程思竹，蔡偉南，徐 曉，張俊豪，夏琴香※

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機維修工程學(xué)院，廣州 510430；2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

注射成型是注塑件主要成型方式之一，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空工業(yè)、嬰幼兒產(chǎn)品和國防等領(lǐng)域[1]。注射成型能夠?qū)崿F(xiàn)對各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密尺寸零件的一次性成型，同時具有尺寸穩(wěn)定性好、材料利用率高、成型周期短等優(yōu)點[2-3]。注射成型設(shè)計過程往往是復(fù)雜的非線性多種參數(shù)相互作用的結(jié)果，注射成形過程中易形成料花、欠注、溢邊、翹曲等成型缺陷[4-5]。并且在注射過程中，部分氣體會殘留在塑料制品的內(nèi)部從而產(chǎn)生氣泡（可能是水氣、困氣及分解氣等），進而導(dǎo)致銀紋（料花）缺陷的形成。料花的形成受多種因素的影響，與原材料、天氣的變化、參數(shù)的控制、模具、成型系統(tǒng)等因素有著密不可分的關(guān)系[6-8]。在注射過程中，氣體的存在是無法避免的，所以如何消除料花缺陷成為了一個難點。

李維[9]利用可視化模具構(gòu)造并記錄了成型過程中銀紋等缺陷的形成過程，通過改變工藝條件改善了注射成型缺陷。趙順強等[10]提出將注射成型過程中溫度提高10℃、注塑壓力提高0.5~1.0 MPa、背壓提高0.5 MPa可以改善制品塑化不良、料花、尺寸等質(zhì)量問題。張甲敏等[11]提出降低機筒溫度、降低注射速度和加大澆口尺寸來消除注塑件銀紋的產(chǎn)生。目前對于料花的抑制和改善的研究集中在改變工藝條件上，對于進膠點位置及模具排氣結(jié)構(gòu)改善方面的研究相對較少。

以某型號嬰兒車薄壁帶筋前輪座為研究對象，針對其注射成型過程中的表面料花問題，采用微觀試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，觀察前輪座側(cè)面的微觀組織形貌，通過模流分析結(jié)果對零件料花的產(chǎn)生機理進行了分析。提出采用增加并加深排氣槽和提高進膠位置的方法解決零件表面料花缺陷的問題。通過增加排氣槽和減少熔體在型腔的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排除，從而達到消除料花的目的。

1 前輪座結(jié)構(gòu)和材料

某型號嬰兒車前輪座模具為一模兩穴結(jié)構(gòu)，如圖1所示，采用冷流道，從產(chǎn)品側(cè)邊底部進膠，使用PA66 21SPC材料生產(chǎn)。由于前輪座底部存在裝配孔位，因此設(shè)置了滑塊，由鏟機帶動，如圖2所示。

圖1 一模兩穴結(jié)構(gòu)

圖2 前輪座滑塊

2 料花形成機理

2.1 料花形成過程及原因

注射成型充填過程中由于部分氣體殘留在塑料制品的內(nèi)部從而形成氣泡（水氣、困氣或分解氣）經(jīng)熔體的前沿呈噴射流動，在制品表面會形成肉眼可見的缺陷，白色線條狀常稱為銀紋，白色團塊狀稱之為料花。料花的形成大致分為3個過程，如圖3所示[12]：

圖3 料花形成過程

（1）注射成型充填過程中熔體夾雜氣體，產(chǎn)生氣泡；

（2）經(jīng)熔體的前沿呈噴射流動，流動時氣泡從圓形拉伸為橢圓形且可能伴有翻卷；

（3）氣泡與模具邊壁觸碰后，產(chǎn)生一串大小不等的泡點，冷卻凝固后定位于產(chǎn)品表面上，其中的染色劑會被不斷稀釋，最終回到塑料原本的顏色，形成料花。

2.2 料花微觀形貌觀察

前輪座的頂部與側(cè)面易出現(xiàn)料花，不良率最高為15%，不良品照片如圖4所示。在對前輪座澆口對側(cè)料花的形貌觀察時（圖4（a）），在類似于溝壑的表面上看到大小不一的氣泡，氣泡接觸模壁發(fā)生破裂，形成兩個小的氣泡，隨著外部壓力的減小，氣泡內(nèi)氣體漲大，其中的染色劑會被不斷稀釋，最終回到塑料原本的顏色，厚度減小到一定程度時，光線會發(fā)生薄膜干涉，出現(xiàn)七彩的顏色。顯微鏡下的觀察驗證了料花產(chǎn)生的機理分析，由于熔體內(nèi)存在氣體導(dǎo)致料花，如圖5所示。

圖4 料花實際照片

圖5 料花微觀形貌

2.3 料花的形成原因分析

注射過程中料花形成的原因有以下幾點[13]。

（1）水分揮發(fā)：在物料沒有充分烘干的情況下，水分在成型過程中會氣化從而妨礙熔料與型腔表面之間的粘接，并在流動方向上形成料花。物料中水分除造成料花缺陷以外，還可出現(xiàn)白化和氣泡等缺陷。

（2）熔料溫度偏低：若注入模腔的熔料溫度偏低，也有可能會導(dǎo)致料花缺陷的產(chǎn)生。

（3）卷入空氣：部分空氣隨物料進入料斗后被送至噴嘴，經(jīng)噴嘴噴出的熔料中夾雜著氣體，從而導(dǎo)致型腔表面不貼合產(chǎn)生料花缺陷。

（4）塑料粉：使用粉料進行成形時，很容易在粉料中摻雜空氣，成形時情況與（3）相同。

2.4 料花解決方案擬定

針對料花形成的原因，擬通過下述幾方面來改善料花缺陷。

（1）調(diào)整材料的含水率，減少原材料的含水率，降低水分的輸入。

（2）調(diào)整注射成型條件，降低制品側(cè)面熔體射速（第五段射速），使熔體中夾雜的氣體更易排除，同時避免流動前沿變化較大夾雜氣體。

（3）修改模具結(jié)構(gòu)，增加排氣槽的數(shù)量將排氣槽前端的深度增加至0.03 mm。

（4）修改進膠點，提高進膠點減少熔體在型腔中的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排出[14-15]。

根據(jù)實際調(diào)機，發(fā)現(xiàn)上述（1）和（2）對于改善料花缺陷影響較小。因此主要從模具結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā)解決料花問題。

3 料花缺陷改善

基于Moldflow軟件，對料花解決方案（3）修改模具結(jié)構(gòu)和方案（4）修改進膠點進行模流分析。

3.1 增加頂部排氣鑲件

前輪座圈處的凸臺是一個小空腔，熔體流經(jīng)凸臺時，空腔內(nèi)的空氣會被沖擊擠壓，一部分空氣會隨著熔體排出，導(dǎo)致零件頂部附近表面產(chǎn)生料花，如圖6~7所示。

圖6 產(chǎn)品頂部

圖7 產(chǎn)品頂部流動結(jié)果

同時，頂部存在料流匯聚的情況，熔體包裹的氣體無法排出，形成的氣泡破裂也易導(dǎo)致料花問題，如圖8所示。

圖8 頂部背面

因此在頂部增加排氣鑲件（圖9）加強排氣，在后續(xù)觀察中，頂部料花問題得到改善。由于前輪座料花主要集中在側(cè)面，料花不良率沒有明顯下降，依舊為15%左右。

圖9 頂部鑲件

原模具設(shè)計前模鑲件排氣槽數(shù)量僅有3條，通過將前模鑲件側(cè)面增加6條排氣槽并清理排氣槽中的模垢；同時，將排氣槽前端深度由0.02 mm增加至0.03 mm（圖10），生產(chǎn)后料花缺陷不良率由15%下降至5%左右。

圖10 排氣槽

3.2 修改進膠點

原設(shè)計澆口位于零件側(cè)邊底部（圖1），熔體流動時經(jīng)過的轉(zhuǎn)角較多，在熔體流動和翻卷的過程中，易夾雜氣體。鋸開零件，發(fā)現(xiàn)零件內(nèi)側(cè)也存在較多發(fā)亮（排氣不良）的區(qū)域，如圖11所示。

圖11 零件發(fā)亮區(qū)域

因此將澆口往前模方向移動，上移36 mm使?jié)部谔幱趥?cè)面的頂部，模擬結(jié)果表明，提高進膠點，減少熔體在型腔中的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排出，如圖12所示。

圖12 不同澆口位置

針對該型號前輪座，有4種進膠方案。

（1）澆口上移36 mm，原始進膠方案中，熔體進入型腔上翻后又往下流動，轉(zhuǎn)角過多；澆口上移36 mm，熔體整體往下流動，流動更加穩(wěn)定，如圖13所示。從包風(fēng)模擬和流動結(jié)果看，流動末端有熔體接合的情況，外觀面存在包風(fēng)的情況。

圖13 澆口上移模擬結(jié)果

（2）三板模一點進膠（靠近側(cè)邊），如圖14~15所示，在紅圈處進膠，熔體整體流動平順，從包風(fēng)模擬中看，外觀面不存在包風(fēng)的區(qū)域。

圖14 進膠點示意圖

圖15 氣穴模擬

（3）三板模一點進膠（遠離側(cè)邊），如圖16~17所示，紅圈處進膠時，將在側(cè)邊出現(xiàn)熔體匯聚的情況，存在包風(fēng)和熔接線，實際生產(chǎn)時可能難以調(diào)機解決。

圖16 進膠點示意圖

圖17 模擬結(jié)果

（4）三板模兩點進膠，如圖18所示，方案（4）與方案（3）類似，將在側(cè)邊存在包風(fēng)的情況，主要由于產(chǎn)品頂部是一個環(huán)形的結(jié)構(gòu)，在頂部進膠易導(dǎo)致熔體分流又合流的情況，因此易形成包風(fēng)。

圖18 流動示意圖

該型號前輪座原始澆口進膠會導(dǎo)致熔體流動時轉(zhuǎn)角過多，易夾雜氣體考慮將澆口往前模方向移動，從模擬結(jié)果來看，將4種進膠方案進行排序：（2）三板模，一點進膠（靠近側(cè)邊）>（1）澆口上移36 mm>（4）三板模，兩點進膠>（3）三板模，一點進膠（遠離側(cè)邊）。

原始模具為兩板模，因此要在面板和A板之間增加水口板、拉桿和鉤針，同時更換唧嘴和定位環(huán)，三板模示意圖如圖19所示。

圖19 三板模示意圖

4 結(jié)束語

對某薄壁帶筋輪座注塑件注射成型過程中注塑件表面易產(chǎn)生料花缺陷的問題，基于Moldflow軟件進行了模流分析，結(jié)論如下。

（1）料花形成的原因是由于注射成型過程中，由于氣體殘留在塑料制品的內(nèi)部形成的氣泡與模具邊壁觸碰后，產(chǎn)生一串大小不等泡點，冷卻凝固后定型于產(chǎn)品表面上產(chǎn)生的。

（2）制品表面料花與模具的排氣相關(guān)性密切。將前模鑲件側(cè)面排氣槽的數(shù)量由3條增加到6條，并清理模垢；同時，將排氣槽前端深度由0.02 mm加深到0.03 mm后，前輪座料花改善明顯，不良率由15%降至5%左右。

（3）采用三板模結(jié)構(gòu)并提高進膠位置，可減少熔體在型腔中的轉(zhuǎn)向，使得氣體更易排出；當采用三板模并將進膠位置從零件側(cè)面底部提高到零件頂部后，熔體整體流動平順，對表面料花現(xiàn)象會有所改善。