周偉峰 周孝華 熊軍 徐志亮 董龍 陳民華
TCL空調(diào)器(中山)有限公司 廣東中山 528400
近年來,家電、空調(diào)行業(yè)使用的改性塑料發(fā)展較快,外觀更加美觀,安全指標(biāo)持續(xù)提升,輕量化、健康、低成本、節(jié)能低碳成為其發(fā)展方向??照{(diào)輕量化技術(shù)是對輕量化設(shè)計、輕量化材料、輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用[1]。蘇炳超、劉冬麗等分別通過單體型式試驗與整機(jī)性能試驗,驗證了PP-GF28和PP-GF30替代傳統(tǒng)軸流風(fēng)葉材料AS-GF20的可行性[2-3],但均未考慮玻纖增強(qiáng)PP在低溫情況下的可靠性及其固有頻率變化對整機(jī)振動的影響等。本文從材料輕量化入手,以分體空調(diào)外機(jī)的軸流風(fēng)葉為研究對象,無需更改模具,僅變更注塑材料,保證變更后的零件單體、整機(jī)性能與更改前相當(dāng),且提高了其高、低溫耐沖擊能力,充分驗證了零件及整機(jī)運(yùn)行可靠性,實現(xiàn)了零件輕量化設(shè)計,降低了成本,提高產(chǎn)品競爭力。
AS樹脂是由丙烯腈與苯乙烯共聚而成的高分子化合物(acrylonitrile-styrene copolymer),為非晶態(tài)透明而微黃色的熱塑性樹脂。AS承受載荷的能力極強(qiáng),具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐候性、耐熱性、耐油性、抗震動性和化學(xué)穩(wěn)定性,通過添加玻纖作為增強(qiáng)材料是塑料改性的常用方法[4-5]。在AS樹脂中加入玻纖可提高其強(qiáng)度,且材料的線膨脹系數(shù)小,收縮率較低,適用于制造空調(diào)的貫流風(fēng)葉、軸流風(fēng)葉、離心風(fēng)葉及其他高強(qiáng)度零件。但玻纖增強(qiáng)AS的脆性較大,性能提升幅度有限,使用橡膠增韌的改善空間不大[6],室外機(jī)軸流風(fēng)葉在總裝生產(chǎn)、整機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)時易導(dǎo)致葉片斷裂,增加生產(chǎn)成本。
PP,是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂,是當(dāng)前常用塑料最輕的品種之一,也是輕量化的首選材料。但其最大缺陷是耐氣候性差、高溫剛性不足、透明性不足、熔融強(qiáng)度小和易烯等[7]。以PP為基體樹脂,通過專用設(shè)備和工藝生產(chǎn)的連續(xù)長玻纖增強(qiáng)材料,可有效提高制品的剛性、抗沖擊強(qiáng)度、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性,以塑代鋼,已在汽車、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。汪克風(fēng)等在玻纖增強(qiáng)PP復(fù)合材料中混入適量接枝PP,改善極性玻纖與非極性PP基體間的界面性能,大幅改善了復(fù)合增加PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及耐熱性,制備出性能與AS/玻纖相當(dāng),適用于注塑加工的高性能PP/GF復(fù)合材料[9]。
分別將AS、PP與玻纖在雙螺桿擠出機(jī)中熔融、混合、擠出、造粒,所得的膠粒在注塑成各種標(biāo)準(zhǔn)的測試樣條,冷卻24小時后進(jìn)行力學(xué)性能測試。
由表1可見,復(fù)合增強(qiáng)PP的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度較AS-GF20低、沖擊強(qiáng)度高,其成分玻纖含量接近30%,提高改性PP的強(qiáng)度,還將經(jīng)過表面處理的云母增韌填充,增加了高溫抗變形能力和低溫韌性。
如圖1、圖2為兩種材料淬斷表面的SEM照片,顯示了其微觀形貌。從圖片上看,復(fù)合增強(qiáng)PP的長玻纖與基體樹脂相容性較好,玻纖均勻分散、附著力強(qiáng),其形貌特性與AS-GF20相近。由于大量纖維在截面斷裂時從基體中撥出,在斷面上較多的纖維呈裸露狀,孔洞和溝壑相間。
由表2可見,使用復(fù)合增加PP的軸流風(fēng)葉尺寸與ASGF20偏差小于1%,符合圖紙公差要求,重量下降41克,約14.2%,輕量化效果顯著。
表1 測試樣條的力學(xué)性能對比
表2 兩種材料軸流風(fēng)葉的尺寸/重量對比
如圖3所示,增強(qiáng)AS材料的樣件微黃、半透明,增強(qiáng)PP材料的樣品呈灰白色,不透明,兩種材料均為原色,均可增加色母調(diào)整顏色。
由表3可見,復(fù)合增強(qiáng)PP風(fēng)葉的各項單體型式試驗均合格,相比AS-GF20材料,其極限高速運(yùn)轉(zhuǎn)的破損轉(zhuǎn)速更高,這與其軸向變形后氣動載荷減小有關(guān)。高溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗,復(fù)合增強(qiáng)PP樣件的變形量略高于AS-GF20,這與其材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度略低有關(guān),但φ320×118風(fēng)葉的直徑小,葉片弦長短,高溫變形程度不明顯,當(dāng)前各項單體形式試驗均符合企標(biāo)要求。
圖1 AS-GF20材料淬斷表面SEM照片
圖2復(fù)合增強(qiáng)PP材料淬斷表面SEM照片
圖3 外觀對比(左:AS-GF20;右:復(fù)合增強(qiáng)PP)
為降低軸流風(fēng)葉破損率,做更苛刻的非標(biāo)跌落試驗。在30℃環(huán)境下,將風(fēng)葉在距地面3米處自由落體,重復(fù)3次。如圖4所示,AS-GF20材料,有兩個葉片開裂,局部斷裂,圖5復(fù)合增強(qiáng)PP材料,葉片無開裂,局部僅發(fā)白和磨損??梢姡瑥?fù)合增強(qiáng)PP的韌性較AS-GF20有顯著提高,可降低甚至避免由于生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)、長途運(yùn)輸造成的風(fēng)葉斷裂類售后投訴。
表3 不同材料軸流風(fēng)葉的單體型式試驗對比
圖4 30℃環(huán)境非標(biāo)跌落(AS-GF20)
圖5 30℃環(huán)境非標(biāo)跌落(復(fù)合增強(qiáng)PP)
用錘擊法測試風(fēng)葉的固有頻率,采用LMS公司的測試力錘、采集傳感器、便攜式數(shù)據(jù)采集器完成固頻錘擊測試。原理上,風(fēng)葉的固頻只受其質(zhì)量和剛度的影響,其規(guī)律為:質(zhì)量增加,固有頻率降低,剛度增加,固有頻率增大。復(fù)合增強(qiáng)PP材料風(fēng)葉的質(zhì)量降低、剛度減弱,固有頻率實測降低,避開了旋轉(zhuǎn)頻率基頻、電源頻率。
由于葉片質(zhì)量降低、剛度減弱,復(fù)合增強(qiáng)PP樣件的固有頻率降低,如圖6所示,400 Hz內(nèi)復(fù)合增強(qiáng)PP有6個峰值,AS-GF20有7個。額定轉(zhuǎn)速920 rpm時,旋轉(zhuǎn)基頻為46 Hz,與兩種材料風(fēng)葉的固頻均未重合。
由于PP基材在-35℃下會脆化,需要驗證其在低溫環(huán)境下的耐沖擊性能。將上述兩種材料的風(fēng)葉樣件同時放入-40℃的可程式恒溫恒濕試驗箱中,72小時后取出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)跌落試驗:葉片外緣向下,離地面0.3米高,自由下落到水泥地板上。兩材料風(fēng)葉的標(biāo)準(zhǔn)跌落均合格,需進(jìn)行更苛刻的非標(biāo)跌落試驗。將風(fēng)葉放置距離地面3米處自由落體,重復(fù)3次。如圖7、8所示,AS-GF20材料的一個葉片破損,復(fù)合增強(qiáng)PP材料的葉片無開裂或破損,僅局部發(fā)白和磨損。試驗證明,在-40℃時,經(jīng)過共混改性的復(fù)合增強(qiáng)PP材料未出現(xiàn)脆化,且韌性優(yōu)于AS-GF20。
圖6 固頻對比
表4 整機(jī)風(fēng)量、噪音、功率對比
表5 整機(jī)振動對比
圖7 -40℃冷凍后非標(biāo)跌落(AS-GF20)
圖8 -40℃冷凍后非標(biāo)跌落(復(fù)合增強(qiáng)PP)
某出口1P定頻機(jī)使用φ320×118軸流風(fēng)葉,無直流電機(jī)配置,這里僅對交流電機(jī)進(jìn)行對比分析。由表4可見,送風(fēng)模式下,與AS-GF20相比,復(fù)合增強(qiáng)PP材料軸流風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、功率、噪音水平相當(dāng)。
如圖9、10所示,復(fù)合增強(qiáng)PP材料的軸流風(fēng)葉送風(fēng)噪音值略高0.4 dB(A),峰值高1.2 dB(A),峰值頻率相近,噪音音質(zhì)體驗無明顯差異。
送風(fēng)模式,在整機(jī)關(guān)鍵位置:電機(jī)支架、頂蓋板、前面板分別安裝振動傳感器,通過測試振動加速度來對比兩種材料的軸流風(fēng)葉對整機(jī)振動方面的影響。由表5可見,電源頻率為50 Hz、60 Hz情況下,復(fù)合增強(qiáng)PP的風(fēng)葉樣件較AS-GF20的樣件整機(jī)振動更低,60 Hz時尤為明顯。
如圖11所示,兩種材料的軸流風(fēng)葉隨整機(jī)進(jìn)行了100天室外環(huán)境為45℃的高溫制冷長期運(yùn)行可靠性試驗,期間記錄了同一葉片的軸向長度變化數(shù)據(jù)。由圖12所示,77天后葉片軸向長度趨于穩(wěn)定,第100天復(fù)測,復(fù)合增強(qiáng)PP的風(fēng)葉樣件比AS-GF20的軸向尺寸短1.4 mm,占比1.1%,差異較小不影響整機(jī)可靠性。
圖9 聲壓級頻譜(AS-GF20)(噪音總值:44.17分貝;峰值:29.48分貝;頻率:417赫茲)
圖10 聲壓級頻譜(復(fù)合增強(qiáng)PP)(噪音總值:44.58分貝;峰值:30.68分貝;頻率:415赫茲)
(1)規(guī)格為φ320×118的軸流風(fēng)葉,復(fù)合增強(qiáng)PP材料的風(fēng)葉尺寸相比AS-GF20材料偏差小于1%,重量下降41克,約14.2%,輕量化效果顯著。
(2)常溫下,復(fù)合增強(qiáng)PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度分別較AS-GF20材料低25.8%、15.4%,沖擊強(qiáng)度高94.5%,即剛性降低、韌性增強(qiáng),將經(jīng)過表面處理的云母增韌填充,增加了高溫抗變形能力和低溫韌性;-40℃低溫環(huán)境放置48小時,復(fù)合增強(qiáng)PP材料未出現(xiàn)脆化,且韌性優(yōu)于AS-GF20材料。
(3)復(fù)合增強(qiáng)PP樣件的極限運(yùn)轉(zhuǎn)破損轉(zhuǎn)速更高;高溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗,其變形量較AS-GF20材料僅高0.4%;其韌性較AS-GF20材料有顯著提高,可降低由于生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)造成的風(fēng)葉斷裂類售后投訴數(shù)量。
圖11 長期高溫運(yùn)行試驗
圖12 長期高溫運(yùn)行對風(fēng)葉軸向長度的影響
(4)整機(jī)送風(fēng)模式下,復(fù)合增強(qiáng)PP材料的軸流風(fēng)葉與AS-GF20材料相比,其轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、功率、噪音值相當(dāng),且音質(zhì)體驗無明顯差異,且整機(jī)振動更低,交流電機(jī)在60 Hz時差異更為明顯。
(5)經(jīng)過100天的連續(xù)高溫運(yùn)轉(zhuǎn),復(fù)合增強(qiáng)PP樣件與AS-GF20材料相比軸向變形量僅大1.5%。
綜上所述,規(guī)格為φ320×118的軸流風(fēng)葉使用復(fù)合增強(qiáng)PP替代AS-GF20材料,其單體和整機(jī)的性能、可靠性等各項指標(biāo)均達(dá)到量產(chǎn)要求。后續(xù)可對更大直徑的軸流風(fēng)葉或離心風(fēng)葉進(jìn)行相關(guān)試驗研究,進(jìn)一步推廣復(fù)合增強(qiáng)PP材料在空調(diào)零部件輕量化方面的應(yīng)用。