外部氣體輔助注射成型制品加強(qiáng)筋表面凹痕實(shí)驗(yàn)分析

1、.外部氣體輔助注射成型制品加強(qiáng)筋表面凹痕實(shí)驗(yàn)分析肖清武，柳和生 ，黃益賓，余 忠1. XX大學(xué)聚合物成型研究室XX師X學(xué)院，XX省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摘 要：通過外部氣體輔助注射成型（）工藝對(duì)不同加強(qiáng)筋所造成的平板表面凹痕深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。單因素實(shí)驗(yàn)揭示了模具溫度、熔體溫度、注氣延遲時(shí)間、注氣壓力及注氣保壓時(shí)間對(duì)不同加強(qiáng)筋制品表面凹痕具有不同程度的影響；正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注氣延遲時(shí)間與注氣壓力是影響制品表面凹痕的主要因素；在工藝參數(shù)最佳化的 中，與制品厚度比高達(dá)的加強(qiáng)筋造成的凹痕深度（）小于傳統(tǒng)注塑成型中比值為所造成的凹痕深度（），表明 優(yōu)化工藝能有效改善較大厚度加強(qiáng)筋所造成的表面凹痕、提高制品

2、設(shè)計(jì)自由度。關(guān) 鍵 詞：外部氣體輔助注射成型；凹痕；加強(qiáng)筋；正交實(shí)驗(yàn)前言隨著人們對(duì)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（）可以滿足人們對(duì)于制品的要求。 是相對(duì)內(nèi)部氣體輔助注塑成型（）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， 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（），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、

3、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。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， 中加強(qiáng)筋的厚度與平板厚 度 的 比 值 通 常設(shè)置為。目前，對(duì)于 與 制品表面 凹 痕 的 形 成 和 消 除 已 有 比 較 成 熟 的 研 究， 等設(shè) 置 帶 不 同 加 強(qiáng) 筋 的 平 板，實(shí) 驗(yàn) 證 明 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 等探 討 了 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

4、加強(qiáng)筋所造成的凹痕的研究 罕 見 報(bào) 道，對(duì) 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）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) 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) 制品與 制品進(jìn)行比較分析。 實(shí)驗(yàn)部分 主要原料丙 烯 腈 丁 二 烯 苯 乙 烯 共 聚 物 （），熔體 流 動(dòng) 速 率（）為，收縮率為 ，密度 為，中 國 臺(tái) 灣 奇 美 實(shí) 業(yè) 股 份有 限 公 司。 主要設(shè)備及儀器注塑機(jī)，XX金星塑料機(jī)

5、械XX；表面粗糙度及輪廓測(cè)量?jī)x，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，中拓機(jī)械XX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)、寬、厚（），帶個(gè)不同壁厚的加強(qiáng)筋（分別為， ， ， ，），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、寬為，如圖所示，以 與 位置的表面質(zhì)量作為分析對(duì)象。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 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)、 加強(qiáng)筋所造成的表面凹痕深度進(jìn)行分析比較。 模

6、具溫度的影響由圖可知，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 時(shí)，種不同厚度的加強(qiáng)筋造成的表面凹痕深度在，加強(qiáng)筋厚度 以 下 所 造 成 的 表 面 凹 痕 深 度 可 減 少 至以下；而當(dāng)模溫 從 升至 時(shí)，制品 表 面（特別是加強(qiáng)筋與產(chǎn)品厚度比為以下所對(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

7、 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。 熔體溫度的影響從圖可以看出，熔體溫度從提高到 時(shí)，制品表面凹痕深度并沒有太大的變化，加強(qiáng)筋厚度 以下 對(duì) 應(yīng) 的 表 面 凹 痕 深 度 區(qū) 間 在 ，與 厚度加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕深度區(qū)間在。當(dāng)溫度提高至 時(shí)，制品表面凹痕深度都有不同程度的增大， 加強(qiáng)筋造成表面凹痕深度增加趨勢(shì)較為明顯，增加。主要是因?yàn)椴煌瑴囟鹊母邷?熔 體 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

8、 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。 注氣延遲時(shí)間的影響注氣延遲時(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)間從延長(zhǎng)至，各加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕沒有明顯變化，當(dāng)氣體從延長(zhǎng)至和時(shí)，各加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的表面凹痕深度增 加 都 較 大。 加強(qiáng) 筋 對(duì) 應(yīng) 的 表 面 凹 痕深度，相對(duì) 于 時(shí) 的 深 度，延 遲 時(shí) 凹 痕 加 深，延遲時(shí)則加深。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?成 一 定 厚 度 的 冷 凝 層，隨 著 注

9、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 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)。 注氣保壓壓力的影響如圖所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可知，當(dāng)注氣保壓壓力低于時(shí)，氣體 保 壓 效 果 明 顯 不 足，當(dāng) 從 增加到，制品 表 面 凹 痕 深 度 都 有 明 顯 的 減 小 趨勢(shì)，分別

10、從 減少 到；當(dāng)氣體壓力繼續(xù)增加到 時(shí)，加強(qiáng)筋厚度為 至 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、）的加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的凹痕還有一定的改善作用。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 氣體保壓階段， 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。 注氣保壓時(shí)間的影響由圖可知，當(dāng)

11、注氣保壓時(shí)間為時(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及以上的加強(qiáng)筋所造成的表面凹痕深度達(dá)到 以上， 達(dá)到；當(dāng)注氣保壓時(shí)間增加到時(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 為的加 強(qiáng)筋所造成的表面收縮凹痕深度大幅減低至；繼續(xù)增加氣體保壓時(shí)間至?xí)r，氣壓將推擠熔體繼續(xù)降低更大厚度（如 、）的加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的凹痕，但對(duì)于加強(qiáng)筋厚度為 至 所造成的凹痕卻沒有明顯的改善。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

12、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。 表面凹痕深度的正交實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 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)因素安排個(gè)水平

13、，具 體 設(shè) 置 如 表所 示。由因 素水平，選取 （）正交表，以制品表面凹痕深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。基于正 交 矩 陣 對(duì) 制 品 進(jìn) 行 實(shí)驗(yàn)，并 考察厚度為 加強(qiáng)筋造成表面凹痕深度變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表所示。由表中的極差分析結(jié)果可以看出，影 響 制 品 表面凹痕深度 的 因 素 主 次 順 序 為 ，結(jié)合 其 因 素 水平效應(yīng)曲線（圖所 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 時(shí)要 求

14、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)合表與圖可得到 最佳工藝參數(shù)組合是 。 與 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 中最佳工藝參數(shù)為 ，即 模 具 溫 度 、注 氣 延 遲 時(shí) 間、注氣壓力、注氣保壓時(shí)間，熔體溫度選取 。采用優(yōu) 化 的 工 藝 參 數(shù) 組 合 進(jìn) 行 實(shí)驗(yàn)，并與 實(shí)驗(yàn)制品的表面凹痕深度進(jìn)行對(duì)比。由圖可知，采用最佳化工藝參數(shù)的 實(shí)驗(yàn)制品的表面凹痕深度大幅減小，厚度為 加強(qiáng)筋所造成的凹痕深度值為，小于 制品 加強(qiáng)筋所對(duì)應(yīng)的凹痕深度（ ），表明 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。圖展示了 與 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) 實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)平滑的制品表面，而 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。 結(jié)論（）隨著 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