بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مشکلات تولید قطعات پلاستیک، عیوبی است که بر این قطعات در هنگام تولید یا پس از تولید ایجادمیشود. برخی از عیوب نیز هستند که پس از تولید خود را نشان میدهند و در واقع ریشه آنها در هنگام تولید قطعه شکل گرفته است. از جمله این عیوب اعوجاج - Warpage - است. اعوجاج باعث بر هم خوردگی شدید ابعاد هندسی میشود. اعوجاج از عیوبی است که در مرحله کنترل کیفی باعث خارج شدن قطعه از چرخه تولید میشود.
در هنگام تولید قطعات پلیمري ممکن است با توجه به نوع پلیمر و شرایط تولید، سه فاز آمورف، نیمه کریستالی و کریستالی در ساختار قطعه شکل بگیرد. در واقع اعوجاج در قطعه وابسته به این فازها و تنشهاي ناشی از آن است.
در این مقاله سعی شده با ایجاد شرایط تولید واقعی براي یک قطعهنسبتاً مهم و پیچیده از نظر هندسی و ابعادي و نیز تلرانسهاي مربوطه، به بررسی پدیده اعوجاج در قطعه تولید شده، پرداخته و اثر دماي قالب و دماي مواد مذاب پلاستیک را بر پدیده اعوجاج بدست آورد تا بتوان از این روش اعوجاج را تا حد قابل قبولی کاهش داده و نتایج آنرا ارائه دهد. جنس قطعه مورد آزمایش POM N109 میباشد. نتایج بدست آمده میتواند معیاري براي کاهش اعوجاج قطعات پلیمري مشابه باشد.
واژههاي کلیدي: تزریق پلاستیک- اعوجاج- جمع شدگی- پلیاکسیمتیلن- قالب
مقدمه
اعوجاج - Warpage - یکی از عیوب قطعات پلاستیک میباشد. اعوجاج در قطعات پلاستیک عبارت است از پیچش و برهمخوردگی ابعاد هندسی آنها پس از خروج از قالب. اعوجاج از جمله عیوبی است که در مرحله کنترل کیفی باعث خارج شدن قطعه از چرخه تولید میشود. پدیده اعوجاج از جمله عیوب شناخته شده قطعات پلیمري است که ریشه در طراحی قطعه و پارامترهاي تولید دارد [1] و .[2] این پدیده یکی از جديترین مشکلات تولیدکنندگان قطعات پلاستیک و کاربران آن به شمار میرود. اساس پیچیدگی در قطعات پلاستیک، تنشهاي داخلی هستند که در هنگام شکلگیري قطعه در قالب تزریق پلاستیک به وجود میآید. در مرحله پران و پس از خروج قطعه از قالب، برخی از این تنشهاي داخلی، آزاد شده و برخی دیگر به صورت تنشهاي پسماند در قطعه باقی میماند.[3] عامل ایجاد تنش، انقباض رشتههاي مولکولی ماده در هنگام سرد شدن است.[4] تعامل تنشهاي پسماند با تنشهاي آزاد شده در حضور عواملی همچون انقباض کریستالها - جمع شدگی - ، دما، رطوبت، شرایط نگهداري قطعه پس از تولید، باعث بروز پدیده اعوجاج میشود .[4],[5] اختلاف دما بین دو مقطع از قالب، باعث میشود نقطه سردتر با دماي پایین، زودتر از نقطه دیگر منجمد شود. عدم وجود انجماد یکسان و جمعشدگی غیر یکنواخت، باعث ایجاد پدیده اعوجاج در قطعه میشود. تغییرات ضخامت قطعه هم بر میزان اعوجاج و شدت آن تأثیر دارد.[4],[5] آنچه مشخص است این است که سه فاز آمورف، نیمه کریستالی و کریستالی براي مواد پلاستیک میتوان در نظر گرفت. بعضی از مواد پلیمري فقط در یکی از این فازها قرار میگیرند و بسیاري دیگر با توجه به شرایط، میتوانند در هر کدام از این فازها و یا ترکیبی از آنها قرار گیرند. تأثیر این فازها بر پیچیدگی و نیز استحکام قطعه مشخص شده است. در فاز کریستالی، رشتههاي مولکولی فرصت مییابند تا با نظم خاصی تحت تأثیر نیروهاي بین مولکولی، به صورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گیرند و بنابراین احتمال ایجاد اعوجاج به دلیل افزایش درصد جمع شدگی افزایش مییابد. در فاز آمورف به دلیل سرعت سرد شدن، رشتههاي مولکولی منظم نیست و پیوند مولکولینسبتاً ضعیف است و بنابراین اعوجاج کاهش مییابد. در فاز نیمه کریستالی نیز با توجه به درصد کریستالیتی، شرایط بینابین وجود خواهد داشت .[4],[3] پیچیدگی یا اعوجاج به ویژه براي قطعاتی که بایستی مونتاژ شوند، مشکلات و خسارات جدي براي تولیدکنندگان فراهم میآورد و باعث از بین رفتن مواد خام و افزایش هزینههاي تولید میشود.
عوامل شناخته شدهاي که باعث ایجاد و تشدید پدیده اعوجاج میشوند[6] عبارتند از: -1 کاهش زمان سرد شدن قطعه درون قالب -2 مناسب نبودن فشار تزریق -3 مناسب نبودن سرعت تزریق - زمان تزریق - -4 دماي قالب و سیستم خنک کاري قالب -5 نوع مواد -6 خصوصیات ابعادي قطعه -7 چگونگی پران قطعه از قالب به طور کلی، مواد پلیمري پس از طی کردن فاز مذاب در فرآیند تزریق و پس از سرد شدن و رسیدن به مرحله انجماد و شکلگیري کامل در حفره قالب، با توجه به نوع پلیمر و شرایط فرآیند تزریق، به مقادیر مختلف منقبض یا جمع میشوند و بنابراین ابعاد قطعه تولید شده با ابعاد قطعه طراحی شده متفاوت خواهد بود. این جمعشدگی متفاوت در بخشهاي مختلف قطعه باعث نوعی اعوجاج و پیچیدگی در قطعه خواهد شد. [5],[6]
براي جبران جمعشدگی میتوان ابعاد حفره قالب را به همان اندازه جمعشدگی بزرگتر ساخت ولی مشکل این است که باز هم اعوجاج وجود خواهد داشت.[6] تحقیقات انجام شده در این زمینه همگی بیانگر وجود پدیده اعوجاج در قطعات پلیمري تزریقی هستند. به همین منظور شیوههاي گوناگون علمی مبتنی بر اصول تئوري و ریاضی و با استفاده از روشهاي المان محدود و یا الگوریتمهاي ژنتیکی براي کاهش اعوجاج و دستیابی به یک راه حل بهینه ارائه دادهاند. در یکی از این تحقیقات، با استفاده از نرمافزار C-Mold اثر تغییر ضخامت قطعه و نیز برخی از پارامترهاي تولید مانند دماي تزریق و یا محل ورود، بر اعوجاج قطعه مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن ارائه شده است .[7] در تحقیقی دیگر، اثر جمعشدگی در راستاي طولیSW و عموديSP یک قطعه به همراه سیستم راهگاهی با دو جنس POM و PS مورد بررسی قرار گرفته و به روش آماري اثر آن بر وزن و اعوجاج قطعه ارائه شده است.[8] روش بررسی میزان اعوجاج در تحقیقی دیگر به صورت المان بندي پوسته میانی از قطعه مورد نظر است و سپس به روش المان محدود و الگوریتمهاي ژنتیکی به بررسی تئوري اعوجاج پرداخته شده است.[9] در تحقیقی دیگر به بررسی تأثیر ابعاد گیت و راهگاه بر پدیده اعوجاج به روش شبکه عصبی پرداخته شده و منحنیهاي اثر طول راهگاه بر اعوجاج، قطر راهگاه بر اعوجاج و طول گیت بر اعوجاج ارائه شده است .[10] تأثیر راهگاه گرم بر میزان اعوجاج و جمع شدگی نیز تحقیق شده است. در واقع این تحقیق، اثر فشار تزریق را بر اعوجاج یک نمونه تجربی بدست آورده و استفاده از راهگاه گرم فقط به خاطر اطمینان از عدم افت فشار تزریق در راهگاه بوده است .[11] ولی آنچه که به نظر میرسد و تا به حال به آن پرداخته نشده است بررسی عملی و تجربی میزان تأثیر دماي قالب و دماي مواد مذاب بر مقادیر اعوجاج است.
اگرچه پدیده اعوجاج یکی از خواص ذاتی پلیمرها به شمار میرود ولی با تدابیر و شرایط تولید مناسب میتوان مقادیر آنرا کاهش و تحت کنترل قرار داد. یکی از این شرایط، کنترل دماي قالب و دماي مواد مذاب در مقادیري است که نتیجه آن کاهش اعوجاج خواهد بود. در این مقاله به بررسی اثر دماي قالب و دماي مواد مذاب پلیمري از نوع پلیاکسیمتیلن بر روي اعوجاج یک قطعه نمونه پرداخته میشود و نتایج آن ارائه میگردد. نتایج بدست آمده میتواند معیاري براي کاهش اعوجاج قطعات پلیمري مشابه باشد.
مشخصات قطعه
قطعه مورد آزمایش، یکی از قطعات مهم کنتور گاز مدل G6 متعلق به شرکت تولیدي صنعتی گازسوزان میباشد.
این قطعه از نظر هندسی داراي پیچیدگیهاي خاص میباشد. برخورد انواع سطوح شیبدار، افقی، عمودي و منحنی همراه با ضخامتهاي متفاوت و همچنین برخورد احجامی مثل استوانه توخالی با سطوح پیش گفته از مشخصات هندسی این قطعه میباشد. نام این قطعه دهلیز1 میباشد. دﻫﻠﻴﺰ یکی از اصلیترین قطعات کنتور گاز به شمار میرود. دهلیز مبناي عملیات مونتاژ کنتور گاز است و اولین قطعهاي است که وارد خط مونتاژ شده و در طول خط مونتاژ، بقیه متعلقات کنتور بر روي دهلیز بسته میشود.
دقت کنتور گاز، با توجه به تعامل قطعات آن با یکدیگر، تابع دقت ابعادي و هندسی دهلیز میباشد. همچنین دهلیز باید از نظر استحکام مکانیکی و مقاومت شیمیایی در حد قابل قبولی باشد. با توجه به میزان تأثیر دهلیز در دقت کاري کنتور، رفع پیچیدگی آن از اهمیت بیشتري برخوردار است. جنس دهلیز از یک نوع پلیمر مهندسی با نام شیمیایی پلیاکسیمتیلن - POM - و نام ژنریک پلیاستال - Poly Acetal - و نام تجاري هوستافرم با گرید N109 ساخت LG انتخاب شده است.
با توجه به چگالی و نیز حجم به دست آمده از نرم افزار CAD ، وزن دهلیز 260 گرم تخمین زده شد.
طراحی و ساخت قالب
ابتدا با توجه به خصوصیات هندسی و ابعادي دهلیز و نیز طراحی موقعیت خط جدایش، طرح اولیهاي از قالب آماده شد. قالب دهلیز، تک حفرهاي و داراي گیت اسپرویی در مرکز است. این قالب از نوع دو صفحهاي با دو عدد اسپلیت از جانب که نیروي حرکتی خود را از چهار عدد پین کج با زاویه 30 درجه از صفحه متحرك دریافت میکند، طراحی شده است. داراي چهار کانال خنک کاري در هر کدام از صفحات و اسپلیتهاي قالب است که میتواند تقریبا به طور یکسان قالب را خنک کند. چهار عدد پین پران در چهار گوشه کف دهلیز وظیفه بیرون انداختن دهلیز از قالب را در زمان پران به عهده دارند. با استفاده از نرمافزارهایی همچون CATIA و Mold Adviser طراحی محفظه قالب تکمیل شد. تمامی نقشههاي ساخت و مونتاژ اجزاي قالب با استفاده از نرمافزار Mechanical تهیه شده است. جنس اجزاي قالب با توجه به عملکرد آن از انواع مختلف فولاد مثل 2312,2210,1191,6582 انتخاب شده و بسته به نیاز هر کدام بر روي آن عملیات حرارتی انجام شده است. بخشهاي مختلف قالب با استفاده ماشینهاي تراش و فرز CNC و نیز بعضی از قسمتهاي حفره به روش EDM ساخته شد. قالب مونتاژ و آماده تولید گردید.
مشخصات دستگاه تزریق پلاستیک
دستگاه تزریق پلاستیک با نیروي گیرهبندي 2000KN که در هر مرحله تزریق توانایی حداکثر 400 گرم تزریق مواد را با فشار 180 Mpa دارد، انتخاب شد.
شرایط آزمایش
قالب بر روي ماشین تزریق پلاستیک نصب گردید شکل - 2 - و تولید دهلیز آغاز شد شکل - . - 3 در زمان تولید دهلیز، پارامترهاي ماشین تزریق و قالب اندازهگیري و ثبت میشد. براي رسیدن به هدف تحقیق، سه سري آزمایش مطابق جدول - 1 - طراحی شد. براي هر آزمایش، دما تغییر داده میشد و پس از چند ضرب تولید و پایداري نسبی پارامترهاي ماشین و قالب و شرایط آزمایش، سه عدد از دهلیزهاي تولید شده به عنوان نمونه انتخاب میگردید. پس از هر آزمایش، نمونههایی بدست آمد که از بعضی جهات پیچیده شده بودند. نمونههاي انتخابی به مدت 4 ساعت و بدون هیچ نوع تنش خارجی در دماي محیط نگهداري میشد. سپس اندازهگیریهاي مربوط به پیچیدگی و اعوجاج بر روي نمونههاي انتخابی انجام و نتایج بدست آمده ثبت میگردید.
