玻璃纖維取向?qū)A66制品強(qiáng)度的影響 doc.doc

火柴天堂塑料舉報(bào)摘要：本文分析了汽車起動(dòng)機(jī)齒輪撥叉強(qiáng)度低而引起斷裂失效的原因，并通過改進(jìn)澆口的位置來優(yōu)化制品內(nèi)部玻璃纖維的取向，從而有效地解決了撥叉因強(qiáng)度低而引起的失效問題PA66是尼龍系列產(chǎn)品中開發(fā)較早、產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的品種之一。PA66因具有良好的力學(xué)性能、耐磨性、自潤(rùn)滑性和成型加工性等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，成為許多行業(yè)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。但是PA66還存在著強(qiáng)度、剛性較低，因吸水率大而引起尺寸穩(wěn)定性差等不足。為此，人們研制了用玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維、鈦金屬晶須等增強(qiáng)改性品種，在很大程度上彌補(bǔ)了尼龍性能的不足。其中以玻璃纖維增強(qiáng)尼龍(PA66/GF)的應(yīng)用最為普遍1。玻璃纖維的強(qiáng)度和楊氏模量比PA66大1020倍，線脹系數(shù)約為PA66的1/20，吸水率為0，因而在PA66樹脂中添加玻璃纖維增強(qiáng)劑，不僅可以保持PA66的優(yōu)點(diǎn)，還可以大幅度提高PA66的力學(xué)性能、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和降低PA66的吸水率。但由于玻璃纖維的長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向尺寸，所以PA66/GF制品在力學(xué)性能和收縮率等方面都表現(xiàn)出較大的各向異性。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于玻璃纖維取向?qū)A66制品力學(xué)性能影響的研究不多。本文中，筆者著重分析汽車起動(dòng)機(jī)齒輪撥叉因強(qiáng)度低而引發(fā)的斷裂失效原因，進(jìn)一步研究玻璃纖維取向?qū)χ破返膹?qiáng)度影響并提出具體的改善措施。1撥叉的失效形式汽車起動(dòng)機(jī)齒輪撥叉如圖1所示。從外形上看，撥叉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。撥叉全長(zhǎng)87.5mm，叉口寬度為40.4mm。叉口與叉柄上部厚度(圖中上、下端面的距離)為15mm，叉柄下部最小厚度為7mm。注射用成型材料為杜邦公司生產(chǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍，牌號(hào)為PA66/GF33。注射澆口最初設(shè)置在制品中部。注射成型設(shè)備選用SY-800I型注射機(jī)。撥叉工作時(shí)，可沿中部的圓柱支撐面旋轉(zhuǎn)。叉柄下端受力后通過叉口撥動(dòng)汽車起動(dòng)齒輪移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)的離合，因而撥叉在圖示水平方向上有較高的強(qiáng)度要求。按設(shè)計(jì)要求，撥叉需承受1900N的外力而不發(fā)生斷裂，如圖2所示。強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備選用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，按QB160 -89(013/1)B進(jìn)行試驗(yàn)。抽樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，共有80%的制品在澆口處，即撥叉中部發(fā)生斷裂。2優(yōu)化成型工藝條件與降低殘余應(yīng)力2.1優(yōu)化撥叉注射成型工藝條件PA66熔體對(duì)水的敏感性很強(qiáng)，微量水分就可以使其發(fā)生水解反應(yīng)，從而使相對(duì)分子質(zhì)量變小，所以必須嚴(yán)格控制其含水量。成型物料在塑化前用電熱烘箱進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為8090，物料厚度小于30mm，每小時(shí)翻料一次，連續(xù)預(yù)熱68h。筆者在分析過程中反復(fù)優(yōu)化注射成型工藝參數(shù)，但并沒有能夠提高制品的強(qiáng)度。很明顯，通過優(yōu)化注射工藝參數(shù)的方法很難達(dá)到改善制品強(qiáng)度的目的。最終確定的注射成型工藝條件見表1。表1 撥叉注射成型工藝條件注射成型工藝條件參 數(shù)料筒溫度 后段/C240270中段/C230260前段/C210240噴嘴溫度/C220240模 溫/C6090注射壓力/MPa1520注射成型總周期/s36452.2 降低制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力在影響塑料制品強(qiáng)度的諸多因素中，有一個(gè)非常重要的因素就是成型過程中在制品內(nèi)部形成的殘余應(yīng)力。注射成型過程中，制品的應(yīng)力有主動(dòng)應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力兩種。其中，誘發(fā)應(yīng)力容易保留在制品內(nèi)部，從而轉(zhuǎn)化為殘余應(yīng)力。誘發(fā)應(yīng)力形成的原因很多：如塑料熔體因變形滯后效應(yīng)在制品中產(chǎn)生的時(shí)效應(yīng)力；制品在冷卻過程中因溫差或收縮不均勻引起的應(yīng)力；末端效應(yīng)引起的彈性應(yīng)力；制品脫模時(shí)因型腔壓力與外界壓力的差值引起的應(yīng)力以及制品受外力作用產(chǎn)生的應(yīng)力等。降低殘余應(yīng)力對(duì)制品強(qiáng)度的影響可以在制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和注射工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)進(jìn)行考慮，也可以進(jìn)行后處理。這里主要是采用后處理的方法來降低制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力。常用的后處理方法有退火和調(diào)濕兩種。退火的具體方法是將制品放入90100的水中煮5060 min后斷開電源，隨水冷卻至室溫取出。調(diào)濕處理的具體方法是在退火后將制品放入FN101電熱箱中加熱到110烘烤89h。但是，經(jīng)后處理后的制品仍然有65%不能通過強(qiáng)度測(cè)試。由此可見，殘余應(yīng)力并不是導(dǎo)致制品斷裂失效的主要原因。所以要想從根本上解決撥叉強(qiáng)度失效問題，還要從玻璃纖維在制品內(nèi)部的取向入手。3 玻璃纖維取向?qū)χ破窂?qiáng)度的影響3.1失效制品的玻璃纖維取向分析雖然玻璃纖維提高了PA66的力學(xué)性能，但是實(shí)際上玻璃纖維對(duì)PA66力學(xué)性能的提高與收縮一樣是不均勻，具有一定的方向性，即所謂的各向異性。當(dāng)聚合物大分子及其鏈段在制品內(nèi)部呈現(xiàn)有序排列時(shí)，在制品內(nèi)部就形成了一定的取向。制品在平行于取向方向上的力學(xué)性能顯著增加，而在垂直于取向方向的力學(xué)性能顯著下降。如在一般成型溫度下得到的注射制品，平行于分子取向上的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別是垂直于取向方向上的12.9倍和110倍2。由于玻璃纖維在長(zhǎng)度上遠(yuǎn)大于PA66的分子鏈，機(jī)械性能也遠(yuǎn)高于PA66，所以玻璃纖維的取向必將對(duì)制品力學(xué)性能的各向異性產(chǎn)生更大的影響。以彈性模量為例，PA66的彈性模量為2690MPa， PA66/GF33在垂直于玻璃纖維取向彈性模量為5441.69 MPa，而在平行玻璃纖維取向上的彈性模量為9249.89MPa，是未添加玻璃纖維時(shí)的3.44倍，是垂直玻璃纖維取向的1.70倍。圖3是利用注射模CAE軟件Moldflow根據(jù)撥叉注射模具的具體結(jié)構(gòu)與表1中的主要成型工藝條件模擬計(jì)算的制品玻璃纖維取向圖。從圖中可以看出，在澆口下方一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)玻璃纖維基本上沿著豎直方向分布，而在其它大部分區(qū)域，玻璃纖維則沿水平方向分布。當(dāng)撥叉承受豎直方向的壓力時(shí)，撥叉上層受壓、下層受拉。澆口附近區(qū)域內(nèi)的力的作用方向均垂直于玻璃纖維的取向，強(qiáng)度較弱，因而容易出現(xiàn)斷裂。3.2 澆口的改進(jìn)為了提高制品的強(qiáng)度，必須對(duì)玻璃纖維取向進(jìn)行改善。改變玻璃纖維取向的方法主要有下面三種：優(yōu)化注射工藝參數(shù)、更改制品厚度和改進(jìn)澆口3。第一種方法，筆者已經(jīng)進(jìn)行過多次實(shí)驗(yàn)，并沒有得到明顯的結(jié)果。由于撥叉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚較大，即使是改變其厚度尺寸，也不能改變制品內(nèi)部玻璃纖維的取向。由此可見，采用前面兩種方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，故只能通過改進(jìn)澆口的位置來達(dá)到改善玻璃纖維取向的目的。澆口原來的位置設(shè)在制品中部，由于叉口敞開，不便設(shè)置澆口，因此最后將澆口設(shè)置在叉柄的末端。注射成型工藝條件不變，仍然采用表1中的注射工藝參數(shù)進(jìn)行注射成型。圖4為澆口改進(jìn)后根據(jù)Moldflow分析計(jì)算得到的制品玻璃纖維分布結(jié)果。不難看出，澆口改進(jìn)后的制品內(nèi)部玻璃纖維取向單一，消除了原來制品中部玻璃纖維沿豎直方向分布的情況，從而也就在制品中部消除了強(qiáng)度較弱的區(qū)域。抽樣檢測(cè)澆口改進(jìn)后的注射制品，強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果100%合格。4 結(jié)論雖然玻璃纖維可以大大增強(qiáng)PA66制品的機(jī)械性能，但同時(shí)玻璃纖維的取向也有可能進(jìn)一步增加制品的各向異性，使制品在收縮和力學(xué)性能上出現(xiàn)較大的方向性差異，從而增加了廢品率。因此，在設(shè)計(jì)注射模具時(shí)，一定要結(jié)合制品的具體結(jié)構(gòu)、工作