2020-01-10

                                     美标PVC DWV排水烘箱的问题分析及处理措施探究

摘要:在城市排水系统设计工作中,管件作为管与管之间连接的设备,产品质量的好坏关系到整个系统的成功与否;设计人员需要熟悉标准的前提下,结合自身的产品结构设计经验,模具理论知识,材料力学和材料生产工艺,及采用CAE模态分析和MoldFlow模流分析,不断提高管件结构设计的合理性,确保排水系统的装配效果及使用质量。本文主要针对提供给北美市场的管件,在热烘箱性能测试中的种种问题,材料工艺确定的情况下,从产品结构设计和模具结构设计两方面进行优化,提升产品质量,满足性能测试要求。

关键词:热烘箱,模具设计,产品结构设计,应力集中

1 PVC管件热烘箱中存在问题

1.1 产品内壁结构开裂,如下图:


                                图1   2″×1-1/2″异径90°顺水弯头烘箱内侧开裂

根据产品的检测标准,产品壁厚(3<e≤10),测试要求在150±3℃的烘箱中暴露足够的时间,测试完后,由于结合线的分裂或者表皮的剥落而形成破坏,这种破坏不能使得壁厚小于原始壁厚的50%。实际测量情况是,产品内侧大面积起皮,起皮翻起超过壁厚的50%,经检测中心判定不合格。

问题分析:

产品结构设计为异径90°顺水弯头,两承口端面夹角为88.8°,中部采用圆弧等壁厚,内、外径递减/增设计。

模具设计采用1出2对称排布,进胶点位于弧面中部外侧,流道系统和胶口都采用圆形设计,胶口直径为6mm,流道直径为12mm;流道加长留冷料井。

在组织材料工艺、模具设计、产品设计几方,对产品材料生产工艺,注塑生产工艺,材料结晶及重塑过程进行分析,得出结论为流道系统设计存在不妥,将进胶口位置设计于弧度外侧中部,材料注塑冷却后,进胶点位置应力集中,热烘箱重塑应力不均匀释放,产品冷却结晶后呈现分层或开裂现象。(如图1)(模具排布如图2,注塑产品如图3)


                                           图2   2″×1-1/2″异径90°顺水弯头模具排布结构图


                                             图3   2″×1-1/2″异径90°顺水弯头注塑产品

改善措施:

综合以上分析,要求模具设计将进胶口移到承口外侧,到承口端部约2/3距离处,流道由直线型改为随产品外侧弧度弯曲的圆弧型,流道截面和进胶口截面直径不变,进胶口中轴线过流道圆心,流道延伸留置冷料井;更改后烘箱合格,满足产品性能检测要求。(改模如图4,样品如图5)


                                                 图4  2″×1-1/2″异径90°顺水弯头改模图


                                                图5  2″×1-1/2″异径90°顺水弯头优化流道后样品

1.2 进胶位置热烘箱后缩孔缺陷

由于PVC流动性不佳,热安定性、耐热性等局限,导致PVC熔胶温度狭窄,注塑工艺要求比较高;产品结构和模具结构合理化要求比较高,在实际生产中,因为分析不足,对PVC材料性能及流体力学认识不够,常常导致开模后产品不稳定,胶口剪断后表面分层,产品胶口位置塑化不良;初次成型应力分布不均匀等情况下,产品进行热烘箱后重塑,出现缩孔现象,当缩孔深度超过壁厚的一半时候,判定不合格。(如图6)


                                          图6   螺帽烘箱后胶口缩孔(切开图)

问题分析:

产品为3寸内丝管帽,使用材料为PVC-U,模具设计采用1出2对称排布,料头结构放置于中间,采用正面进胶,前模开流道和进胶口,流道和进胶口采用半圆式;分析认为,PVC材料流动性能不佳,热安定性不稳等;制约产品的注塑工艺,不能有太大的调节范围,相对PVC材料工艺和注塑机台一定的情况下,对产品模具结构进行优化,模具采用半圆形流道和入水口不合理。(改模前注塑成型结构如图7,推板模具结构如图8)


                                                图7  3寸内丝管帽改模前注塑成型结构图


                                          图8  3寸内丝管帽改模前推板模具结构图

改善措施:

在研究产品材料注塑工艺、材料力学性能、流体力学性能后,经过各方讨论,同意将半圆形流道及入水口改为整圆形流道及入水口,其它各项参数不便,修改后进行系列性能测试,满足设计要求。(改模后注塑成型结构如图9,推板模具结构如图10)


                                                图9  3寸内丝管帽改模后注塑成型结构图


                                                图10  3寸内丝管帽改模后推板模具结构图

1.3 产品进胶位置穿孔

为了揭示管件在注射成型过程中所产生的内部应力的大小,是否有冷料或未熔部分的熔接质量等,产品采用烘箱的方法检测及判定;因冷料或未熔部分形成的颗粒块状,与熔融的胶液混合在一起,在温度降低形成二次结晶时候,颗粒块状物实质呈镶嵌的形式存在产品结构中,在热烘箱后,因加热使薄壁产品软化(烘箱温度一般为150℃,未达到产品熔融状态),产品应力充分释放,在产品进行二次冷却结晶过程中,因分子间得各项异性,以及分子间得引力和斥力,导致冷料或未熔颗粒周边产生裂痕,呈撕裂状。(如图11 12寸管帽改模前烘箱裂孔)


                                                        图11 12寸管帽改模前烘箱裂孔

问题分析:

产品采用PVC-U材料,在产品等壁厚的条件下,位于管帽的中心外侧进胶;因产品需要走胶面积较大,产品壁厚较厚,产品容易产生物理力学性能不稳定,烘箱后导致产品裂孔。(如图12 12寸管帽改前产品结构图)



                                                     图12 12寸管帽改前产品结构图

改善措施:

在调节注塑机参数,改善生产工艺,评估现有模具结构对产品的影响,单从模具改良的概率有多大等等,综合判定为,更改产品结构,在入水口位置增加一凸台,入水口内侧增加一凸包,增加进胶点位置的料厚,加强水口位置的力学性能,凸包等同于一冷料井,用于改良产品的注塑工艺;在改动完成后试样,测试各项性能合格。(如图13 12寸管帽改后结构图)


                                                       图13 12寸管帽改后结构图

1.4熔接缝缺陷致烘箱后产品开裂

熔接缝是因熔融塑料在型腔中由于遇到嵌件孔洞、流速不连贯的区域、充模料流中断的区域而以多股形式汇合时,因不能完全熔合而产生的线性的熔接缝。此外在发生浇口喷射充模也会生成熔接缝,熔接缝处的强度等性能很差;在热烘箱重塑过程中,很容易产生开裂现象。(如图14  10寸×45°单头内插弯头烘箱后熔接缝开裂)


                                        图14  10寸×45°单头内插弯头烘箱后熔接缝开裂

问题分析:

产品材料为PVC-U,产品以1出1平躺的模具结构排布方式,分型面以内圆两中轴线所在平面,将产品对称分布,在产品中轴线转角位置进胶,分析为产品结构中部应力集中,中部进胶产生更多紊流,使得进胶不畅,产品中部进胶后,胶料沿着模腔分层填充,先填实最远位置,由于模具上未设置冷料井,胶料进入模腔后,冷料挤向产品的两端,导致两端融合能力差,力学性能薄弱,烘箱后熔接缝裂开。

改善措施:

在调节产品注塑工艺参数,改良材料工艺等,都无法解决此问题的实践情况下;使用Moldflow分析软件对产品进行模流分析,针对产品实际注塑过程中的实际情况,对注塑的4个状态:浇注系统、填充状况、熔接线分布、困气位置进行对比分析,对比结果如图15-图18。


                                              图15 10寸×45°单头内插弯头浇注系统


                                            图16 10寸×45°单头内插弯头填充状况


                                           图17 10寸×45°单头内插弯头熔接线分布


                                                     图18 10寸×45°单头内插弯头困气位置

通过对产品注塑的四个状态对比分析,认为进胶位置对产品的性能影响最大,模具设计进胶位置放置在产品中部不妥;需要将进胶位置移动到承口外侧进胶,在改动完成后,进行各项性能指标测试合格,满足设计要求。(如图19 10寸×45°单头内插弯头改前模具结构图,图20 10寸×45°单头内插弯头改后模具结构图)


                                      图19 10寸×45°单头内插弯头改前模具结构图


                                        图20 10寸×45°单头内插弯头改后模具结构图

综上以上分析,产品的材料工艺,产品结构设计,模具结构设计,包括注塑生产工艺,每一个流程都制约着烘箱性能;这就要求我们在初始的研发阶段,就需要做更多更细致的思考,改良材料配方,运用CAE模态分析和Moldflow模流分析软件,模拟注塑充填过程,结构进行优化并加以对比,把不合理或潜在失效的进行改善;对分子结构进行分析,分子间的热运动及分子结晶过程, 都会影响产品的烘箱性能,产品的可塑性,胶料的流动性能,以及模具的进胶位置,型腔内壁的光洁度,经过行位的流动方式,模具的冷却系统管路分布等,会直接影响产品的外观,确定产品的熔接缝位置,和产品熔接缝的物理力学性能。

总之,产品的热烘箱测试,不仅是检测产品的单一性能,而是在测试验证整的生产控制流程的每一工序的质量保障情况;产生烘箱不合格的情况时,我们应该从产品研发到注塑生产工艺的每一工序进行梳理,细致分析,找出经济代价最小,能起到效果最大的最佳改善策略。

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