汪建松 余龍穎 王燕楓
珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070
聚碳酸酯(簡(jiǎn)稱PC)是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物,是一種綜合性能優(yōu)良的無定型熱塑性工程塑料。聚碳酸酯因其具有優(yōu)良的沖擊強(qiáng)度、耐蠕變性、耐候性及透光性等,被廣泛應(yīng)用于電氣電子零部件、航空透明材料零部件及汽車零部件等。PC材料由于其本身分子結(jié)構(gòu)中存在苯環(huán),導(dǎo)致取向比較困難,在成型后,被取向的鏈節(jié)有恢復(fù)自然狀態(tài)的趨勢(shì)。但是由于整個(gè)分子鏈已經(jīng)被凍結(jié)以及大分子鏈之間的相互作用,從而造成制品存在殘余應(yīng)力。當(dāng)PC材料注塑件存在較大殘余應(yīng)力的情況下,注塑件經(jīng)過噴涂油漆后會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀和其使用性能,限制了PC材料在注塑件上的發(fā)展。本文選取某型號(hào)家用空調(diào)PC面板為研究對(duì)象,采用噴涂油漆的實(shí)驗(yàn)方法觀察殘余應(yīng)力開裂現(xiàn)象,研究模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、退火等工藝參數(shù)對(duì)零件殘余應(yīng)力的影響,為聚碳酸酯(PC)零件生產(chǎn)工藝提供合理化建議。
以某型號(hào)家用空調(diào)面板為對(duì)象,研究相關(guān)注塑工藝參數(shù)中模具表面溫度、熔體溫度對(duì)零件殘余應(yīng)力的影響。在Moldflow軟件中選擇材料聚碳酸酯PC(牌號(hào):Makrolon 2405),該牌號(hào)PC材料Moldflow推薦工藝參數(shù)為:模具表面溫度80℃~120℃、熔體溫度280℃~320℃,其余注射成型工藝參數(shù)如表1所示。
為了對(duì)比單一工藝參數(shù)對(duì)零件殘余應(yīng)力的影響,制定了表2所示的九種方案:方案1、2、3、4、5熔體溫度不同,其余各工藝參數(shù)都相同;方案3、6、7、8、9模具表面溫度不同,其余各工藝參數(shù)都相同。
2.2.1 試劑及儀器
原料:PC(牌號(hào):Makrolon 2405);零件:某型號(hào)家用空調(diào)面板注塑件;油漆:聚氨酯丙烯酸油漆(億鑫化工有限公司),其化學(xué)成分為聚氨酯丙烯酸、顏料、助劑和丁酯。
儀器:①注塑機(jī):海天MA10000/7950G,海天國(guó)際控股有限公司;②鼓風(fēng)干燥箱:DHG-9240A,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。
表1 面板注射成型工藝參數(shù)
表2 對(duì)比模具表面溫度、熔體溫度對(duì)殘余應(yīng)力影響的九種方案
表3 退火條件不同的四種對(duì)比方案
實(shí)驗(yàn)原理及方法:零件在成型冷卻后內(nèi)部形成微空穴,在化學(xué)環(huán)境作用下,微空穴分子鍵斷裂,殘余應(yīng)力得到釋放,微空穴互相連接成銀紋。銀紋進(jìn)一步發(fā)展,在尖端產(chǎn)生裂紋,材料失效開裂。將各工藝條件成型的空調(diào)面板噴涂油漆,通過觀察開裂情況,評(píng)估各工藝條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響。
3.1.1 Moldflow中熔體溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響
圖1為不同熔體溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力,圖1中藍(lán)、綠、黃、紅四種顏色,按順序代表殘余應(yīng)力依次增大。方案1中280℃的熔體溫度注射成型存在大面積的高殘余應(yīng)力,方案2中290℃的熔體溫度注射成型中間部分殘余應(yīng)力有所下降,方案5中320℃的熔體溫度注射成型形成的殘余應(yīng)力大面積為低殘余應(yīng)力狀態(tài)。隨著熔體溫度升高,零件大面積殘余應(yīng)力趨向于低應(yīng)力。
3.1.2 Moldflow中模具表面溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響
圖1 不同熔體溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力
圖2 不同模具表面溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力
表4 注塑壓力、模具表面溫度的五種對(duì)比方案
表5 注塑溫度不同的三種對(duì)比方案
圖2為不同模具表面溫度下第一主方向上的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力,由圖2可知,方案3、6、7、8、9在Moldflow分析中殘余應(yīng)力值分布區(qū)域無明顯差異。當(dāng)模具溫度在80℃~120℃范圍內(nèi)變化時(shí),模流分析殘余應(yīng)力分布及大小無明顯變化。
3.2.1 退火條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響
表3為退火條件不同的四種對(duì)比方案,選取同一批次、同種工藝條件的PC面板零件,每個(gè)方案選取2塊面板,觀察在不同退火條件處理后的噴涂開裂情況。退火溫度高于80℃時(shí),退火溫度升高,開裂情況嚴(yán)重;在退火溫度為80℃,退火時(shí)間為4 h時(shí),零件殘余應(yīng)力相對(duì)較小。塑料制品在注塑成型后對(duì)其進(jìn)行熱處理將有效降低注塑成型過程中形成的殘余應(yīng)力,從而使制品內(nèi)部的應(yīng)力得到釋放,使不平衡構(gòu)象重新恢復(fù)到平衡構(gòu)象。
3.2.2 面板實(shí)驗(yàn):注塑壓力、模具表面溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響
表4為同一注塑溫度(290℃)下的五種方案,對(duì)比注塑壓力、模具表面溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響。根據(jù)方案1、2、3噴涂后開裂情況,注塑壓力對(duì)零件內(nèi)應(yīng)力影響較大。注塑壓力增大,殘余應(yīng)力增大。注塑過程中的注塑壓力過高時(shí)會(huì)使熔體在充模過程中受到的剪切作用增加,從而使其產(chǎn)生取向應(yīng)力的幾率增大。因此,注塑時(shí)適當(dāng)降低注塑壓力可以對(duì)降低取向應(yīng)力和消除脫模應(yīng)力起到一定作用。
根據(jù)方案1、4、5噴涂后開裂情況可知,模具表面溫度提高,零件殘余內(nèi)應(yīng)力降低。在成型過程中,熔體在沖模過程中遇到較低溫模具,會(huì)在模具表面產(chǎn)生冷卻不均收縮,而形成殘余應(yīng)力。
3.2.3 面板實(shí)驗(yàn):注塑溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響
表5為同一零件在同一注塑壓力130 MPa、模具表面溫度90℃下,不同注塑溫度的三種方案對(duì)比。由表5可知,方案1、2、3噴涂后均有開裂情況,且開裂程度無明顯規(guī)律。較高的注射溫度熔體塑化均勻,分子鏈段活動(dòng)能力增加,粘度下降,流動(dòng)性增加,分子間取向作用小,有利于取向應(yīng)力的降低。但是過高的注射溫度容易導(dǎo)致冷卻不充分,使得冷卻應(yīng)力和脫模應(yīng)力增加,導(dǎo)致較高注塑溫度注塑成型的零件存在高殘余應(yīng)力,零件在噴涂后高殘余應(yīng)力得到釋放并開裂。
目前行業(yè)內(nèi)主要以冰乙酸等化學(xué)溶劑浸泡法作為塑料材料殘余應(yīng)力的快速檢測(cè)方法。Moldflow模擬分析中型腔內(nèi)殘余應(yīng)力是通過保壓分析計(jì)算得出,它表示頂出之前零件內(nèi)的應(yīng)力分布,模擬部分對(duì)于非結(jié)晶材料分子鏈無規(guī)則分布,熔體溫度能提高其分子鏈活動(dòng)能力,故而熔體溫度對(duì)殘余應(yīng)力分布較為顯著,模具溫度影響不明顯。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中因?yàn)檫^高的注射溫度容易導(dǎo)致冷卻不充分,使得殘余應(yīng)力模擬與實(shí)驗(yàn)不一致;實(shí)驗(yàn)部分的零件為頂出后再進(jìn)行噴涂,頂出后的零件將緩慢冷卻至室溫,存在應(yīng)力釋放的現(xiàn)象,不同模具溫度頂出后零件殘余應(yīng)力分布也將發(fā)生變化。以下結(jié)論主要結(jié)合實(shí)際化學(xué)油漆溶劑噴涂實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出:在正常注塑范圍內(nèi),通過設(shè)定較高的模具溫度、較低的保壓壓力,以及進(jìn)行退火處理,有利于降低PC注塑件的殘余應(yīng)力,減少注塑件噴涂開裂情況的發(fā)生。