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1、火柴天堂塑料举报摘要：摘要：本文分析了汽车起动机齿轮拨叉强度低而引起断裂失效的原因，并 通过改进浇口的位置来优化制品内部玻璃纤维的取向，从而有效地解决了拨叉 因强度低而引起的失效问题PA66 是尼龙系列产品中开发较早、产量最大、应用最广的品种之一。PA66 因具 有良好的力学性能、耐磨性、自润滑性和成型加工性等诸多优点而被广泛应用， 成为许多行业不可缺少的结构材料。但是 PA66 还存在着强度、刚性较低，因吸 水率大而引起尺寸稳定性差等不足。为此，人们研制了用玻璃纤维、石棉纤维、 碳纤维、钛金属晶须等增强改性品种，在很大程度上弥补了尼龙性能的不足。 其中以玻璃纤维增强尼龙(PA66/GF)的应
2、用最为普遍1。玻璃纤维的强度和杨氏模量比 PA66 大 1020 倍，线胀系数约为 PA66 的 1/20， 吸水率为 0，因而在 PA66 树脂中添加玻璃纤维增强剂，不仅可以保持 PA66 的 优点，还可以大幅度提高 PA66 的力学性能、耐热性、尺寸稳定性和降低 PA66 的吸水率。但由于玻璃纤维的长度尺寸远远大于径向尺寸，所以 PA66/GF 制品 在力学性能和收缩率等方面都表现出较大的各向异性。目前，国内关于玻璃纤维取向对 PA66 制品力学性能影响的研究不多。本文中， 笔者着重分析汽车起动机齿轮拨叉因强度低而引发的断裂失效原因，进一步研 究玻璃纤维取向对制品的强度影响并提出具体的改善
3、措施。1 拨叉的失效形式汽车起动机齿轮拨叉如图 1 所示。从外形上看，拨叉结构简单。拨叉全长 87.5mm，叉口宽度为 40.4mm。叉口与叉柄上部厚度(图中上、下端面的距离)为 15mm，叉柄下部最小厚度为 7mm。注射用成型材料为杜邦公司生产的玻璃纤维 增强尼龙，牌号为 PA66/GF33。注射浇口最初设置在制品中部。注射成型设备 选用 SY-800I 型注射机。拨叉工作时，可沿中部的圆柱支撑面旋转。叉柄下端受力后通过叉口拨动汽车 起动齿轮移动来实现起动机的离合，因而拨叉在图示水平方向上有较高的强度 要求。按设计要求，拨叉需承受 1900N 的外力而不发生断裂，如图 2 所示。强度测试 设
4、备选用万能材料试验机，按 QB160 -89(013/1)B 进行试验。抽样进行强度试验，共有 80%的制品在浇口处，即拨叉中部发生断裂。2 优化成型工艺条件与降低残余应力2.1 优化拨叉注射成型工艺条件PA66 熔体对水的敏感性很强，微量水分就可以使其发生水解反应，从而使相对 分子质量变小，所以必须严格控制其含水量。成型物料在塑化前用电热烘箱进 行预热，预热温度为 8090，物料厚度小于 30mm，每小时翻料一次，连续预 热 68h。笔者在分析过程中反复优化注射成型工艺参数，但并没有能够提高 制品的强度。很明显，通过优化注射工艺参数的方法很难达到改善制品强度的 目的。最终确定的注射成型工艺条
5、件见表 1。表 1 拨叉注射成型工艺条件注射成型工艺条 件参 数后段/C240270 中段/C230260料筒温 度 前段/C210240 喷嘴温度/C220240 模 温/C6090 注射压力/MPa1520 注射成型总周期 /s36452.2 降低制品内部的残余应力在影响塑料制品强度的诸多因素中，有一个非常重要的因素就是成型过程中在 制品内部形成的残余应力。注射成型过程中，制品的应力有主动应力和诱发应 力两种。其中，诱发应力容易保留在制品内部，从而转化为残余应力。诱发应力形成的原因很多：如塑料熔体因变形滞后效应在制品中产生的时效应 力；制品在冷却过程中因温差或收缩不均匀引起的应力；末端效应
6、引起的弹性 应力；制品脱模时因型腔压力与外界压力的差值引起的应力以及制品受外力作 用产生的应力等。降低残余应力对制品强度的影响可以在制品结构设计和注射工艺参数优化时进 行考虑，也可以进行后处理。这里主要是采用后处理的方法来降低制品内部的 残余应力。常用的后处理方法有退火和调湿两种。退火的具体方法是将制品放 入 90100的水中煮 5060 min 后断开电源，随水冷却至室温取出。调湿处 理的具体方法是在退火后将制品放入 FN101 电热箱中加热到 110烘烤 89h。但是，经后处理后的制品仍然有 65%不能通过强度测试。由此可见，残余应力并不是导致制品断裂失效的主要原因。所以要想从根本上 解决
7、拨叉强度失效问题，还要从玻璃纤维在制品内部的取向入手。3 玻璃纤维取向对制品强度的影响3.1 失效制品的玻璃纤维取向分析虽然玻璃纤维提高了 PA66 的力学性能，但是实际上玻璃纤维对 PA66 力学性能 的提高与收缩一样是不均匀，具有一定的方向性，即所谓的各向异性。当聚合物大分子及其链段在制品内部呈现有序排列时，在制品内部就形成了一 定的取向。制品在平行于取向方向上的力学性能显著增加，而在垂直于取向方 向的力学性能显著下降。如在一般成型温度下得到的注射制品，平行于分子取 向上的拉伸强度和冲击强度分别是垂直于取向方向上的 12.9 倍和 110 倍2。 由于玻璃纤维在长度上远大于 PA66 的分
8、子链，机械性能也远高于 PA66，所以 玻璃纤维的取向必将对制品力学性能的各向异性产生更大的影响。以弹性模量 为例，PA66 的弹性模量为 2690MPa， PA66/GF33 在垂直于玻璃纤维取向弹性模 量为 5441.69 MPa，而在平行玻璃纤维取向上的弹性模量为 9249.89MPa，是未 添加玻璃纤维时的 3.44 倍，是垂直玻璃纤维取向的 1.70 倍。图 3 是利用注射模 CAE 软件 Moldflow 根据拨叉注射模具的具体结构与表 1 中的 主要成型工艺条件模拟计算的制品玻璃纤维取向图。从图中可以看出，在浇口 下方一个狭小的区域内玻璃纤维基本上沿着竖直方向分布，而在其它大部分
9、区 域，玻璃纤维则沿水平方向分布。当拨叉承受竖直方向的压力时，拨叉上层受压、下层受拉。浇口附近区域内的 力的作用方向均垂直于玻璃纤维的取向，强度较弱，因而容易出现断裂。3.2 浇口的改进为了提高制品的强度，必须对玻璃纤维取向进行改善。改变玻璃纤维取向的方 法主要有下面三种：优化注射工艺参数、更改制品厚度和改进浇口3。第一种方法，笔者已经进行过多次实验，并没有得到明显的结果。由于拨叉结 构简单，壁厚较大，即使是改变其厚度尺寸，也不能改变制品内部玻璃纤维的 取向。由此可见，采用前面两种方法很难达到预期的效果，故只能通过改进浇 口的位置来达到改善玻璃纤维取向的目的。浇口原来的位置设在制品中部，由于叉
10、口敞开，不便设置浇口，因此最后将浇 口设置在叉柄的末端。注射成型工艺条件不变，仍然采用表 1 中的注射工艺参 数进行注射成型。图 4 为浇口改进后根据 Moldflow 分析计算得到的制品玻璃纤维分布结果。不难看出，浇口改进后的制品内部玻璃纤维取向单一，消除了原来制品中部玻璃纤 维沿竖直方向分布的情况，从而也就在制品中部消除了强度较弱的区域。抽样检测浇口改进后的注射制品，强度试验的结果 100%合格。4 结论虽然玻璃纤维可以大大增强 PA66 制品的机械性能，但同时玻璃纤维的取向也有 可能进一步增加制品的各向异性，使制品在收缩和力学性能上出现较大的方向 性差异，从而增加了废品率。因此，在设计注射模具时，一定要结合制品的具 体结构、工作环境等因素，尽量使制品内部玻璃纤维取向分布合理。拨叉注射模具在浇口位置改进后，玻璃纤维取向均垂直于外力作用方向。当外 力作用于拨叉端面时，拨叉发生弯曲变形，上层塑料承受压力，下层承受拉力。 由于受力方向均与玻璃纤维方向平行，因而可以大大提高拨叉承受外力作用时 的强度，从而消除了制品因强度不够所引起的失效。
