PTFE轴套零件注塑工艺参数优化及模具设计

杜鹏辉，王蕴晴，谢传颖，李衡，王钧，李磊，王小新

(1.青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛 266042； 2.山东崇锦汽车零部件有限公司,济南 250100)

聚四氟乙烯(PTFE)是以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物,是重要的特种工程塑料,具有高强度、超耐磨、自润滑、抗老化、耐酸碱等优良性能,其应用涉及军工和民用的诸多领域[1-6]。

传统汽车轴套为金属零件,不仅增加质量,在汽车行驶过程中如果润滑不充分,还会导致金属零件损坏。而PTFE 具有优异的耐磨和自润滑性能,能够显著减少使用过程中的摩擦损耗,是汽车轴套产品轻量化的理想材料[7-9]。

PTFE 性能优良,但由于成型困难,其应用受很多局限。因此,研究PTFE 制品成型加工工艺对开发性能优良的高端产品、推进PTFE 的应用具有重要意义。

笔者以汽车轴套塑料件为研究对象,应用正交实验和Moldflow 软件对汽车轴套塑件的注塑过程进行模拟仿真,研究不同工艺参数对产品成型质量的影响,优化注塑工艺参数及模具结构,为后期的注塑生产提供有效的工艺方案。

1 PTFE轴套结构、性能分析

PTFE 轴套零件的三维结构如图1 所示。该产品内径48.5 mm,高度20 mm,壁厚1.5 mm,中部法兰最大外径56.5 mm,底部有0.55 mm 宽的凸缘,与中部法兰之间形成内凹结构。该产品要求具有较高的强度和尺寸精度,以及优良的耐磨和自润滑性能,以满足重型卡车对轴套的使用要求。

PTFE 材料的耐高低温性能好,可在较宽的温度范围(-180～260°C)内使用,特别是在较高温度下仍能保持形状和力学性能。同时具有优异的耐磨和自润滑性能,可用于替代金属轴套产品。但PTFE难熔融,成型加工困难,传统的加工方法主要为冷压烧结,整个过程效率低、能耗高,产品性能和尺寸精度容易受到烧结条件的影响,波动较大[10-11]。

近年来,开发出来了可熔融PTFE,为少量全氟丙基全氟乙烯基醚与PTFE 的共聚物。可熔融PTFE熔融粘结性增强,熔体黏度下降,而性能与纯PTFE相比基本上无变化。可熔融PTFE可以直接采用注塑、挤出等方法进行加工,大大提高了PTFE零件的生产效率和产品品质。

选择美国苏威公司生产的Hyflon P450 可熔融PTFE 作为汽车轴套产品的材料,该材料推荐的注塑工艺参数范围列于表1。由表1可以看出,其熔体温度达到380～420℃,模具温度要求160～200℃,均远高于普通塑料,对注塑设备和模具都提出了更高的要求。

表1 PTFE注塑成型条件

2 注塑成型工艺参数优化

采用Moldflow进行注塑过程仿真分析,该软件能够模拟塑件填充、保压、冷却、翘曲等成型过程,是注塑工艺参数优化的有效工具[12-14]。

由于轴套工作时内表面与轴相互接触,要求内表面保持光滑,因此浇口需要设计在产品外围,不能设置在产品内侧。同时为了节省原料,降低模具压力损失,决定采用热流道系统。经过Moldflow软件模拟仿真分析,确定采用4点浇口的热流道,模具采用一模一腔,浇口均布在零件圆周上,浇口形状为锥形,流道直径为5 mm,末端浇口直径为1.5 mm。图2为Moldflow模拟仿真分析结果。该方案的充填时间分析结果如图2a 所示,速度/压力转换时所需的最大注塑压力为38.8 MPa,如图2b 所示。可以看出,该浇口方案能够较好地满足产品的充填要求。

图2 Moldflow模拟仿真分析结果

轴套产品因为要与轴相互配合,因此对尺寸精度要求较高。而注塑成型工艺过程中,成型参数对产品相变过程中的收缩变形影响较大,进而影响到产品的尺寸。为了有效控制轴套产品的尺寸精度,笔者应用田口试验方法,针对注塑工艺参数对制件变形的影响,设计正交试验进行量化分析和优化。

田口试验方法是针对生产过程参数变量进行优化的有效方法[15-16]。笔者设计的正交试验,以熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)4 个工艺参数为因素,每个因素参照该材料推荐的成型参数范围取3个水平,列于表2。

表2 正交试验因素和水平

在表2 的基础上设计L9(34)正交表进行正交试验,考虑到所研究的轴套产品为圆形部件,4个浇口也是均匀分布的,因此X方向变形量和Y方向变形量应该是基本一致的。选用X方向的变形量作为优化目标,试验方案及结果列于表3。

表3 正交实验方案及结果

首先对试验结果进行极差分析。极差分析是连续样本中最大值与最小值的差值,表征数据的离散程度。正交试验各因素的极差R列于表4。

表4 各因素的极差分析

根据表4 中极差值的大小,可以判断出对汽车轴套产品变形影响程度的顺序依次为：模具温度＞保压时间＞熔体温度＞保压压力。

根据表4可绘制出变形量与各因素之间的影响效应趋势图,如图3所示。

图3 各因素对变形量影响效应趋势图

选取X方向翘曲变形最小的参数组合在一起,得到优化的工艺参数组合为A3B1C2D3,即熔体温度420℃、模具温度160℃、保压压力60 MPa、保压时间15 s。

由于优化方案组合不在正交试验表中,再次对优化得到的工艺参数组合进行仿真分析,得到X方向变形量为2.441 mm,如图4所示,小于全部9次正交试验方案中的变形数值；Y方向变形量为2.432 mm,如图5 所示。X,Y方向的变形量均小于2.5 mm,满足产品要求。二者的差值为0.009 mm,小于0.01 mm,说明轴套的圆度很好。

图4 优化方案X方向变形量

图5 优化方案Y方向变形量

3 模具结构优化设计

该轴套产品的注塑模具结构如图6所示。模具采用两板模,四点热流道浇注。因产品外侧有环形内凹,模具采用左右双滑块+斜导柱结构。

图6 轴套注塑模具结构

斜导柱与开模方向的夹角为18°,作用长度75 mm,滑块横向抽拔距约23 mm。开模时左右滑块在斜导柱的作用下打开,脱离产品外侧；然后中间的圆形型芯及固定板不动,动模板带着动模镶块及滑块整体向上运动,使轴套与型芯脱离,从而顶出制品,滑块横向打开及顶出示意图如图7所示。

图7 滑块横向打开及顶出示意图

模具的浇注系统及冷却系统如图8所示,采用4点热嘴的热流道浇注,左右滑块上各有一道冷却回路,动模镶块上有一道环形冷却回路,中间型芯采用隔板式的冷却井进行冷却。由于PTFE注塑成型时要求的模具温度较高,需采用热油介质的模温机对模具温度进行控制。

图8 模具浇注系统及冷却系统

采用Moldflow 软件对模具冷却情况进行了仿真分析,所用冷却介质为热油,温度为160℃。图9显示了回路冷却液温度分析结果,可以看出4 条回路冷却液进口和出口温差最大只有0.6℃,说明冷却效果较好,模具温度比较恒定。

图9 回路冷却液温度分析结果

4 注塑生产验证

实际注塑生产在海天MA860注塑机上进行,注塑前将PTFE在110℃下干燥4～6 h。采用优化设计制造的模具和成型工艺参数组合进行注塑,生产出的轴套零件如图10 所示。该零件的注塑成型周期为25 s,生产效率较高。通过实验测试和实际使用验证,该汽车轴套零件整体性能良好,可以替代金属零件使用,助力汽车轻量化。

图10 注塑生产出的汽车轴套零件

5 结论

(1)以汽车轴套产品为研究对象,应用Moldflow软件对成型过程进行仿真分析,采用正交试验方法对其成型工艺参数进行优化。

(2)在符合生产条件的情况下,选取熔体温度420℃、模具温度160℃、保压压力60 MPa、保压时间15 s为最优的工艺参数组合。

(3)针对注塑模具结构进行优化设计并进行实际生产验证。结果表明,按照优化工艺参数组合可以生产出符合使用要求的轴套零件,能够替代金属轴套,助力汽车轻量化和节能降耗。