張志強(qiáng)，張鵬飛，劉 義，吳世見

（四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610065）

0 前言

塑料制件作為精密零件在不同領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，除了給塑料新材料開發(fā)、模塑成型工藝提出挑戰(zhàn)外，尤其給注塑模具的型腔設(shè)計(jì)帶來了新問題。塑料制件的精密注射成型，多采用高壓或超高壓成型[1]。塑料熔體注入模具型腔，型腔側(cè)壁在熔體高壓作用下，可能因強(qiáng)度不夠或剛度不足而發(fā)生破壞或過大形變。目前采用常規(guī)計(jì)算型腔壁厚的方法即通過強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算確定型腔壁厚[2]，在高壓條件下或制品精度要求較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)型腔壁過厚，造成模具笨重，并且單純的力學(xué)計(jì)算，并沒有把制品精度考慮進(jìn)去。本文考慮充模壓力對充模流速及熔體比容的影響，解釋了精密模塑使用高壓成型的原因，并且利用制品原材料的壓力-體積-溫度（P-V-T）特性，結(jié)合型腔彈性變形與制品尺寸精度的相關(guān)性，提出一種新的型腔設(shè)計(jì)方法。

1 精密模塑高壓成型原因

對于不同塑料品種、制件形狀及尺寸，精密注射成型所需的壓力多為180～250 MPa（普通注塑所用的充模壓力一般為40～200 MPa），某些情況下會(huì)更高一些，有的高達(dá)450 MPa[1]。其原因是充模速率受制于注射壓力，而且保壓壓力直接影響熔體的比容。注射與保壓過程中均有熔體進(jìn)入模腔，所以這里將注射與保壓都?xì)w屬充模。

1.1 注射壓力對充模速率的影響

在注射過程中，塑料熔體會(huì)發(fā)生所謂的“噴泉流”[3]。發(fā)生噴泉流時(shí)，先流入模腔的熔體滯留在模腔壁上的會(huì)凍結(jié)，在這之后流入模腔的熔體通過該凍結(jié)層向前流動(dòng)形成流動(dòng)前沿，如圖1所示。

如果充模速率較慢，隨著注射時(shí)間的增加，凍結(jié)層厚度逐漸加大，有可能導(dǎo)致熔體流滯、發(fā)生短射，特別是對于薄壁制品，因此，需要提高充模速率。在注射階段，澆口處熔體壓力值始終最高，熔體前沿處的壓力為零。熔體在模腔狹縫中流動(dòng)，壓力降（ΔP）與體積流率（Q）（充模速率與相應(yīng)位置截面面積的乘積）的關(guān)系如式（1）[3]所示：

圖1 注塑過程中塑料熔體流動(dòng)示意圖Fig.1 Diagram of plastic melt flow duringinjection period

式中 ΔP:壓力降，MPa

l:狹縫長度，mm

η:熔體黏度，Pa·s

h:狹縫高度，mm

w:狹縫寬度，mm

Q:體積流率，mm3/s

所以，為獲得較高的充模速率，就需要高的注射壓力。對于薄壁制品，則需更大注射壓力。

1.2 保壓壓力對熔體比容的影響

模腔剛被充滿后，大部分塑料熔體不再流動(dòng)，塑料熔體的體積會(huì)因冷卻降溫而減小。此時(shí)熔體溫度如果允許降低至室溫，則因溫度降低而導(dǎo)致的體積收縮會(huì)導(dǎo)致制品出現(xiàn)外觀和功能上的缺陷，所以，需要在熔體冷卻收縮的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)保壓補(bǔ)縮，以改善因收縮導(dǎo)致的制品質(zhì)量缺陷或提高制品尺寸精度，并且，由于塑料熔體具有自由體積，給熔體施加壓力也會(huì)使其密實(shí)，直接體現(xiàn)在熔體比容受控于熔體壓力、溫度，因而保壓壓力的大小或波動(dòng)會(huì)直接影響收縮的波動(dòng)。

從圖2無定形塑料丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）的P-V-T 曲線，以及圖3半結(jié)晶塑料聚丙烯（PP）的P-V-T曲線可以看出，最終制品的尺寸受控于塑料熔體的溫度及其壓力的變化。

圖2 ABS的P-V-T 曲線Fig.2 P-V-T diagram of ABS

圖3 PP的P-V-T 曲線Fig.3 P-V-T diagram of PP

由圖2可確定ABS在不同溫度下的壓縮效果。在250℃加工溫度下，材料的比容從大氣壓力下的約1.037 cm3/g降低至200 MPa下的0.925 cm3/g。在壓力的作用下，材料的體積變化量為10.8%。

由圖3可確定PP在不同溫度下的壓縮效果，在240℃加工溫度下，材料的比容從大氣壓力下的約1.305 cm3/g降低至200 MPa下的1.125 cm3/g。在壓力的作用下，材料的體積變化量為13.8%。

由此可以得出，高保壓狀態(tài)下可以降低熔體比容，即增加了熔體的密實(shí)程度，進(jìn)而可以改善制品在冷卻過程中由于體積收縮產(chǎn)生的外觀和功能上的缺陷，這就是采用高壓模塑實(shí)現(xiàn)精密成型的機(jī)理。

然而，在模具型腔設(shè)計(jì)方面，高壓模塑與制品的高精度要求給模具設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。型腔在熔體高壓作用下，可能會(huì)因強(qiáng)度或剛度的不足發(fā)生破壞或產(chǎn)生過大變形，這些因素與制品精度的關(guān)系如何，需要進(jìn)一步分析并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2 高壓充模下型腔設(shè)計(jì)分析

以常用的普通組合式圓形型腔進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，如圖4所示。目前通常采用的計(jì)算型腔壁厚的方法是根據(jù)強(qiáng)度條件和剛度條件分別計(jì)算出型腔壁厚，然后取較大值作為型腔壁厚的參考值。但是，對于高壓充模，制品精度要求較高時(shí)會(huì)造成型腔壁過厚，致使模具過于笨重，并且增加模具制造成本。

圖4 普通組合式圓形型腔Fig.4 Ordinary combined type of circular cavity

2.1 采用常規(guī)方法計(jì)算型腔壁厚[2]

注射成型外半徑為22.5 mm，內(nèi)半徑為17.5 mm，高為30 mm的圓筒狀制品，可知型腔內(nèi)半徑（r）為22.5 mm，并要求允許變形量（δ）為0.030 mm，型腔材料采用3Cr2Mo塑料模具鋼，許用應(yīng)力[σ]為468 MPa，彈性模量（E）為2.1×105MPa，泊松比（μ）為0.288，熔體壓力（P）為200 MPa。

（1）強(qiáng)度計(jì)算：按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，其計(jì)算公式為：

得型腔壁厚為：36.53 mm。

（2）剛度計(jì)算：

得型腔壁厚為：75.21 mm。

用這種方法計(jì)算，所確定的型腔壁厚要＞75.21 mm才能滿足要求。

采用同樣方法計(jì)算，如果型腔允許變形量做微小變化，所確定型腔厚度將會(huì)變化很大，如表1所示。

表1 型腔允許變形量與型腔壁厚的關(guān)系Tab.1relationship between allowed deformation and thickness of cavity

2.2 型腔變形與制品精度的聯(lián)合設(shè)計(jì)

常規(guī)方法計(jì)算型腔尺寸時(shí)，型腔變形與制品精度沒有直接關(guān)聯(lián)。從上述計(jì)算結(jié)果看，型腔壁太厚，增加了模具的制造成本。在給定的保壓壓力下，從保壓結(jié)束時(shí)熔體溫度冷卻到制品脫模溫度（按室溫計(jì)算），如果該冷卻過程的溫度變化導(dǎo)致制品收縮導(dǎo)致的半徑減量與在保壓壓力作用下型腔變形導(dǎo)致的半徑增量相等，則可實(shí)現(xiàn)制品的高精度控制成型。由此提出利用型腔變形與制品精度聯(lián)合設(shè)計(jì)的新方法，設(shè)計(jì)時(shí)暫不考慮由于高模次注塑造成的型腔疲勞，具體的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

下面以典型的非結(jié)晶材料ABS為例，計(jì)算高壓模塑成型所需的型腔壁厚及所需保壓壓力范圍。

用ABS注射成型外半徑rw為22.5 mm，內(nèi)半徑rn為17.5 mm，高L為30 mm的圓筒狀制品，型腔材料為3Cr2Mo，其許用應(yīng)力[σ]為468 MPa，泊松比μ為0.288，彈性模量E 為2.1×105MPa，注射壓力為200 MPa，室溫Tr＝25℃，脫模時(shí)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，如圖6所示。

圖5 設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Design flow chart

圖6 模腔變形示意圖Fig.6 Schematic of cavity deformation

（1）由式（2）計(jì)算出型腔壁厚≥36.53 mm，取型腔壁厚為40 mm，得型腔外半徑R＝62.5 mm；

（2）根據(jù)ABS的熔融范圍217～237℃，取保壓結(jié)束時(shí)熔體的溫度Tp為225℃；

（3）選取保壓壓力Pp為165 MPa，由ABS的P-VT關(guān)系可得，此時(shí)熔體的比容為0.9299 cm3/g；

（4）在165 MPa的保壓壓力下由式（4）、（5）[4]可得型腔內(nèi)徑變化量Δ1為2.799×10-2mm，保壓壓力小于鋼材的許用應(yīng)力，型腔變形為彈性變形。

（5）在保壓狀態(tài)下制品外半徑r1＝r＋Δ1＝22.52799 mm；體 積 V1＝ π （r21-r2n） ＝18958.7656 mm3；質(zhì)量m1＝20387.9617 mg。

（6）根據(jù)材料的P-V-T 關(guān)系，在25℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，ABS的比容為0.9240 cm3/g，計(jì)算出冷卻至室溫下制品的體積V0＝18838.4766 mm3，制品外半徑r0＝22.4996 mm。

（7）制品的半徑變化量 Δ0＝r1-r0＝2.835×10-2mm，且Δ0-Δ1≈0.36μm，制品能順利脫模。

當(dāng)保壓壓力為162 MPa時(shí)，Δ0-Δ1≈5.8μm。經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算得出該高壓精密模塑成型所需保壓壓力范圍為162～165 MPa，壓力范圍符合精密模塑工程實(shí)際，并且通過調(diào)節(jié)注塑機(jī)能夠使保壓壓力控制在該范圍內(nèi)。在此保壓壓力范圍內(nèi)制品精度能控制在6μm以內(nèi)。

取表1中用常規(guī)方法計(jì)算所得型腔壁厚，當(dāng)壁厚為105 mm，保壓壓力為162 MPa時(shí)，Δ0-Δ1≈10.0μm＞5.8μm；保壓壓力為165 MPa時(shí)，Δ0-Δ1≈4.4μm＞0.36μm?？傻?，增加型腔壁厚并不一定能夠提高制品精度。

3 結(jié)論

（1）對于精密模塑，需要高壓成型，而針對高壓模塑型腔設(shè)計(jì)，型腔壁厚的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果富裕量太大，宜將型腔彈性變形大小與制品精度聯(lián)合計(jì)算，將力學(xué)設(shè)計(jì)與制品精度關(guān)聯(lián)的型腔尺寸設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)；

（2）高壓精密模塑時(shí)，需嚴(yán)格控制保壓壓力的大小及波動(dòng)范圍，并且增加壁厚并不一定能夠提高制品精度。

[1]洪慎章.精密注塑成型與模具設(shè)計(jì)的因素[J].模具技術(shù)，2005，（4）：24-26.Hong Shenzhang.Elements of Precision Plastic Molding and Mold Design[J].Die and Mould Technology，2005，（4）：24-26.

[2]申開智.注塑成型模具[M].第三版.北京：中國輕工業(yè)出版社，2013：130-134.

[3]Beaumont John P，Nagelr L，Shermanr.Successfulinjection Molding：Process，Design，and Simulation[M].Cincinnati：Hanser Gardner Publications，2002：30-165.

[4]賀匡國.化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計(jì)手冊[M].第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：452-453.