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尼龍(PA)是一種用量最大、品種最多、開(kāi)發(fā)最早的工程塑料。由于PA具有良好的力學(xué)性能、耐磨性、自潤(rùn)滑性、耐腐蝕性、氣體阻隔性、電絕緣性和成型加工性能,因而被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、電子電氣、紡織、化工、航空、冶金等領(lǐng)域,成為許多行業(yè)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。
但是與金屬相比,PA還存在著強(qiáng)度、剛性較低,因吸水率大而引起的尺寸穩(wěn)定性差等不足。為此,人們用玻璃纖維(GF)、石棉纖維、碳纖維、鈦酸鉀晶須等增強(qiáng)改性PA,在很大程度上彌補(bǔ)了PA性能上的不足。其中以GF增強(qiáng)PA(PA/GF)的應(yīng)用最為普遍。
GF具有提高PA的硬度、密度和剛性,提高熱變形溫度,降低物理力學(xué)性能對(duì)濕度、溫度的依賴(lài)性,降低收縮率,改進(jìn)PA蠕變行為和表觀質(zhì)量等功能。
PA/GF適用于注射成型、擠出成型等多種加工方式。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,PA/GF注射制品常存在翹曲變形缺陷,筆者運(yùn)用MoldflowMPI軟件對(duì)PA66/GF進(jìn)行注射成型模擬分析,提出了減小PA66/GF制品翹曲變形的具體解決方案。
1 PA66/GF的注射成型工藝
1.1 原料的預(yù)處理
PA66熔體對(duì)水很敏感,微量水分就能使PA66發(fā)生水解反應(yīng),使其分子量變小,所以必須嚴(yán)格控制其含水量。PA66允許的含水量不能超過(guò)0.1%,但PA66的吸水性特別強(qiáng),飽和含水量可達(dá)到3%,因此PA66在注射成型前需要進(jìn)行預(yù)熱干燥處理。
PA66的預(yù)熱干燥處理通常是在(85±5)℃的干燥箱內(nèi)干燥6～8h。如果含水量大于0.2%,則建議采用更高的溫度(105℃);由于PA66在高溫下容易發(fā)生氧化變色,所以當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)應(yīng)在真空干燥箱中進(jìn)行預(yù)熱干燥處理。
1.2 PA66/GF的注射工藝條件
PA66/GF的注射工藝條件列于表1
PA66還有一個(gè)突出的特性就是熔點(diǎn)高,加工溫度范圍窄(約10℃左右),因此應(yīng)嚴(yán)格控制注射工藝條件。
2 PA66/GF注射成型制品的翹曲變形
2.1 PA66/GF的注射成型模擬分析
筆者運(yùn)用MoldflowMPI軟件對(duì)PA66/GF進(jìn)行注射成型模擬分析。為使分析結(jié)果直觀,將分析對(duì)象簡(jiǎn)化為圖1所示的平板制品,板厚2.5mm。
材料選用美國(guó)DuPontEngineeringPolymers公司生產(chǎn)的PA66/GF,牌號(hào)為PA66/GF30,GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。
注射成型分析的CAE模型如圖2所示。冷卻水道直徑10mm,水道間距40mm,水道與型腔表面最小距離25mm,進(jìn)水口水溫25℃,雷諾數(shù)10000,直澆口設(shè)在制品中心O點(diǎn)處,注射時(shí)間2.2s,注塑壓力70MPa,總成型周期35s,保壓時(shí)間10s,開(kāi)模取制品時(shí)間5s,保壓壓力56MPa。
制品的翹曲變形結(jié)果列于表2。
注:1)Z軸方向上4個(gè)角點(diǎn)Ai(i=1,2,3,4)的最大翹曲變形量;
2)Z軸方向上邊界線中點(diǎn)Bi(i=1,2,3,4)的最大翹曲變形量;
3)Z軸方向上澆口處的翹曲變形量;4)Z軸方向上的最大相對(duì)翹曲變形量。
從表2可以看出,平板制品注射成型后邊緣向下翹曲,但中點(diǎn)Bi的變形要大于角點(diǎn)Ai;中線B1B3的長(zhǎng)度要小于邊緣線A1A2。這說(shuō)明制品邊緣向下凹的同時(shí)還向內(nèi)收縮,形成一條空間曲線。澆口處向上翹曲變形6.602mm,制品邊界中點(diǎn)Bi向下翹曲變形3.540mm,其相對(duì)翹曲變形量為10.142mm。由此可以看出,PA66/GF30注射成型制品的翹曲變形量非常大。
2.2 產(chǎn)生翹曲變形的原因及改進(jìn)方法
注射成型制品翹曲變形過(guò)大的原因有3條:收縮不均勻、取向不均勻和冷卻不均勻。筆者運(yùn)用MoldflowMPI軟件分析平板制品產(chǎn)生翹曲變形的原因,得到表3所示的結(jié)果。
從表3可以看出,由GF取向不均勻所引起的翹曲變形靈敏度因子是由收縮不均勻所引起的391倍,是冷卻不均勻所引起的2840倍。這說(shuō)明PA66/GF30制品翹曲變形的主要原因是由于GF取向不合理所致。要想從根本上減小制品的翹曲變形,就必須改變現(xiàn)有的GF取向。
改變GF取向主要有優(yōu)化注射工藝參數(shù)、更改制品厚度和改進(jìn)澆口3種方法。
可優(yōu)化的注射工藝參數(shù)包括模具溫度、熔體溫度、保壓方式和冷卻條件等。優(yōu)化注射工藝參數(shù)是一種最經(jīng)濟(jì)、最方便的方法,因?yàn)椴恍枰薷闹破泛湍＞叩慕Y(jié)構(gòu)。
更改制品厚度,往往需要改變制品的設(shè)計(jì)過(guò)程和模具結(jié)構(gòu),并且有些制品在形狀、尺寸上都有嚴(yán)格的要求,厚度不可隨便更改。所以更改制品厚度的方法有一定的局限性。
如果上面兩種方法都不可行或無(wú)法使翹曲變形量減小到所要求的誤差范圍之內(nèi),那么就只有改進(jìn)澆口了。澆口的位置、大小、數(shù)目和類(lèi)型都能影響GF的取向。
如果注射模具已經(jīng)制造完成,這種方法就比較麻煩;但如果在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中就對(duì)制品進(jìn)行注射成型CAE分析,預(yù)測(cè)成型過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種問(wèn)題,那么這種方法同樣十分方便。澆口一旦被更改,則需要重新進(jìn)行充填、冷卻、保壓、翹曲變形等內(nèi)容的模擬計(jì)算。
2.3 減小翹曲變形的具體方案
(1)優(yōu)化注射工藝參數(shù)
保持其它工藝參數(shù)不變,將總成型周期延長(zhǎng)為50s,冷卻水溫由25℃升高到60℃,模具溫度設(shè)定為80℃,保壓方式由傳統(tǒng)的直線保壓方式調(diào)整為曲線保壓方式,優(yōu)化后的保壓曲線如圖3所示。注射工藝參數(shù)優(yōu)化后制品的翹曲變形結(jié)果列于表4。
從表4可看出,注射工藝參數(shù)優(yōu)化后,制品最大相對(duì)翹曲變形量降低,但降幅不大。制品內(nèi)部溫度分布越來(lái)越均勻,最大溫差僅為16.7℃。這說(shuō)明注射工藝參數(shù)設(shè)置已經(jīng)達(dá)到優(yōu)化的目的,但仍不能大幅降低制品的翹曲變形,所以?xún)H靠?jī)?yōu)化工藝參數(shù)的方法來(lái)減小翹曲變形的作用是有限的。
(2)更改制品厚度在注射工藝參數(shù)不變的情況下,通過(guò)改變制品厚度來(lái)分析厚度對(duì)PA66/GF30制品翹曲變形的影響。表5列出不同厚度的平板制品的翹曲變形結(jié)果。
由表5可以看出,當(dāng)制品厚度大于等于4.5mm時(shí),最大相對(duì)翹曲變形量減小到小于等于0.458mm。由此可見(jiàn),通過(guò)增加制品厚度可以有效地減小翹曲變形量,并且效果十分明顯。
隨著制品厚度的增加,制品中線長(zhǎng)度有所增加,制品的最大溫差也急劇降低,當(dāng)制品厚度大于等于4.5mm時(shí),最大溫差已接近或小于10℃,達(dá)到比較理想的結(jié)果,制品內(nèi)部應(yīng)力分布均勻,從而可以保證制品在脫模后不會(huì)出現(xiàn)較大的翹曲變形。
(3)改進(jìn)澆口在其它條件不變情況下,將澆口數(shù)目由1個(gè)增加到4個(gè)。修改后的注射成型分析模型如圖4所示。 重新進(jìn)行模擬計(jì)算,制品翹曲變形結(jié)果列于表6。
由表6可以看出,通過(guò)增加澆口數(shù)目可以使制品的最大相對(duì)翹曲變形量降低到0.12mm。同時(shí),制品的平面尺寸也發(fā)生了較大的變化,如B1B3的長(zhǎng)度變?yōu)?98.9mm,與邊界線A1A2長(zhǎng)度的差僅為0.1mm。
由此可見(jiàn),通過(guò)改進(jìn)澆口可有效地減小制品的翹曲變形。如平面尺寸的變形量大于厚度方向上的翹曲變形量,則可以在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)設(shè)置參考模型的收縮率來(lái)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償,以滿(mǎn)足平面方向上的尺寸精度。
3 結(jié)論
對(duì)于PA66/GF注射成型制品來(lái)說(shuō),GF取向不均勻是產(chǎn)生翹曲變形的主要原因。優(yōu)化注射工藝參數(shù)對(duì)減小制品的翹曲變形有一定作用;增加制品厚度或采用多澆口注射均能使GF取向單一的情況得到明顯改善,從而有效減小制品的翹曲變形。
