王春国

(海湾安全技术有限公司，河北 秦皇岛 066006)

在现代工业生产进程中，注塑品的生产过程和生产工艺在进行不断优化，以实现优良注塑件的生产及降低缺陷率[1]。目前，在注塑生产过程中，较为普遍存在的问题是注塑件由于物料补充不足或者是局部冷却温度不一致导致的表面坍缩、缩痕等问题[2]，尤其在壁厚在15 mm之上的注塑件部位[3]。针对上述问题，国内外的同行业专家进行了大量的研究。陈爱霞[4]针对厚壁注塑件采用了一次注射物料填充后在短时间内进行再次补充注射的方式，以此解决厚壁部位的冷热不均匀和缩孔等缺陷问题，取得了良好的效果。李小林[5]等人对压缩工况下的简单外形体注塑成型过程进行了工艺研究，在厚度达到20 mm以上的超厚壁部位取得了良好的成型效果。由于壁厚均匀性较差和复杂曲面注塑件对压缩条件的适应性较差，因此该种方法暂时不适用于上述条件的注塑件。为了更好的分析注塑件的表面缩痕现象的有关影响因素，针对更多的注塑件取得更强的适应性，本研究的物料填充方式限定为普通注射。在此基础上进行有关参数的影响研究和工艺优化。

1 研究对象

在注塑工业生产中，注塑件体的外形、尺寸、壁厚、材料等有着非常多的选择和组合种类。对于复杂外形和结构的注塑件，往往进行分模设计和多口浇筑，构件分模设计的目的和最终结果往往是构件简化[6～8]。因此，选定外形相对简略的构建模型更容易分析工艺参数对注塑件质量的影响。

为了研究厚壁注塑件在普通注射工艺下表面缩痕等问题，本研究选取了某型模型构件进行建模研究，其外形尺寸为（40×40×20）mm，圆壁壁厚为10 mm。具体如图1所示。选定材料为PP-PPU-1752S2S003。

运用workbench进行网格划分（具体如图1所示），而后导入Moldflow软件中进行模拟仿真计算。

图1 两种壁厚构件示意图

2 选取表面缩痕影响参数

在仿真过程中，采用正交实验方法[9]研究模型注塑成型过程中产生表面缩痕等缺陷的参数影响。根据文献和生产经验我们选择模具温度、注塑流体温度、模具压力保持时间、和冷却时间四个工艺参数进行正交实验分析，对上述四个参数分别进行2个初始参数值的设定，具体如表1所示。本文对于注塑件缩痕缺陷的特征分析指标主要为缩痕部位深度和体积收缩率。选用体积收缩率的原因在于缩痕等缺陷与体积收缩情况有着直接关联。选定的四个参数同两个分析指标的影响比例关系如表2所示。由表2可以看出，除去冷却时间因素外，其余三个参数对于两个特征分析指标的影响因素最高，其中模具压力保持时间的影响最大。

表1 各个参数初始实验值

表2 影响比例关系

3 单个参数影响

根据第2节参数同分析指标间的影响比例关系可知，对于缩痕缺陷和体积收缩率影响最大的参数共有三个。为进一步明确三个参数同分析指标间的影响关系，在本小节采用单一变量法考察三个参数对分析指标的具体影响[10～11]。对于表面缩痕缺陷而言，深度尺寸直接影响整体注塑件的力学性能和外观合规率，因此该值越小越符合注塑件工艺和制作目标。对于体积收缩率而言，主要关注其最值大小情况，原因在于过大的体积收缩率代表了注塑件内部或者厚壁局部的材料填充缺陷等题。

3.1 模具压力保持时间

在此单一因素变量仿真中，主要考察压力保持时间10 s～30 s范围内的两个分析指标的变化关系，具体如图2所示。由图中可以看出，表面缩痕深度与体积收缩率同模具压力保持时间基本呈现反比例的关系。对于缩痕深度而言，可以通过尽量拉长压力保持时间使得其呈现更小值；对于体积收缩率来说，其在20 s后的体积收缩率下降较快，且在35 s后能保持在6%之下。因此在注塑过程中，需要保证最少20 s的压力保持时间，且时间长度超过35 s最好，这要求在注塑过程中防止注塑流道部位的物料过早凝结。

图2 模具压力保持时间与两个分析指标的影响关系

3.2 模具温度

选定模具温度为30～60 ℃，以此考察模具温度同表面缩痕深度与体积收缩率的影响关系。具体如图3所示。由图3可知，在选定的模具温度范围内，表面缩痕深度同模具温度呈现正比关系。在模具温度在40℃后，表面缩痕的上升速度加快明显。体积收缩率同范围内的模具温度虽呈现反比关系，但是整体的体积收缩率在6.5%～6.9%之间，数值相差极小，因此可以忽略此模具温度范围对体积收缩率的影响。考虑到过小的模具温度范围对于实际生产过程的不便影响，因此选定30～35 ℃为适宜温度。

图3 模具温度与两个分析指标的影响关系

3.3 注塑流体温度

选定注塑流体温度范围为220～250 ℃，以此考察注塑流体温度同表面缩痕深度与体积收缩率的影响关系，具体如图4所示。由图4可以看出，在选定的注塑流体温度范围内，缩痕深度与体积收缩率同注塑流体温度均呈现正相关的影响关系。呈现此种关系的原因在于，较高温度的注塑流体的密度降低，收缩能力升高，使得缩痕深度与体积收缩率均升高。在实际生产中，在物料熔点温度的前提下，其温度也不宜过低，原因在于温度过低时，分子内部的力学性能可能不完善，造成局部裂纹、断裂的现象。因此，对于注塑流体温度，选用220 ℃左右最好。

图4 注塑流体温度与两个分析指标的影响关系

3.4 参数优化

通过3.1～3.3的关系分析，我们将模具压力保持时间、模具温度、注塑流体温度分别设定为40 s，30℃，220 ℃进行再次模拟，最终表面缩痕深度为0.589 5 mm，体积收缩率为6.612%，符合生产工艺要求。

4 结论

本研究针对某型注塑件进行建模仿真，利用正交实验方式找出了影响表面缩痕深度的重要因素，即模具压力保持时间、模具温度、注塑流体温度。并通过将上述三个参数设置合理参数范围，考察单一参数变化后的表面缩痕深度和体积收缩率的变动关系，逐一分析了各个参数同表面缩痕深度和体积收缩率变化关系的内在原因。最后根据单一参数变化关系，取定最优参数进行再次仿真，仿真结果符合实际生产的工艺要求，并处在较为优良区间。研究为注塑生产和相关工艺提供了一定参考。