注射工艺参数对90°管接头成型收缩率影响的研究

发布时间: 2019.10,13 发布人：四川模协

原创：朱斌海模具工业 2019.10.11

在工业和市政等管道系统中，塑料弯管的需求日益增加。90°管接头作为管路的关键部件，特别是在压力管道中，管道接口处质量更为重要，而生产中要获得高质量与高精度的90°管接头较难实现。现对管接头在不同注射工艺参数下的收缩情况进行数值模拟，获得注射工艺参数对90°管接头成型收缩的影响规律，最后应用三维检测方法对塑件进行高精度检测，获得收缩分布情况。

图1 90°管接头三维结构

塑件结构如图1所示，两段直管相互呈90°，采用等壁厚弯管连接2个直管，直管接口处内、外径分别为ϕ40、ϕ46mm，弯管内、外径分别为ϕ30、ϕ36mm，塑件壁厚t为3mm，弯径为R80mm，弯径比R/D为2.67（D为弯管内径）。

在塑料弯管接头注射成型研究上，林权等运用MoldFlow对90°塑料弯管接头进行注射过程模拟分析，塑件收缩率云图显示主流道两端收缩率最大，塑件成型收缩率为0.4%~0.7%，塑件平均成型收缩率为0.5%，得出塑件收缩分布不均匀是影响塑件尺寸精度的主要原因。一些学者研究了工艺参数对塑件收缩率的影响，采用几种不同材料分别进行试验，得出塑件收缩率主要与保压压力和熔体温度有关，而注射速度和模具温度对其影响较小。但各类研究中没有对90°弯管接头结构尺寸变化规律进行研究，现通过合理的试验方案研究注射温度、模具温度、注射压力、保压时间及压力等参数对90°弯管接头成型收缩性的影响。

模具装置与数值模拟

注射模型腔数量需考虑生产效率、模具材料及成本等因素，根据塑件结构特点及工艺要求，模具为1模4腔结构，开模时，首先塑件直管部分侧抽芯滑块动作，完成4个塑件直管部分4个方向的抽芯，而弯管部分为4个弯曲型芯，通过液压系统驱动液压缸活塞杆与齿轮齿条机构使90°弯曲型芯绕旋转轴旋转98°完成塑件弯管部分抽芯，模具装置简图如图2所示。

（a）合模状态

（b）型芯抽出状态

图2 模具装置简图

以管接头为研究对象，基于MoldFlow分别对塑件充填、冷却以及翘曲进行数值模拟分析，结果表明收缩主要分布在充填末端管接口处，保压时间对塑件收缩影响不明显。通过对5个影响因素（注射温度T1、模具温度T2、注射压力P1、保压时间t2、保压压力P2）进行优化，获得最优的工艺参数组合如表1所示。

试验方案设计

试验中注塑机选用半自动操作模式，先将试验材料Geon 87431 PVC加入烘干桶内预热烘干，启动注塑机加热开关，对推出机构、开合模机构进行调试，达到设定温度时启动主机。试验前应手动对空注射2次，观察熔体颜色及均匀程度等情况，为成型弯管接头塑件试验做好准备工作，注射装置选用公称注射量为500g的注塑机，依据数值模拟分析结果确立研究方案，由于模拟分析结果显示保压时间对成型收缩率影响不明显，试验方案设计不考虑保压时间因素，成型试验方案如表2所示。

工艺参数对塑件尺寸的影响规律分析

熔体注射温度

注射成型周期是高分子材料由粒状或粉末加入到注塑机料斗内，在注塑机内受到强烈的挤压、剪切、摩擦以及外部热量使材料均匀塑化，随后注入到模具型腔中经过冷却定型、开模推出，最终得到所需尺寸形状的玻璃态塑件的过程。塑件冷却定型后的体积小于模具型腔体积，这是高分子塑件的成型特点，用收缩率指标衡量。弯管各部分的收缩不同，试验模具装置结构导致弯管接头接口处收缩较大，从塑件应用特性和成型特性角度研究接口处尺寸变化规律。

图3 不同注射温度塑件接口外径尺寸变化规律

图4 不同注射温度塑件接口内径尺寸变化规律

图3所示为不同注射温度下塑件接口外径尺寸变化规律（模具温度45℃），采用精度为0.02mm的游标卡尺分别对15个塑件接口处的内径和外径进行测量，取测量平均值。结果表明，随着注射温度升高，收缩率逐渐减小，在160℃升温至170℃时，塑件尺寸变化明显，温度高于180℃后，注射温度对塑件尺寸影响不大。图4所示为不同注射温度塑件接口内径尺寸变化规律，随温度升高收缩率逐渐减小，当达到一定温度后塑件尺寸变化不明显。

模具温度

设置注射温度为180℃，模具温度分别设置为30、35、40、45℃，其他参数输入固定值，研究模具温度对塑件收缩的影响规律。不同模具温度下塑件接口外径尺寸变化规律如图5所示，采用精度为0.02mm的游标卡尺分别对15个塑件接口处尺寸进行测量，取测量平均值，测量结果显示，模具温度对接口处外径影响较小，模具温度在40~45℃为理想温度。

图5 不同模具温度塑件接口外径尺寸变化规律

图6 不同模具温度塑件接口内径尺寸变化规律

图6所示为不同模具温度塑件接口处内径尺寸测量结果，模具温度对接口处内径尺寸影响作用较小，模具温度在40℃时为理想温度，综合模具温度对试验指标的影响规律，选择模具温度为40℃。

注射压力

图7 不同注射压力塑件接口外径尺寸变化规律

图8 不同注射压力塑件接口内径尺寸变化规律

注射压力对弯管收缩有较大的影响，一般增大注射压力塑件成型更密实，收缩率减小。注射压力大，熔料高速进入模具型腔且较早进入保压阶段。按照成型试验方案设定注射温度为180℃，模具温度为45℃，保压压力为90MPa，研究不同注射压力（90、100、110、120MPa）弯管接头接口处成型收缩影响，接口处外径测量结果如图7所示，随着注射压力升高外径收缩呈减小趋势，在90~100MPa表现明显，外径尺寸由45.6mm变化为45.92mm。接口处内径尺寸测量结果如图8所示，注射压力对内径收缩影响较大，特别是在100~110MPa。注射压力在90MPa时接口处内径尺寸为39.4mm，110MPa后尺寸变化不大，其值接近尺寸40mm。

保压压力

图9 不同保压压力塑件接口外径尺寸变化规律

图10 不同保压压力塑件接口内径尺寸变化规律

成型试验显示保压压力在浇口凝结前对塑件收缩率起着关键性的作用，增大保压压力，塑件收缩率明显减小。按照成型试验方案设定注射温度为180℃，模具温度为45℃，注射压力为100MPa，研究不同保压压力（80、90、100、110MPa）对弯管接头接口处成型收缩的影响，接口处外径测量结果如图9所示，随着保压压力的增大，塑件的收缩呈减小趋势，在80~100MPa曲线上升明显，当保压压力超过100MPa后对收缩影响作用消失。接口处内径尺寸如图10所示，保压压力对内径处收缩影响较大，特别是在80~100MPa，100MPa后尺寸约为40mm左右。

塑件收缩分布情况

图11所示为在最优工艺参数下成型的塑件，塑件表面光滑，无飞边、刮伤、缩痕、气孔等缺陷，外观颜色均匀，浇口处有较小突起，符合要求。

图11 成型塑件

图12 弯管接头点云三维扫描

为了对塑件进行高精度尺寸评估，采用三维光学扫描仪对塑件进行尺寸检测，最大限度地采集合格塑件表面点云数据，获取弯管接头高精度的点云，如图12所示。应用GeomagicStudio对点云噪声、体外孤点进行处理，为了提高对比精度，直接采用GeomagicQualify将实际生产塑件点云数据与三维模型进行3D对比，获得检测报告。

3D比较采集了199980个点，结果显示偏差范围在-0.074～0.357mm，塑件转弯处外径为负偏差，实际尺寸比设计尺寸小，在弯管接口处塑件内径尺寸比实际尺寸略大，最大值为0.357mm，3D检测结果如图13所示。

图13塑件3D检测结果

表3所示为塑件偏差分布情况，弯管接头点云数据与原始设计模型偏差主要在-0.1~-0.05mm，其中偏差为-0.074~-0.018mm占比33.7%，偏差为-0.018~0.018mm占比39.5%。

▍原文来源：《模具工业》2019年第7期

▍原文作者：朱斌海1，张玉玲2

▍作者单位：1.哈尔滨华德学院；2.中油电能热电二公司

上一篇：造成压铸模具损坏的原因解析及防治措施

下一篇：汽轮机叶片锻模失效分析