曹 磊，遲文凱，譚偉華，謝鵬程

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在汽車內(nèi)外飾件、光學(xué)元器件等行業(yè)領(lǐng)域?qū)癖谒芰现破沸枨蟮牟粩嘣黾樱壳皩?duì)于厚壁制品的成型加工，技術(shù)難度較大，成品率較低，生產(chǎn)效率也比較低。因?yàn)閷?duì)于成型厚壁制品來說，制品本身屬于厚壁制品，注射成型過程中表層溫度和芯層溫度差異大，同時(shí)需要較長的保壓時(shí)間，導(dǎo)致制品收縮率比較大，容易產(chǎn)生體積收縮，因而對(duì)厚壁塑料制品尺寸的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，嚴(yán)重影響了厚壁塑料制品的進(jìn)一步工業(yè)化[1]。針對(duì)厚壁塑料制品尺寸穩(wěn)定性影響機(jī)理及工藝優(yōu)化，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)厚壁制品的加工成型方法以及成型工藝參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究。Martin等[2]最早提出了將注射與壓縮工藝融合到一起，主要是為了熔體中空隙能夠被填充，滿足生產(chǎn)復(fù)雜薄壁制品的生產(chǎn)需求。雖然注射壓縮成型的優(yōu)勢(shì)很明顯，然而壓縮階段的融入，帶來了更復(fù)雜的技術(shù)融入，這使得壓縮成型的應(yīng)用受到了較大的阻礙。Guan等[3]和葛勇等[4]主要以注射壓縮成型樣品厚度的均勻性研究出發(fā)，分別分析了薄壁和厚壁制品注射成型過程，發(fā)現(xiàn)薄壁產(chǎn)品的厚度均勻性主要受熔體溫度和壓縮相關(guān)參數(shù)的影響，而厚壁制品尺寸穩(wěn)定性則與注射量及壓縮起始位置有關(guān)。英國Brunei大學(xué)的Bevis教授等[5]開發(fā)設(shè)計(jì)出一種多流道注射成型技術(shù)，相對(duì)比于傳統(tǒng)注射成型技術(shù)，利用該技術(shù)在注射成型厚壁塑件時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)，是動(dòng)態(tài)保壓注射成型的提出者。官青等[6]應(yīng)用動(dòng)態(tài)保壓注射成型技術(shù)成型厚壁制品，成功得到表面尺寸穩(wěn)定的聚乙烯厚壁長條樣件。Allan等[7-9]提出剪切控制定向注射成形(SCORIM)特種注射成形方法可消除厚壁制品常出現(xiàn)的縮痕、氣泡和殘余應(yīng)力變形。Vaatainen 等[10]使用 Taguchi 理論方法研究注射成型參數(shù)對(duì)厚壁塑件的表觀品質(zhì)的影響； Chang[11]利用Taguchi 理論和方差分析方法研究 聚苯乙烯(PS)、高密度聚乙烯(PE-HD)、丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)部件的收縮行為及其成型工藝優(yōu)化。Hopmann等[12]使用分層注射的方法，制備了厚壁的光學(xué)透鏡，減小了其內(nèi)應(yīng)力，使其具有優(yōu)異的性能。本文以AS為原材料，采用提出的反壓注射成型厚壁制品的方法，觀察反壓壓力對(duì)于厚壁制品尺寸穩(wěn)定性的影響，利用千分尺對(duì)厚壁制品尺寸進(jìn)行測(cè)量，分析厚壁制品尺寸收縮率與反壓壓力的關(guān)系，同時(shí)提出分層反壓注射成型厚壁制品的方案，與普通反壓注射成型方案作對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

AS，82TR，熔體流動(dòng)速率為2.7 g/10 min，LG化學(xué)公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

注射成型機(jī)，TH90/TP,山東通佳機(jī)械有限公司；

圖1 三棱柱模型與實(shí)物Fig.1 Triangular prism model and actual product

注射模型為底面邊長60 mm的正三角形、高60 mm的三棱柱，具體如圖1所示，測(cè)量部位為各個(gè)邊長，采用精度為0.01 mm千分尺對(duì)樣件的平面進(jìn)行定量測(cè)量，取平均值。

1.3 反壓注射成型工藝過程

普通反壓注射成型工藝過程：本文中提出的反壓注射成型是一種在模具型腔內(nèi)加活塞，依靠熔體的注射壓力逐步推動(dòng)活塞后退的注射成型方法，模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，在模具的型腔內(nèi)加入三棱柱活塞4以及壓力元件2；該反壓注射成型的原理為：未進(jìn)行注射原料前，壓力元件2推動(dòng)活塞4將模具的型腔封閉，在注射過程中，塑料熔體通過澆口填充到模具型腔，會(huì)受到活塞4的阻力，熔體與活塞4相互作用在模具型腔中形成反壓，從而迫使熔體進(jìn)行縱向的層流運(yùn)動(dòng)；活塞4確保了壓力在型腔中的傳遞，由此可以極大地避免注射初期噴射、蛇形流等問題，隨著物料的不斷填充，活塞4依靠壓力元件2在模具型腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了上下移動(dòng)，為熔體進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)保壓。

1—?jiǎng)幽０?2—壓力元件 3—定模板 4—活塞圖2 模具型芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the mold core structure

1—定模板 2—?jiǎng)幽０?3—外層活塞4—內(nèi)層活塞 5—外氣壓桿 6—內(nèi)氣壓桿圖3 退芯模具型芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Retracting core mold structure

分層反壓注射成型工藝流程：分層注射模具，提出在模具的型腔內(nèi)加入活塞以及氣壓桿(圖3)；氣壓桿是一種以氣體為工作介質(zhì)的彈性元件，內(nèi)部充有高壓氮?dú)?，彈力大小可以通過設(shè)置不同的氮?dú)鈮毫蛘卟煌睆降幕钊麠U來調(diào)節(jié)，具有近乎線形的彈性曲線；活塞最初將模具的型腔封閉，在注射過程中，物料填充模具型腔，物料受到活塞的阻力，形成反壓，迫使物料填充完整與穩(wěn)定流動(dòng)；由此可以極大地避免厚壁制品欠注的發(fā)生，而且通過活塞分層，連接不同型號(hào)的氣壓桿，可以實(shí)現(xiàn)分層注射的功能，活塞依靠氣壓桿提供反壓壓力，活塞、氣壓桿方便易可拆卸，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同的物料、不同的注射條件進(jìn)行調(diào)整，比如氣壓桿氣壓數(shù)值大小以及是否為恒力可以進(jìn)行調(diào)整；活塞可以多層布置，通過不同型號(hào)氣壓桿提供不同的反壓，從而實(shí)現(xiàn)分層注射，如圖4所示。

圖4 活塞布置截面圖Fig.4 Piston layout section

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

模具模型：通過反壓注射成型技術(shù)，模具形狀是規(guī)則的三棱柱，活塞、壓力元件等具體實(shí)物圖如圖5所示。

(a)模具 (b)活塞 (c)壓力桿件 (d)抽芯活塞圖5 實(shí)物圖Fig.5 Photograph of the actual parts

制備厚壁制品三棱柱：首先將AS粒料在80 ℃的溫度下干燥4～8 h，通過反壓注射成型制備厚壁制品三棱柱試樣；相關(guān)注射參數(shù)如下，注射參數(shù)為：模溫90 ℃，注射壓力10 MPa，物料溫度215 ℃，注射速度3 mm/s，保壓壓力5 MPa，保壓時(shí)間2 min；由于反壓壓力實(shí)際上由壓力元件來提供，為方便統(tǒng)一單位，現(xiàn)都已經(jīng)將其換算成統(tǒng)一單位 MPa，下同；具體如普通反壓注射成型實(shí)驗(yàn)參數(shù)表所示，分層注射成型實(shí)驗(yàn)參數(shù)表下同。

厚壁制品三棱柱尺寸測(cè)量：本文是探究反壓壓力對(duì)厚壁制品尺寸穩(wěn)定性的影響，因此本次實(shí)驗(yàn)選擇三棱柱尺寸收縮率用來表征厚壁制品尺寸的穩(wěn)定性，尺寸收縮率公式為：

(1)

式中S——收縮率

D——模具標(biāo)準(zhǔn)尺寸

M——厚壁制品尺寸

制品選擇千分尺進(jìn)行測(cè)量，每一尺寸均在同樣條件下制備的塑件制品上測(cè)量，取其平均值，模具的標(biāo)準(zhǔn)為60 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 反壓壓力

圖6 不同反壓壓力對(duì)三棱柱厚壁制品尺寸收縮率的影響Fig.6 Effect of different counter-pressure on dimensional shrinkage of thick-walled products with triangular columns

圖6中所示為不同反壓壓力對(duì)三棱柱厚壁制品尺寸收縮率的影響。在圖中L表示不同反壓壓力下實(shí)際厚壁制品尺寸，S表示不同反壓壓力作用下厚壁制品尺寸收縮率。從圖中可以看出，沒有反壓壓力時(shí)厚壁制品的收縮率最大，施加反壓壓力后，厚壁制品的收縮率隨著反壓壓力的增大而減小；反壓壓力從0 MPa升至0.135 MPa，厚壁制品的收縮率有較大幅度的降低，降低了約30 %；隨著反壓壓力繼續(xù)升高，厚壁制品收縮率降低幅度趨于平緩。這是因?yàn)?，在反壓壓力低?.135 MPa，厚壁制品仍處于“未填滿”狀態(tài)，增大反壓壓力，使得更多熔體仍然進(jìn)行縱向的層流運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充進(jìn)型腔，從而使得型腔內(nèi)的熔體變得越密實(shí)，并且使得先前因收縮而產(chǎn)生的空隙也得到了補(bǔ)充，保證了厚壁制品的致密性，從而能夠減少厚壁制品的體積收縮率，所以在反壓壓力低于0.135 MPa時(shí)，塑件制品的收縮率能夠得到大幅度的降低。但是當(dāng)反壓壓力繼續(xù)升高，由于先前的反壓壓力已經(jīng)促使熔體基本填滿型腔，補(bǔ)充的熔體量相對(duì)之前來說比較少，故厚壁制品收縮率降低幅度趨于平緩。

壓力/MPa:■—0 ●—0.019 ▲—0.045 ▼—0.065◆—0.135 ?—0.192 ?—0.256圖7 反壓注射在不同的保壓時(shí)間下對(duì)厚壁制品尺寸的影響Fig.7 Effect of counter-pressure injection on the thickness of thick-walled products at different dwell time

2.2 保壓時(shí)間

圖7為反壓注射在不同的保壓時(shí)間下不同反壓壓力對(duì)厚壁制品尺寸收縮率影響效果。從圖中可以看出在，隨著保壓時(shí)間的延長，厚壁制品的尺寸收縮率都是先下降然后趨于平緩，逼近厚壁制品的理想尺寸收縮率。保壓時(shí)間在3 min之后有拐點(diǎn)，這是因?yàn)榱鞯纼?nèi)熔體逐漸冷卻，熔體沒有來得及補(bǔ)充熔體收縮留下來的空隙，型腔內(nèi)的熔體沒有被填充的更加密實(shí)，從而導(dǎo)致尺寸逐漸趨向穩(wěn)定。對(duì)比直接注射(0 N)保壓4 min時(shí)與使用反壓注射0.045 MPa保壓2 min厚壁尺寸的大小，可以看出兩者效果基本相同。反壓注射成型厚壁制品能夠明顯減少保壓時(shí)間，這是因?yàn)樵谛颓粌?nèi)的熔體是在較高壓力下填充的，相對(duì)于沒有反壓壓力作用注射成型的厚壁制品，充填到型腔內(nèi)熔體更加密實(shí)，從而減少了壓實(shí)熔體的保壓時(shí)間，而后續(xù)保壓只是針對(duì)于熔體的冷卻收縮進(jìn)行補(bǔ)料，因而最終所需要的保壓時(shí)間更短，也能得到收縮率比較小的理想厚壁制品。

2.3 分層效果

圖8為分層反壓注射下內(nèi)外層活塞反壓壓力對(duì)厚壁制品尺寸的影響。從圖中曲線可以看出，分層反壓注射仍然能夠得到較好的厚壁制品尺寸的效果。在圖中水平面坐標(biāo)系中OUTER表示外層反壓壓力，INTER表示內(nèi)層反壓壓力。表示在其他變量相同情況下，對(duì)比活塞內(nèi)外層反壓壓力對(duì)厚壁制品尺寸的影響，可以看出，厚壁尺寸隨著內(nèi)層反壓壓力的升高而升高，但是外層反壓壓力的影響效果更為顯著。這是由于外層反壓壓力直接影響熔體空隙的填充，穩(wěn)流效果更明顯，而內(nèi)層反壓壓力間接的影響熔體的收縮，只是在外層反壓壓力的影響下基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善了尺寸穩(wěn)定性。相對(duì)于直接進(jìn)行反壓注射，這種分層反壓注射對(duì)厚壁制品的影響更為顯著，最終得到厚壁制品尺寸更接近于60 mm的標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)榉磯鹤⑸涑尚秃癖谥破肥峭ㄟ^活塞將反壓壓力作用在熔體上，在不同層面上熔體的溫度場(chǎng)、剪切場(chǎng)是有所不同的，其物性也是有差異的。相對(duì)于整體反壓，分層反壓能更有效的將反壓力作用在不同的截面上，起到了穩(wěn)定充模流動(dòng)的效果，從而保證不同層面的熔體填充的更加充分，熔體也更加致密，因而其尺寸穩(wěn)定性更高，收縮率更小。

圖8 內(nèi)外層活塞反壓壓力對(duì)厚壁制品尺寸的影響Fig.8 Influence of counter-pressure of inner and outer piston on the size of thick-walled products

3 結(jié)論

(1)通過采用反壓注射成型厚壁制品，厚壁制品的尺寸隨著反壓壓力的增大而不斷增大，隨后趨于平緩，接近于制品理想尺寸；反壓壓力在0.192 MPa時(shí)可以確保厚壁制品尺寸穩(wěn)定性具有較好的效果；

(2)相對(duì)于直接注射成型厚壁制品，可以通過反壓注射成型技術(shù)，縮短保壓時(shí)間，得到同樣尺寸的厚壁制品，這可以為工廠效益的提高提供了新思路；

(3)通過采用分層反壓注射成型厚壁制品，外層反壓壓力改善制品尺寸穩(wěn)定性效果更顯著，而內(nèi)層反壓壓力是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化制品尺寸的穩(wěn)定性，從而可以得到尺寸更加穩(wěn)定的厚壁制品。