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

1 引言

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。

2 面板的Moldflow模擬分析及實(shí)驗(yàn)

2.1 Moldflow模擬分析

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 實(shí)驗(yàn)部分

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 結(jié)果與討論

3.1 Moldflow模擬分析

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 面板不同成型工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)

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。

4 結(jié)論

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。