min時與使用反壓注射0.045 MPa保壓2 min厚壁尺寸的大小，可以看出兩者效果基本相同。反壓注射成型厚壁制品能夠明顯減少保壓時間，這是因為在型腔內(nèi)的熔體是在較高壓力下填充的，相對于沒有反壓壓力作用注射成型的厚壁制品，充填到型腔內(nèi)熔體更加密實，從而減少了壓實熔體的保壓時間，而后續(xù)保壓只是針對于熔體的冷卻收縮進行補料，因而最終所需要的保壓時間更短，也能得到收縮率比較小的理想厚壁制品。

2.3 分層效果

圖8為分層反壓注射下內(nèi)外層活塞反壓壓力對厚壁制品尺寸的影響。從圖中曲線可以看出，分層反壓注射仍然能夠得到較好的厚壁制品尺寸的效果。在圖中水平面坐標系中OUTER表示外層反壓壓力，INTER表示內(nèi)層反壓壓力。表示在其他變量相同情況下，對比活塞內(nèi)外層反壓壓力對厚壁制品尺寸的影響，可以看出，厚壁尺寸隨著內(nèi)層反壓壓力的升高而升高，但是外層反壓壓力的影響效果更為顯著。這是由于外層反壓壓力直接影響熔體空隙的填充，穩(wěn)流效果更明顯，而內(nèi)層反壓壓力間接的影響熔體的收縮，只是在外層反壓壓力的影響下基礎上進一步改善了尺寸穩(wěn)定性。相對于直接進行反壓注射，這種分層反壓注射對厚壁制品的影響更為顯著，最終得到厚壁制品尺寸更接近于60 mm的標準。這是因為反壓注射成型厚壁制品是通過活塞將反壓壓力作用在熔體上，在不同層面上熔體的溫度場、剪切場是有所不同的，其物性也是有差異的。相對于整體反壓，分層反壓能更有效的將反壓力作用在不同的截面上，起到了穩(wěn)定充模流動的效果，從而保證不同層面的熔體填充的更加充分，熔體也更加致密，因而其尺寸穩(wěn)定性更高，收縮率更小。

圖8 內(nèi)外層活塞反壓壓力對厚壁制品尺寸的影響Fig.8 Influence of counter-pressure of inner and outer piston on the size of thick-walled products

3 結論

(1)通過采用反壓注射成型厚壁制品，厚壁制品的尺寸隨著反壓壓力的增大而不斷增大，隨后趨于平緩，接近于制品理想尺寸；反壓壓力在0.192 MPa時可以確保厚壁制品尺寸穩(wěn)定性具有較好的效果；

(2)相對于直接注射成型厚壁制品，可以通過反壓注射成型技術，縮短保壓時間，得到同樣尺寸的厚壁制品，這可以為工廠效益的提高提供了新思路；

(3)通過采用分層反壓注射成型厚壁制品，外層反壓壓力改善制品尺寸穩(wěn)定性效果更顯著，而內(nèi)層反壓壓力是在此基礎上進一步優(yōu)化制品尺寸的穩(wěn)定性，從而可以得到尺寸更加穩(wěn)定的厚壁制品。