杜鵬輝，王蘊晴，謝傳穎，李衡，王鈞，李磊，王小新

(1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266042； 2.山東崇錦汽車零部件有限公司,濟南 250100)

聚四氟乙烯(PTFE)是以四氟乙烯作為單體聚合制得的高分子聚合物,是重要的特種工程塑料,具有高強度、超耐磨、自潤滑、抗老化、耐酸堿等優(yōu)良性能,其應(yīng)用涉及軍工和民用的諸多領(lǐng)域[1-6]。

傳統(tǒng)汽車軸套為金屬零件,不僅增加質(zhì)量,在汽車行駛過程中如果潤滑不充分,還會導(dǎo)致金屬零件損壞。而PTFE 具有優(yōu)異的耐磨和自潤滑性能,能夠顯著減少使用過程中的摩擦損耗,是汽車軸套產(chǎn)品輕量化的理想材料[7-9]。

PTFE 性能優(yōu)良,但由于成型困難,其應(yīng)用受很多局限。因此,研究PTFE 制品成型加工工藝對開發(fā)性能優(yōu)良的高端產(chǎn)品、推進PTFE 的應(yīng)用具有重要意義。

筆者以汽車軸套塑料件為研究對象,應(yīng)用正交實驗和Moldflow 軟件對汽車軸套塑件的注塑過程進行模擬仿真,研究不同工藝參數(shù)對產(chǎn)品成型質(zhì)量的影響,優(yōu)化注塑工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu),為后期的注塑生產(chǎn)提供有效的工藝方案。

1 PTFE軸套結(jié)構(gòu)、性能分析

PTFE 軸套零件的三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該產(chǎn)品內(nèi)徑48.5 mm,高度20 mm,壁厚1.5 mm,中部法蘭最大外徑56.5 mm,底部有0.55 mm 寬的凸緣,與中部法蘭之間形成內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品要求具有較高的強度和尺寸精度,以及優(yōu)良的耐磨和自潤滑性能,以滿足重型卡車對軸套的使用要求。

PTFE 材料的耐高低溫性能好,可在較寬的溫度范圍(-180～260°C)內(nèi)使用,特別是在較高溫度下仍能保持形狀和力學(xué)性能。同時具有優(yōu)異的耐磨和自潤滑性能,可用于替代金屬軸套產(chǎn)品。但PTFE難熔融,成型加工困難,傳統(tǒng)的加工方法主要為冷壓燒結(jié),整個過程效率低、能耗高,產(chǎn)品性能和尺寸精度容易受到燒結(jié)條件的影響,波動較大[10-11]。

近年來,開發(fā)出來了可熔融PTFE,為少量全氟丙基全氟乙烯基醚與PTFE 的共聚物?？扇廴赑TFE熔融粘結(jié)性增強,熔體黏度下降,而性能與純PTFE相比基本上無變化?？扇廴赑TFE可以直接采用注塑、擠出等方法進行加工,大大提高了PTFE零件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

選擇美國蘇威公司生產(chǎn)的Hyflon P450 可熔融PTFE 作為汽車軸套產(chǎn)品的材料,該材料推薦的注塑工藝參數(shù)范圍列于表1。由表1可以看出,其熔體溫度達到380～420℃,模具溫度要求160～200℃,均遠高于普通塑料,對注塑設(shè)備和模具都提出了更高的要求。

表1 PTFE注塑成型條件

2 注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化

采用Moldflow進行注塑過程仿真分析,該軟件能夠模擬塑件填充、保壓、冷卻、翹曲等成型過程,是注塑工藝參數(shù)優(yōu)化的有效工具[12-14]。

由于軸套工作時內(nèi)表面與軸相互接觸,要求內(nèi)表面保持光滑,因此澆口需要設(shè)計在產(chǎn)品外圍,不能設(shè)置在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)。同時為了節(jié)省原料,降低模具壓力損失,決定采用熱流道系統(tǒng)。經(jīng)過Moldflow軟件模擬仿真分析,確定采用4點澆口的熱流道,模具采用一模一腔,澆口均布在零件圓周上,澆口形狀為錐形,流道直徑為5 mm,末端澆口直徑為1.5 mm。圖2為Moldflow模擬仿真分析結(jié)果。該方案的充填時間分析結(jié)果如圖2a 所示,速度/壓力轉(zhuǎn)換時所需的最大注塑壓力為38.8 MPa,如圖2b 所示。可以看出,該澆口方案能夠較好地滿足產(chǎn)品的充填要求。

圖2 Moldflow模擬仿真分析結(jié)果

軸套產(chǎn)品因為要與軸相互配合,因此對尺寸精度要求較高。而注塑成型工藝過程中,成型參數(shù)對產(chǎn)品相變過程中的收縮變形影響較大,進而影響到產(chǎn)品的尺寸。為了有效控制軸套產(chǎn)品的尺寸精度,筆者應(yīng)用田口試驗方法,針對注塑工藝參數(shù)對制件變形的影響,設(shè)計正交試驗進行量化分析和優(yōu)化。

田口試驗方法是針對生產(chǎn)過程參數(shù)變量進行優(yōu)化的有效方法[15-16]。筆者設(shè)計的正交試驗,以熔體溫度(A)、模具溫度(B)、保壓壓力(C)、保壓時間(D)4 個工藝參數(shù)為因素,每個因素參照該材料推薦的成型參數(shù)范圍取3個水平,列于表2。

表2 正交試驗因素和水平

在表2 的基礎(chǔ)上設(shè)計L9(34)正交表進行正交試驗,考慮到所研究的軸套產(chǎn)品為圓形部件,4個澆口也是均勻分布的,因此X方向變形量和Y方向變形量應(yīng)該是基本一致的。選用X方向的變形量作為優(yōu)化目標(biāo),試驗方案及結(jié)果列于表3。

表3 正交實驗方案及結(jié)果

首先對試驗結(jié)果進行極差分析。極差分析是連續(xù)樣本中最大值與最小值的差值,表征數(shù)據(jù)的離散程度。正交試驗各因素的極差R列于表4。

表4 各因素的極差分析

根據(jù)表4 中極差值的大小,可以判斷出對汽車軸套產(chǎn)品變形影響程度的順序依次為：模具溫度＞保壓時間＞熔體溫度＞保壓壓力。

根據(jù)表4可繪制出變形量與各因素之間的影響效應(yīng)趨勢圖,如圖3所示。

圖3 各因素對變形量影響效應(yīng)趨勢圖

選取X方向翹曲變形最小的參數(shù)組合在一起,得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合為A3B1C2D3,即熔體溫度420℃、模具溫度160℃、保壓壓力60 MPa、保壓時間15 s。

由于優(yōu)化方案組合不在正交試驗表中,再次對優(yōu)化得到的工藝參數(shù)組合進行仿真分析,得到X方向變形量為2.441 mm,如圖4所示,小于全部9次正交試驗方案中的變形數(shù)值；Y方向變形量為2.432 mm,如圖5 所示。X,Y方向的變形量均小于2.5 mm,滿足產(chǎn)品要求。二者的差值為0.009 mm,小于0.01 mm,說明軸套的圓度很好。

圖4 優(yōu)化方案X方向變形量

圖5 優(yōu)化方案Y方向變形量

3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

該軸套產(chǎn)品的注塑模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。模具采用兩板模,四點熱流道澆注。因產(chǎn)品外側(cè)有環(huán)形內(nèi)凹,模具采用左右雙滑塊+斜導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)。

圖6 軸套注塑模具結(jié)構(gòu)

斜導(dǎo)柱與開模方向的夾角為18°,作用長度75 mm,滑塊橫向抽拔距約23 mm。開模時左右滑塊在斜導(dǎo)柱的作用下打開,脫離產(chǎn)品外側(cè)；然后中間的圓形型芯及固定板不動,動模板帶著動模鑲塊及滑塊整體向上運動,使軸套與型芯脫離,從而頂出制品,滑塊橫向打開及頂出示意圖如圖7所示。

圖7 滑塊橫向打開及頂出示意圖

模具的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)如圖8所示,采用4點熱嘴的熱流道澆注,左右滑塊上各有一道冷卻回路,動模鑲塊上有一道環(huán)形冷卻回路,中間型芯采用隔板式的冷卻井進行冷卻。由于PTFE注塑成型時要求的模具溫度較高,需采用熱油介質(zhì)的模溫機對模具溫度進行控制。

圖8 模具澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)

采用Moldflow 軟件對模具冷卻情況進行了仿真分析,所用冷卻介質(zhì)為熱油,溫度為160℃。圖9顯示了回路冷卻液溫度分析結(jié)果,可以看出4 條回路冷卻液進口和出口溫差最大只有0.6℃,說明冷卻效果較好,模具溫度比較恒定。

圖9 回路冷卻液溫度分析結(jié)果

4 注塑生產(chǎn)驗證

實際注塑生產(chǎn)在海天MA860注塑機上進行,注塑前將PTFE在110℃下干燥4～6 h。采用優(yōu)化設(shè)計制造的模具和成型工藝參數(shù)組合進行注塑,生產(chǎn)出的軸套零件如圖10 所示。該零件的注塑成型周期為25 s,生產(chǎn)效率較高。通過實驗測試和實際使用驗證,該汽車軸套零件整體性能良好,可以替代金屬零件使用,助力汽車輕量化。

圖10 注塑生產(chǎn)出的汽車軸套零件

5 結(jié)論

(1)以汽車軸套產(chǎn)品為研究對象,應(yīng)用Moldflow軟件對成型過程進行仿真分析,采用正交試驗方法對其成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

(2)在符合生產(chǎn)條件的情況下,選取熔體溫度420℃、模具溫度160℃、保壓壓力60 MPa、保壓時間15 s為最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

(3)針對注塑模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計并進行實際生產(chǎn)驗證。結(jié)果表明,按照優(yōu)化工藝參數(shù)組合可以生產(chǎn)出符合使用要求的軸套零件,能夠替代金屬軸套,助力汽車輕量化和節(jié)能降耗。