萬旭光，張亞軍，金志明

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

注射成型是塑料成型加工中較為重要的方法。模腔壓力反映的是熔料充填過程及充滿后作用于模腔內壁的壓力[1]。產品品質可以通過模腔壓力曲線綜合反映，模腔壓力曲線可以明顯表明產品品質的優(yōu)劣[2]。而模腔壓力又與各種成型工藝參數(shù)密切相關[3]，所以注射成型通過控制模腔壓力曲線來控制工藝參數(shù)能夠達到良好的效果[4]。邱斌等[5]利用模腔壓力曲線研究了保壓曲線對制品表面品質的影響；馬國臻等[6]研究了模腔壓力曲線與制品品質之間的關系；謝北萍等[7]研究了模腔壓力曲線和塑料制品殘余應力之間的關系；張珉等[8]利用模腔壓力曲線研究了微注塑制品的品質；Kurt等[9]利用模腔壓力曲線研究了模腔壓力和制品收縮率的關系。Huang[10]利用模腔壓力曲線預測了注塑轉換點，保證了制品品質。

熔體注射到模腔后，熔體在模腔內必然會產生壓力分布不均，這樣會產生不均勻的制品品質，包括取向、應力和厚度等。所以在保壓和冷卻過程中需要使制品的每個部分盡可能經歷相同條件，使模腔內熔體壓力分布均勻[11]。因此，研究者普遍認為均勻的模腔壓力分布有利于制品品質。本文分別通過Moldflow模擬分析和實驗對模腔壓力曲線進行研究分析，利用模腔內各點的模腔壓力曲線重合率表征模腔壓力分布。實驗通過壓力傳感器對模腔壓力曲線進行采集，研究模具溫度、熔體溫度和保壓壓力對模腔內壓力分布的影響規(guī)律。進而研究了模具模腔內不同點的壓力分布和制品品質之間的關系。研究表明，模具溫度、熔體溫度、保壓壓力參數(shù)對于模腔壓力曲線重合率有一定規(guī)律的變化影響。各點壓力曲線越接近，制品的品質均一性越好。

1 模擬分析

在Solidworks軟件中建立實體模型，將制品文件轉換為STL格式導入Mlodflow軟件。對實體模型進行3D網格劃分。實體模型的網格劃分塑件如圖1所示，材料為聚丙烯(PP)。通過設定不同的模具溫度、熔體溫度和保壓壓力的參數(shù)來對整個注射成型過程進行模擬分析，以模擬出來的模腔壓力曲線重合率為研究對象，通過模擬得到制品的翹曲變形來表征制品品質。得到的模腔內部壓力曲線的三點位置如圖2所示，后文中各圖的A、B、C均為圖2中模腔三點位置的模腔壓力曲線。

圖1 制品網格模型Fig.1 Grid model of the product

圖2 模腔壓力曲線的3點位置Fig.2 Position of CPC at three points

2 模擬結果分析

2.1 模具溫度對模腔壓力模擬曲線重合率的影響

設定熔體溫度為250 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變模具溫度分別為30、40、50 ℃。模腔壓力曲線模擬結果如圖3所示?？梢钥闯?，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越高，模腔各點壓力越接近。

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃：(a)30 (b)40 (c)50圖3 不同模具溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.3 Cavity pressure simulation curves at different mold temperature

2.2 熔體溫度對模腔壓力模擬曲線重合率的影響

設定模具溫度為30 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變熔體溫度分別為210、220、230 ℃。模腔壓力曲線模擬結果如圖4所示?？梢钥闯觯谄渌に噮?shù)不變的情況下，合理范圍內，隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越低，模腔內各點壓力相差越大。

■—A ●—B ▲—C熔體溫度/℃：(a)210 (b)220 (c)230圖4 不同熔體溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.4 Cavity pressure simulation curves at different melt temperature

2.3 保壓壓力對模腔壓力模擬曲線重合率的影響

設定模具溫度為50 ℃和熔體溫度為250 ℃，只改變保壓壓力分別為8、 10、 12 MPa。 模腔壓力曲線模擬結果如圖5所示。由圖5可知，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內，隨著保壓壓力的升高，模腔壓力曲線重合率越高，模腔各點壓力越接近。

■—A ●—B ▲—C保壓壓力/MPa：(a)8 (b)10 (c)12圖5 不同保壓壓力下的模腔壓力模擬曲線Fig.5 Cavity pressure simulation curves at different holding pressure

2.4 模腔壓力模擬曲線重合率與制品翹曲變形的關系

通過設定不同的工藝參數(shù)得到的模腔壓力曲線分別分為兩大組，每組里面分別有編號的模腔壓力曲線及其對應的工藝條件和C點的翹曲變形量。分別從表1和圖6，表2和圖7中可以明顯看出，3組實驗的模腔壓力曲線的重合率依次遞減，得到的翹曲變形依次在增大。

表2 不同熔體溫度下對應的翹曲變形

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃，熔體溫度/℃：(a)30,210 (b)30,220 (c)40,230圖6 不同模具溫度、熔體溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.6 Cavity pressure simulation curves at different mold temperature and melt temperature

■—A ●—B ▲—C熔體溫度/℃：(a)210 (b)230 (c)250圖7 不同熔體溫度下的模腔壓力模擬曲線Fig.7 Cavity pressure simulation curves at different melt temperature

3 實驗部分

3.1 主要原料

PP，E02ES，D901C，中國石油化工股份有限公司。

3.2 主要設備及儀器

臥式注塑機，SA900，海天注塑機有限公司；

游標卡尺，0～150 mm，桂林量具刃具廠；

模腔溫度壓力傳感器，6190A，瑞士Kistler公司。

3.3 實驗設計

本實驗首先使用自主設計的模腔模板進行制品注塑，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到模腔內3點的壓力曲線，模腔模板結構如圖2所示。制品形狀為長方體，尺寸為87 mm×55 mm×4 mm。通過實驗得到的圖像和數(shù)據(jù)進行比較。對于得到的模腔壓力曲線，取橫坐標相同的時間點t1=1.03 s、t2=3.14 s、t3=6.44 s、t4=14.44 s、t5=22.44 s，A、B、C三點模腔壓力曲線所對應的點為At1～At5、Bt1～Bt5、Ct1～Ct5。同一工藝參數(shù)下，模腔壓力曲線重合率的計算方法如式(1)、(2)所示，求得的S數(shù)值越大，說明模腔壓力曲線重合率越好。通過改變模具溫度、熔體溫度和保壓壓力，對比模腔內三點的壓力曲線重合率的變化。

Δtn=max(Atn,Btn,Ctn)-min(Atn,Btn,Ctn)

(1)

(2)

式中 Atn——A點模腔壓力曲線時間t所對應的點

Btn——B點模腔壓力曲線時間t所對應的點

Ctn——C點模腔壓力曲線時間t所對應的點

n——1、2、3、4、5

3.4 翹曲變形測定方法

本次實驗將制品固定于測量基臺，使用游標卡尺測量出高度最大值H，并用記號筆標出位置，再測量出該處平板厚度d，平板翹曲變形h=H-d，原理如圖8所示。分別測量每種工藝參數(shù)下的3個制品，取3次測量結果的平均值作為該工藝下的翹曲變形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精確到0.02 mm。為減小其他因素對制品翹曲變形的影響，所有制品靜置于常溫下4 h后再進行測量。

圖8 測量原理Fig.8 Measuring principle

4 結果與討論

4.1 模具溫度對模腔壓力曲線重合率的影響

設定熔體溫度為230 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變模具溫度分別為30、40、50 ℃。實驗結果如圖9所示。由圖9和表3可知，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線越接近，模腔壓力曲線重合度越高。模具溫度的升高使熔體冷卻減慢，減少模腔內冷凝層的生成，使熔體流動具有更大的橫截面積，阻力的減小易于熔融材料流動，更易于充滿模腔，使模腔壓力分布更為均勻。因此，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線的重合率越高，模腔各點壓力越接近。

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃:(a) 30 (b) 40 (c)50圖9 不同模具溫度下的模腔壓力曲線Fig.9 Cavity pressure curves at different mold temperature

表3 不同模具溫度對應的曲線差方和

4.2 熔體溫度對模腔壓力曲線重合率的影響

設定模具溫度為30 ℃和保壓壓力為10 MPa，只改變熔體溫度分別為210、220、230 ℃。實驗結果如圖10所示。由圖10和表4可知，隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線重合度越低。在注射過程中注射壓力與熔體溫度是相互制約的。熔體溫度升高，注射壓力勢必減小。這就會導致熔體進入模腔的壓力減小，不利于快速充滿模腔，不利于模腔壓力分布均勻。因此，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內，隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越低，模腔各點的壓力相差越大。

表4 不同熔體溫度對應的曲線差方和

■—A ●—B ▲—C熔體溫度/℃:(a)210 (b)220 (c)230圖10 不同熔體溫度下的模腔壓力曲線Fig.10 Cavity pressure curves at different melt temperature

■—A ●—B ▲—C保壓壓力/MPa：(a)8 (b)10 (c)12圖11 不同保壓壓力下的模腔壓力曲線Fig.11 Cavity pressure curves at different holding pressure

4.3 保壓壓力對模腔壓力曲線重合率的影響

設定模具溫度為50 ℃和熔體溫度為230 ℃，只改變保壓壓力分別為8、10、12 MPa。實驗結果如圖11所示。由圖11和表5可知，隨著保壓壓力的增大，模腔壓力曲線重合度越高。保壓壓力增大，更有助于模腔內部壓力的穩(wěn)定，使模腔壓力分布更為均勻。因此，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理范圍內，隨著保壓壓力的升高，模腔壓力曲線的重合率越高，模腔各點壓力越接近。

表5 不同保壓壓力對應的曲線差方和

4.4 模腔壓力曲線重合率與制品翹曲變形的關系

由圖12和表6可知，通過對比3組實驗數(shù)據(jù)，3組實驗的模腔壓力曲線的重合率依次遞增，得到的翹曲變形量依次減小。模腔壓力曲線的重合率越高，說明模腔壓力分布的越均勻，這樣會使制品品質的均勻性更好。翹曲變形很大一部分是因為注塑件各處具有不均勻的壓力和溫度，導致注塑件收縮，產生內應力。所以在保證注塑件各處溫度相同時，使模腔壓力分布更均勻，進而使注塑件各處壓力接近，促使注塑件各處收縮相同，減小內應力，減小翹曲變形量，得到更好品質的制品。

表6 不同模具溫度、熔體溫度下對應的翹曲變形

■—A ●—B ▲—C模具溫度/℃，熔體溫度/℃：(a)30，230 (b)30,220 (c)50,230圖12 不同模具溫度、熔體溫度下的模腔壓力曲線Fig.12 Cavity pressure curves at different mold temperature

5 結論

(1)模腔壓力曲線重合率可以表征制品品質的均一性；模腔壓力分布越均勻，模腔壓力曲線的重合率越高，制品的翹曲變形越小；

(2)在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理參數(shù)范圍內，隨著模具溫度的升高，模腔壓力曲線重合率越高，模腔壓力分布越均勻；隨著熔體溫度的升高，模腔壓力曲線的重合率越低，模腔壓力分布越不均勻；隨著保壓壓力的升高，模腔壓力的曲線重合率越高，模腔壓力分布越均勻。