玻璃纖維取向對PA66制品強度的影響 doc.doc

火柴天堂塑料舉報摘要：本文分析了汽車起動機齒輪撥叉強度低而引起斷裂失效的原因，并通過改進澆口的位置來優(yōu)化制品內部玻璃纖維的取向，從而有效地解決了撥叉因強度低而引起的失效問題PA66是尼龍系列產品中開發(fā)較早、產量最大、應用最廣的品種之一。PA66因具有良好的力學性能、耐磨性、自潤滑性和成型加工性等諸多優(yōu)點而被廣泛應用，成為許多行業(yè)不可缺少的結構材料。但是PA66還存在著強度、剛性較低，因吸水率大而引起尺寸穩(wěn)定性差等不足。為此，人們研制了用玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維、鈦金屬晶須等增強改性品種，在很大程度上彌補了尼龍性能的不足。其中以玻璃纖維增強尼龍(PA66/GF)的應用最為普遍1。玻璃纖維的強度和楊氏模量比PA66大1020倍，線脹系數(shù)約為PA66的1/20，吸水率為0，因而在PA66樹脂中添加玻璃纖維增強劑，不僅可以保持PA66的優(yōu)點，還可以大幅度提高PA66的力學性能、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和降低PA66的吸水率。但由于玻璃纖維的長度尺寸遠遠大于徑向尺寸，所以PA66/GF制品在力學性能和收縮率等方面都表現(xiàn)出較大的各向異性。目前，國內關于玻璃纖維取向對PA66制品力學性能影響的研究不多。本文中，筆者著重分析汽車起動機齒輪撥叉因強度低而引發(fā)的斷裂失效原因，進一步研究玻璃纖維取向對制品的強度影響并提出具體的改善措施。1撥叉的失效形式汽車起動機齒輪撥叉如圖1所示。從外形上看，撥叉結構簡單。撥叉全長87.5mm，叉口寬度為40.4mm。叉口與叉柄上部厚度(圖中上、下端面的距離)為15mm，叉柄下部最小厚度為7mm。注射用成型材料為杜邦公司生產的玻璃纖維增強尼龍，牌號為PA66/GF33。注射澆口最初設置在制品中部。注射成型設備選用SY-800I型注射機。撥叉工作時，可沿中部的圓柱支撐面旋轉。叉柄下端受力后通過叉口撥動汽車起動齒輪移動來實現(xiàn)起動機的離合，因而撥叉在圖示水平方向上有較高的強度要求。按設計要求，撥叉需承受1900N的外力而不發(fā)生斷裂，如圖2所示。強度測試設備選用萬能材料試驗機，按QB160 -89(013/1)B進行試驗。抽樣進行強度試驗，共有80%的制品在澆口處，即撥叉中部發(fā)生斷裂。2優(yōu)化成型工藝條件與降低殘余應力2.1優(yōu)化撥叉注射成型工藝條件PA66熔體對水的敏感性很強，微量水分就可以使其發(fā)生水解反應，從而使相對分子質量變小，所以必須嚴格控制其含水量。成型物料在塑化前用電熱烘箱進行預熱，預熱溫度為8090，物料厚度小于30mm，每小時翻料一次，連續(xù)預熱68h。筆者在分析過程中反復優(yōu)化注射成型工藝參數(shù)，但并沒有能夠提高制品的強度。很明顯，通過優(yōu)化注射工藝參數(shù)的方法很難達到改善制品強度的目的。最終確定的注射成型工藝條件見表1。表1 撥叉注射成型工藝條件注射成型工藝條件參 數(shù)料筒溫度 后段/C240270中段/C230260前段/C210240噴嘴溫度/C220240模 溫/C6090注射壓力/MPa1520注射成型總周期/s36452.2 降低制品內部的殘余應力在影響塑料制品強度的諸多因素中，有一個非常重要的因素就是成型過程中在制品內部形成的殘余應力。注射成型過程中，制品的應力有主動應力和誘發(fā)應力兩種。其中，誘發(fā)應力容易保留在制品內部，從而轉化為殘余應力。誘發(fā)應力形成的原因很多：如塑料熔體因變形滯后效應在制品中產生的時效應力；制品在冷卻過程中因溫差或收縮不均勻引起的應力；末端效應引起的彈性應力；制品脫模時因型腔壓力與外界壓力的差值引起的應力以及制品受外力作用產生的應力等。降低殘余應力對制品強度的影響可以在制品結構設計和注射工藝參數(shù)優(yōu)化時進行考慮，也可以進行后處理。這里主要是采用后處理的方法來降低制品內部的殘余應力。常用的后處理方法有退火和調濕兩種。退火的具體方法是將制品放入90100的水中煮5060 min后斷開電源，隨水冷卻至室溫取出。調濕處理的具體方法是在退火后將制品放入FN101電熱箱中加熱到110烘烤89h。但是，經后處理后的制品仍然有65%不能通過強度測試。由此可見，殘余應力并不是導致制品斷裂失效的主要原因。所以要想從根本上解決撥叉強度失效問題，還要從玻璃纖維在制品內部的取向入手。3 玻璃纖維取向對制品強度的影響3.1失效制品的玻璃纖維取向分析雖然玻璃纖維提高了PA66的力學性能，但是實際上玻璃纖維對PA66力學性能的提高與收縮一樣是不均勻，具有一定的方向性，即所謂的各向異性。當聚合物大分子及其鏈段在制品內部呈現(xiàn)有序排列時，在制品內部就形成了一定的取向。制品在平行于取向方向上的力學性能顯著增加，而在垂直于取向方向的力學性能顯著下降。如在一般成型溫度下得到的注射制品，平行于分子取向上的拉伸強度和沖擊強度分別是垂直于取向方向上的12.9倍和110倍2。由于玻璃纖維在長度上遠大于PA66的分子鏈，機械性能也遠高于PA66，所以玻璃纖維的取向必將對制品力學性能的各向異性產生更大的影響。以彈性模量為例，PA66的彈性模量為2690MPa， PA66/GF33在垂直于玻璃纖維取向彈性模量為5441.69 MPa，而在平行玻璃纖維取向上的彈性模量為9249.89MPa，是未添加玻璃纖維時的3.44倍，是垂直玻璃纖維取向的1.70倍。圖3是利用注射模CAE軟件Moldflow根據撥叉注射模具的具體結構與表1中的主要成型工藝條件模擬計算的制品玻璃纖維取向圖。從圖中可以看出，在澆口下方一個狹小的區(qū)域內玻璃纖維基本上沿著豎直方向分布，而在其它大部分區(qū)域，玻璃纖維則沿水平方向分布。當撥叉承受豎直方向的壓力時，撥叉上層受壓、下層受拉。澆口附近區(qū)域內的力的作用方向均垂直于玻璃纖維的取向，強度較弱，因而容易出現(xiàn)斷裂。3.2 澆口的改進為了提高制品的強度，必須對玻璃纖維取向進行改善。改變玻璃纖維取向的方法主要有下面三種：優(yōu)化注射工藝參數(shù)、更改制品厚度和改進澆口3。第一種方法，筆者已經進行過多次實驗，并沒有得到明顯的結果。由于撥叉結構簡單，壁厚較大，即使是改變其厚度尺寸，也不能改變制品內部玻璃纖維的取向。由此可見，采用前面兩種方法很難達到預期的效果，故只能通過改進澆口的位置來達到改善玻璃纖維取向的目的。澆口原來的位置設在制品中部，由于叉口敞開，不便設置澆口，因此最后將澆口設置在叉柄的末端。注射成型工藝條件不變，仍然采用表1中的注射工藝參數(shù)進行注射成型。圖4為澆口改進后根據Moldflow分析計算得到的制品玻璃纖維分布結果。不難看出，澆口改進后的制品內部玻璃纖維取向單一，消除了原來制品中部玻璃纖維沿豎直方向分布的情況，從而也就在制品中部消除了強度較弱的區(qū)域。抽樣檢測澆口改進后的注射制品，強度試驗的結果100%合格。4 結論雖然玻璃纖維可以大大增強PA66制品的機械性能，但同時玻璃纖維的取向也有可能進一步增加制品的各向異性，使制品在收縮和力學性能上出現(xiàn)較大的方向性差異，從而增加了廢品率。因此，在設計注射模具時，一定要結合制品的具體結構、工作