周振

(攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花 617000)

丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)具有十分優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。其中丙烯腈單元為ABS 塑料提供強(qiáng)度和剛性，丁二烯單元為其提供韌性、苯乙烯單元可以提升其剛性和硬度，因此ABS塑料是一種兼具較高強(qiáng)度、韌性、表面硬度的高分子材料。除此之外，ABS 塑料還具有較優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐老化性等，能夠廣泛應(yīng)用于日用產(chǎn)品及汽車零部件的制備[1–5]。隨著汽車輕量化概念的提出，高分子材料在汽車中的應(yīng)用愈加廣泛，ABS 就是一種常用于汽車內(nèi)飾和外飾生產(chǎn)的高分子材料，可用于汽車方向盤、儀表盤、后視鏡外殼、保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾板等零部件的制造。

對于大部分汽車零部件，其壁薄的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致了在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生大量的氣孔、熔接痕以及產(chǎn)生較為嚴(yán)重的翹曲變形和尺寸收縮等缺陷，從而無法應(yīng)用到汽車的裝配中[6–10]。薄壁產(chǎn)品的注塑工藝優(yōu)化和控制是決定其表觀性能和質(zhì)量的關(guān)鍵問題。因此在生產(chǎn)過程中需要對注塑工藝參數(shù)進(jìn)行細(xì)致地優(yōu)化。例如，料筒溫度會影響到ABS 熔融過程和流體黏度，合適的料筒溫度能夠保證熔體流動性和充模性能良好。除此之外，注塑壓力、保壓壓力、保壓溫度、模具溫度等均會對ABS 熔體的流動性、充模性、冷卻過程等造成影響，進(jìn)而影響其翹曲變形、尺寸收縮等性能[11–15]。

筆者設(shè)計(jì)了一種ABS 材質(zhì)的汽車儀表盤，汽車儀表盤外殼結(jié)構(gòu)如圖1 所示。較詳細(xì)地對其加工過程中注塑機(jī)的料筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓溫度和模具溫度進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳的注塑工藝條件。

圖1 汽車儀表盤外殼結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

ABS：牌號PA–756H，注塑級，熔體流動速率為75 g／10 min，密度為1.05 g／cm3，熱變形溫度為99℃，維卡軟化點(diǎn)為105℃，臺灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

注塑機(jī)：35T 型，深圳市今益注塑機(jī)有限公司；

全自動翹曲度測量儀：AMV430 型，深圳市奧成儀器科技有限公司。

1.3 汽車儀表盤的注塑

預(yù)先在80℃烘箱內(nèi)將ABS 烘干備用。

將注塑機(jī)的料筒分5 段進(jìn)行控溫，分別設(shè)計(jì)了5 種溫度參數(shù)組合，見表1。當(dāng)各參數(shù)穩(wěn)定到預(yù)設(shè)的工藝條件時，將預(yù)先烘干的ABS 加入到注塑機(jī)料筒中，首先對注塑機(jī)料筒進(jìn)行清洗3 次。清洗結(jié)束后，于全自動模式下進(jìn)行汽車儀表盤的注塑，每一種工藝參數(shù)下注塑5 個制件。

表1 料筒溫度參數(shù)組合

1.4 性能測試

尺寸收縮率按照GB／T 15585–1995 測量計(jì)算；

翹曲變形量按照GB／T 14483-1993 測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 料筒溫度對制件質(zhì)量的影響

先設(shè)計(jì)了3種梯度升溫，再梯度降溫的溫度參數(shù)組合(表1，溫度參數(shù)組合編號1～3)。當(dāng)注塑壓力為12 MPa，保壓壓力為2.5 MPa，保壓時間為5 s，模具溫度為60℃時，改變上述溫度參數(shù)對汽車儀表盤進(jìn)行注塑成型，最終儀表盤的外觀情況、翹曲變形量和尺寸收縮率見表2。

表2 不同溫度參數(shù)組合下所制備的汽車儀表盤外觀及性能

當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合1 時，所制備的儀表盤外觀未出現(xiàn)明顯氣孔，翹曲變形量為1.677 mm，尺寸收縮率為0.4%；當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合2 時，所制備的儀表盤外觀也未出現(xiàn)明顯氣孔，翹曲變形量進(jìn)一步下降，為1.057 mm，尺寸收縮率沒發(fā)生明顯變化，依然為0.4%；當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合3 時，所制備的儀表盤邊緣處也未出現(xiàn)氣孔，翹曲變形量又再次出現(xiàn)升高，為1.426 mm，且尺寸收縮率也出現(xiàn)升高，為0.5%。相比之下，當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合2 時，所制備的汽車儀表盤的外觀質(zhì)量最佳，翹曲變形量和尺寸收縮率也最小。當(dāng)料筒溫度超過260℃時，ABS 容易發(fā)生一定程度的分解，且熔體溫度較高，冷卻不均勻，因此發(fā)生較為明顯的翹曲變形和尺寸收縮；而當(dāng)溫度低于220℃時，ABS 熔體流動性不好，充模性能較差，因此會產(chǎn)生明顯的尺寸收縮和翹曲變形。因此，較為適合ABS 塑料注塑加工的溫度區(qū)間為220～260℃范圍內(nèi)。隨后，又改變溫度參數(shù)組合，分別設(shè)計(jì)了一種持續(xù)階段升溫的方案(組合4)和一種保持溫度為260 ℃不變的方案(組合5)，在保持其它注塑工藝參數(shù)不變的情況下，相應(yīng)的儀表盤的外觀情況、翹曲變形量和尺寸收縮率列于表2。當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合4 時，制件的外觀也未出現(xiàn)明顯的氣孔，翹曲變形量為1.314 mm，尺寸收縮率為0.5%；當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合5 時，制件的外觀也未出現(xiàn)明顯的氣孔，翹曲變形量為1.401 mm，尺寸收縮率為0.6%。這主要是由于，隨著料筒階段性升溫或料筒溫度一直保持為260℃時，ABS 熔體在料筒內(nèi)的流動性能和充模性能均得到了一定程度的保障，但充入模具的ABS 熔體料筒溫度依然較高，所以容易產(chǎn)生翹曲變形和尺寸收縮。這兩種情況與溫度參數(shù)組合3 類似，由于料筒溫度沒有超過260℃，未出現(xiàn)ABS 熔體分解的現(xiàn)象，所以制件外觀未出現(xiàn)明顯氣泡。因此最佳的料筒溫度組合應(yīng)為五段控溫，溫度先上升后下降，分別為220，240，260，240℃和220℃。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若采用先升溫后降溫的方式進(jìn)行加工，則能夠有效消除制件氣孔，降低翹曲變形。為了進(jìn)一步優(yōu)化溫度參數(shù)，采取正交試驗(yàn)對溫度參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。表中數(shù)據(jù)說明，料筒溫度的變化均會對制件的翹曲變形程度產(chǎn)生影響。第1 段溫度和第5 段溫度發(fā)生變化時，制件翹曲變形量并未發(fā)生顯著的變化，因此第1段溫度和第5 段溫度并非是決定性的溫度參數(shù)；然而當(dāng)?shù)? 段、第3 段和第4段溫度發(fā)生變化時，制件的翹曲變形量則發(fā)生了明顯的變化，說明這3段溫度參數(shù)為決定性的溫度參數(shù)。這主要是因?yàn)?，? 段溫度為物料預(yù)熱，使得物料更容易發(fā)生軟化；而第2 段、第3 段和第4 段的溫度決定了ABS 轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w后的流動狀態(tài)。合適的溫度，ABS 流體具有較好的流動性，殘余應(yīng)力?。欢鴾囟炔贿m宜的條件，殘余應(yīng)力大，翹曲變形大。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2 注塑壓力對制件質(zhì)量的影響

筆者對注塑壓力進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。當(dāng)溫度參數(shù)組合選定為組合2，保壓壓力為2.5 MPa，保壓時間為5 s，模具溫度為60℃時，注塑壓力為8 MPa 和10 MPa 下，所制得的汽車儀表盤邊緣處出現(xiàn)了少許的氣孔，且制件的翹曲變形較為明顯，分別為1.507 mm 和1.466 mm，尺寸收縮率均為0.5%。這是由于注塑壓力較低，使得ABS 熔體充模性能不好所導(dǎo)致。當(dāng)注塑壓力為12，14 MPa 和16 MPa 時，相應(yīng)制件表面未觀測到氣孔等缺陷；當(dāng)注塑壓力為12 MPa 時，翹曲變形量為1.057 mm，尺寸收縮率為0.4%；當(dāng)注塑壓力為14 MPa 和16 MPa 時，翹曲變形量分別為1.522 mm 和1.715 mm，尺寸收縮率分別為0.6%和0.8%。當(dāng)注塑壓力高于12 MPa 后，由于熔體內(nèi)殘余的內(nèi)應(yīng)力較高，所以容易導(dǎo)致翹曲變形和尺寸收縮。因此，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將該汽車儀表盤注塑加工的注塑壓力確定為12 MPa。

表4 不同注塑壓力參數(shù)組合下所制備的汽車儀表盤外觀及性能

2.3 保壓壓力對制件質(zhì)量的影響

保壓壓力也會影響到制件的質(zhì)量，尤其是對冷卻過程中的尺寸收縮具有較為顯著的影響。當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合2，注塑壓力為12 MPa，保壓時間為5 s，模具溫度為60℃時，進(jìn)行了不同保壓壓力下的注塑實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表5。

結(jié)果表明，當(dāng)保壓壓力由1.5 MPa 到3.5 MPa變化時，所有工藝參數(shù)下注塑所得的汽車儀表盤表面均未觀測到明顯的氣孔。而且隨著保壓壓力的變化，翹曲變形量雖然出現(xiàn)了先下降再上升的趨勢，但并未出現(xiàn)大幅度的波動。當(dāng)保壓壓力為2.5 MPa，相應(yīng)的汽車儀表盤的翹曲變形量最低，僅為1.057 mm。然而，保壓壓力對制件的尺寸收縮情況具有明顯的影響，當(dāng)保壓壓力為1.5 MPa 和2 MPa 時，所制備的汽車儀表盤的尺寸收縮較為明顯，均為0.6%，這是由于在冷卻過程中保壓壓力不足，容易導(dǎo)致充模不足，所以制件出現(xiàn)了明顯的尺寸收縮。當(dāng)保壓壓力高于2.5 MPa 后，制件的尺寸收縮便不再出現(xiàn)明顯的變化，當(dāng)保壓壓力為2.5～3.5 MPa 時，制件的尺寸收縮率均為0.4%。綜合考慮制件的翹曲變形和尺寸收縮，該汽車儀表盤注塑加工的保壓壓力參數(shù)確定為2.5 MPa，約為注塑壓力的20%。當(dāng)保壓壓力在1.5～3.5 MPa 時，制得汽車儀表盤均無氣孔。

表5 不同保壓壓力參數(shù)組合下所制備的汽車儀表盤性能

2.4 保壓時間對制件質(zhì)量的影響

同保壓壓力類似，保壓時間對制件質(zhì)量的影響也主要是對冷卻過程中尺寸收縮的影響。當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合2，注塑壓力為12 MPa，保壓壓力為2.5 MPa，模具溫度為60℃時，進(jìn)行了不同保壓時間下的注塑實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)注塑的汽車儀表盤外觀均無氣孔，其它結(jié)果見表6。

表6 不同保壓時間參數(shù)組合下所制備的汽車儀表盤性能

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)保壓時間為2 s 時，相應(yīng)制件的翹曲變形量為1.126 mm，尺寸收縮率為0.7%；當(dāng)保壓時間為5 s 時，翹曲變形量降到1.057 mm，尺寸收縮率降到0.4%。這是由于當(dāng)保壓時間為2 s時，保壓時間不足，充入模具中的ABS 熔體冷卻過程中更容易發(fā)生收縮和翹曲變形。當(dāng)保壓時間高于5 s 以后，制件的尺寸收縮不再出現(xiàn)明顯變化，當(dāng)保壓時間為5～15 s 時，尺寸收縮率均為0.4%。隨著保壓時間的延長，相應(yīng)汽車儀表盤的翹曲變形量逐漸提高，當(dāng)保壓時間由5 s 提升至15 s 時，相應(yīng)的翹曲變形量由1.057 mm上升到了1.115 mm。因此，綜合考慮制件的翹曲變形和尺寸收縮，該汽車儀表盤注塑加工的保壓時間確定為5 s。

2.5 模具溫度對制件質(zhì)量的影響

模具溫度也會影響到充入到模具中ABS 熔體的冷卻過程，進(jìn)而影響到制件的表觀質(zhì)量、翹曲變形和尺寸收縮等情況。當(dāng)溫度參數(shù)組合為組合2，注塑壓力為12 MPa，保壓壓力為2.5 MPa，保壓時間為5 s 時，也對模具溫度進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同模具溫度參數(shù)組合下所制備的汽車儀表盤外觀及性能

結(jié)果表明，當(dāng)模具溫度為40℃和50℃時，所制備的汽車儀表盤邊緣處有少許氣泡出現(xiàn)，且翹曲變形和尺寸收縮較為嚴(yán)重。當(dāng)模具溫度為40℃時，相應(yīng)制件的翹曲變形量為1.357 mm，尺寸收縮率為0.8%；當(dāng)模具溫度為50℃時，相應(yīng)制件的翹曲變形量為1.226 mm，尺寸收縮率為0.6%。這主要是由于，模具溫度過低，ABS 熔體進(jìn)入模具后迅速冷卻，熔體的內(nèi)應(yīng)力來不及釋放，從而造成了氣孔的出現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)生了較明顯的翹曲變形和尺寸收縮。當(dāng)模具溫度為60℃時，相應(yīng)制件表面觀測不到明顯的氣孔，而且翹曲變形量和尺寸收縮率均出現(xiàn)了明顯的降低，分別為1.057 mm 和0.4%。隨著模具溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)模具溫度為70℃和80℃時，相應(yīng)制件的表面依然未出現(xiàn)明顯的氣孔，其翹曲變形量和尺寸收縮率出現(xiàn)了一定程度的增加。當(dāng)模具溫度為70℃時，相應(yīng)制件的翹曲變形量為1.217 mm，尺寸收縮率為0.5%；當(dāng)模具溫度為80℃時，相應(yīng)制件的翹曲變形量為1.311 mm，尺寸收縮率為0.6%。這主要是由于ABS 熔體進(jìn)入到模具中后，較高的模具溫度會使ABS 熔體具有一定的運(yùn)動能力，在保壓壓力的作用下會產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，從而造成翹曲變形量和尺寸收縮率的增加。因此，根據(jù)以上結(jié)果可知，較為適合汽車儀表盤注塑加工的模具溫度為60℃。

根據(jù)以上工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以得出以下結(jié)論，為了避免氣孔的出現(xiàn)，降低制件的翹曲變形量和尺寸收縮率，可將注塑工藝參數(shù)確定為：料筒進(jìn)行5 段控溫，每段溫度分別為220，240，260，240℃和220℃，注塑壓力為12 MPa，保壓壓力為2.5 MPa、保壓時間為5 s，模具溫度為60℃。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種汽車儀表盤，并以ABS 為材質(zhì)進(jìn)行了注塑加工。根據(jù)對ABS 的性能分析，確定了工藝參數(shù)優(yōu)化方案并進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，料筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時間和模具溫度均對汽車儀表盤的外觀、翹曲變形量和尺寸收縮率具有一定程度的影響。當(dāng)對注塑機(jī)料筒進(jìn)行5段式控溫(呈先升高后降低變化)，每段溫度設(shè)定為220，240，260，240℃和220℃，注塑壓力為12 MPa，保壓壓力為2.5 MPa、保壓時間為5 s，模具溫度為60℃時，相應(yīng)的汽車儀表盤的表觀質(zhì)量最佳，未出現(xiàn)明顯氣泡，且翹曲變形量僅為1.057 mm，尺寸收縮率僅為0.4%。