聚甲醛（POM）注塑件内应力消除方法探讨

1翘曲缺陷概述

我公司是专业的密封件生产商,2017年初,公司开发的新系列产品一T708产品系列是一种以聚甲醛（POM）为基材的导向环。该系列用于重载密封,取代以前使用的酚醛夹布导向环。与之前使用的酚醛夹布导向环相比,它的优点是零吸水,抗压能力更高,更耐磨,摩擦力更低,使用周期更长。

在批量试生产过程中发现该系列成品导向环会发生蠕变,这个问题首先从客户那边反馈回来。所谓"蠕变"就是产品性状一种缓慢的变化过程。产品的性状变化,对于POM密封件来讲主要是外型和尺寸在一段时间内非常缓慢的变化。

令人困扰的问题在于因产品往往在公司内存放时间很短,在公司内部检验时无法发现该缺陷。但经过几周或数月,由于蠕变发生,尺寸和外形都不符合要求了,外形发生翘曲,无法安装在客户的油缸里,客户也会因此质疑我们的质量控制能力。我们还发现使用同样的工艺过程,每个批次的不合格率相差很大,有的批次有30%翘曲,有的批次高达80%翘曲,说明我们还有重要的技术因素在生产中未进行控制。

2改进前的工艺路线设计

为了更好地说明,我们先描述一下改进前的工艺过程,如图1所示。我们先用注塑机做5mm厚的管料,再用机加工中心将管料车削成厚度为3.2mm和2.5mm的两种管料(为行文方便,以下均以2.5mm厚度为例,3.2mm厚度有类似性),最后加工到合适的高度和形状。

3根据上述流程分析可能造成产品翘曲的原因

公司质量、技术和生产人员共同参与了原因分析,主要分析结果如图2所示。

4原因分析的实验确认

4.1注塑和保压温度

注塑温度主要是由使用的原材料物化性能决定的,本案例使用的POM材料注塑温度设定在200℃左右,保压温度设定在80℃。注塑过程中,当熔化的塑料沿型腔流动时,外层塑料首先遇到温度较低的模腔内壁而迅速冷却,从而导致外层的黏度高于内层,这样内层的流动速度就比外层快而会在内外层形成剪切应力。理论上可以使用模温机极缓慢地冷却以降低剪切应力,但在实际生产操作中不现实。

我们做如下实验确认:分别在标准温度设定、上限温度设定(＋10%)和下限温度设定(-10%)三个温度点各注塑10件管料,并把它们加工成最终产品。

观测结果如下:三个设定温度的管料均不发生变形,由这些管料做出的最终产品均100%变形。

结论:在此案例中注塑是产生应力的主要原因之一,但不能通过温度控制(±10%)达到解决最终产品翘曲问题的目的。

4.2注塑和保压压力

同一模具同样温度下,注塑压力越大,熔融的塑料流速越快,剪切力也相应越大。因此,应使用尽可能小的注塑和保压压力,以减小内应力。但如果注塑压力太小,则可能发生注塑不全和缺料,俗称"注塑开裂"或"打不满"的现象,这是显著的注塑缺陷。

本案例使用的POM材料,能够打满的情况下,我们设定在3.5MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa(35bar、40bar、50bar、60bar、70bar)五个压力下各制作155mm×164mm×50mm标准管料5根,并将其中2根做成最终产品。

观测结果是五个压力下的25个管料,都不发生变形。在各个压力下的最终产品翘曲的比例是60%~80%,差异不显著,而且没有发现压力和最终产品翘曲比例的线性关系。

结论:在此案例中不能通过压力控制来解决最终产品翘曲的问题,注塑和保压压力变化和最终产品翘曲的关系不明显。

4.3注塑时间

注塑过程过快时容易引起很大的取向应力,过慢时塑料可能在模腔后中冷却且流动性变差而形成熔接痕,严重时熔接痕处会开裂,是严重的质量缺陷。

在确保没有熔接痕的前提下,我们设定在2s、3s、10s、12s四个注塑时间各做5个管料,其中2个管料做成最终产品。

观测的结果和注塑压力情况类似,20个管料都没有变形。由这些管料做成的最终产品80%发生了翘曲,翘曲的比例和压力设置未见明显的关系。

结论:在此案例中不能通过时间控制来解决最终产品翘曲的问题,注塑时间调整和最终产品翘曲的关系不明显。

4.4机械加工的应力释放

改进前的工艺流程显示,在注塑后有两个机械加工过程,第一个车加工设备将5mm厚度的管料加工成厚度为2.5mm或3.2mm的封闭管料:第二个机加工过程是将管料当中切开,形成一个开口的环。

图3(a)为注塑后的5mm厚度管料,(b)为厚度2.5mm或3.2mm的封闭管料,(c)为开口的环(即最终产品)。

由整个实验过程可以发现,注塑出来的5mm厚的管料变形比例是0,加工成2.5mm厚或3.2mm厚的管料后就有大约10%会发生不同程度的变形现象。当形成开口环时,90%的最终产品都会翘曲变形。

以上结果说明,是由于注塑后管料的内应力被机械加工过程所释放,造成了产品不规则翘曲,这是该案例的关键因素。我们的解释是注塑过程产生的5mm管料因壁厚较厚且为圆形结构,所以相对稳定牢固,因此5mm管料基本不变形。当厚度变薄时,内应力开始发挥作用,造成少量比例的变形。当产品被切断时,稳定结构彻底遭到破坏,内应力起主导作用,造成最终产品翘曲变形。

4.5生产和仓储的方式

我们设计了对比方案来观测生产线随机散放和按层堆放的区别(披萨饼堆积)。各使用了10件产品,其中5件是不翘曲的产品,5件是翘曲的产品,分别用随机堆放和按层堆放的方式放置两周。

观测结果如下:两种堆积方式没有区别,翘曲的仍旧翘曲,不翘曲的仍旧不翘曲。

结论:生产线和仓储)没有强大外力压迫的情况下,两种存储方式都不会造成产品的翘曲。

4.6物流的包装方式

生的,因此必须避免最终产品受到侧向压力。

4.7环境温度变化

我们设定了三个温度条件,同一批产品放在这三个状态下观测其28天的翘曲变化情况。即分别持续在25℃，持续在)5℃和在5~25℃之间反复冲击,实验结果如表1所示。

我们用20个产品作了对比实验证明,其中10件按层水平堆放,另外10件垂直堆放,外部加压25kg。经过两周,我们发现垂直放置的一组有50%不同程度地变形,而水平放置的产品似乎100%都没有变形。

结论:如过长时间受压会造成产品变形。出货过程中,如果产品没有被正确放置或)运输过程中严重被压,且持续数周,是可能发生变形的。这种情况目前)海运过程中是可能发28天后所有的产品都发生了翘曲,说明)任何环境温度下,有应力的产品最终都会失效,这也证明了原有工艺流程的缺陷性。

4.8塑料制品应力的形成与模具设计

合理的模具设计可以缩短注塑时间,减小注塑压力,从而减少应力形成:结合具体塑料制品形状进行合理的浇口位置和数量设计,可以减少应力形成。该项目原来模具都是单浇口的,我们发现三浇口的模具)注塑过程中更易控制,而且产品出来内应力小,表现（产品外壁平整且厚度均匀。

5内应力产生原因的总结分析

在此项目中,产品缓慢翘曲变形的主要原因是注塑过程中)塑料内部产生应力,具体如下:

(1))注塑过程中管料壁厚较厚,造成冷却过程中表层塑料和内部塑料存)温度差,应该是流动过程中的剪切应力和冷却过程中的表面应力的混合作用。

(2)管料壁厚5mm,而且是稳定的环形柱结构,因此5mm厚的管料变形比例非常小。

(3)当5mm的管料被机械加工时,例如将其壁厚改为2.5mm或)当中切断,不平衡的内部应力就被释放,导致产品缓慢且持续不断地翘曲变形,直到应力完全释放达到平衡。

(4))运输过程中,产品侧向严重受压也会造成不规则变形翘曲。

(5)模具设计的改进可以降低注塑压力,从而减小注塑产生的内应力。

6改进行动

6.1工艺流程的改造

改造后的工艺流程如图4所示。

(1)该工艺直接注塑厚度为2.5mm或m.2mm的管料,因管料壁厚较薄,减少了注塑过程中应力的产生(2)撤除的加工厚度的过程,消除了因机械加工造成产品翘曲的因素之一。(3)增加的整形工序,减少了切断对产品翘曲造成的影响。即切口后的开口导向环缠绕在一个工装上,放在853左右烘箱定型℃4左右,可根据不同的壁厚对时间略做调整。(4)重新设计模具。8套模具进行了重新设计和制作,由一个浇口变为三个浇口,并在实际工作中重新调整了注塑工艺参数。(5)在工艺流程改进之外,我们还在运输过程中使用披萨饼的包装方案。

6.2改进的效果和经验

改进的效果是显著的,整个项目从201h年5月开始,至2018年2月结束。

(1)我们观测了从201h年10月到2018年10月的产品,抽样留样。在留样中经过m0天观测,翘曲缺陷比例为0。

(2)已经向客户提供该系列产品各规格超过10000件,未发生翘曲的投诉。在发生问题时的7个月中共报废产品接近m0万元人民币,过程不合格率平均高达℃06以上。改进后过程不合格率小于m%,质量过程控制稳定。

(3)经济效益良好。我们成为了整个集团专门生产该系列产品的工厂,并持续获得来自世界各地的订单。

7经验总结

注塑的内应力完全消除是不可能的,以往的专家对聚甲醛注塑件变形也有不同的解决方案,但多直接从注塑工艺调整方面入手。在实际工作中,我们常常发现仅靠工艺参数调整往往不能解决问题,因为一些因素在实践中不易改变,比如客户指定的产品设计和规定的材料、生产实际使用注塑机的状况、生产效率等。而通过工艺流程再造的方法,结合其他辅助方案,同样可以达到减少缺陷发生比例或回避发生原因的目的,本案例就主要通过工艺路线的调整解决了产品内应力造成的缺陷。