姚麗穎

(天津新光凱樂(lè)汽車零部件有限公司，天津 武清 301700)

PA66是一種十分常見(jiàn)的聚酰胺材料，熔點(diǎn)在259～267 ℃，為半晶體-晶體材料，即使在較高的溫度下也能保持較高的強(qiáng)度和剛度。該材料注塑成型后仍具備一定的吸水性，該屬性的大小程度一般取決于材料的組成、產(chǎn)成品的結(jié)構(gòu)以及外部條件。因本身材料具有吸水性，為避免影響材料成型以及產(chǎn)品注塑成型后產(chǎn)生的水漬等外觀問(wèn)題，所以在生產(chǎn)之前需要先進(jìn)行烘干處理。以適當(dāng)工藝注塑成型后的產(chǎn)品，為了方便安裝拆卸，會(huì)進(jìn)行吸水工序用以增加韌性。汽車零部件工作長(zhǎng)時(shí)溫度普遍較高，所以對(duì)PA66材料進(jìn)行改性，通過(guò)增加玻璃纖維含量，提高材料的剛度以及耐溫性。

1 工藝流程及研究方向

1.1 PA66導(dǎo)線槽零件生產(chǎn)流程

PA66導(dǎo)線槽零件生產(chǎn)流程：

原材料烘干→注塑成型→吸水→包裝

前三個(gè)步驟可能產(chǎn)生影響產(chǎn)品斷裂情況的因素，故對(duì)其逐步展開(kāi)分析。

1.2 研究方向

初步分析PA66產(chǎn)品脆斷很大部分的原因都源于材料本身內(nèi)部應(yīng)力，其他引發(fā)脆斷的原因也很多。總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)備

設(shè)備熔膠量太小，塑料在設(shè)備內(nèi)融膠充分；

設(shè)備熔膠量太大，塑料粒子在設(shè)備內(nèi)融化過(guò)長(zhǎng)。由于剪切作用受時(shí)較長(zhǎng)，導(dǎo)致原材料老化。

（2）工藝

噴嘴溫度較低導(dǎo)致粒子融化不充分，溫度過(guò)高則材料易降解；

螺桿背壓及轉(zhuǎn)速過(guò)高，會(huì)使塑料受更多的剪切作用從而老化；

模溫過(guò)低，塑料在模具型腔內(nèi)過(guò)早冷卻，導(dǎo)致熔接不良。

（3）模具

進(jìn)膠點(diǎn)尺寸太小，進(jìn)膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，到時(shí)材料冷熱不均融合不充分；

設(shè)計(jì)缺陷，結(jié)構(gòu)或進(jìn)膠位置不合理。導(dǎo)致材料熔接位置在產(chǎn)品薄弱處。

（4）吸水量

產(chǎn)品脫模后吸水量較少，韌性不夠。

（5）原料

產(chǎn)品脫模后吸水量較少，韌性不夠。

2 試驗(yàn)檢驗(yàn)與分析

2.1 設(shè)備型號(hào)匹配及工藝參數(shù)設(shè)定

海天530T注塑機(jī)設(shè)備參數(shù)如表1所示：

表1 海天530T注塑機(jī)設(shè)備參數(shù)

導(dǎo)線槽產(chǎn)品重量117 g，冷料頭18 g，原材料密度ρ≈1.29 cm3。

模具尺寸：750×450×817 mm。

選用與導(dǎo)線槽注塑模具匹配的規(guī)格的注塑機(jī)。

2.2 工藝參數(shù)設(shè)定

烘料溫度：110～120 ℃，烘干3～6 h。

熔化溫度：275～280 ℃。熔化溫度應(yīng)低于320 ℃，避免材料降解。

噴嘴螺桿溫度如下表2所示：

表2 噴嘴螺桿溫度

模具溫度：建議75 ℃。模具溫度將影響結(jié)晶度，而結(jié)晶度將影響產(chǎn)品的物理特性。過(guò)高會(huì)使模具漲模，無(wú)法合模。

注射背壓：4 Pa。

根據(jù)原材料物性合理設(shè)定工藝，避免工藝參數(shù)的影響使得產(chǎn)品脆斷。

2.3 模流分析

對(duì)當(dāng)前模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE模流分析，如圖1。根據(jù)模流分析報(bào)告分析塑料粒子在模具型腔內(nèi)成型狀態(tài)，查找模具設(shè)計(jì)上是否存在模具缺陷。

圖1 CAE模流分析

根據(jù)CAE模流分析報(bào)告結(jié)果，產(chǎn)品脆斷位置（上圖紅框位置）為產(chǎn)品最終填充位置。由于圓孔結(jié)構(gòu)，最終在斷裂位置形成熔接線。塑料粒子熔接不充分，則極容易導(dǎo)致產(chǎn)品脆斷。改善方案：在熔接線位置增加溢料槽，則熔接線和最終填充位置會(huì)出現(xiàn)在溢料槽內(nèi)，產(chǎn)品注塑成型后將溢料削掉即可，增加溢料槽改善示意圖如圖2。

圖2 增加溢料槽改善示意圖

2.4 原材料成分

產(chǎn)品發(fā)生脆斷的直接原因是產(chǎn)品材料韌性不足,因此從原材料本身成分的角度出發(fā)，可以通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行改性增韌處理。塑料粒子的增韌方式分為兩種：剛性增韌和柔性增韌。最直接有效的調(diào)整方式為改變塑料粒子內(nèi)的玻纖含量。對(duì)不同玻纖含量的原材料生產(chǎn)的零件進(jìn)行破壞性力學(xué)性能試驗(yàn)，觀察拉力試驗(yàn)機(jī)反饋的變化曲線。

使用當(dāng)前材料生產(chǎn)零件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，使用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)產(chǎn)品脆斷位置施加壓力，觀察變化曲線，如圖3。

圖3 當(dāng)前材料力學(xué)性能試驗(yàn)圖示

（1）剛性增韌

增加原材料中玻璃纖維的含量，使其增加至GF30%（GF為玻纖含量），即增加產(chǎn)品的剛性使其受力時(shí)不易產(chǎn)生形變，從而不易斷裂。使用剛性增韌后的材料生產(chǎn)的零件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，如圖4。

圖4 剛性增韌后材料力學(xué)性能試驗(yàn)圖示

（2）柔性增韌

減少原材料中玻璃纖維的含量，使其減少為0，即增加產(chǎn)品的柔性使其受力時(shí)易產(chǎn)生形變，從而釋放應(yīng)力不易斷裂。使用柔性增韌后的材料生產(chǎn)的零件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，如圖5。

圖5 剛性增韌后材料力學(xué)性能試驗(yàn)圖示

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)前原材料當(dāng)施加外力達(dá)到120 N以上時(shí)，曲線呈斷崖式下降，即當(dāng)外力達(dá)到120 N以上時(shí)，該種原材料的產(chǎn)品產(chǎn)生脆斷。剛性增韌后的產(chǎn)品當(dāng)承受的外力達(dá)到160 N以上時(shí)也會(huì)產(chǎn)生脆斷。柔性增韌的產(chǎn)品當(dāng)承受外力達(dá)到100 N時(shí)，曲線橫向平穩(wěn)，說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生脆斷，產(chǎn)品一直受到同樣大小的力而產(chǎn)生形變，形變到一定程度時(shí)產(chǎn)生斷裂。

綜上所述，需要根據(jù)該塑料零件工作時(shí)承受的環(huán)境壓力來(lái)選擇使用哪種增韌方式。當(dāng)48 N＜產(chǎn)品使用的工作環(huán)境所受外力＜360 N時(shí)，選擇剛性增韌；當(dāng)產(chǎn)品使用的工作環(huán)境所受外力＜48 N時(shí)，可以選擇柔性增韌。

2.5 吸水驗(yàn)證

PA66原材料與大部分工程塑料粒子不同，其具有一定的吸水性，吸水后的產(chǎn)品韌性相比吸水之前的要好。一般工業(yè)生產(chǎn)中將PA66產(chǎn)品進(jìn)行吸水后套袋包裝，便于工程中不可逆的裝配，尤其是不可逆的裝配位置。

吸水工序參數(shù)：將PA66產(chǎn)品浸入90 ℃熱水中0.5 h，吸水后產(chǎn)品含水率在2.1%～2.5%之間。

為增加產(chǎn)品吸水量，延長(zhǎng)浸水時(shí)間，對(duì)比正常浸水時(shí)間下的含水率變化。取10件相同產(chǎn)品進(jìn)行吸水工序,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

表3 增加吸水時(shí)間產(chǎn)品與正常吸水時(shí)間產(chǎn)品對(duì)比

如表3所示，產(chǎn)品吸水半小時(shí)后，含水量已接近飽和，繼續(xù)浸水的吸水量并不大，因此增加吸水時(shí)間無(wú)法有效改善產(chǎn)品韌性。

對(duì)經(jīng)過(guò)剛性增韌和柔性增韌的材料所生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品同樣進(jìn)行吸水驗(yàn)證。取3種玻纖含量不同的材料的產(chǎn)品各10件浸入90 ℃熱水中0.5 h，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。

表4 剛性增韌、柔性增韌材料與當(dāng)前材料吸水率對(duì)比

由驗(yàn)證結(jié)果可知，玻纖含量越高，產(chǎn)品吸水性越差，從而減少了吸水對(duì)韌性的改善。吸水屬于柔性增韌，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于調(diào)整材料內(nèi)玻纖含量。故讓產(chǎn)品吸水只能作為一種利于零件裝配的優(yōu)化，無(wú)法從根本上解決產(chǎn)品脆斷問(wèn)題。

3 結(jié)論

（1）在合適的設(shè)備和生產(chǎn)工藝下，原材料本身的物性對(duì)注塑產(chǎn)品脆斷的問(wèn)題起到很大影響。

（2）零件避空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熔接線，熔接線位置塑料粒子熔接不充分，其強(qiáng)度不及產(chǎn)品其他部位。由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熔接線無(wú)法避免，但可以通過(guò)增加溢料槽等方式將其引導(dǎo)至其他位置。從而避免功能位置脆斷。

（3）PA66材料內(nèi)玻纖含量會(huì)影響產(chǎn)品吸水性。即玻纖含量越高，吸水性越差，對(duì)產(chǎn)品韌性造成的影響越小。

由此可見(jiàn)，工程塑料材料本身的物性對(duì)成型后的產(chǎn)品起著決定性的影響。產(chǎn)品及模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該識(shí)別出可能影響產(chǎn)品成型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，以及可能造成產(chǎn)品物性不良的位置。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)從而避免后續(xù)問(wèn)題的發(fā)生。玻纖含量可以很大程度上影響塑料粒子的吸水性，較低的吸水量注定無(wú)法從根本上解決產(chǎn)品呈現(xiàn)出的物性。