尼龍(PA)是一種用量最大、品種最多、開發最早的工程塑料。由于PA具有良好的力學性能、耐磨性、自潤滑性、耐腐蝕性、氣體阻隔性、電絕緣性和成型加工性能,因而被廣泛地應用于機械、汽車、電子電氣、紡織、化工、航空、冶金等領域,成為許多行業不可缺少的結構材料。
但是與金屬相比,PA還存在著強度、剛性較低,因吸水率大而引起的尺寸穩定性差等不足。為此,人們用玻璃纖維(GF)、石棉纖維、碳纖維、鈦酸鉀晶須等增強改性PA,在很大程度上彌補了PA性能上的不足。其中以GF增強PA(PA/GF)的應用最為普遍。
GF具有提高PA的硬度、密度和剛性,提高熱變形溫度,降低物理力學性能對濕度、溫度的依賴性,降低收縮率,改進PA蠕變行為和表觀質量等功能。
PA/GF適用于注射成型、擠出成型等多種加工方式。在實際生產過程中,PA/GF注射制品常存在翹曲變形缺陷,筆者運用MoldflowMPI軟件對PA66/GF進行注射成型模擬分析,提出了減小PA66/GF制品翹曲變形的具體解決方案。
1 PA66/GF的注射成型工藝
1.1 原料的預處理
PA66熔體對水很敏感,微量水分就能使PA66發生水解反應,使其分子量變小,所以必須嚴格控制其含水量。PA66允許的含水量不能超過0.1%,但PA66的吸水性特別強,飽和含水量可達到3%,因此PA66在注射成型前需要進行預熱干燥處理。
PA66的預熱干燥處理通常是在(85±5)℃的干燥箱內干燥6～8h。如果含水量大于0.2%,則建議采用更高的溫度(105℃);由于PA66在高溫下容易發生氧化變色,所以當溫度過高時應在真空干燥箱中進行預熱干燥處理。
1.2 PA66/GF的注射工藝條件
PA66/GF的注射工藝條件列于表1
PA66還有一個突出的特性就是熔點高,加工溫度范圍窄(約10℃左右),因此應嚴格控制注射工藝條件。
2 PA66/GF注射成型制品的翹曲變形
2.1 PA66/GF的注射成型模擬分析
筆者運用MoldflowMPI軟件對PA66/GF進行注射成型模擬分析。為使分析結果直觀,將分析對象簡化為圖1所示的平板制品,板厚2.5mm。
材料選用美國DuPontEngineeringPolymers公司生產的PA66/GF,牌號為PA66/GF30,GF質量分數30%。
注射成型分析的CAE模型如圖2所示。冷卻水道直徑10mm,水道間距40mm,水道與型腔表面最小距離25mm,進水口水溫25℃,雷諾數10000,直澆口設在制品中心O點處,注射時間2.2s,注塑壓力70MPa,總成型周期35s,保壓時間10s,開模取制品時間5s,保壓壓力56MPa。
制品的翹曲變形結果列于表2。
注:1)Z軸方向上4個角點Ai(i=1,2,3,4)的最大翹曲變形量;
2)Z軸方向上邊界線中點Bi(i=1,2,3,4)的最大翹曲變形量;
3)Z軸方向上澆口處的翹曲變形量;4)Z軸方向上的最大相對翹曲變形量。
從表2可以看出,平板制品注射成型后邊緣向下翹曲,但中點Bi的變形要大于角點Ai;中線B1B3的長度要小于邊緣線A1A2。這說明制品邊緣向下凹的同時還向內收縮,形成一條空間曲線。澆口處向上翹曲變形6.602mm,制品邊界中點Bi向下翹曲變形3.540mm,其相對翹曲變形量為10.142mm。由此可以看出,PA66/GF30注射成型制品的翹曲變形量非常大。
2.2 產生翹曲變形的原因及改進方法
注射成型制品翹曲變形過大的原因有3條:收縮不均勻、取向不均勻和冷卻不均勻。筆者運用MoldflowMPI軟件分析平板制品產生翹曲變形的原因,得到表3所示的結果。
從表3可以看出,由GF取向不均勻所引起的翹曲變形靈敏度因子是由收縮不均勻所引起的391倍,是冷卻不均勻所引起的2840倍。這說明PA66/GF30制品翹曲變形的主要原因是由于GF取向不合理所致。要想從根本上減小制品的翹曲變形,就必須改變現有的GF取向。
改變GF取向主要有優化注射工藝參數、更改制品厚度和改進澆口3種方法。
可優化的注射工藝參數包括模具溫度、熔體溫度、保壓方式和冷卻條件等。優化注射工藝參數是一種最經濟、最方便的方法,因為不需要修改制品和模具的結構。
更改制品厚度,往往需要改變制品的設計過程和模具結構,并且有些制品在形狀、尺寸上都有嚴格的要求,厚度不可隨便更改。所以更改制品厚度的方法有一定的局限性。
如果上面兩種方法都不可行或無法使翹曲變形量減小到所要求的誤差范圍之內,那么就只有改進澆口了。澆口的位置、大小、數目和類型都能影響GF的取向。
如果注射模具已經制造完成,這種方法就比較麻煩;但如果在模具設計過程中就對制品進行注射成型CAE分析,預測成型過程中可能會出現的各種問題,那么這種方法同樣十分方便。澆口一旦被更改,則需要重新進行充填、冷卻、保壓、翹曲變形等內容的模擬計算。
2.3 減小翹曲變形的具體方案
(1)優化注射工藝參數
保持其它工藝參數不變,將總成型周期延長為50s,冷卻水溫由25℃升高到60℃,模具溫度設定為80℃,保壓方式由傳統的直線保壓方式調整為曲線保壓方式,優化后的保壓曲線如圖3所示。注射工藝參數優化后制品的翹曲變形結果列于表4。
從表4可看出,注射工藝參數優化后,制品最大相對翹曲變形量降低,但降幅不大。制品內部溫度分布越來越均勻,最大溫差僅為16.7℃。這說明注射工藝參數設置已經達到優化的目的,但仍不能大幅降低制品的翹曲變形,所以僅靠優化工藝參數的方法來減小翹曲變形的作用是有限的。
(2)更改制品厚度在注射工藝參數不變的情況下,通過改變制品厚度來分析厚度對PA66/GF30制品翹曲變形的影響。表5列出不同厚度的平板制品的翹曲變形結果。
由表5可以看出,當制品厚度大于等于4.5mm時,最大相對翹曲變形量減小到小于等于0.458mm。由此可見,通過增加制品厚度可以有效地減小翹曲變形量,并且效果十分明顯。
隨著制品厚度的增加,制品中線長度有所增加,制品的最大溫差也急劇降低,當制品厚度大于等于4.5mm時,最大溫差已接近或小于10℃,達到比較理想的結果,制品內部應力分布均勻,從而可以保證制品在脫模后不會出現較大的翹曲變形。
(3)改進澆口在其它條件不變情況下,將澆口數目由1個增加到4個。修改后的注射成型分析模型如圖4所示。 重新進行模擬計算,制品翹曲變形結果列于表6。
由表6可以看出,通過增加澆口數目可以使制品的最大相對翹曲變形量降低到0.12mm。同時,制品的平面尺寸也發生了較大的變化,如B1B3的長度變為198.9mm,與邊界線A1A2長度的差僅為0.1mm。
由此可見,通過改進澆口可有效地減小制品的翹曲變形。如平面尺寸的變形量大于厚度方向上的翹曲變形量,則可以在模具設計過程中通過設置參考模型的收縮率來進行預補償,以滿足平面方向上的尺寸精度。
3 結論
對于PA66/GF注射成型制品來說,GF取向不均勻是產生翹曲變形的主要原因。優化注射工藝參數對減小制品的翹曲變形有一定作用;增加制品厚度或采用多澆口注射均能使GF取向單一的情況得到明顯改善,從而有效減小制品的翹曲變形。
