316不锈钢球形嵌件与薄壁塑件注射缺陷分析

1 塑件及缺陷分析

某产品图纸要求塑件原材料为聚苯硫醚（PPS）+40%GF（玻璃纤维），其具有优异的耐热性和耐化学性能，高温条件下能保持高硬度与刚性，应用于电子元器件和其他高强度或耐腐蚀性零件；金属嵌件为316不锈钢球形零件，其优良的力学性能和耐腐蚀性是医疗、食品、检验设备等关键部件的首选材料，如图1所示，材料物理性能如表1所示。

图1 产品结构

表1 材料物理性能

在产品试产初期出现鼓包，通过三坐标测量机扫描塑件，椭圆处轮廓度超差0.1 mm，如图2所示。用推力块破坏测试评估金属嵌件与塑件的结合力：将样品固定，用万能材料试验机以（10±2）mm/min速率垂直施加推力，直至界面分离或材料破坏，结合强度按最大推力与接触面积比值计算。测试结合力不足（结合强度<5 MPa），塑件与金属嵌件分离，塑件呈块状脱落。

图2 产品缺陷

2 原因分析

2.1 浇注方式

塑件壁厚为0. 8 mm，比较薄，注射压力偏大，不同浇口位置对薄壁塑件成型缺陷影响至关重要。根据产品特征，采用3种浇注方式，并借助Moldflow进行模流分析，如表2所示，方案三优于另外2个方案，金属嵌件球面上没有出现熔接线、气穴，不会对球径、轮廓度产生影响。

表2 不同进浇方式的模流分析

2.2 金属嵌件分析

金属嵌件表面无处理，这是金属嵌件与塑件之间结合力不足原因之一。金属嵌件所有棱边无圆弧过渡，如图3所示，熔体注射成型后在金属嵌件棱边处容易产生应力集中。基于浇注方式的模流分析结论，采用单点浇口方式为最优方案，对比金属嵌件棱边锐角与棱边圆弧过渡（R0.3 mm）的模流分析情况，如表3所示。由表3可知，充填最大压力从83 MPa降低至79 MPa，流动前沿温度差从59 ℃升高至65 ℃。金属嵌件棱边有无圆弧过渡，对注射过程中出现的缺陷影响不具显著性。

图3 金属嵌件棱边

表3 有无棱边的模流分析

2.3 热膨胀系数影响分析

模具中型腔充填完成后，注塑机进入保压阶段，成型塑件整体应力应变为零。相关研究表明，自然冷却过程中，热膨胀失配是嵌件注射开裂的重要诱因。成型塑件初始温度为t0=200 ℃，脱模后自然冷却到室温（t1=20 ℃），通过理论计算各方向的应变ε、应力σ、长度变化量ΔL为：

其中，α为材料的热膨胀系数；E为材料的弹性模量；L０是塑件/金属嵌件初始长度。

根据理论公式，计算数据如表4所示，2种材料的热膨胀系数存在差异，产生应力差，导致界面产生剪切力，当结合力小于剪切力时发生分离。

表4 理论计算数据

当温度由t0自然冷却到t1时，温度变化对塑件/金属嵌件结构会有影响，2种材料热膨胀系数不同导致应力集中，可通过Solidworks flow simulation仿真分析温度变化，再用Solidworks simulation进行应力应变仿真分析。产品从200 ℃自然冷却到20 ℃，仿真温度曲线如图4所示，展示了不同阶段的温度衰减规律。曲线特征与趋势：初始阶段（0~500 s），温度快速下降，最高温度从约200 ℃降至50 ℃左右，最低温度同步从约150 ℃快速衰减，体现“快速冷却”的过程；中期阶段（500~2 000 s），降温速率放缓，3条曲线逐渐趋近，温度差异缩小；后期阶段 （2 000 s后），3条曲线基本重合，温度稳定在较低水平（接近20 ℃），冷却过程趋于完成。

图4 仿真温度曲线

自然冷却过程热仿真云图如图5所示，展示了自然冷却开始的第60 s，产品整体温度梯度与集中区域的分布特征：高温集中区，图5中灰色“十字形”区域为高温核心区，温度接近195 ℃，是热量聚集的关键部位；温度扩散趋势，从灰色核心区域向上，温度逐渐降低，形成明显的热扩散梯度；低温区域，大部分区域处于28.895 ℃左右，与核心高温区形成显著温差。

图5 自然冷却过程热仿真云图

使用Solidworks simulation创建热应力分析项目，在外部载荷功能选项中，选择导入Flow Simulation生成*.fld文件，通过这种方式将温度分布数据引入冷却应力仿真中，仿真运算结果如表5所示。对比金属嵌件所有棱边无圆弧过渡的仿真分析数据，应力σ存在较大差异，金属嵌件棱边无圆弧过渡的应力为67.90 MPa；棱边有圆弧过渡的应力为58.73 MPa，应力减少15%。从表5中位移仿真云图可以看到，最大位移位置与实际产品缺陷吻合，可以初步判断：2种材料的热膨胀系数差异产生应力差，导致界面产生剪切力，当结合力小于剪切力时发生分离，产生鼓包、轮廓度超差等缺陷。

表5 冷却仿真分析数据

2.4 模具结构分析

模具设计的型腔为滑块对开哈夫结构，存在的缺陷：①滑块是分开加工，模具装配后，存在装配误差；②型腔结构由球形部分和柱形部分组成，如图6所示，型腔结构复杂，不能通过数控车或数控铣加工，只能通过铜电极放电加工，难以保证型腔球形轮廓度，如图7所示；③塑件成型后，由于分型线原因，导致成型后的塑件在分型线邻近区域的轮廓度超差，通过三坐标测量机扫描塑件，提取3D数据，灰色部位超出0.03 mm，超差明显的位置集中在分型线区域，如图8所示。

图6 分型线

图7 型腔结构

图8 测量结果

3 优化方案

（1）优化金属嵌件加工工艺。在原有工艺基础上，增加振动研磨与表面处理（T处理，即表面纳米微孔蚀刻处理）工序，即机加工→振动研磨（棱边R）→表面处理（T处理）→注射。振动研磨工序可以保证所有棱边圆弧过渡，以免注射后出现应力集中；表面处理（T处理）工序通过化学蚀刻或阳极氧化在316不锈钢零件表面形成纳米级微孔（φ50~φ200 nm），增强熔体的机械锚定效应，即增强金属嵌件与塑件的结合力，可有效抵消冷却过程中因为2种材料热膨胀系数不同导致的应力集中，避免出现鼓包、开裂等缺陷。

（2）优化模具设计。选择方案三的浇口位置（见表3），减少或改变熔接线、气穴位置，避免出现在金属嵌件球面上而对球径、轮廓度产生影响。改变分型线方式，避免出现在球体上，同时降低模具零件加工难度，提高模具球形型腔的尺寸精度，如图9所示。

图9 模具优化

（3）塑件原材料改进。由于薄壁塑件以不同于传统的嵌件注射成型，316不锈钢球形零件也不能通过滚花的方式来增加与塑件的结合力。为了提高2种材料的结合力，通过纳米注射技术增强两者之间的结合力，相比普通原材料，PPS纳米注射原材料会添加纳米级填充剂，还会通过纳米复合技术调整配方。这类原材料改性不仅能优化材料性能，还能适配纳米注射中树脂与金属的结合需求，让材料可渗透金属表面的纳米级微孔，形成稳固粘接结构。

▍原文作者：罗国军1，袁子良2，朱从师3，赖屹泰1，王迎春1

▍作者单位：1.福昌精密制品（深圳）有限公司；2.邵阳学院；3.深圳市球形动力科技有限公司