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注塑件熔接痕的理解和尼龙垫片缺陷分析
时间:2016/8/17 16:15:22

1、前言

注塑过程中树脂要经过受热软化、熔融、注射、保压、冷却定型五个阶段的物理变化过程,树脂内部将产生大分子定向、结晶以及残余应力等。由于模具本身问题、树脂材料和成型工艺(如注塑压力、注塑压力、注塑速度、注塑量、锁模力、模具温度)的选择不当,使注塑制品出现许多缺陷。常见的注塑缺陷如:熔接痕、欠注、凹陷、翘曲变形、飞边龟裂等。这些缺陷直接影响产品的正常使用,所以我们必须分析产生这些缺陷的原因,并针对原因对其改善,使产品合格出厂,保证产品的正常使用。本文第一部分首先从一件制品的表面裂缝出发,经过观察分析,断定其缺陷为熔接痕。然后分析了熔接痕V型缺口对制品力学性能的影响并提出了几点消除缺陷的措施。第二部分介绍了尼龙垫片的生产工艺,并讨论了尼龙垫片常见缺陷问题。


2、对塑料注塑技术的认识

塑料是通过制造成各种制品来实现其使用价值的。塑料的主要成型方法有挤出成型、注射成型、吹塑成型、压延成型等,其中注射成型因可以生产较为复杂的制品,在塑料的成型中一直占有极其重要的位置,是热塑性塑料制件成型最主要的一种方法。
注塑也称注射成型或注射模塑,是利用注塑机将粒状或粉状的塑料原料熔融后使其快速进入温度较低的磨具内冷却固化形成与模腔形状一致的塑料制品的加工过程。目前,几乎所有的热塑性塑料都有相应的注射品种。注塑工艺可制备不同形状、尺寸、质量、满足各种使用要求的工程制件(如结构件、传动件、外观件、光学件等)和日用件。近年来,注塑已成功地用来成型某些热固性塑料,更使其应用之广泛。
从注塑的定义可以看出,注塑工艺过程由成型前地准备(选配干燥的原料、清洗料筒等)、注射过程和制件后处理三个阶段所组成,注射过程如图1所示。三个阶段的具体情况是:首先将粉状物料或粒状物料从注塑机料斗送入高温的料筒内加热熔融塑化,使其达到塑化均匀,变为粘流态熔体;然后再螺杆(或注塞)的高压推动下以很大的流速通过料筒前端的喷嘴并注射进入温度较低的闭合模具中,经过一段时间的保压、冷却定型后,开启磨具便可从型腔中顶出具有一定形状和尺寸的制件;最后,为使制件质量稳定可靠,需经检验和后处理。

闭模
注射座前进
注射
保压
冷却
启模
制品顶出
退回塑化
塑化退回
固定塑化

图1注塑机注射过程


3、注塑件熔接痕缺陷分析

3.1 熔接痕的确定


  a-端部;b-侧面
图2 制品端部及侧面照片(白线为裂缝)
图2为塑料件端部照片, 图中白线为裂缝, 浇口位于孔侧通过肉眼观察, 发现该裂缝较钝,不像裂纹那样尖锐。对零件结构及注塑流道分析发现,裂缝正好处于零件上最容易产生熔接痕的区域。因此初步推测该裂缝为熔接痕缺陷。文献[1]分析的熔接痕形成的各种情形当中, 如图3所示的模型与该塑料件的结构极为相似。文献[2]介绍了熔接痕的形成机理, 认为在熔接痕的生成过程中, 两股对流的塑料熔体在流动中温度逐渐降低, 粘度逐渐增高. 这两股熔流的前锋之间存在不断被压缩的气体, 在它们相遇时前沿呈火山口状, 如图4a和图4b所示. 作喷泉运动的熔体迅速向周边扩展, 气体被赶至模壁陷入塑料件表面, 由中心向模壁推移的熔体受阻后, 冷却中在塑料件表皮层形成V形缺口。固化后的熔接痕实际上是个三维空间熔合区, 如图4d所示, 熔接痕由表及里分为V形缺口、弱熔合区和强熔合区。

图3带孔的板状试样熔接痕形成示意图
 

a-两股熔流前锋;b-相遇时的火山都形状;
c-熔合扩展流动;d-冷却固化
1-V形缺口;2-弱熔接区;3-强熔接区
图4 熔接痕的形成过程
取一零件在砂纸上打磨其端部, 当打磨量为2.5mm时, 只在两孔之间部位观察到裂缝, 如图5所示说明熔接痕在两孔之间部位最深, 这与该零件结构及注塑件熔接痕形成规律相符。当打磨量为3.08mm时, 只在靠近孔侧的局部区域观察到微小的凹痕, 如图6所示, 表明熔接痕V形缺口深度大约为3mm。对零件轻微施压后裂缝又明显出现。这最终验证了该裂缝是熔接痕。

图5打磨量2.5mm时两孔之间的熔接痕
 

图6打磨量3.08时靠近孔的局部区域的微小凹痕
                                                                                                                                                                       


3.2 熔接痕V形缺口对力学性能的影响


图7施压后两孔之间出现沿裂缝的断裂
 
对熔接痕的实验研究始于20世纪50年代,目前熔接痕对力学性能的影响研究取得了一定进展。一些文献[4,5]以熔接痕系数αk1表示塑料件有熔接痕时力学性能的相对减弱:
==
式中:σ——有熔接痕试样的力学性能。
           σ——无熔接痕试样对应σ的力学性能。
A——熔接痕的面积。
A——分子链非联络的面积。
 
从上式可看出,σ值越大或A值越小则值越大, 也即有熔接痕塑料件的力学性能越好。影响熔接痕力学性能的因素很多, 常见的有以下几个方面:
(1)聚合物韧性的影响[5]一般来说脆性聚合物的αk1值低于韧性聚合物, 脆性聚合物如PS,SAN,PMMA等即使在最佳工艺条件下成型,其αk1值也在0.7以下,而任性聚合物如PC,POM,ABS等,其αk1值均在0.7以上。
(2)熔体与模具温度的影响[4]注塑时, 提高熔体温度, 特别是模具温度能提高熔接痕的力学性能,这对结晶型聚合物的影响尤其大, 而且能明显地提高熔接痕的冲击强度。
(3)型腔压力的影响[4]型腔压力对大多数聚合物的αk1值影响较小, 但保压压力增大和保压时间加长, 对少数结晶型聚合物(如PA6,LDPE)的αk1值提高颇有影响。充分保压能使熔接痕区密度提高,而且能使V形缺口减小。
(4)改性剂和填充剂的影响[6]大多数改性聚合物的熔接痕比纯聚合物的熔接痕强度差, 加入增容剂后可使分散相粒子尺寸变小且分布均匀, 促进分散相在熔接痕区域的填充, 提高熔接痕区的密度,从而使熔接痕的强度得到提高。


3.3 熔接痕性能的改善

如上分析,由于熔接痕可明显降低塑料件的力学性能, 且影响塑料制品的外观, 因此避免熔接痕的出现或对其性能进行改善显得非常重要。考虑从以下几方面改善其性能:
(1)调整注塑工艺参数[9]  低温熔料的分流汇合性能较差,容易形成熔接痕。对此,可适当提高料筒及喷嘴温度。同时,应控制磨具内冷却介质的通过量,适当提高磨具的温度。一般情况下,塑件熔接痕处强度较差,如果对磨具中产生熔接痕的相应部位进行局部加热,提高成型件熔接部的局部温度,往往可以提高塑件熔接处的强度。如果由于特殊需要,必须采用低温成型工艺时,可适当提高注塑速度及增加注射压力,来改善熔料的混合性能。
(2)改变模具设计[4,8]  通过优化模具的浇注系统和冷却系统,优化浇口的形式、数目、和位置能控制熔接痕的生成、位置、方向和性能。对于该塑料件如果使浇口位置偏离孔中心由A处改为B处(如图所示),则可避免熔接痕在强度较弱的两孔之间部位出现,这样即使还有熔接痕生成,它的位置也是处于对塑料件强度影响较小的部位。必要时可在熔接痕位置设置冷料井,引出二股熔流前锋,在冷却固化后再割去。

a-原浇口位置;b-改变后浇口位置
图8 改变浇口位置以防止熔接痕在塑料件的弱受力处出现
(3)优化材料配方[1]  如果该塑料件为多相组合时,应尽量促使分散相粒子细化,减小粒子变形,促使分散相分布均匀, 促进多相界面的粘结,并通过对一些特征体系加入增容剂以达到提高熔接痕强度的目的。
(4)合理塑件结构设计  如果塑件壁厚设计的太薄或者厚薄悬殊,也会引起熔接不良。壁薄件成型时,由于熔料固化太快,容易产生缺陷,而且熔料在充摸过程中总是在壁薄处汇合形成熔接痕,一旦薄壁处产生熔接痕,就会导致塑件的强度降低,影响使用性能。因此,在设计塑件形体结构时,应确保塑件的最薄部位必须大于成形时允许的最小壁厚。
(5)后处理  熔接痕塑料件退火处理可使结晶型聚合物的强度得到一定的改善[5]。如可使高粘度品级(MFR=)pp的熔接痕强度提高10%,但对低粘度品级(MFR=)pp,仅提高3%。


3.4结论

通过对塑料件“表面裂缝”的分析,最后判定该缺陷为住宿熔接痕,而非裂纹。熔接痕深度大约为3mm,由于其过大并明显降低了零件的力学性能,企业不应将其发货,应针对产生缺陷的原因重新生产。


4、尼龙垫片缺陷分析

4.1 实验部分

4.1.1试验主要原材料

尼龙-6切片:中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司;添加20%滑石粉,0.2%红色粉。


4.1.2试验设备与工装

注塑机: G95型注塑机,东华机械有限公司;
干燥机:信宜牌CD-20L-HT箱型干燥机,信宜电热机械有限公司;
磨具:新乡原隆航空设备有限公司平原塑料厂。


4.1.3尼龙垫片的注塑工艺

图为尼龙垫片注塑工艺流程。
 
原料      筛选      烘干      注塑     制品
图9 尼龙垫片注塑工艺流程图


4.1.4尼龙垫片的注塑工艺参数

a 工艺参数的概念

(1)注射量    注射量是指注塑机螺杆(或柱塞)在注射时,向模具内所注射的物料的熔体克数(g)。螺杆推进容体又称理论注射容体,与注射螺杆直径和注射行程有关。
(2)背压   螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力称背压。预塑时只有螺杆头部的熔体压力,克服了螺杆后退时的系统阻力后螺杆才能后退。
(3)注射压力   注射压力的作用是克服塑料熔体从料筒流向模具型腔的流动阻力,给予熔体一定的充模速度及对熔体进行压实,补缩。
(4)保压压力   保压是指在模腔充满后,对模内熔体进行压实,补缩的过程,处于该阶段的注射压力称为保压压力。
(5)料筒温度   料筒温度是指料筒表面的加热温度。料筒温度分布是不均匀的,从料斗(后端)到喷嘴(前端)温度是逐步升高的,也就是说前端的温度最高。料筒温度应控制在塑料的黏流温度或熔点与分解温度之间。


b 工艺参数

表1示出尼龙垫片的注射成型工艺参数
 
 
 
 
 
 
 
 

项目
数据
注塑机/g 250
喷嘴电压/V 175
 
料筒温度/℃
250(前)
240(中)
220(后)
注射时间/s 5
保压时间/s 3
冷却时间/s 30
注射压力/MPa 40
保压压力/MPa 30
背压压力/MPa 2
合模力/MPa 80
模具冷却方式 空气冷却
 
尼10 尼龙垫片的注射成型工艺参数


4.1.5尼龙垫片的加工工艺

a 原料的预处理

尼龙-6切片原料中带黑点的粒子多,需要进行挑选后才能用于生产。筛选时把原料放在塑料盆中,在明亮处仔细挑选带黑点的粒子,直到将直径0. 5 mm以上的黑粒子全部挑出,并使原料中直径0. 5 mm以下的黑粒子含量少于1%。
把挑选好尼龙-6切片的粒料倒入干净的干燥机中,在80℃下干燥4h。然后再将20%滑石粉放入干燥机中,在80℃干燥1h。最后把干燥好的尼龙-6切片、20%滑石粉以及0.2%的红色粉均匀混合。


b 注塑工艺

注射过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤[10],[11]
(1)加料  由于注射成型是一个间歇过程,因而需定量(定容)加料,以保证操作稳定,塑料塑化均匀,最终获得良好的塑件。
(2)塑化
①塑化的概念及要求
塑化是指塑料在料筒内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程。
 塑化过程要求达到:物料在注射前达到规定的成型温度; 保证塑料熔体的温度及组分均匀,并能在规定时间内提供足够数量的熔融物料;保证物料不分解或极少分解。
②塑化能力与塑化量   
塑化能力是指单位时间内注塑机的塑化装置所能提供的具有一定质量要求的熔体量。
塑化量是指单位时间内注塑机塑化塑料的重量。
(3)注射 
注射是指用柱塞或螺杆将具有流动性、温度均匀、组分均匀的熔体通过推挤注入模具的过程。塑料熔体在注射时要克服一系列阻力,包括熔体与料筒、喷嘴、浇注系统、型腔的摩擦阻力及熔体的内摩擦阻力,同时还需要对熔体进行压实。因此,所需要的注射压力很高。在螺杆式注塑机中,物料在固体输送段已经形成固体塞,阻力较小,到计量段物料已经熔化,这时,无论固体、半固体还是熔体,其流动阻力均较小。因此,螺杆式注塑机的注射压力损失很小。注射的过程可分为充模、保压、倒流、浇口冻结后的冷却和脱模等几个阶段。
①充模   该阶段是从柱塞或螺杆预塑后的位置开始向前移动起,直至塑料熔体充满模腔为止。
充模阶段开始时,模腔内没有压力;随着物料不断充满,压力逐渐建立起来,待模腔充满塑料压实时,压力迅速上升而达到最大值。
充模时,熔料的流动形式是铺展式向前流动,前沿呈圆弧形,两壁的交界处逐渐过渡到直线。呈现这种流动状态的原因是熔料在模内流动时是非等温流动,而且是不稳定流动,熔料前端的黏度很高。
②保压阶段  此阶段也称压实,补缩阶段,是从熔体充满模腔时起至柱塞或螺杆后退前为止。
在这段时间内,塑料熔体因冷却而产生收缩,但由于塑料熔体仍处于柱塞或螺杆的稳压下,料筒内的熔料会继续向模腔内流入,以补充收缩而留出的空隙。
③倒流阶段   该阶段是从螺杆后退时开始,这时模腔压力大于流道内压力,模腔中的尼龙-6熔体从模腔流向流道,即发生倒流。倒流一直持续到浇口处尼龙-6熔体冻结为止。
④浇口冻结后的冷却  一般从浇口冻结到制件脱模,尼龙-6塑料仍需在模腔中继续冷却一段时间,以保证制件脱模时有足够的刚度而不致扭曲变形。在这一过程中,不仅模腔内熔体温度逐渐降低,模腔压力和模腔中尼龙-6体积也将发生变化。
⑤脱模   尼龙-6制件在模内冷却至具有足够刚度时即可脱模。脱模温度不宜过高,一般控制在尼龙-6的热变形温度与模具温度之间。脱模时,模腔残余压力应接近于零,这由保压时间决定。一般尼龙-6注塑件的成型时间为:注射时间4~20s,保压时间4~50s,冷却时间10~30s。


4.1.6制品图片


图2  尼龙垫片


4.2 讨论

4.2.1尼龙-6垫片常见缺陷分析

注塑成型是所有塑料成型方法中最重要的方法之一。注塑成型可以一次成型结构复杂的制品,应用很广,但由于材料、成型工艺、模具设计、制品设计及设备等各方面的影响,注塑制品常会出现各种表观缺陷。尼龙-6垫片生产过程中常见的缺陷如下所列:
a.产品表面有银丝。分析原因为:1.尼龙吸湿性大,干燥不充分或者在潮湿环境中吸潮,粘度下降混有气泡;2.混入其它原料;3.料筒温度较高,原料分解;4.模具排气不良;5.模具浇口太小;6.背压较低,再生料应用较多。
改进措施:充分干燥,生产环境湿度小。
b.制品表面收缩。分析原因为:尼龙收缩率较大,模温较高或者注塑料量不足。
改进措施:1.降低模温;2.加大注射压力及速度;3.增大保压压力速度及时间;4.增加储料量;5产品壁较厚,延长冷却时间。
c有较大飞边毛刺。分析原因为:1.注射压力过大,料量过多;2.合模力较小,产生飞边溢料。
改进措施:适当降低压力,减少料量;适当增大合模力。
d制品表面有波纹、气泡、明显熔接痕等。分析原因为:1.注塑压力较小,排气困难,制品难以熔接成为一体;2.注射速度较小,对于尼龙来说,以较高速度为好,防止因冷却速度过快而产生波纹;3.充模不足问题;
改进措施:相应增大注射压力及速度;适当增大喷嘴或者浇口。
e制品表面有焦斑。分析原因为:注射速度较大,模腔气体不能及时排出气体把压缩后升温吧制品烧焦。
改进措施:降低注射速度压力,降低加热筒温度,改进模具排气,减小合模力,增大喷嘴直径。
f制品翘曲变形。分析原因为:制品内应力较大,收缩率不均匀。
改进措施:降低注射压力及时间,降低保压压力及时间,提高熔融物料温度。
j制品缺块。分析原因为:料量不足。改进措施:注射压力速度适当增加,或者储料量适当增加。
i制品颜色不均匀。分析原因为:1产品批次色粉比例有误差,2或者加热筒温度较高,色粉老化分解。
改进措施:尽量一致色粉比例,使加热筒温度适当。


5、结语

注射成型是热塑性塑料和一部分热固性塑料最主要的成型加工方法之一。但是,注塑件不可避免地会产生这样那样的缺陷,从而影响制品的正常使用。我们考虑缺陷产生的原因可以主要从材料性质、模具设计、工艺参数这三方面入手,找到问题的根源,从而采取相应的措施,解决制品缺陷问题。

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