1翹曲缺陷概述

我公司是專業(yè)的密封件生產(chǎn)商,2017年初,公司開發(fā)的新系列產(chǎn)品一T708產(chǎn)品系列是一種以聚甲醛（POM）為基材的導(dǎo)向環(huán)。該系列用于重載密封,取代以前使用的酚醛夾布導(dǎo)向環(huán)。與之前使用的酚醛夾布導(dǎo)向環(huán)相比,它的優(yōu)點(diǎn)是零吸水,抗壓能力更高,更耐磨,摩擦力更低,使用周期更長(zhǎng)。

在批量試生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該系列成品導(dǎo)向環(huán)會(huì)發(fā)生蠕變,這個(gè)問(wèn)題首先從客戶那邊反饋回來(lái)。所謂"蠕變"就是產(chǎn)品性狀一種緩慢的變化過(guò)程。產(chǎn)品的性狀變化,對(duì)于POM密封件來(lái)講主要是外型和尺寸在一段時(shí)間內(nèi)非常緩慢的變化。

令人困擾的問(wèn)題在于因產(chǎn)品往往在公司內(nèi)存放時(shí)間很短,在公司內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)無(wú)法發(fā)現(xiàn)該缺陷。但經(jīng)過(guò)幾周或數(shù)月,由于蠕變發(fā)生,尺寸和外形都不符合要求了,外形發(fā)生翹曲,無(wú)法安裝在客戶的油缸里,客戶也會(huì)因此質(zhì)疑我們的質(zhì)量控制能力。我們還發(fā)現(xiàn)使用同樣的工藝過(guò)程,每個(gè)批次的不合格率相差很大,有的批次有30%翹曲,有的批次高達(dá)80%翹曲,說(shuō)明我們還有重要的技術(shù)因素在生產(chǎn)中未進(jìn)行控制。

2改進(jìn)前的工藝路線設(shè)計(jì)

為了更好地說(shuō)明,我們先描述一下改進(jìn)前的工藝過(guò)程,如圖1所示。我們先用注塑機(jī)做5mm厚的管料,再用機(jī)加工中心將管料車削成厚度為3.2mm和2.5mm的兩種管料(為行文方便,以下均以2.5mm厚度為例,3.2mm厚度有類似性),最后加工到合適的高度和形狀。

3根據(jù)上述流程分析可能造成產(chǎn)品翹曲的原因

公司質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)人員共同參與了原因分析,主要分析結(jié)果如圖2所示。

4原因分析的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)

4.1注塑和保壓溫度

注塑溫度主要是由使用的原材料物化性能決定的,本案例使用的POM材料注塑溫度設(shè)定在200℃左右,保壓溫度設(shè)定在80℃。注塑過(guò)程中,當(dāng)熔化的塑料沿型腔流動(dòng)時(shí),外層塑料首先遇到溫度較低的模腔內(nèi)壁而迅速冷卻,從而導(dǎo)致外層的黏度高于內(nèi)層,這樣內(nèi)層的流動(dòng)速度就比外層快而會(huì)在內(nèi)外層形成剪切應(yīng)力。理論上可以使用模溫機(jī)極緩慢地冷卻以降低剪切應(yīng)力,但在實(shí)際生產(chǎn)操作中不現(xiàn)實(shí)。

我們做如下實(shí)驗(yàn)確認(rèn):分別在標(biāo)準(zhǔn)溫度設(shè)定、上限溫度設(shè)定(＋10%)和下限溫度設(shè)定(-10%)三個(gè)溫度點(diǎn)各注塑10件管料,并把它們加工成最終產(chǎn)品。

觀測(cè)結(jié)果如下:三個(gè)設(shè)定溫度的管料均不發(fā)生變形,由這些管料做出的最終產(chǎn)品均100%變形。

結(jié)論:在此案例中注塑是產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因之一,但不能通過(guò)溫度控制(±10%)達(dá)到解決最終產(chǎn)品翹曲問(wèn)題的目的。

4.2注塑和保壓壓力

同一模具同樣溫度下,注塑壓力越大,熔融的塑料流速越快,剪切力也相應(yīng)越大。因此,應(yīng)使用盡可能小的注塑和保壓壓力,以減小內(nèi)應(yīng)力。但如果注塑壓力太小,則可能發(fā)生注塑不全和缺料,俗稱"注塑開裂"或"打不滿"的現(xiàn)象,這是顯著的注塑缺陷。

本案例使用的POM材料,能夠打滿的情況下,我們?cè)O(shè)定在3.5MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa(35bar、40bar、50bar、60bar、70bar)五個(gè)壓力下各制作155mm×164mm×50mm標(biāo)準(zhǔn)管料5根,并將其中2根做成最終產(chǎn)品。

觀測(cè)結(jié)果是五個(gè)壓力下的25個(gè)管料,都不發(fā)生變形。在各個(gè)壓力下的最終產(chǎn)品翹曲的比例是60%~80%,差異不顯著,而且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)壓力和最終產(chǎn)品翹曲比例的線性關(guān)系。

結(jié)論:在此案例中不能通過(guò)壓力控制來(lái)解決最終產(chǎn)品翹曲的問(wèn)題,注塑和保壓壓力變化和最終產(chǎn)品翹曲的關(guān)系不明顯。

4.3注塑時(shí)間

注塑過(guò)程過(guò)快時(shí)容易引起很大的取向應(yīng)力,過(guò)慢時(shí)塑料可能在模腔后中冷卻且流動(dòng)性變差而形成熔接痕,嚴(yán)重時(shí)熔接痕處會(huì)開裂,是嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。

在確保沒(méi)有熔接痕的前提下,我們?cè)O(shè)定在2s、3s、10s、12s四個(gè)注塑時(shí)間各做5個(gè)管料,其中2個(gè)管料做成最終產(chǎn)品。

觀測(cè)的結(jié)果和注塑壓力情況類似,20個(gè)管料都沒(méi)有變形。由這些管料做成的最終產(chǎn)品80%發(fā)生了翹曲,翹曲的比例和壓力設(shè)置未見明顯的關(guān)系。

結(jié)論:在此案例中不能通過(guò)時(shí)間控制來(lái)解決最終產(chǎn)品翹曲的問(wèn)題,注塑時(shí)間調(diào)整和最終產(chǎn)品翹曲的關(guān)系不明顯。

4.4機(jī)械加工的應(yīng)力釋放

改進(jìn)前的工藝流程顯示,在注塑后有兩個(gè)機(jī)械加工過(guò)程,第一個(gè)車加工設(shè)備將5mm厚度的管料加工成厚度為2.5mm或3.2mm的封閉管料:第二個(gè)機(jī)加工過(guò)程是將管料當(dāng)中切開,形成一個(gè)開口的環(huán)。

圖3(a)為注塑后的5mm厚度管料,(b)為厚度2.5mm或3.2mm的封閉管料,(c)為開口的環(huán)(即最終產(chǎn)品)。

由整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),注塑出來(lái)的5mm厚的管料變形比例是0,加工成2.5mm厚或3.2mm厚的管料后就有大約10%會(huì)發(fā)生不同程度的變形現(xiàn)象。當(dāng)形成開口環(huán)時(shí),90%的最終產(chǎn)品都會(huì)翹曲變形。

以上結(jié)果說(shuō)明,是由于注塑后管料的內(nèi)應(yīng)力被機(jī)械加工過(guò)程所釋放,造成了產(chǎn)品不規(guī)則翹曲,這是該案例的關(guān)鍵因素。我們的解釋是注塑過(guò)程產(chǎn)生的5mm管料因壁厚較厚且為圓形結(jié)構(gòu),所以相對(duì)穩(wěn)定牢固,因此5mm管料基本不變形。當(dāng)厚度變薄時(shí),內(nèi)應(yīng)力開始發(fā)揮作用,造成少量比例的變形。當(dāng)產(chǎn)品被切斷時(shí),穩(wěn)定結(jié)構(gòu)徹底遭到破壞,內(nèi)應(yīng)力起主導(dǎo)作用,造成最終產(chǎn)品翹曲變形。

4.5生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)的方式

我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)比方案來(lái)觀測(cè)生產(chǎn)線隨機(jī)散放和按層堆放的區(qū)別(披薩餅堆積)。各使用了10件產(chǎn)品,其中5件是不翹曲的產(chǎn)品,5件是翹曲的產(chǎn)品,分別用隨機(jī)堆放和按層堆放的方式放置兩周。

觀測(cè)結(jié)果如下:兩種堆積方式?jīng)]有區(qū)別,翹曲的仍舊翹曲,不翹曲的仍舊不翹曲。

結(jié)論:生產(chǎn)線和倉(cāng)儲(chǔ))沒(méi)有強(qiáng)大外力壓迫的情況下,兩種存儲(chǔ)方式都不會(huì)造成產(chǎn)品的翹曲。

4.6物流的包裝方式

生的,因此必須避免最終產(chǎn)品受到側(cè)向壓力。

4.7環(huán)境溫度變化

我們?cè)O(shè)定了三個(gè)溫度條件,同一批產(chǎn)品放在這三個(gè)狀態(tài)下觀測(cè)其28天的翹曲變化情況。即分別持續(xù)在25℃，持續(xù)在)5℃和在5~25℃之間反復(fù)沖擊,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

我們用20個(gè)產(chǎn)品作了對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明,其中10件按層水平堆放,另外10件垂直堆放,外部加壓25kg。經(jīng)過(guò)兩周,我們發(fā)現(xiàn)垂直放置的一組有50%不同程度地變形,而水平放置的產(chǎn)品似乎100%都沒(méi)有變形。

結(jié)論:如過(guò)長(zhǎng)時(shí)間受壓會(huì)造成產(chǎn)品變形。出貨過(guò)程中,如果產(chǎn)品沒(méi)有被正確放置或)運(yùn)輸過(guò)程中嚴(yán)重被壓,且持續(xù)數(shù)周,是可能發(fā)生變形的。這種情況目前)海運(yùn)過(guò)程中是可能發(fā)28天后所有的產(chǎn)品都發(fā)生了翹曲,說(shuō)明)任何環(huán)境溫度下,有應(yīng)力的產(chǎn)品最終都會(huì)失效,這也證明了原有工藝流程的缺陷性。

4.8塑料制品應(yīng)力的形成與模具設(shè)計(jì)

合理的模具設(shè)計(jì)可以縮短注塑時(shí)間,減小注塑壓力,從而減少應(yīng)力形成:結(jié)合具體塑料制品形狀進(jìn)行合理的澆口位置和數(shù)量設(shè)計(jì),可以減少應(yīng)力形成。該項(xiàng)目原來(lái)模具都是單澆口的,我們發(fā)現(xiàn)三澆口的模具)注塑過(guò)程中更易控制,而且產(chǎn)品出來(lái)內(nèi)應(yīng)力小,表現(xiàn)（產(chǎn)品外壁平整且厚度均勻。

5內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因的總結(jié)分析

在此項(xiàng)目中,產(chǎn)品緩慢翹曲變形的主要原因是注塑過(guò)程中)塑料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,具體如下:

(1))注塑過(guò)程中管料壁厚較厚,造成冷卻過(guò)程中表層塑料和內(nèi)部塑料存)溫度差,應(yīng)該是流動(dòng)過(guò)程中的剪切應(yīng)力和冷卻過(guò)程中的表面應(yīng)力的混合作用。

(2)管料壁厚5mm,而且是穩(wěn)定的環(huán)形柱結(jié)構(gòu),因此5mm厚的管料變形比例非常小。

(3)當(dāng)5mm的管料被機(jī)械加工時(shí),例如將其壁厚改為2.5mm或)當(dāng)中切斷,不平衡的內(nèi)部應(yīng)力就被釋放,導(dǎo)致產(chǎn)品緩慢且持續(xù)不斷地翹曲變形,直到應(yīng)力完全釋放達(dá)到平衡。

(4))運(yùn)輸過(guò)程中,產(chǎn)品側(cè)向嚴(yán)重受壓也會(huì)造成不規(guī)則變形翹曲。

(5)模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)可以降低注塑壓力,從而減小注塑產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

6改進(jìn)行動(dòng)

6.1工藝流程的改造

改造后的工藝流程如圖4所示。

(1)該工藝直接注塑厚度為2.5mm或m.2mm的管料,因管料壁厚較薄,減少了注塑過(guò)程中應(yīng)力的產(chǎn)生(2)撤除的加工厚度的過(guò)程,消除了因機(jī)械加工造成產(chǎn)品翹曲的因素之一。(3)增加的整形工序,減少了切斷對(duì)產(chǎn)品翹曲造成的影響。即切口后的開口導(dǎo)向環(huán)纏繞在一個(gè)工裝上,放在853左右烘箱定型℃4左右,可根據(jù)不同的壁厚對(duì)時(shí)間略做調(diào)整。(4)重新設(shè)計(jì)模具。8套模具進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和制作,由一個(gè)澆口變?yōu)槿齻€(gè)澆口,并在實(shí)際工作中重新調(diào)整了注塑工藝參數(shù)。(5)在工藝流程改進(jìn)之外,我們還在運(yùn)輸過(guò)程中使用披薩餅的包裝方案。

6.2改進(jìn)的效果和經(jīng)驗(yàn)

改進(jìn)的效果是顯著的,整個(gè)項(xiàng)目從201h年5月開始,至2018年2月結(jié)束。

(1)我們觀測(cè)了從201h年10月到2018年10月的產(chǎn)品,抽樣留樣。在留樣中經(jīng)過(guò)m0天觀測(cè),翹曲缺陷比例為0。

(2)已經(jīng)向客戶提供該系列產(chǎn)品各規(guī)格超過(guò)10000件,未發(fā)生翹曲的投訴。在發(fā)生問(wèn)題時(shí)的7個(gè)月中共報(bào)廢產(chǎn)品接近m0萬(wàn)元人民幣,過(guò)程不合格率平均高達(dá)℃06以上。改進(jìn)后過(guò)程不合格率小于m%,質(zhì)量過(guò)程控制穩(wěn)定。

(3)經(jīng)濟(jì)效益良好。我們成為了整個(gè)集團(tuán)專門生產(chǎn)該系列產(chǎn)品的工廠,并持續(xù)獲得來(lái)自世界各地的訂單。

7經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

注塑的內(nèi)應(yīng)力完全消除是不可能的,以往的專家對(duì)聚甲醛注塑件變形也有不同的解決方案,但多直接從注塑工藝調(diào)整方面入手。在實(shí)際工作中,我們常常發(fā)現(xiàn)僅靠工藝參數(shù)調(diào)整往往不能解決問(wèn)題,因?yàn)橐恍┮蛩卦趯?shí)踐中不易改變,比如客戶指定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和規(guī)定的材料、生產(chǎn)實(shí)際使用注塑機(jī)的狀況、生產(chǎn)效率等。而通過(guò)工藝流程再造的方法,結(jié)合其他輔助方案,同樣可以達(dá)到減少缺陷發(fā)生比例或回避發(fā)生原因的目的,本案例就主要通過(guò)工藝路線的調(diào)整解決了產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力造成的缺陷。