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附錄
附錄 1
附錄 2
PP材料微量注塑熔接痕對(duì)工藝參數(shù)的影響
摘要
作為小型零件的熱加工技術(shù)，微量注塑越來越受市場(chǎng)的關(guān)注。在微量注塑工藝中，改善小型零件的力學(xué)性能是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。經(jīng)調(diào)查研究微量注塑零件的熔接線強(qiáng)度和工藝參數(shù)有關(guān)。微拉伸焊縫試樣為帶有VT單元的可視化模具的設(shè)計(jì)和制造做準(zhǔn)備。聚丙烯（PP）用作本研究的研究材料，并且選了熔體溫度、模具溫度、注塑壓力、保壓壓力、注塑溫度和注塑速度這6個(gè)工藝參數(shù)作為調(diào)查因素。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)和了解其次序的意義，在研究中應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)方法。該微型熔接線強(qiáng)度預(yù)測(cè)的制定是建立于切比雪夫正交多項(xiàng)式的為基礎(chǔ)的多元回分析。研究表明，對(duì)熔接線強(qiáng)度的影響作用從強(qiáng)到弱的參數(shù)順序分別是模具溫度、熔體溫度、注塑速度、注塑溫度、保壓壓力和注塑壓力。通過實(shí)驗(yàn)證明微型焊接線的預(yù)測(cè)誤差可以低于21%。
1前沿
今天的市場(chǎng)微觀技術(shù)的年增長率達(dá)20%。在這領(lǐng)域微型電子傳感器、微/納米機(jī)械零件、微型燃料電池?fù)Q熱器、加速器和傳感器和光學(xué)元件是主要部分,要求創(chuàng)新的產(chǎn)品更小、更好、更加強(qiáng)大,可以快速廉價(jià)生產(chǎn)。
這些微型零件可以通過多種方法制造，如蝕刻、激光燒蝕、電鑄、微加工和微成型。這些方法中包括微注塑成型和熱壓花的微成型被認(rèn)為是最適合生產(chǎn)。因?yàn)樗梢愿咧貜?fù)性、低成本生產(chǎn)，并多樣化的選擇聚合物。此外,注塑成型在大型生產(chǎn)階段由于優(yōu)良的重現(xiàn)性、高效生產(chǎn)力和設(shè)計(jì)自由與效率，被認(rèn)為是最具有成本效益的方法。微型注塑模開始于上個(gè)世紀(jì)八十年代晚期,從傳統(tǒng)的注射成型工藝發(fā)展而來。相比與熱壓花,它縮短了加工時(shí)間，這使它成為微小制造的熱門研究之一。微型注塑成型過程具有如下優(yōu)點(diǎn):
—加工時(shí)間較短，適合大型生產(chǎn)。
—凈成型,不需要進(jìn)一步工序。
—能生產(chǎn)復(fù)雜的三維形狀的零件。
—各工業(yè)公司都能實(shí)現(xiàn)，不需要特殊設(shè)備(如紫外光源)。
然而,比目前標(biāo)準(zhǔn)尺寸有更高的精度和質(zhì)量要求的微型零件需要有關(guān)改善零件質(zhì)量的緊急調(diào)查。如熔接線強(qiáng)度差這些缺陷肯定需要完全理解。
根據(jù)目前的研究結(jié)果,熔接線力學(xué)性能低可視為幾個(gè)因素所致,如貧窮的電子難以通過熔接線及噴水效應(yīng)流動(dòng)引發(fā)分子的取向和應(yīng)力集中影響缺口表面等。
在目前的研究中, 設(shè)計(jì)并組裝了一個(gè)特殊的模具。為了觀察微型熔接線的持續(xù)發(fā)展，該工具集成了可視化單元?？紤]到微型注塑中聚合物熔體快速凍結(jié)的局限性，VT系統(tǒng)(快速加熱/冷卻系統(tǒng))也被安排在這種微型熔接線試樣生產(chǎn)工具中。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
這個(gè)試驗(yàn)在臥式注塑成型機(jī)上進(jìn)行。這臺(tái)機(jī)器提供了最大的鎖模力、600KN，最大注塑壓力2500pa以及螺桿直徑30毫米。本研究中所用的聚丙烯，PP（734-52 PPH RNA）由令客戶滿意的歐洲的GmbH公司生產(chǎn)的。PP的力學(xué)性能都列在表1中。為了了解參數(shù)性能并進(jìn)行初步的仿真，PP的流變性質(zhì)同樣通過旋轉(zhuǎn)的流變儀(測(cè)試剪切速率范圍從0到1000 1/s)和高壓力的毛細(xì)管流變儀測(cè)量(測(cè)試剪切速率范圍從1000~ 1000000 1 /s)。結(jié)果,如圖1所示。
表1 PP的性能指標(biāo)
性能
密度 0.9
流動(dòng)速度 52
拉伸應(yīng)力 37
熱變形溫度 105
熔點(diǎn) 152
比熱容 2.62
導(dǎo)熱系數(shù) 0.2067
電導(dǎo)率 2.81E-16
圖1 在200攝氏度時(shí)旋轉(zhuǎn)和高壓毛細(xì)管流變測(cè)量結(jié)果
為了準(zhǔn)備微型注塑的熔接線試樣、設(shè)計(jì)并制造結(jié)合視覺系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的模具,如圖2（a，b）。通過反射法和高測(cè)速照相機(jī),視覺系統(tǒng)可以用于記錄和觀察在微型注塑填充時(shí)熔接線形成的過程。在冷卻系統(tǒng)中，高功率的電加熱管實(shí)現(xiàn)快速加熱,它是直接聯(lián)系注塑機(jī)由這臺(tái)機(jī)器的系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制,如圖2（c）。作為冷卻介質(zhì)、冷卻渠道承擔(dān)快速冷卻的作用。實(shí)際工作情況在圖2（d）。更詳細(xì)的解釋和測(cè)試結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在作者以前的作品當(dāng)中。
試樣是為微尺度的狗骨拉伸試驗(yàn)研究樣品。試樣的幾何尺寸如圖3。在這一過程中,聚合物熔體從微小拉力試樣的兩末端流入型腔,最后使熔接痕產(chǎn)生在試樣的中間。拉伸試樣的整個(gè)長度為24毫米,拉伸試樣的試驗(yàn)區(qū)的長度12毫米。橫截面形狀是0.1毫米(深)x0.4毫米（寬）的矩形。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
2.2.1 田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
用田口實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可用于找出影響微型注塑熔接線力學(xué)性能的工藝因素，給出一個(gè)最優(yōu)的工藝參數(shù)選擇最佳質(zhì)量的熔接線。
圖2
圖3
表2
因子 1 2 3
A熔化溫度 210 230 250
B模具溫度 120 140 160
C注塑壓力 500 1000 2000
D保壓壓力 400 800 1600
E噴射溫度 40 60 80
F注塑速度 60 80 100
根據(jù)初期實(shí)驗(yàn)六個(gè)工藝參數(shù)作為影響因素：熔體溫度、模具溫度、注塑壓力、保壓壓力、注塑溫度和注塑流量。由于這些因素的非線性影響,影響因素分為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)因素標(biāo)準(zhǔn)的劃分，L18(37)正交表是被用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。在初期實(shí)驗(yàn)的幫助下,因素標(biāo)準(zhǔn)的選擇更合理、可靠、如圖表2。
在田口實(shí)驗(yàn)的分析基礎(chǔ)上介紹了信噪比是一個(gè)響應(yīng)信號(hào)除以由于噪聲引起的電力信號(hào)。最大化的信噪比引起的任何性質(zhì)是對(duì)噪聲的反應(yīng)。在熔接線最大強(qiáng)度力學(xué)性能研究中。那么信噪比的應(yīng)用分析通過下面公式計(jì)算（1）：
yi是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，n是實(shí)驗(yàn)試樣的數(shù)量。用這種分析方法，越大的信噪比導(dǎo)致PP在模具中熔接痕的強(qiáng)度越大。
此外，控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果因素,同樣可以通過田口實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算得到。然后可以得到重要的因素。
2.3 多元回歸分析
根據(jù)正交試驗(yàn)得到的結(jié)果，基于切比雪夫正交多項(xiàng)式用多元回歸法可以建立熔接痕強(qiáng)度和工藝參數(shù)的關(guān)系。
3 結(jié)果分析
在真正的正交實(shí)驗(yàn)開始之前，先要進(jìn)行填充仿真和一些初步的實(shí)驗(yàn)。仿真運(yùn)用MoldFlowMPI5.0，如圖4所示。它可以在模具溫度不是很高的情況下（低于1200C）進(jìn)行計(jì)算，即使注塑壓力很高微小試樣的型腔也不能填充滿。這是因?yàn)榫酆衔锶垠w流進(jìn)微小型腔時(shí)會(huì)快速凍結(jié)。但是當(dāng)模具溫度達(dá)到1200C時(shí)，即使在相對(duì)很低的注塑壓力下，試樣也能完全填充。真正的注塑成型實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了結(jié)果。初期測(cè)試和完全填充的試樣如圖5所示。
為了解決快速加熱和冷卻問題，在工藝中應(yīng)用冷卻系統(tǒng)，模具溫度上升至1200C時(shí)，即使在很低的注塑壓力和注塑速度情況下試樣也能完全被填充。
根據(jù)這些初始實(shí)驗(yàn)、工藝參數(shù)的合理因素標(biāo)準(zhǔn)可以存在于下面的正交試驗(yàn)
3.1 信噪比分析
這個(gè)由熔接線的微型拉伸試件根據(jù)L18正交表通過注塑成型工藝而來。然后試樣通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的是得到試樣的最終強(qiáng)度。連桿器的運(yùn)動(dòng)速度是1mm/min.夾緊區(qū)是13.8mm，2.5KN的負(fù)載用來進(jìn)行測(cè)試。不變的工藝條件下,實(shí)驗(yàn)樣品拉伸試驗(yàn)重復(fù)五次,和值的平均值作為最終的結(jié)果。最終的拉應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如圖表3。
運(yùn)用公式（1）計(jì)算出每個(gè)因素標(biāo)準(zhǔn)的信噪比，這用運(yùn)用田口分析的方法量化每個(gè)控制因素標(biāo)準(zhǔn)。圖6顯示工藝參數(shù)對(duì)熔接線強(qiáng)度的影響以及告訴我們哪種因素標(biāo)準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致最大的熔接線強(qiáng)度。
3.2影響機(jī)械性能的工藝參數(shù)分析
從圖6可知，更高的熔體溫度對(duì)熔接線有負(fù)面的影響。在宏觀熔接線研究中，這是一個(gè)意想不到的結(jié)果。在過去的宏觀熔接線研究中，相信高熔體溫度引起更大的溶解痕壓力,因?yàn)楦呷垠w溫度有利于聚合物分子在熔接痕區(qū)域擴(kuò)散。它也可能導(dǎo)致材料劣化這個(gè)不情愿的現(xiàn)象，因?yàn)樵谶^程這個(gè)材料劣化過程包括在敏感的微觀區(qū)應(yīng)力變大和化學(xué)分子變濃。這將會(huì)引起壞機(jī)械性能。而在本研究中對(duì)微觀熔接線、因素之間給出了熔融溫度和熔接線強(qiáng)度反比的關(guān)系。這可以解釋在微型零件注塑成型工中，溫度越高負(fù)面影響比正面影響越大。這是在微尺度中由于型腔的微小尺寸，在宏觀尺度熔體溫度的糾纏在聚合物分子上同樣不能發(fā)揮,同時(shí)在宏觀尺度對(duì)材料降解同樣有影響。
較高的模具溫度對(duì)熔接線強(qiáng)度有積極的意義。較高的模溫意味著較高的熔接線強(qiáng)度，但是信噪比在1400C和1600C時(shí)相同，這說明模具溫度高于1400C時(shí)模具溫度升高熔接線的強(qiáng)度不變。
圖4
至于注塑壓力和保壓壓力，結(jié)果是出乎意料的。然而，在各種不同的條件下由于熔接線的強(qiáng)度與許多復(fù)雜因素有關(guān)，進(jìn)一步的研究工作必須在下一步中完成。
噴射溫度表示冷卻過程對(duì)熔接線強(qiáng)度的影響。越低噴射溫度將使熔接線凝固層變厚，這意味著凹陷區(qū)附近兩個(gè)流動(dòng)面更難連接上。相比，更高的熔體溫度將在兩個(gè)流動(dòng)面相遇后出現(xiàn)“軟連接“，這將導(dǎo)致不良的機(jī)械性能。因此最佳的熔接痕強(qiáng)度在平均噴射溫度時(shí)獲得。它的信噪比顯然比上下標(biāo)準(zhǔn)好。
注塑速度與熔體流動(dòng)的剪切速率有關(guān)，在熔化填充時(shí)將影響熔聚合物分子方向。當(dāng)兩個(gè)流動(dòng)面遇到一起,分子的方向是熔接痕強(qiáng)度的主要影響因素。正常的流向促成分子纏結(jié)，當(dāng)分子相互接觸時(shí)，它們會(huì)一起平行流動(dòng)。更高的注塑速度導(dǎo)致高剪切速率和剪切應(yīng)力，從而有助于獲得質(zhì)量較好的熔接線。然而,當(dāng)注射成型速度沒有高到足以使分子兩個(gè)方向定位并行流動(dòng)，在分子兩流動(dòng)方向之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)接觸區(qū)域。它對(duì)熔接線的強(qiáng)度時(shí)不利的。這就是為什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熔接線強(qiáng)度在80cm3/s時(shí)低于60cm3 / s。當(dāng)注塑速度達(dá)到一個(gè)更高的標(biāo)準(zhǔn)100 cm3/s、熔接線強(qiáng)度再次提高。
圖5
3.3重要的秩序的分析
在田口實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用極限誤差分析和信噪比分析相結(jié)合可以進(jìn)行偏差分析，然后可以找到依賴于對(duì)熔接線強(qiáng)度有幫助的各個(gè)因素的重要參數(shù)。結(jié)果如圖6所示,實(shí)際上可以說模具溫度的貢獻(xiàn)占42.4%，熔體溫度占19.59%因素、注塑速度占12.43%，噴射溫度射占11.7保壓壓力占7.31%，注射壓力占6.53%。如此重要的秩序是BAFEDC，溫度是對(duì)熔接線強(qiáng)度的最主要的影響。而壓力對(duì)熔接線強(qiáng)度的影響相對(duì)就小一些。 但是保壓壓力比注射壓力對(duì)改善熔接線強(qiáng)度更重要。
3.4熔接線的形態(tài)分析
根據(jù)工藝參數(shù)和熔接線強(qiáng)度以及對(duì)熔接痕強(qiáng)度機(jī)械作用之間關(guān)系的分析結(jié)果，進(jìn)行進(jìn)一步的研究是為了發(fā)現(xiàn)為什么這種機(jī)制會(huì)在這種情況下產(chǎn)生。形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)在熔接痕附近首先形成，因?yàn)橛绊懭劢泳€強(qiáng)度的工藝參數(shù)是基于材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)它們的影響的。照片顯示的是在掃描電鏡下熔接線厚度方向是哪個(gè)材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)(圖7)。只有表層和剪切結(jié)構(gòu)和非芯層像普通大小的注塑(在正常大小的注塑工藝中，芯層占材料微結(jié)構(gòu)的主要部分)。這種形態(tài)結(jié)構(gòu)在微噴射更容易受成型工藝條件的影響。表層的厚度與溫度條件及其相關(guān),抗剪結(jié)構(gòu)注塑速度密切相關(guān)。之前印證了結(jié)論,說明了模具溫度和熔體溫度對(duì)熔接線強(qiáng)度起著重要的作用，緊隨其后的是注射速度。
3.5微小熔接線強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式
根據(jù)田口實(shí)驗(yàn)分析，在注塑成型過程中注塑壓力和保壓壓力很少影響熔接痕強(qiáng)度，所以預(yù)測(cè)公式僅僅是基于其他四個(gè)參數(shù)的影響，不考慮壓力。至于正交試驗(yàn)法、切比雪多項(xiàng)式通常是用作回歸分析的基本公式。經(jīng)過計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)公式的二次形式在這種情況下并不重要。因此預(yù)測(cè)公式作為第一個(gè)多項(xiàng)式。四個(gè)變化系數(shù)可以采用切比雪夫多項(xiàng)式系數(shù)方程計(jì)算,公式如下所示：
為了檢測(cè)預(yù)測(cè)公式的準(zhǔn)確度，使用了另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比都列在表4。
表3
圖6
3.6 微型熔接線V切口分析
在這項(xiàng)研究中，長途輪廓掃描檢測(cè)機(jī)用于測(cè)量熔接線的V形切口輪廓。熔接線不同區(qū)域的V切口都經(jīng)過輪廓掃描比較發(fā)現(xiàn)在不同的熔接線有著不同的V切口。對(duì)熔接線不同區(qū)域分別進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，這叫做熔接線區(qū)域的中間，如圖8所示。圖9所示的是試樣的V切口在中間表面比邊緣大而且深，中間表面的高度比邊緣低。這可以解釋為試樣中間的凝固層和收縮比邊緣厲害。然而，根據(jù)拉伸試驗(yàn)，試樣的邊緣V切口更多的減少拉伸極限。所以在這項(xiàng)研究中，試樣邊緣的V切口將是主要的研究點(diǎn)。
這個(gè)區(qū)域的V切口看作是V切口的大小的評(píng)估，如圖8所示。V切口的大小和極限拉應(yīng)力的關(guān)系如圖10所示。對(duì)比Nr2、Nr15和Nr12的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得在微型注塑中V切口越小，熔接線的極限拉應(yīng)力就越大。
圖7
圖8
圖9
圖10
表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)序號(hào) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(MPa) 預(yù)測(cè)結(jié)果 誤差比
1 30.75 24.56 20.13
2 28.579 25.54 10.64
4結(jié)論
根據(jù)模具的外觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了微型注塑模中PP材料熔接線強(qiáng)度和工藝參數(shù)的關(guān)系。通過田口分析方法得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)，它們是A1B2C1D2E2F3，還得到了影響熔接線力學(xué)性能的重要工藝參數(shù)。它們是BAFEDC。然后通過切比雪夫正交多項(xiàng)式,為微型注塑模熔接痕建立四個(gè)變量預(yù)測(cè)公式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，和比預(yù)測(cè)誤差低21%。此外還研究了熔接線V切口的影響。分析結(jié)果表明V切口在試樣中間時(shí)比在邊緣時(shí)大而且深，而中間的高度比在邊緣時(shí)低。小的V切口跟宏觀情況一樣也會(huì)導(dǎo)致很大的熔接線。
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