薄壁帶筋輪座注射成型表面氣紋形成機理與缺陷消除

蔡偉南，徐曉，王子秦，夏琴香，肖剛鋒

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

注射成型具有材料利用率高、成型周期短、產品設計靈活及自動化程度高等優點，因此在嬰幼兒用品、醫療、航空工業、國防和尖端工業等領域有廣泛應用[1-2]。由于塑料產品結構復雜且注射成型過程中參數眾多，消除制品缺陷并提升制品外觀質量較為困難[3]。注塑制品常見的質量缺陷有：欠注、溢邊、翹曲變形、縮痕、熔接痕和氣紋等，嚴重影響產品的表面質量、強度等使用性能[4]。當零件局部成型區域存在困氣時，熔體冷卻固化后零件表面會留下氣體流動的痕跡即氣紋，通常會伴隨著燒焦、欠注、熔接痕、料花等缺陷[5]，并且難以通過調整成型工藝參數解決。

陳澤聰等[6]提出增加排氣槽改善模具排氣效果，并且在外觀允許的情況下，要盡量增大圓角半徑，改善排氣的順暢度；鐘明強[7]針對具有多澆口和孔位的模具提出調整不同噴嘴的注塑速率和溫度，使熔體合流線向非外觀面移動，達到消除氣紋的效果；陳小鹿等[8]提出復雜的制品結構和壁厚的變化都易導致熔體流動前沿處殘留氣體，采用提高料溫、降低第一段射膠速度的方法，使型腔內氣體有時間排出，極大改善了電容器外殼的氣紋問題；王紅亮等[9]模擬汽車保險杠拖車鉤孔處的成型過程，通過減小拖車鉤孔側面壁厚，降低側面料流速度，將熔接末端調整至孔內，使得氣穴分布在孔的翻邊內，同時增加排氣槽和排氣鑲件，保證氣體順利排出，為保險杠模具設計以及后期塑件設計提供依據。

然而當前對于氣紋的研究大多集中在工藝優化和調整零件局部壁厚上，對于進膠點的選取和熔體流動規律之間的研究較少，且缺乏對氣紋的微觀形貌的觀測，無法全面指導類似零件的生產。

筆者以某型號嬰兒車后輪座為研究對象，該嬰兒車后輪座具有薄壁帶筋特征，針對其在注射成型過程中的表面氣紋問題，采用金相顯微鏡觀察熔體結合位置處的微觀形貌，并利用Moldflow模流分析結果對零件氣紋產生機理進行了分析，提出采用修改進膠點和調整加強筋壁厚的方法解決后輪座表面氣紋缺陷，通過改變熔體的結合位置，使型腔內氣體從分型面排氣槽排出，達到消除氣紋的目的。

1 后輪座結構與材料

某嬰兒車后輪座產品圖如圖1所示，采用冷流道側進膠、一模兩穴注射成型生產，主體壁厚為2.3 mm，屬于薄壁零件[10]。

由圖1可知，后輪座結構上存在用于裝配的按鈕槽、底部孔位、十字形加強筋和用于裝配和增加強度的支撐面。由于按鈕槽附近為外觀面，切除澆口會在零件表面留下切除痕跡，因此進膠點設置在遠離按鈕槽的一側。后輪座材料為尼龍66 (PA66)，牌號為U4820L，屬于結晶性塑料。

2 氣紋形成機理

2.1 氣紋微觀形貌觀察

困氣是由于多股熔體前沿匯聚，型腔中氣體被困在零件內部或模腔表面形成的氣泡[11]。熔體冷卻固化后氣體會在熔體表面留下痕跡，形成氣紋。圖2是后輪座按鈕槽附近的氣紋，呈白色直線狀，每一模零件的按鈕槽附近都有一道顏色較淡的氣紋。

圖2 氣紋實際照片

圖3是在顯微鏡下對氣紋缺陷觀察照片(×200倍)，多股熔體相匯時由于溫度過低不能熔合在一起，在交界位置有一道清晰溝壑即熔接線[12]。熔體流動時前端存在空氣，匯合時氣體難以排出導致熔接線兩側存在氣泡。熔體充填時由于隨著氣泡體積增大，氣泡的表層厚度會不斷減小，其中的染色劑會被不斷稀釋，最終回到尼龍原料本身的顏色即白色，在宏觀上便表現為白色的氣紋。

圖3 氣紋微觀形貌(×200)

2.2 氣紋形成機理分析

圖4為后輪座的Moldflow充填模擬結果，模具上對應按鈕槽的位置存在用于側向抽芯的滑塊，熔體在型腔中流動時遇到滑塊會分成上下兩股，流動模擬結果如圖4a所示；按鈕槽一側有兩股熔體，由于后輪座結構類似于圓柱，按鈕槽對側又存在一股熔體，最終有三股熔體在外觀面結合，如圖4b所示。

圖4 熔體流動示意圖圖

圖5為前模仁和后模芯的排氣槽，由于熔體結合位置在分型面下方，遠離分型面和后模芯的排氣槽，被熔體包覆的氣體將很難排出。

圖5 排氣槽示意圖

圖6為Moldflow氣穴模擬結果，氣穴結果表示可能發生困氣位置，從圖6可知氣穴位置與實際情況接近，在分型面下方、按鈕槽附近存在困氣情況。

圖6 氣穴模擬結果

2.3 氣紋解決方案分析

后輪座的困氣是由于三股熔體結合形成熔接痕，熔接痕處的氣體無法排出型腔而形成的，因此可以通過改善熔接痕的方法來解決困氣缺陷，改善熔接痕的方法包括以下幾個方面[13–16]：

(1)調整注塑工藝參數。增加注塑壓力和保壓壓力，使熔體在熔接痕處以高壓熔合；提高模具溫度，減少熔體匯聚時不同熔體的溫度差異，保證溫差在10℃以下。

(2)修改模具結構。改變澆口位置和數量，使得熔接痕轉移至非外觀面或者易排氣區域；在熔體匯聚區域增加排氣鑲塊或增加排氣槽，改善排氣效果。

(3)改進產品結構如修改產品壁厚或者修改成圓角，從而改變熔體在型腔內的流動狀態，使得熔體在合理位置匯聚。

經過實際調機，氣紋沒有明顯改善，因此主要從模具結構和產品結構出發解決氣紋問題。結合熔接痕改善方案并且考慮到增加澆口可能會導致更嚴重的熔接痕問題，得出以下針對后輪座氣紋的改善方案：

(1)在氣紋位置附近增加排氣鑲件，改善排氣。

(2)修改進膠點或者調整零件局部壁厚，改變熔體流動狀態從而轉移困氣位置。

3 氣紋缺陷消除

3.1 增加鑲件

后輪座的氣紋發生在零件外表面，模具中前模仁與后模仁是和外表面直接接觸的，但若在前模仁或者后模仁處增加鑲件，由于存在鑲件間隙，成型時外觀面上會留下鑲件的拼接線，反而使產品美觀度下降。因此在后模芯處增加鑲件從而改善排氣，如圖7所示。在后模芯處增加鑲件雖然避免了在零件外觀面留下鑲件線，但是由于困氣位置在零件外表面，而鑲件間隙在零件內表面，可以改善模具排氣效果但不能徹底改善零件困氣問題。

圖7 鑲件示意圖

3.2 改進膠點至加強筋處同時增加壁厚

原進膠點在遠離按鈕槽的一側，困氣位置在按鈕槽附近影響外觀。因此可將進膠點向加強筋處移動，使得熔體最后結合位置在非外觀面，改變困氣位置，減少對外觀的影響，如圖8所示。

圖8 修改澆口示意圖

修改進膠點熔體流動情況對比如圖9所示，圖9a為原始模型的流動模擬，有三股熔體在分型面下方結合，困氣嚴重；圖9b為修改進膠點后按鈕槽附近熔體流動情況，改進膠點后，按鈕槽上下的兩股熔體在結合后會繼續向前流動，由于按鈕槽對側熔體還未結合，包圍的氣體會向前流動，因此按鈕槽附近不會出現困氣。

熔體在澆口對側的流動狀態如圖9c所示，按鈕槽一側的熔體與按鈕槽對側的熔體結合時，由于后輪座內部存在筋位，流經筋位的熔體又在此處匯合，中間有氣體被包圍且離排氣槽較遠，因此修改進膠點至加強筋處后，困氣位置會從按鈕槽附近轉移至澆口對側分型面上方位置。

圖9 修改澆口前后的流動狀態對比

單純修改進膠點仍會導致零件澆口對側的氣紋，因此再調整零件壁厚從而改變困氣位置。圖10為筋位內熔體流動示意圖，側壁熔體流至澆口對側，而加強筋內熔體未流至澆口對側，零件內部便會出現困氣，嚴重時可能出現燒焦和欠注。因此通過調整筋位壁厚的方法改變加強筋內的熔體流速，改變熔體結合位置即改變澆口對側困氣位置。

考慮到模具加工難度，采用增加筋位壁厚的方法增加筋位內熔體流速，使其更快到達澆口對側，避免出現筋位內熔體與側壁熔體在孔位內結合導致困氣嚴重且難以排氣的情況。根據實際生產經驗(壁厚過大會導致零件內部產生空洞)，將圖10澆口處筋位壁厚向兩側增加0.2 mm。

圖10 筋位內熔體流動示意圖

圖11為進膠點改至筋位處同時增加筋位厚度后的流動模擬情況，熔體最后結合位置在分型面，熔體包圍的氣體可以通過分型面的排氣槽排出，外觀面上不會有氣紋。

圖11 修改進膠點同時增加壁厚的流動情況

圖12為修改進膠點、增加筋位壁厚的氣穴位置對比情況，進膠點改至筋位處，會使氣穴位置從按鈕槽附近轉移至澆口對側分型面上方；修改進膠點同時增加筋位壁厚，可使得氣穴位置轉移至分型面處。

圖12 氣穴位置對比

3.3 改進膠點至加強筋處同時改分型面

由3.2的分析可知，將進膠點移至加強筋處，會在支撐面的澆口對側產生困氣。因此可以將進膠點移至加強筋位置后，再向前模方向移動，使其位于支撐面上，如圖13所示。修改后的澆口正對著原困氣位置，熔體將會先充填原困氣位置使得困氣位置不是熔體最后結合點，從而避免熔體將空氣包圍于一點的情況。

圖13 提高進膠點的示意圖

圖14為修改后的分型面，由于此進膠點不在原分型面上，需要修改分型面，產品分型線與拔模斜度都會變動，對產品外觀改動較大；前后模仁都需要進行重新加工，模具改動也較大。

圖14 修改后的分型面

圖15是進膠點改至筋位處后再提高進膠點的流動模擬情況，熔體在澆口對側支撐面上結合后，再分別向上和向下流動，氣體可從前模芯和后模芯的排氣槽排出，不會形成困氣，外觀面上無氣紋。

圖15 提高進膠點后的流動情況

4 改善方案對比及改模驗證

從Moldflow分析結果、改善效果和模具加工難易等方面將三個方案進行對比，對比結果見表1。由表1可知，方案一增加鑲件，不能徹底改善氣紋；方案三需要修改分型面，模具與產品外觀改動較大；方案二可改善困氣缺陷，且無需修改分型面，模具與產品外觀改動都較小，因此選擇方案二進行改模驗證。方案二改模后的零件外觀如圖16所示，外觀面的氣紋消除，外觀質量有明顯提升。

表1 改模方案對比

圖16 改模后的零件外觀面

5 結論

(1) Moldflow充填和氣穴模擬結果表明，薄壁帶筋輪座氣紋是由于三股熔體在分型面下方結合，且結合位置遠離分型面和后模芯的排氣槽，導致困氣嚴重，零件表面出現氣紋。

(2)對氣紋微觀形貌的觀測表明，模具排氣不佳的情況下熔接痕兩側易出現氣泡，氣泡體積增大，表層體積減小，著色劑稀釋，使困氣位置出現塑膠原料本身的顏色即白色，最終導致白色直線狀的氣紋。

(3)在薄壁帶筋輪座加強筋處進膠會導致澆口對側困氣，須增加加強筋壁厚加快筋位內的熔體流速，避免多股熔體在零件內部結合導致困氣，使得型腔中氣體都可從排氣槽排出，達到消除氣紋的目的。