Короткие выстрелы в литье под давлением: анализ причин, решения и практические примеры
В сфере литья пластмасс под давлением недолив является одним из наиболее распространённых и разрушительных дефектов качества. Недолив означает, что расплавленный пластик не полностью заполняет полость формы в процессе заливки, что приводит к таким проблемам, как нехватка материала, неровные края и заполнение зазоров в тонкостенных областях отформованного изделия. Эти проблемы напрямую влияют на структурную целостность, точность сборки и внешний вид изделия.
Случай с производителем автомобилей на новых источниках энергии показывает, что проблема с коротким замыканием в тонкостенных бамперах привела к остановке производственной линии клиента на 8 часов, что привело к прямым экономическим потерям, превысившим 500 000 юаней (Примечание: если пересчет в иностранную валюту более уместен в данном контексте, можно использовать «более 70 000 долларов США», при этом курс пересчета основывался на среднем рыночном курсе около 2024 года).
Начиная с основного механизма неполных выстрелов, в этой статье будут последовательно проанализированы четыре основные причины, представлены комплексные решения, охватывающие материалы, формы, процессы и оборудование, а также проиллюстрированы пути внедрения на практических примерах.
I. Природа коротких ударов: динамическое нарушение баланса потока
Образование неполных порций обусловлено не одним фактором; его суть заключается в нарушении динамического баланса между «энергией тяги» и «сопротивлением течению» расплавленного пластика в процессе заполнения. С точки зрения микроскопического механизма, для полного заполнения полости фронт расплава должен преодолеть три основных типа сопротивления:
1. Вязкое сопротивление самого расплава: создается за счет вязкости материала и трения в литнике;
2. Падение давления: потеря давления расплава от литника до конца полости увеличивается экспоненциально с длиной пути потока;
3. Температурный градиент: Охлаждение расплава приводит к резкому увеличению вязкости — на каждые 10°С снижения температуры вязкость может увеличиться в 2,3 раза (по уравнению Аррениуса).
Когда сумма этих сопротивлений превышает движущую силу, обеспечиваемую системой впрыска, фронт расплава затвердевает до полного заполнения полости, что приводит к дефекту недолива.
Типичные проявления коротких ударов включают в себя:
● Прогрессирующий дефицит материала (постепенное утончение от литника к концу детали);
● Периодическое прерывание потока (появление на поверхности «линий, напоминающих бамбуковые суставы»);
● Общее недопломбирование (недостаточное заполнение всей полости);
● Локальный дефицит материала (незаполненные сложные структуры или сетчатые области).
Различные проявления соответствуют различным сочетаниям причин.
II. Четыре основные причины: отслеживание всей цепочки от материалов до оборудования
(1) Свойства материала: естественные ограничения пропускной способности
Материалы являются основополагающим фактором, влияющим на короткие выстрелы, при этом основные проблемы касаются двух аспектов: текучести и чистоты.
Высоковязкие материалы (например, ПК, ППО, ПК + 20% минерального наполнителя) обладают высоким сопротивлением течению расплава. В частности, в тонкостенных изделиях (≤2 мм) или изделиях с длинным трактом (соотношение потоков > 100:1) вероятность возникновения неполных впрысков из-за недостаточной текучести высока. Примеси, нерасплавленные частицы или избыток смазочных материалов в сырье еще больше усугубляют проблему: примеси могут блокировать питатели и создавать «препятствия течению», а избыток смазочных материалов может вызывать проскальзывание расплава, снижая эффективное давление заполнения.
Кроме того, в материалах, армированных стекловолокном (например, ПП + 30% стекловолокна), переориентация стеклянных волокон увеличивает сопротивление течению. Участки с концентрированными длинными волокнами могут даже образовывать сетчатую структуру, затрудняющую продвижение расплава.
(2) Конструкция пресс-формы: структурные дефекты в путях потока
Рациональность конструкции пресс-формы напрямую определяет плавность течения расплава. К распространённым проблемам проектирования относятся:
● Неправильная конструкция питателя и затвора (чрезмерно тонкие питатели, смещенное положение затвора или затворы недостаточного размера), приводящая к чрезмерной потере давления;
● Плохая вентиляция полости: скопившийся воздух не может выйти, что создает противодавление, которое препятствует заполнению расплавом;
● Нерациональная компоновка системы охлаждения: локальное переохлаждение приводит к преждевременному затвердеванию расплава;
● Сложная геометрия изделия (например, плотные ячейки, узкие ребра): увеличивает сопротивление потоку и легко образует зоны застоя потока.
Например, сетчатая область нижней крышки ноутбука (NB) имеет большую площадь контакта и быстрое рассеивание тепла — это не только зона повышенного риска при коротких выстрелах, но и подвержена дефектам засветки из-за высокого давления, необходимого для заполнения.
(3) Параметры процесса: Несбалансированное соответствие условий формования
Наиболее непосредственной причиной коротких импульсов являются параметры процесса, при этом основная причина кроется в треугольном соответствии температуры, давления и скорости.
● Недостаточное давление или скорость впрыска приводят к недостаточной движущей силе расплава; и наоборот, чрезмерно высокая скорость может привести к захвату воздуха, а чрезмерно низкая скорость приводит к преждевременному затвердеванию расплава.
● Низкая температура расплава или формы значительно увеличивает вязкость расплава. Например, текучесть полипропилена при 200°C значительно ниже, чем в оптимальном температурном диапазоне (220–240°C).
● Неправильные настройки давления выдержки (например, задержка переключения, недостаточное давление) не компенсируют усадку расплава, что приводит к нехватке материала на конце детали.
Универсальная стратегия впрыска с постоянной скоростью в традиционных процессах не может адаптироваться к закону спада давления продуктов с длинным путем потока, что также является основной причиной прогрессирующих неполных впрысков.
(4) Производительность оборудования: недостаточная точность передачи энергии
Производительность литьевых машин напрямую влияет на стабильность подачи энергии, и частота недоливов значительно различается у машин разных марок. Для электрических литьевых машин ключевыми факторами являются точность передачи давления, стабильность расхода и равномерность температурного поля:
● У станков Fanuc высокая скорость снижения производительности (до 60%), что легко приводит к прогрессирующему дефициту материала;
● Задержки срабатывания переключающего клапана удерживающего давления машин Sumitomo могут привести к периодическому прерыванию потока;
● Колебания скорости в машинах Haitian приводят к нестабильности давления, что приводит к общему недоливу.
Кроме того, дефекты оборудования, такие как пустые бункеры, заблокированные загрузочные отверстия и изношенные обратные клапаны, могут привести к падению фактического давления впрыска или утечке давления, что еще больше усугубляет проблемы недостаточного впрыска.
III. Комплексные решения: системная стратегия от профилактики до искоренения
(1) Оптимизация материала: повышение пропускной способности в источнике
Суть регулировки материала заключается в снижении сопротивления потоку, чего можно достичь тремя способами:
1. Заменить на марки смол с лучшей текучестью: выбрать материалы с более высоким показателем текучести расплава (MFR), чтобы снизить давление впрыска, необходимое для заполнения;
2.Модификация сырья: улучшение текучести расплава путем добавления пластификаторов, уменьшения доли наполнителей или оптимизации распределения длины стекловолокон;
3.Предварительная обработка сырья: строго контролировать содержание примесей и полностью высушивать гигроскопичные материалы, чтобы избежать колебаний вязкости, вызванных влажностью.
Для материалов, армированных стекловолокном, таких как ПП + 30% GF, степень сжатия шнека и длину смесительной секции можно регулировать, чтобы уменьшить обрыв стекловолокна и уменьшить сопротивление потоку.
(2) Оптимизация пресс-формы: создание системы плавного потока
Улучшение пресс-форм требует точной оптимизации в сочетании с CAE-анализом потока пресс-формы:
● Конструкция литников и литников: увеличение размера литников, оптимизация положения литников (например, изменение расположения литников с бокового на центральное) и балансировка времени заполнения каждой полости. В случае с определенным автомобильным компонентом скорость заполнения была увеличена на 20% благодаря этому методу;
● Система вентиляции: добавьте вентиляционные канавки (глубина ≤ 0,02 мм, ширина 5–10 мм) в конце полости и в зонах скопления воздуха или используйте пористые стальные вставки для устранения воздействия обратного давления;
● Система охлаждения: избегайте локального переохлаждения; для продуктов с длинным путем потока можно установить дополнительные нагревательные стержни на конце для поддержания температуры расплава;
● Изделия со сложной структурой: оптимизируйте геометрию изделия с помощью CAE-моделирования, например, утолщая тонкостенные области или упрощая пути потока, чтобы уменьшить сопротивление потоку.
(3) Оптимизация процесса: достижение точного управления процессом
Ключом к регулированию процесса является установление динамического соответствия между «температурой, давлением и скоростью»:
● Контроль температуры: соответствующим образом повысить температуру расплава (например, повысив температуру ПП с 200 °C до 220–240 °C) и температуру формы, чтобы снизить вязкость расплава, избегая при этом деградации материала, вызванной чрезмерно высокими температурами;
● Управление давлением и скоростью: используйте стратегию сегментированного впрыска и динамически корректируйте параметры в зависимости от длины пути потока. Например, используйте высокое давление и высокую скорость на начальном этапе для быстрого создания градиента давления, поддерживайте давление на среднем этапе для компенсации падения давления и снижайте скорость на конечном этапе для предотвращения вспышек. Одновременно используйте постепенное снижение давления удержания для предотвращения резких перепадов давления.
● Принцип регулировки параметров: следуйте принципу «маленького и постепенного» — регулируйте давление впрыска на 5–10 % каждый раз, чтобы избежать новых дефектов, вызванных резкими изменениями параметров.
(4)Оптимизация оборудования: обеспечение стабильной передачи энергии
Оптимизация на уровне оборудования включает в себя:
● Регулярно калибруйте давление впрыска и точность расхода, чтобы обеспечить точность передачи давления;
● Осмотрите и замените изношенные обратные клапаны, чтобы предотвратить утечку давления;
Разработать дифференцированные параметры, основанные на характеристиках машин разных марок. Например, для машин Fanuc необходимо сосредоточиться на компенсации снижения расхода, для машин Sumitomo требуется оптимизация времени переключения давления удержания, а для машин Haitian необходимо контролировать колебания скорости.
● Для изделий с длинным проточным каналом и тонкими стенками выбирайте оборудование с более высокой стабильностью объема впрыска, давления и скорости, чтобы избежать неполных впрысков, вызванных недостаточной производительностью оборудования.
IV. Практические примеры: путь от массовых недострелов к 95%-ной доходности
Пример 1: Решение проблемы коротких ударов в тонкостенных бамперах для транспортных средств на новых источниках энергии
Один из производителей автомобилей выпускал тонкостенные бамперы из полипропилена с 30% стекловолокна (толщина стенки: 1,8 мм, соотношение расхода: 120:1). На всех трёх электрических термопластавтоматах наблюдались массовые недоливы, с недоливом материала на 2–5 мм на концах деталей. Традиционный метод повышения давления впрыска улучшил ситуацию лишь на 15% и вызвал сильное облой.
Решение: Была принята сопряженная стратегия оптимизации «характеристики оборудования – поведение материала – параметры процесса»:
● Для станков Fanuc: реализовано сегментное впрыскивание (начальная стадия: 140 МПа/200 мм/с → средняя стадия: 120 МПа/150 мм/с → конечная стадия: 100 МПа/100 мм/с). На конце литников установлены дополнительные нагревательные стержни для повышения температуры на конце со 185 °C до 220 °C, что позволило снизить вязкость на 48%;
● Для машин Sumitomo: время переключения давления удержания было оптимизировано для сокращения задержки реагирования до 0,05 секунды, а угол R на изгибах питателя был расширен до 1,5 мм;
● Для машин Haitian: длина секции смешивания шнека была отрегулирована для уменьшения неравномерного распределения стекловолокна, а колебание скорости контролировалось в пределах ±1 об/мин.
В конечном итоге дефект недолива был полностью устранен, выход годных изделий увеличился с 70% до 95%, а объем вспышки уменьшился на 80%.
Случай 2: Совместное решение проблемы коротких выстрелов и вспышек в области сетки нижних крышек NB
В нижней крышке ноутбука (NB) (толщина стенки: 1,2 мм, поликарбонат + 20% минерального наполнителя) наблюдались одновременное наличие коротких выстрелов и облоя из-за плотной сетки. Три корректировки литника не привели к существенному улучшению. Анализ течения в пресс-форме с помощью CAE показал, что область сетки имела высокое сопротивление потоку и концентрированное давление.
Решение:
● Сетка была оптимизирована с использованием модели коррекции эквивалентной толщины стенок, регулируя толщину стенки области сетки до 1,05 мм;
● Была переработана система литникового контроля: четырехточечное литниковое регулирование заменено двухточечным симметричным литниковым регулированием, а диаметр крестовины увеличен до 8 мм;
● В области плотной сетки добавлены микроканавки для вентиляции (глубина: 0,015 мм);
● Были скорректированы параметры процесса: температура расплава увеличена с 260°C до 275°C и принята стратегия «низкоскоростное заполнение — выдержка под высоким давлением».
После оптимизации дефект недосвечивания был устранен, а процент брака в виде вспышки снизился с 35% до 2%.
V. Заключение: Основная логика предотвращения и контроля коротких ударов
Проблема недоливов при литье под давлением, по сути, связана с несоответствием между системой потока, передачей энергии и свойствами материала. Предотвращение и контроль недоливов требует создания замкнутой системы «профилактика – диагностика – оптимизация»:
● Потенциальные риски предотвращаются на этапе проектирования с помощью анализа потока литья CAE;
● Причины возникновения дефектов точно диагностируются на основании их проявления;
● Радикальное решение достигается за счет совместной оптимизации материалов, форм, процессов и оборудования.
С ростом популярности прецизионного литья под давлением сегодня предотвращение и контроль недоливов превратились из простой настройки параметров в многомерную системную инженерию. Только освоив её основные механизмы и сочетая их с практическим опытом, можно эффективно повысить выход продукции и снизить производственные затраты.
