注射壓縮成型與常規(guī)注射成型的模腔壓力對(duì)比分析

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(1 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2北京市先進(jìn)運(yùn)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明件工程技術(shù)研究中心，北京 100095)

注射壓縮技術(shù)是將傳統(tǒng)注射成型與壓縮成型進(jìn)行有效的工藝組合，該成型過程分成了兩個(gè)階段，初始注射階段，高溫熔體充填進(jìn)入不完全閉合的模具，由于該過程模具的模腔尺寸大于最終產(chǎn)品，所以驅(qū)動(dòng)充填的注射壓力低[1]；待熔體充填達(dá)到一定程度時(shí)進(jìn)入二次壓縮階段，模具型腔閉合至最終產(chǎn)品尺寸，壓縮熔體實(shí)現(xiàn)完整充填。與常規(guī)注射成型相比，注射壓縮成型具有注射壓力低、整體質(zhì)量控制均勻、殘余應(yīng)力低和幾何尺寸精度高等特點(diǎn)，特別適用于具有高光學(xué)品質(zhì)要求的產(chǎn)品。Martin等[2]最早提出了將注射與壓縮工藝復(fù)合的概念，其目的是提高材料的充填能力，已滿足成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁產(chǎn)品的需求，Spector等[3]則成功將該技術(shù)推廣到光學(xué)透鏡的研制上，隨后注射壓縮成型被Engel、Demag、KraussMaffei、三菱重工、Battenfield等廠商競(jìng)相開發(fā)并整合入注塑機(jī)中。盡管成型技術(shù)本身具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是壓縮階段的引入使得注射壓縮成型的過程更加復(fù)雜，相關(guān)工藝控制與模具技術(shù)成為限制其應(yīng)用的關(guān)鍵。Yang等[4-5]開展了光盤注射壓縮成型的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)注射壓縮可以極大提高樣件的尺寸精度，特別是垂直于壓縮方向的平面尺寸，但由于注射和壓縮導(dǎo)致的聚合物取向不同，厚度均勻性相對(duì)略差。Guan等[6]和葛勇等[7]分別從薄壁和厚壁兩個(gè)角度對(duì)注射壓縮成型的樣件厚度均勻性控制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)薄壁產(chǎn)品的厚度更多受熔體溫度和壓縮相關(guān)參數(shù)的影響，而厚壁產(chǎn)品厚度則主要與注射量及壓縮起始位置有關(guān)。Michaeli等[8]研究了注射壓縮成型塑料透鏡的光學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)注射壓縮成型中注射速率和壓縮速率對(duì)樣件的光學(xué)畸變和灰色度影響最大，而常規(guī)注射成型中注射速率和保壓壓力影響最大。周明勇等[9]闡述了聚合物納米/亞微米結(jié)構(gòu)零件的不同注射成型方法，強(qiáng)調(diào)了注射壓縮成型在表面微納結(jié)構(gòu)成型上的巨大潛力。陳宇宏等[10]開展了注射壓縮與常規(guī)注射的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明注射壓縮成型可顯著減小制件的雙折射現(xiàn)象，是制造中大型透明產(chǎn)品的有力工具。

注射成型中材料經(jīng)歷了復(fù)雜的P-V-T歷史，且模腔不同區(qū)域的多物理場(chǎng)演變也存在很大差別，如何實(shí)時(shí)監(jiān)控成型過程，進(jìn)而反向優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝，已成為控制產(chǎn)品綜合性能的關(guān)鍵。模腔壓力作為成型過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，直接反映了不同方法和工藝下材料的P-V-T變化特征[4-5, 11]，能夠有效識(shí)別次品的產(chǎn)生和指導(dǎo)工藝優(yōu)化，受到國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的關(guān)注[12-18]。Kurt等[12]研究了注射成型工藝對(duì)產(chǎn)品尺寸精度的影響，發(fā)現(xiàn)模腔壓力和溫度才是直接決定最終產(chǎn)品幾何收縮的因素，而工藝參數(shù)只是表觀控制變量。Hassan[14]開展了注射成型工藝對(duì)模腔壓力和產(chǎn)品質(zhì)量影響的研究，針對(duì)PS和LDPE兩種材料，發(fā)現(xiàn)模腔壓力與產(chǎn)品質(zhì)量隨工藝的變化規(guī)律相似，但模腔壓力變化的劇烈程度與材料性能直接相關(guān)。Guan等[15]將應(yīng)變傳感器應(yīng)用在注射壓縮成型的壓力監(jiān)控上，通過與模腔壓力傳感器對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，表面應(yīng)變傳感器可有效表征成型過程的不同階段和預(yù)測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量及厚度。曹偉等[16]和王韜等[17]充分考慮熔體擠壓引起的三維流動(dòng)，對(duì)壓縮過程的材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了重建，重點(diǎn)分析了注射壓縮成型過程的模腔壓力平臺(tái)區(qū)與工藝的關(guān)系，對(duì)厚壁透明產(chǎn)品的工藝研究與開發(fā)試制提供了理論基礎(chǔ)。目前，關(guān)于常規(guī)注射成型模腔壓力的研究較多，針對(duì)注射壓縮成型的較少[15,18]，而關(guān)于模腔壓力與不同成型方法及其工藝之間關(guān)系的系統(tǒng)研究也鮮見報(bào)道。

本工作在自主開發(fā)的注射壓縮成型模具上安裝模腔壓力傳感器，對(duì)常規(guī)注射成型和注射壓縮成型的模腔壓力進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比分析，考察熔體溫度等工藝參數(shù)對(duì)模腔壓力及其分布的影響，比對(duì)不同成型方法下樣件的殘余應(yīng)力和翹曲變形，進(jìn)一步驗(yàn)證注射壓縮成型的優(yōu)勢(shì)和模腔壓力的重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用材料為Saudi Basic Industries Corp生產(chǎn)的光學(xué)級(jí)聚碳酸酯(PC)，牌號(hào)為OQ-2720，材料熔融指數(shù)為8.90g/10min。

注射成型實(shí)驗(yàn)在KraussMaffei生產(chǎn)的CX-130注射機(jī)上完成，利用HB-THERM生產(chǎn)的HB-180Z2模溫機(jī)進(jìn)行成型模具溫度控制，利用恩德克生產(chǎn)的NDD-250干燥輸送機(jī)進(jìn)行原料的除濕與上料。采用Stress Viewer偏光儀對(duì)實(shí)驗(yàn)樣件的殘余應(yīng)力進(jìn)行定性測(cè)量，采用精度為0.01mm的高度尺對(duì)樣件的平面翹曲撓度進(jìn)行定量測(cè)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吲c模腔壓力測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邽閭?cè)澆口形式的熱流道平板模具，平板的設(shè)計(jì)尺寸為550mm×280mm×4mm，該模具由定模、動(dòng)模、模內(nèi)鑲塊及壓縮機(jī)構(gòu)等部分組成，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)注射成型和注射壓縮成型等多種工藝，見圖1(a)。模具模腔壓力傳感器安裝在定模鑲件上(見圖1(b))，一個(gè)距離澆口40mm，定義為位置1(壓力為P1)，另一個(gè)距離充填末端30mm，定義為位置2(壓力為P2)，兩監(jiān)控點(diǎn)的間距為480mm。通過6159A型傳感器和CoMo Injection 2869信號(hào)放大器對(duì)模腔壓力進(jìn)行測(cè)量、采集與分析。

圖1注射成型實(shí)驗(yàn)用模具(a)及模腔壓力監(jiān)控點(diǎn)布置(b)Fig.1 Mold (a) and distribution of cavity pressure monitor (b) for injection molding

1.3 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

成型實(shí)驗(yàn)包括了常規(guī)注射成型和注射壓縮成型兩部分，為了充分對(duì)比兩種工藝過程的模腔壓力演變規(guī)律和獲得模腔壓力和性能的有效控制路線，需要開展相應(yīng)的工藝影響研究，具體的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃見表1和表2，考察同一工藝不同水平影響時(shí)選擇表中帶有下劃線的工藝組合不變，后續(xù)以表中的字母與數(shù)字代表具體工藝參數(shù)。

表1 常規(guī)注射成型實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Process parameters for conventional injection molding

表2 注射壓縮成型實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table 2 Process parameters for injection compression molding

2 結(jié)果與分析

2.1 注射壓縮成型與常規(guī)注射成型的模腔壓力特征

對(duì)比圖2和圖3可以看出，常規(guī)注射下不同位置處的模腔壓力演變規(guī)律相近，表現(xiàn)為達(dá)到最大值之后迅速下降，但P1與P2之間的時(shí)間間隔接近7s，壓力最大值相差23MPa(見圖2(b))，這一現(xiàn)象歸因于常規(guī)注射成型是通過澆口進(jìn)行單向注射充填與保壓補(bǔ)縮，自澆口至充填末端存在極大的壓力梯度。而注射壓縮成型的模腔壓力曲線的衰減程度較為緩慢，有效的壓縮補(bǔ)縮時(shí)間延長(zhǎng)，使得材料的壓力場(chǎng)和性能更加均勻，P1與P2的曲線基本重疊(見圖3(b))，壓力最大值相差僅為5.4MPa。同時(shí)，圖3(b)中P1曲線的拐點(diǎn)處模腔壓力為14.4MPa，代表注射階段的最大注射壓力，相比較圖2中的51.8MPa降低了70%，說明注射壓縮可有效降低成型的注射壓力?？紤]到監(jiān)控點(diǎn)最大值和監(jiān)控點(diǎn)差值的重要性，后續(xù)部分選擇P1和P2的最大值及兩點(diǎn)的差值(簡(jiǎn)寫為(P1-P2))作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，對(duì)比不同成型方法下模腔壓力的工藝相關(guān)性。

圖2 常規(guī)注射成型A1B5C3D3的模腔壓力演變曲線 (a)單個(gè)成型周期；(b)局部放大Fig.2 Cavity pressure curves for conventional injection molding with A1B5C3D3 (a)single molding cycle;(b)partial view

圖3 注射壓縮成型的模腔壓力演變曲線 (a)單個(gè)成型周期；(b)局部放大Fig.3 Cavity pressure curves for injection compression molding with molding cycle; (b) partial view

2.2 工藝參數(shù)對(duì)常規(guī)注射模腔壓力的影響

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，通過改變?nèi)垠w溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間，得到模腔壓力隨成型時(shí)間的演變曲線，對(duì)其最大值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著熔體溫度和模具溫度的升高，模腔壓力P1逐漸降低，而P2逐漸上升，整體的壓力均勻性得到明顯改善；隨著保壓壓力增大和保壓時(shí)間延長(zhǎng)，模腔壓力P1升高，(P1-P2)壓力差變大，熔體充填方向上的壓力梯度增加，易引起樣件的翹曲變形與應(yīng)力集中[12]。

圖4 常規(guī)注射成型熔體溫度(a)、模具溫度(b)、保壓壓力(c)和保壓時(shí)間(d)對(duì)模具型腔壓力的影響Fig.4 Effects of process parameters on the cavity pressure curves for conventional injection molding (a)melt temperature;(b)mold temperature;(c)holding pressure;(d)holding time

從圖4(a)可以看出，熔體溫度從300℃升至320℃，模腔壓力P1從53.5MPa降低至46.3MPa，壓力差(P1-P2)降低至6.9MPa。聚碳酸酯材料對(duì)溫度極其敏感，溫度越高，對(duì)應(yīng)黏度越低，壓力傳遞損耗越低。模具溫度升高，可以減小邊緣凝固層厚度，有利于熔體流動(dòng)的壓力傳遞，表現(xiàn)出更加均勻的模腔壓力場(chǎng)[14]，如圖4(b)所示，120℃模溫下的壓力差(P1-P2)為21.7MPa，但對(duì)近澆口處P1的影響較小。升高模溫還會(huì)引起局部的熔體二次流動(dòng)，特別是壓力相對(duì)較低的位置2處，容易產(chǎn)生壓力場(chǎng)的波動(dòng)，如100℃時(shí)的曲線偏離。從圖4(c)可以看出，保壓壓力從60MPa升高100MPa，模腔壓力P1從51.9MPa增大至60.1MPa，P2上升緩慢，(P1-P2)升高至26.4MPa。而保壓時(shí)間從3s延長(zhǎng)至11s，模腔壓力P1逐漸增加，P2則略有降低，壓力差(P1-P2)可達(dá)到32.7MPa。常規(guī)注射成型的保壓是通過注射螺桿進(jìn)行單向的壓力填充，保壓壓力越大，保壓時(shí)間越長(zhǎng)，補(bǔ)縮效果越明顯，對(duì)應(yīng)澆口的模腔壓力越大。由于壓力傳遞損失，充填末端的模腔壓力增幅較小，或者因保壓時(shí)間過長(zhǎng)引起澆口和充填截面的半封閉，進(jìn)而導(dǎo)致末端的壓力出現(xiàn)下降趨勢(shì)，整個(gè)模腔的壓力場(chǎng)愈加不均勻。從上述結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)注射成型中，模具溫度對(duì)模腔壓力的影響最大，其次為熔體溫度和保壓時(shí)間，保壓壓力最弱。合理的工藝窗口范圍內(nèi)，增大熔體溫度和模具溫度，降低保壓壓力和保壓時(shí)間，都會(huì)使模腔壓力更加均勻。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)注射壓縮的型腔壓力影響

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，通過改變?nèi)垠w溫度、模具溫度、壓縮行程和壓縮速率，得到模腔壓力隨成型時(shí)間的演變曲線，對(duì)其最大值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖中可以看出，注射壓縮成型的模腔壓力分布更為均勻，(P1-P2)基本都在10MPa以下。同時(shí)，工藝參數(shù)的影響規(guī)律也表現(xiàn)出異于常規(guī)注射成型，這主要與壓縮階段的引入有關(guān)。

圖5 注射壓縮成型的熔體溫度(a)、模具溫度(b)、壓縮行程(c)和壓縮速率(d)對(duì)模具型腔壓力的影響Fig.5 Effects of process parameters on the cavity pressure curves for injection compression molding (a)melt temperature;(b)mold temperature;(c)compression stroke;(d)compression speed

從圖5(a)可以看出，熔體溫度升高，模腔壓力P1降低，P2升高，當(dāng)熔體溫度達(dá)到320℃時(shí)，(P1-P2)僅有1.4MPa，模腔壓力場(chǎng)更加均勻。圖5(b)顯示，模具溫度升高，模腔壓力P1升高，P2基本不變，壓力差(P1-P2)上升，模溫120℃時(shí)可達(dá)到9.1MPa，與常規(guī)注射恰恰相反。注射壓縮成型的模腔壓力更多反映的是高溫熔體在壓縮階段受到模具擠壓時(shí)的響應(yīng)，位置1區(qū)域在注射階段完成充填，而位置2區(qū)域在壓縮階段完成充填，壓縮過程熔體反向擠壓致使位置1的密實(shí)度明顯大于位置2，對(duì)應(yīng)模腔壓力P1大于P2。模具溫度越高，位置1區(qū)域的冷凝層越薄，熔體反壓效應(yīng)越明顯，模腔壓力也就越大，但熔體溫度升高、壓縮行程增大、壓縮速率加快會(huì)弱化這種反壓不均現(xiàn)象。從圖5(c)和圖5(d)可以看出，壓縮行程增加，模腔壓力P1和P2緩慢增大，(P1-P2)降低至6.3MPa；壓縮速率增加，P2模腔壓力急劇增大，壓力場(chǎng)趨于均勻，壓力差(P1-P2)最小可達(dá)3.1MPa。壓縮階段是模具擠壓熔體并補(bǔ)償冷卻收縮的重要過程，壓縮行程越大、壓縮速率越快，模腔內(nèi)會(huì)有更多的區(qū)域和材料經(jīng)歷該過程，對(duì)應(yīng)壓力場(chǎng)更加均勻[18]。從上述結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在注射壓縮成型中，壓縮速率對(duì)模腔壓力的影響最大，其次為熔體溫度和模具溫度，壓縮行程最弱。在合理的工藝窗口范圍內(nèi)，可以通過增大熔體溫度，降低模具溫度，增大壓縮行程和壓縮速率，使得模腔壓力更加均勻，有利于成型出尺寸精度高、質(zhì)量均勻的樣件。

2.4 不同成型方法的樣件性能對(duì)比驗(yàn)證

圖6 常規(guī)注射成型A1B5C3D2(a)和注射壓縮成型的殘余應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Comparison on the residual stress of conventional injection molding with A1B5C3D2 (a) and injection compression molding with (b)

圖7 常規(guī)注射成型A1B5C3D2和注射壓縮成型的翹曲變形對(duì)比Fig.7 Comparison on warpage of conventional injection molding with A1B5C3D2and injection compression

3 結(jié)論

(1)注射壓縮成型有效降低了成型的注射壓力，其模腔壓力衰減程度較為緩慢，壓縮補(bǔ)縮時(shí)間延長(zhǎng)，使得材料在模腔內(nèi)的壓力場(chǎng)更加均勻。

(2)常規(guī)注射成型中，模具溫度對(duì)模腔壓力的影響最大，其次為熔體溫度和保壓時(shí)間，保壓壓力最弱。通過增大熔體溫度和模具溫度，降低保壓壓力和保壓時(shí)間，都會(huì)使模腔壓力更加均勻。

(3)注射壓縮成型中，壓縮速率對(duì)模腔壓力的影響最大，其次為熔體溫度和模具溫度，壓縮行程最弱。通過增大熔體溫度，降低模具溫度，增大壓縮行程和壓縮速率，使得模腔壓力更加均勻，有利于成型出尺寸精度高、質(zhì)量均勻的樣件。

(4)注射壓縮成型樣件的熱殘余應(yīng)力均勻，流動(dòng)殘余應(yīng)力減小，整體殘余應(yīng)力呈現(xiàn)低且分布均勻的趨勢(shì)，注射壓縮成型樣件的翹曲變形更小，模腔壓力可明顯反應(yīng)這一現(xiàn)象。

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