注射压缩成型与常规注射成型的模腔压力对比分析

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(1 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心，北京 100095)

注射压缩技术是将传统注射成型与压缩成型进行有效的工艺组合，该成型过程分成了两个阶段，初始注射阶段，高温熔体充填进入不完全闭合的模具，由于该过程模具的模腔尺寸大于最终产品，所以驱动充填的注射压力低[1]；待熔体充填达到一定程度时进入二次压缩阶段，模具型腔闭合至最终产品尺寸，压缩熔体实现完整充填。与常规注射成型相比，注射压缩成型具有注射压力低、整体质量控制均匀、残余应力低和几何尺寸精度高等特点，特别适用于具有高光学品质要求的产品。Martin等[2]最早提出了将注射与压缩工艺复合的概念，其目的是提高材料的充填能力，已满足成型复杂结构薄壁产品的需求，Spector等[3]则成功将该技术推广到光学透镜的研制上，随后注射压缩成型被Engel、Demag、KraussMaffei、三菱重工、Battenfield等厂商竞相开发并整合入注塑机中。尽管成型技术本身具有诸多优势，但是压缩阶段的引入使得注射压缩成型的过程更加复杂，相关工艺控制与模具技术成为限制其应用的关键。Yang等[4-5]开展了光盘注射压缩成型的系统实验研究，发现注射压缩可以极大提高样件的尺寸精度，特别是垂直于压缩方向的平面尺寸，但由于注射和压缩导致的聚合物取向不同，厚度均匀性相对略差。Guan等[6]和葛勇等[7]分别从薄壁和厚壁两个角度对注射压缩成型的样件厚度均匀性控制进行了研究，发现薄壁产品的厚度更多受熔体温度和压缩相关参数的影响，而厚壁产品厚度则主要与注射量及压缩起始位置有关。Michaeli等[8]研究了注射压缩成型塑料透镜的光学性能，发现注射压缩成型中注射速率和压缩速率对样件的光学畸变和灰色度影响最大，而常规注射成型中注射速率和保压压力影响最大。周明勇等[9]阐述了聚合物纳米/亚微米结构零件的不同注射成型方法，强调了注射压缩成型在表面微纳结构成型上的巨大潜力。陈宇宏等[10]开展了注射压缩与常规注射的对比实验，结果表明注射压缩成型可显著减小制件的双折射现象，是制造中大型透明产品的有力工具。

注射成型中材料经历了复杂的P-V-T历史，且模腔不同区域的多物理场演变也存在很大差别，如何实时监控成型过程，进而反向优化设计与工艺，已成为控制产品综合性能的关键。模腔压力作为成型过程中可实时监测的重要参数，直接反映了不同方法和工艺下材料的P-V-T变化特征[4-5, 11]，能够有效识别次品的产生和指导工艺优化，受到国内外很多研究机构和企业的关注[12-18]。Kurt等[12]研究了注射成型工艺对产品尺寸精度的影响，发现模腔压力和温度才是直接决定最终产品几何收缩的因素，而工艺参数只是表观控制变量。Hassan[14]开展了注射成型工艺对模腔压力和产品质量影响的研究，针对PS和LDPE两种材料，发现模腔压力与产品质量随工艺的变化规律相似，但模腔压力变化的剧烈程度与材料性能直接相关。Guan等[15]将应变传感器应用在注射压缩成型的压力监控上，通过与模腔压力传感器对比分析发现，表面应变传感器可有效表征成型过程的不同阶段和预测产品的质量及厚度。曹伟等[16]和王韬等[17]充分考虑熔体挤压引起的三维流动，对压缩过程的材料本构关系进行了重建，重点分析了注射压缩成型过程的模腔压力平台区与工艺的关系，对厚壁透明产品的工艺研究与开发试制提供了理论基础。目前，关于常规注射成型模腔压力的研究较多，针对注射压缩成型的较少[15,18]，而关于模腔压力与不同成型方法及其工艺之间关系的系统研究也鲜见报道。

本工作在自主开发的注射压缩成型模具上安装模腔压力传感器，对常规注射成型和注射压缩成型的模腔压力进行系统性对比分析，考察熔体温度等工艺参数对模腔压力及其分布的影响，比对不同成型方法下样件的残余应力和翘曲变形，进一步验证注射压缩成型的优势和模腔压力的重要指导意义。

1 实验材料与方法

1.1 原材料和实验设备

实验所用材料为Saudi Basic Industries Corp生产的光学级聚碳酸酯(PC)，牌号为OQ-2720，材料熔融指数为8.90g/10min。

注射成型实验在KraussMaffei生产的CX-130注射机上完成，利用HB-THERM生产的HB-180Z2模温机进行成型模具温度控制，利用恩德克生产的NDD-250干燥输送机进行原料的除湿与上料。采用Stress Viewer偏光仪对实验样件的残余应力进行定性测量，采用精度为0.01mm的高度尺对样件的平面翘曲挠度进行定量测量。

1.2 实验模具与模腔压力测试系统

实验模具为侧浇口形式的热流道平板模具，平板的设计尺寸为550mm×280mm×4mm，该模具由定模、动模、模内镶块及压缩机构等部分组成，可实现常规注射成型和注射压缩成型等多种工艺，见图1(a)。模具模腔压力传感器安装在定模镶件上(见图1(b))，一个距离浇口40mm，定义为位置1(压力为P1)，另一个距离充填末端30mm，定义为位置2(压力为P2)，两监控点的间距为480mm。通过6159A型传感器和CoMo Injection 2869信号放大器对模腔压力进行测量、采集与分析。

图1注射成型实验用模具(a)及模腔压力监控点布置(b)Fig.1 Mold (a) and distribution of cavity pressure monitor (b) for injection molding

1.3 实验规划

成型实验包括了常规注射成型和注射压缩成型两部分，为了充分对比两种工艺过程的模腔压力演变规律和获得模腔压力和性能的有效控制路线，需要开展相应的工艺影响研究，具体的实验规划见表1和表2，考察同一工艺不同水平影响时选择表中带有下划线的工艺组合不变，后续以表中的字母与数字代表具体工艺参数。

表1 常规注射成型实验参数表Table 1 Process parameters for conventional injection molding

表2 注射压缩成型实验参数表Table 2 Process parameters for injection compression molding

2 结果与分析

2.1 注射压缩成型与常规注射成型的模腔压力特征

对比图2和图3可以看出，常规注射下不同位置处的模腔压力演变规律相近，表现为达到最大值之后迅速下降，但P1与P2之间的时间间隔接近7s，压力最大值相差23MPa(见图2(b))，这一现象归因于常规注射成型是通过浇口进行单向注射充填与保压补缩，自浇口至充填末端存在极大的压力梯度。而注射压缩成型的模腔压力曲线的衰减程度较为缓慢，有效的压缩补缩时间延长，使得材料的压力场和性能更加均匀，P1与P2的曲线基本重叠(见图3(b))，压力最大值相差仅为5.4MPa。同时，图3(b)中P1曲线的拐点处模腔压力为14.4MPa，代表注射阶段的最大注射压力，相比较图2中的51.8MPa降低了70%，说明注射压缩可有效降低成型的注射压力。考虑到监控点最大值和监控点差值的重要性，后续部分选择P1和P2的最大值及两点的差值(简写为(P1-P2))作为评价目标，对比不同成型方法下模腔压力的工艺相关性。

图2 常规注射成型A1B5C3D3的模腔压力演变曲线 (a)单个成型周期；(b)局部放大Fig.2 Cavity pressure curves for conventional injection molding with A1B5C3D3 (a)single molding cycle;(b)partial view

图3 注射压缩成型的模腔压力演变曲线 (a)单个成型周期；(b)局部放大Fig.3 Cavity pressure curves for injection compression molding with molding cycle; (b) partial view

2.2 工艺参数对常规注射模腔压力的影响

在其他工艺参数不变的情况下，通过改变熔体温度、模具温度、保压压力和保压时间，得到模腔压力随成型时间的演变曲线，对其最大值进行对比，如图4所示。从图中可以看出，随着熔体温度和模具温度的升高，模腔压力P1逐渐降低，而P2逐渐上升，整体的压力均匀性得到明显改善；随着保压压力增大和保压时间延长，模腔压力P1升高，(P1-P2)压力差变大，熔体充填方向上的压力梯度增加，易引起样件的翘曲变形与应力集中[12]。

图4 常规注射成型熔体温度(a)、模具温度(b)、保压压力(c)和保压时间(d)对模具型腔压力的影响Fig.4 Effects of process parameters on the cavity pressure curves for conventional injection molding (a)melt temperature;(b)mold temperature;(c)holding pressure;(d)holding time

从图4(a)可以看出，熔体温度从300℃升至320℃，模腔压力P1从53.5MPa降低至46.3MPa，压力差(P1-P2)降低至6.9MPa。聚碳酸酯材料对温度极其敏感，温度越高，对应黏度越低，压力传递损耗越低。模具温度升高，可以减小边缘凝固层厚度，有利于熔体流动的压力传递，表现出更加均匀的模腔压力场[14]，如图4(b)所示，120℃模温下的压力差(P1-P2)为21.7MPa，但对近浇口处P1的影响较小。升高模温还会引起局部的熔体二次流动，特别是压力相对较低的位置2处，容易产生压力场的波动，如100℃时的曲线偏离。从图4(c)可以看出，保压压力从60MPa升高100MPa，模腔压力P1从51.9MPa增大至60.1MPa，P2上升缓慢，(P1-P2)升高至26.4MPa。而保压时间从3s延长至11s，模腔压力P1逐渐增加，P2则略有降低，压力差(P1-P2)可达到32.7MPa。常规注射成型的保压是通过注射螺杆进行单向的压力填充，保压压力越大，保压时间越长，补缩效果越明显，对应浇口的模腔压力越大。由于压力传递损失，充填末端的模腔压力增幅较小，或者因保压时间过长引起浇口和充填截面的半封闭，进而导致末端的压力出现下降趋势，整个模腔的压力场愈加不均匀。从上述结果对比可以发现，在常规注射成型中，模具温度对模腔压力的影响最大，其次为熔体温度和保压时间，保压压力最弱。合理的工艺窗口范围内，增大熔体温度和模具温度，降低保压压力和保压时间，都会使模腔压力更加均匀。

2.3 工艺参数对注射压缩的型腔压力影响

在其他工艺参数不变的情况下，通过改变熔体温度、模具温度、压缩行程和压缩速率，得到模腔压力随成型时间的演变曲线，对其最大值进行对比，如图5所示。从图中可以看出，注射压缩成型的模腔压力分布更为均匀，(P1-P2)基本都在10MPa以下。同时，工艺参数的影响规律也表现出异于常规注射成型，这主要与压缩阶段的引入有关。

图5 注射压缩成型的熔体温度(a)、模具温度(b)、压缩行程(c)和压缩速率(d)对模具型腔压力的影响Fig.5 Effects of process parameters on the cavity pressure curves for injection compression molding (a)melt temperature;(b)mold temperature;(c)compression stroke;(d)compression speed

从图5(a)可以看出，熔体温度升高，模腔压力P1降低，P2升高，当熔体温度达到320℃时，(P1-P2)仅有1.4MPa，模腔压力场更加均匀。图5(b)显示，模具温度升高，模腔压力P1升高，P2基本不变，压力差(P1-P2)上升，模温120℃时可达到9.1MPa，与常规注射恰恰相反。注射压缩成型的模腔压力更多反映的是高温熔体在压缩阶段受到模具挤压时的响应，位置1区域在注射阶段完成充填，而位置2区域在压缩阶段完成充填，压缩过程熔体反向挤压致使位置1的密实度明显大于位置2，对应模腔压力P1大于P2。模具温度越高，位置1区域的冷凝层越薄，熔体反压效应越明显，模腔压力也就越大，但熔体温度升高、压缩行程增大、压缩速率加快会弱化这种反压不均现象。从图5(c)和图5(d)可以看出，压缩行程增加，模腔压力P1和P2缓慢增大，(P1-P2)降低至6.3MPa；压缩速率增加，P2模腔压力急剧增大，压力场趋于均匀，压力差(P1-P2)最小可达3.1MPa。压缩阶段是模具挤压熔体并补偿冷却收缩的重要过程，压缩行程越大、压缩速率越快，模腔内会有更多的区域和材料经历该过程，对应压力场更加均匀[18]。从上述结果对比可以发现，在注射压缩成型中，压缩速率对模腔压力的影响最大，其次为熔体温度和模具温度，压缩行程最弱。在合理的工艺窗口范围内，可以通过增大熔体温度，降低模具温度，增大压缩行程和压缩速率，使得模腔压力更加均匀，有利于成型出尺寸精度高、质量均匀的样件。

2.4 不同成型方法的样件性能对比验证

图6 常规注射成型A1B5C3D2(a)和注射压缩成型的残余应力对比Fig.6 Comparison on the residual stress of conventional injection molding with A1B5C3D2 (a) and injection compression molding with (b)

图7 常规注射成型A1B5C3D2和注射压缩成型的翘曲变形对比Fig.7 Comparison on warpage of conventional injection molding with A1B5C3D2and injection compression

3 结论

(1)注射压缩成型有效降低了成型的注射压力，其模腔压力衰减程度较为缓慢，压缩补缩时间延长，使得材料在模腔内的压力场更加均匀。

(2)常规注射成型中，模具温度对模腔压力的影响最大，其次为熔体温度和保压时间，保压压力最弱。通过增大熔体温度和模具温度，降低保压压力和保压时间，都会使模腔压力更加均匀。

(3)注射压缩成型中，压缩速率对模腔压力的影响最大，其次为熔体温度和模具温度，压缩行程最弱。通过增大熔体温度，降低模具温度，增大压缩行程和压缩速率，使得模腔压力更加均匀，有利于成型出尺寸精度高、质量均匀的样件。

(4)注射压缩成型样件的热残余应力均匀，流动残余应力减小，整体残余应力呈现低且分布均匀的趋势，注射压缩成型样件的翘曲变形更小，模腔压力可明显反应这一现象。

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