萬旭光，張亞軍，金志明

(北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029)

0 前言

注射成型是塑料成型加工中較為重要的方法。模腔壓力反映的是熔料充填過程及充滿后作用于模腔內(nèi)壁的壓力[1]。產(chǎn)品品質(zhì)可以通過模腔壓力曲線綜合反映，模腔壓力曲線可以明顯表明產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣[2]。而模腔壓力又與各種成型工藝參數(shù)密切相關(guān)[3]，所以注射成型通過控制模腔壓力曲線來控制工藝參數(shù)能夠達到良好的效果[4]。邱斌等[5]利用模腔壓力曲線研究了保壓曲線對制品表面品質(zhì)的影響；馬國臻等[6]研究了模腔壓力曲線與制品品質(zhì)之間的關(guān)系；謝北萍等[7]研究了模腔壓力曲線和塑料制品殘余應(yīng)力之間的關(guān)系；張珉等[8]利用模腔壓力曲線研究了微注塑制品的品質(zhì)；Kurt等[9]利用模腔壓力曲線研究了模腔壓力和制品收縮率的關(guān)系。Huang[10]利用模腔壓力曲線預(yù)測了注塑轉(zhuǎn)換點，保證了制品品質(zhì)。

熔體注射到模腔后，熔體在模腔內(nèi)必然會產(chǎn)生壓力分布不均，這樣會產(chǎn)生不均勻的制品品質(zhì)，包括取向、應(yīng)力和厚度等。所以在保壓和冷卻過程中需要使制品的每個部分盡可能經(jīng)歷相同條件，使模腔內(nèi)熔體壓力分布均勻[11]。因此，研究者普遍認為均勻的模腔壓力分布有利于制品品質(zhì)。本文分別通過Moldflow模擬分析和實驗對模腔壓力曲線進行研究分析，利用模腔內(nèi)各點的模腔壓力曲線重合率表征模腔壓力分布。實驗通過壓力傳感器對模腔壓力曲線進行采集，研究模具溫度、熔體溫度和保壓壓力對模腔內(nèi)壓力分布的影響規(guī)律。進而研究了模具模腔內(nèi)不同點的壓力分布和制品品質(zhì)之間的關(guān)系。研究表明，模具溫度、熔體溫度、保壓壓力參數(shù)對于模腔壓力曲線重合率有一定規(guī)律的變化影響。各點壓力曲線越接近，制品的品質(zhì)均一性越好。

1 模擬分析

在Solidworks軟件中建立實體模型，將制品文件轉(zhuǎn)換為STL格式導(dǎo)入Mlodflow軟件。對實體模型進行3D網(wǎng)格劃分。實體模型的網(wǎng)格劃分塑件如圖1所示，材料為聚丙烯(PP)。通過設(shè)定不同的模具溫度、熔體溫度和保壓壓力的參數(shù)來對整個注射成型過程進行模擬分析，以模擬出來的模腔壓力曲線重合率為研究對象，通過模擬得到制品的翹曲變形來表征制品品質(zhì)。得到的模腔內(nèi)部壓力曲線的三點位置如圖2所示，后文中各圖的A、B、C均為圖2中模腔三點位置的模腔壓力曲線。

圖1 制品網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model of the product

圖2 模腔壓力曲線的3點位置Fig.2 Position of CPC at three points

2 模擬結(jié)果分析

2.1 模具溫度對模腔壓力模擬曲線重合率的影響

設(shè)定熔體溫度為250 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變模具溫度分別為30、40、50 ℃。模腔壓力曲線模擬結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內(nèi)，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越高，模腔各點壓力越接近。

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃：(a)30 (b)40 (c)50圖3 不同模具溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.3 Cavity pressure simulation curves at different mold temperature

2.2 熔體溫度對模腔壓力模擬曲線重合率的影響

設(shè)定模具溫度為30 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變?nèi)垠w溫度分別為210、220、230 ℃。模腔壓力曲線模擬結(jié)果如圖4所示。可以看出，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內(nèi)，隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越低，模腔內(nèi)各點壓力相差越大。

■—A ●—B ▲—C熔體溫度/℃：(a)210 (b)220 (c)230圖4 不同熔體溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.4 Cavity pressure simulation curves at different melt temperature

2.3 保壓壓力對模腔壓力模擬曲線重合率的影響

設(shè)定模具溫度為50 ℃和熔體溫度為250 ℃，只改變保壓壓力分別為8、 10、 12 MPa。 模腔壓力曲線模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內(nèi)，隨著保壓壓力的升高，模腔壓力曲線重合率越高，模腔各點壓力越接近。

■—A ●—B ▲—C保壓壓力/MPa：(a)8 (b)10 (c)12圖5 不同保壓壓力下的模腔壓力模擬曲線Fig.5 Cavity pressure simulation curves at different holding pressure

2.4 模腔壓力模擬曲線重合率與制品翹曲變形的關(guān)系

通過設(shè)定不同的工藝參數(shù)得到的模腔壓力曲線分別分為兩大組，每組里面分別有編號的模腔壓力曲線及其對應(yīng)的工藝條件和C點的翹曲變形量。分別從表1和圖6，表2和圖7中可以明顯看出，3組實驗的模腔壓力曲線的重合率依次遞減，得到的翹曲變形依次在增大。

表2 不同熔體溫度下對應(yīng)的翹曲變形

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃，熔體溫度/℃：(a)30,210 (b)30,220 (c)40,230圖6 不同模具溫度、熔體溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.6 Cavity pressure simulation curves at different mold temperature and melt temperature

■—A ●—B ▲—C熔體溫度/℃：(a)210 (b)230 (c)250圖7 不同熔體溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.7 Cavity pressure simulation curves at different melt temperature

3 實驗部分

3.1 主要原料

PP，E02ES，D901C，中國石油化工股份有限公司。

3.2 主要設(shè)備及儀器

臥式注塑機，SA900，海天注塑機有限公司；

游標卡尺，0～150 mm，桂林量具刃具廠；

模腔溫度壓力傳感器，6190A，瑞士Kistler公司。

3.3 實驗設(shè)計

本實驗首先使用自主設(shè)計的模腔模板進行制品注塑，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到模腔內(nèi)3點的壓力曲線，模腔模板結(jié)構(gòu)如圖2所示。制品形狀為長方體，尺寸為87 mm×55 mm×4 mm。通過實驗得到的圖像和數(shù)據(jù)進行比較。對于得到的模腔壓力曲線，取橫坐標相同的時間點t1=1.03 s、t2=3.14 s、t3=6.44 s、t4=14.44 s、t5=22.44 s，A、B、C三點模腔壓力曲線所對應(yīng)的點為At1～At5、Bt1～Bt5、Ct1～Ct5。同一工藝參數(shù)下，模腔壓力曲線重合率的計算方法如式(1)、(2)所示，求得的S數(shù)值越大，說明模腔壓力曲線重合率越好。通過改變模具溫度、熔體溫度和保壓壓力，對比模腔內(nèi)三點的壓力曲線重合率的變化。

Δtn=max(Atn,Btn,Ctn)-min(Atn,Btn,Ctn)

(1)

(2)

式中 Atn——A點模腔壓力曲線時間t所對應(yīng)的點

Btn——B點模腔壓力曲線時間t所對應(yīng)的點

Ctn——C點模腔壓力曲線時間t所對應(yīng)的點

n——1、2、3、4、5

3.4 翹曲變形測定方法

本次實驗將制品固定于測量基臺，使用游標卡尺測量出高度最大值H，并用記號筆標出位置，再測量出該處平板厚度d，平板翹曲變形h=H-d，原理如圖8所示。分別測量每種工藝參數(shù)下的3個制品，取3次測量結(jié)果的平均值作為該工藝下的翹曲變形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精確到0.02 mm。為減小其他因素對制品翹曲變形的影響，所有制品靜置于常溫下4 h后再進行測量。

圖8 測量原理Fig.8 Measuring principle

4 結(jié)果與討論

4.1 模具溫度對模腔壓力曲線重合率的影響

設(shè)定熔體溫度為230 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變模具溫度分別為30、40、50 ℃。實驗結(jié)果如圖9所示。由圖9和表3可知，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線越接近，模腔壓力曲線重合度越高。模具溫度的升高使熔體冷卻減慢，減少模腔內(nèi)冷凝層的生成，使熔體流動具有更大的橫截面積，阻力的減小易于熔融材料流動，更易于充滿模腔，使模腔壓力分布更為均勻。因此，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內(nèi)，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線的重合率越高，模腔各點壓力越接近。

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃:(a) 30 (b) 40 (c)50圖9 不同模具溫度下的模腔壓力曲線Fig.9 Cavity pressure curves at different mold temperature

表3 不同模具溫度對應(yīng)的曲線差方和

4.2 熔體溫度對模腔壓力曲線重合率的影響

設(shè)定模具溫度為30 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變?nèi)垠w溫度分別為210、220、230 ℃。實驗結(jié)果如圖10所示。由圖10和表4可知，隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線重合度越低。在注射過程中注射壓力與熔體溫度是相互制約的。熔體溫度升高，注射壓力勢必減小。這就會導(dǎo)致熔體進入模腔的壓力減小，不利于快速充滿模腔，不利于模腔壓力分布均勻。因此，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內(nèi)，隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越低，模腔各點的壓力相差越大。

表4 不同熔體溫度對應(yīng)的曲線差方和

■—A ●—B ▲—C熔體溫度/℃:(a)210 (b)220 (c)230圖10 不同熔體溫度下的模腔壓力曲線Fig.10 Cavity pressure curves at different melt temperature

■—A ●—B ▲—C保壓壓力/MPa：(a)8 (b)10 (c)12圖11 不同保壓壓力下的模腔壓力曲線Fig.11 Cavity pressure curves at different holding pressure

4.3 保壓壓力對模腔壓力曲線重合率的影響

設(shè)定模具溫度為50 ℃和熔體溫度為230 ℃，只改變保壓壓力分別為8、10、12 MPa。實驗結(jié)果如圖11所示。由圖11和表5可知，隨著保壓壓力的增大，模腔壓力曲線重合度越高。保壓壓力增大，更有助于模腔內(nèi)部壓力的穩(wěn)定，使模腔壓力分布更為均勻。因此，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內(nèi)，隨著保壓壓力的升高，模腔壓力曲線的重合率越高，模腔各點壓力越接近。

表5 不同保壓壓力對應(yīng)的曲線差方和

4.4 模腔壓力曲線重合率與制品翹曲變形的關(guān)系

由圖12和表6可知，通過對比3組實驗數(shù)據(jù)，3組實驗的模腔壓力曲線的重合率依次遞增，得到的翹曲變形量依次減小。模腔壓力曲線的重合率越高，說明模腔壓力分布的越均勻，這樣會使制品品質(zhì)的均勻性更好。翹曲變形很大一部分是因為注塑件各處具有不均勻的壓力和溫度，導(dǎo)致注塑件收縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。所以在保證注塑件各處溫度相同時，使模腔壓力分布更均勻，進而使注塑件各處壓力接近，促使注塑件各處收縮相同，減小內(nèi)應(yīng)力，減小翹曲變形量，得到更好品質(zhì)的制品。

表6 不同模具溫度、熔體溫度下對應(yīng)的翹曲變形

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃，熔體溫度/℃：(a)30，230 (b)30,220 (c)50,230圖12 不同模具溫度、熔體溫度下的模腔壓力曲線Fig.12 Cavity pressure curves at different mold temperature

5 結(jié)論

(1)模腔壓力曲線重合率可以表征制品品質(zhì)的均一性；模腔壓力分布越均勻，模腔壓力曲線的重合率越高，制品的翹曲變形越小；

(2)在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理參數(shù)范圍內(nèi)，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越高，模腔壓力分布越均勻；隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線的重合率越低，模腔壓力分布越不均勻；隨著保壓壓力的升高，模腔壓力的曲線重合率越高，模腔壓力分布越均勻。