美标PVC DWV排水管件热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。