塑封电机温流道注射工艺研究

胡荣耀，谢 帆，鲁 浩，吕宏志

(威灵(芜湖)电机制造有限公司，安徽 芜湖 241000)

0 前言

电机塑封技术是指将定子铁芯、绕组等整体使用热固性塑料塑封的工艺。威灵(芜湖)电机制造有限公司于1993年全面引进该项技术，并很快达到国内领先水平[1]。传统的塑封工艺都存在材料利用率低的问题，以威灵(芜湖)电机制造有限公司1模4腔的产品为例，单模使用材料质量为1 680 g，而流道材料质量就到达120 g，占比高达7.14 %。而电机塑封用的热固性塑料成型后是不可逆的，故流道中成型的材料是无法回收再利用的，且废料还会造成环境污染。为此，急需开发一种塑封电机无浇注系统凝料注射的新工艺。

热固性塑料温流道注塑技术作为一种新型流道技术，可以实现无浇注系统凝料的创新型工艺。该项技术最早是在20世纪70年代中期由欧、美、日等国首先开发和运用，1982年美国的Durez树脂和模塑料公司获准了4项无流道注压工艺的专利[2]。我国在70年代末，由上海电器技术研究所率先开始进行了热固性注塑温流道工艺相关研究[3]。陕西群力无线电器材厂邢良宝等人于2006年实现某继电器基座的1模16腔温流道注射模具的成功研制，达到较明显的提效降本的效果[4]。青岛科技大学的聂勇等人进行以电动马达端盖为例的热固性塑料温流道注射模具的设计及数值模拟的相关研究[5]。而针对于目前BMC塑封电机行业内实现无浇注系统凝料的注射工艺却鲜有报道，本文将重点介绍威灵(芜湖)电机制造有限公司关于BMC塑封电机温流道注射工艺的相关研究。

1 温流道注射成型原理

电机塑封用材料为BMC，主要由不饱和聚酯树脂(UP)中加入一定比例的增稠剂、低收缩剂、填充剂等组分组成的混合物与含量为10 %～30 %的短切玻璃纤维经捏合混炼后制得的增强型团状塑料。作为一种典型的玻璃纤维增强热固性塑料，其熔体流变属于非牛顿型流体，相关研究表明，温度与BMC料流动性的关系如图1所示[7]，由图中的流动曲线可见，在Tjc温度点的两侧，熔体流动性是完全相反的。在Tjc点的左侧，其流动规律与热塑性塑料的假塑性流体相似，即在未达到交联反应温度之前，随温度的升高，聚合物中的线形大分子的运动能增加，进一步发生变形流动的阻力减小，因此熔体黏度下降，流动性提高。但在Tjc点的右侧，随温度的升高，交联反应速度加快，黏度逐渐加大，直至失去流动性。这里的Tjc既可以看成流动性最佳时的温度，也可以近似看为BMC料开始固化交联反应的温度，因此，温流道注塑成型工艺保证流道温度控制在Tjc以下时，即可实现无浇注系统凝料的注射工艺。

1—流动曲线 2—黏度对流动性的影响曲线 3—交联反应速度对流动性的影响曲线图1 温度对BMC料流动性的影响Fig.1 Effect of temperature on fluidity of BMC

2 温流道注射模具设计

结合BMC料成型特点，温流道注射模的设计需要考虑对整个流道部分采用温控措施，使流道内料流不会因为模具加热而交联固化，从而实现无流道连续生产。更准确地说，是一种使注塑机料桶延伸至模具型腔或型腔附近的结构。通常温流道是通过某种介质来控制流道与浇口中料流的温度。使其在进入模腔前始终保持在固化温度以下，既具有良好的可塑性又不会引起提前固化，在产品脱模时，主流道和分流道内的胶料依然留在模具内，然后在下一次注射时注入模腔内成为产品，达到提高产品质量性能，节约原材料和能源的一种机械装置。温流道系统必须有有效的隔热措施，阻止生产零件时模具型腔高温产生的热量传递。在生产零件之前，对流道系统进行温度控制，使其达到流动状态且不能固化，在生产零件完成停机时，还要对流道系统进行冷却。

1—上顶针板 2—弹簧 3—顶针 4—温流道层 5—主流道6—进科口 7—隔热板 8—切刀套 9—分浇口 10—产品 11—下型芯膨胀环 12—塞打螺栓图2 温流道结构模具示意图Fig.2 Warm runner mold schematic

考虑温流道模具兼容现有注塑机，设计1模6腔温流道模具，结构示意图如图2所示，温流道模具定模部分设置单独温流道层4，流道层设置在带有循环冷却水道的上下夹板之间，温流道层与下模腔之间采用环氧树脂隔热板7隔热。BMC料由进料口6注入温流道层4内，主流道5内的料流再通过分浇口9注入到各模腔内完成对定子塑封，注塑机射料完成后，顶针3通过注塑机油缸拉动上顶针板1完成上顶出，顶出到与产品10安装耳表面齐平位置，开模时上顶针板保持顶出状态，动、定模分开后产品10表面不会残留浇口料，产品顶出，上料完成合模后射料前上顶针板1顶退，完成一个注射周期。顶针3在整个注射周期内长时间保持顶出状态可以有效的杜绝分浇口9内BMC料固化造成的堵塞，保证了温流道模具连续生产的能力，这类设计充分的利用注塑机设备油缸顶出顶退的能力，相对传统的喷嘴结构具备成本低、不会在产品表面留下喷嘴柄废料、减少堵塞风险等优点，但存在顶针顶出瞬间模腔内压力增大造成定子漆包线受力增大的趋势，后一节将重点讨论此类影响。

温流道模具设计的关键除了考虑隔热效果还需考虑流道设计的合理性。为了尽量减少物料的消耗，可将流道的截面尺寸设计得比普通浇注系统更小一些，可以选用比表面积较小的梯形截面或圆形、半圆形截面的分流道。整个浇注系统的设计重点为必须保证物料的流动不出现死角，不会因为过热而交联固化。本套模具设计为单点进料模式，若生产体积较大的产品时还可考虑设计成多点进料的方式。

本套模具设计时还在型芯结构上做出创新，设计分体膨胀式型芯，关键部件为图2中的型芯膨胀环11，详细示意图如图3所示，开模时压缩的弹簧正常弹开使顶针顶起抱环，此时抱环为正常状态直径为59.8 mm，利用模具合模下压抱环，抱环涨开到60 mm，与产品的内径大小相同，达到抱环的外壁完全贴合定子内圆的作用，来阻碍注射成型时BMC料向内圆铁芯处流动，达到内圆免去毛刺的效果。膨胀式抱环材质为60Si2Mn弹簧钢，与之配合的型芯其他部件的材料均为4Cr5MoSiV模具钢，两类材料在BMC料注射成型温度(120～140 ℃)下线膨胀系数相当，均在11.5×10-6～12.4×10-6之间，故分体膨胀式型芯在高温下反复工作时不会出现因材料热膨胀系数不用造成的间隙过大和滑入配合失效的风险。

(a)开模时抱环尺寸 (b)合模时抱环尺寸 (c)抱环三维图图3 膨胀式抱环示意图Fig.3 Expansion ring schematic

3 温流道注射成型工艺研究

3.1 温度控制

图4 外观不合格品Fig.4 The appearance of defective products

电机塑封用BMC料在流道温度大于70 ℃时会发生过早凝胶化堵塞流道，流道温度较低时，料的黏度较高，流动性较差，易造成模腔内注射产品不饱和，同时使注射压力和注射时间相应的增加，因此温流道注射成型工艺的关键为温流道层的温度控制。温流道层温度高低主要受冷却循环水工作状况与上模温度的影响，当上模温度过高时，超过隔热板与冷却循环水控温能力，温流道层温度过高，易发生BMC料固化。当上模温度过低时，注射成型的产品如图4所示,表面光泽度较差，有暗斑，外观不合格，分析为固化不完全，温度过低时材料成型时收缩率较大造成。综合量产模具温度参数与该套模具验证结果，温流道模具参数设置如表1所示，另通过改善模具加热感温方式为PT100式热电偶，可以精确的控制模温波动在5 ℃以内。

3.2 成型压力

相对于传统注射工艺，温流道注射成型模具的浇口采用了上方进料的点浇口，区别与传统模具的侧浇口。理论上，相同条件下点浇口的进料方式相对于侧浇口需要更大的注射压力才能保证充模完整，温流道模具的注射压力参数设置还考虑了需保证定子内圆面去毛刺的效果，若注射压力设置偏大，可能会造成定子内圆铁芯产生溢料。具体注射成型时设置的压力参数见表2，温流道注射各分段注射压力都增大10 %以上，但设置的注射压力表示的为注塑机射料时的压力，无法表征注射过程中模腔内部压力大小。而模腔内压力的大小又将直接影响产品的性能，本文将从模内压在线检测技术与产品性能良率两方面来评估温流道注射工艺点浇口的进料方式的可靠性。

3.2.1 模内压力检测

结合威灵(芜湖)电机制造有限公司注射成型模具的特点，开发一种纽扣式熔体压力传感器，检测注射过程中的BMC料熔体的压力。检测原理如图5所示，模内压力通过顶针传达至应变计，应变计变形从而电阻发生改变，电阻值转换成电信号后传输给放大器，放大器进行演算处理后，用专用的测量软件显示压力波形。具体的传感器安装方式如图6所示。

图5 纽扣式压力传感器测试原理图Fig.5 Button pressure sensor testing principle schematic

图6 纽扣式压力传感器安装示意图Fig.6 Button pressure sensor installation diagram

1—普通模具 2—温流道模具图7 2种模具的模内压力 - 时间曲线Fig.7 Pressure-time curve of two molds

1—模次一 2—模次二 3—模次三 4—模次四 5—模次五 6—模次六 7—模次七图8 多模次模内压力 - 时间曲线Fig.8 Pressure-time curves in multimode modes

分别研究点浇口形式温流道模具与侧浇口形式普通模具在注塑过程的压力值与变化趋势。对验证结果数据进行处理得到压力—时间变化曲线，如图7所示，2种模具模内压力随时间变化的趋势是一致的，整个注塑过程可以看作射料与保压2段，在射料阶段中模内压力成线性增长趋势直至达到最大值，保压阶段为模腔内BMC料发生交联固化的过程，因料本身收缩性，压力值呈现为一个平缓下降的过程。2种模具在射料结束后，模内压力有一个跃升点，分析为上切刀动作造成，区别在于普通模具切刀截面积较大,作用为切断水口料，而温流道模具切刀顶针截面积较小,作用为封住浇口防止分浇口堵塞。测试结果表明温流道模具在注塑过程中模内压力的峰值要比普通模具峰值大2 MPa左右，观察温流道生产的定子外观无异常，产品强度最弱处导线夹没有发生变形，说明温流道注射工艺带来的模内压力增大在我们可控范围内。进一步研究温流道模具注射成型过程的稳定性，还进行多模次模内压力的研究如图8所示，结果表明温流道注射成型过程为一个稳定的过程，不会因为料在温流道层内停留的时间过长，造成注射过程中料流动的波动，从而带来注射成型时模腔内压力的波动。

3.2.2 产品性能验证

温流道注射工艺生产的定子进行装配生产，对比该工艺生产的产品性能不良率与普通模具生产产品性能不良率，如图9所示，可以看出温流道注射成型生产的电机的总体性能不良率为0.60 %，优于同时期量产的水平。除了对比产线的生产数据外还进行了电性能相关实验，如表3所示，实验结果均满足产品设计标准。综合模内压力检测与产品性能验证结果表明，温流道注射工艺相对于普通注射工艺带来的注射压力增大对产品外观与性能无影响，满足产品的制造性要求。

■—量试 □ —量产图9 温流道注射与量产不良率对比图Fig.9 Contrast chart of adverse rate between warm runner injection and mass production

4 温流道注射工艺收益分析

温流道注塑工艺实现了电机塑封过程的无浇注系统废料，还通过模具中膨胀式型芯的设计实现产品内圆清洁无溢料的效果，达到免去毛刺的目的，如图10所示。注射工艺无浇注系统废料的实现带来了节省BMC原材料及减少处理BMC废料的费用的明显收益，此外浇口位置优化到电机的安装耳上还能杜绝电机侧表面留下难以清除的浇口痕迹。定子内圆免去毛刺的实现可以省去产品出模后去毛刺的工序，减少员工劳动强度，提升生产效率，定子内圆免去毛刺还可以减少内圆去毛刺产生的细小粉尘，有效的减少电机的粉尘摩擦音不良。以2017年SP001系列产品全年产量435万为例，具体的经济收益分析见表4，温流道注射工艺的推广，带来的显性收益约109.6万元，同时还存在定子注塑后外观不良品降低、效率提升、噪音不良率降低等隐性收益。

图10 温流道注塑工艺生产产品图Fig.10 Products produced by the warm runner injection molding process

5 结论

(1)通过模具的温流道层与点进胶方式的设计实现无浇注系统凝料注塑工艺，通过分体膨胀式型芯设计实现BMC注塑后定子内圆免去毛刺；

(2)通过注塑工艺研究， 对温流道注塑模具注塑时模内压力测试与注塑产品各项性能的确认表明此项工艺具备可制造性；

(3)温流道工艺的实现带来可观的经济收益，以年产量435万台为例，可带来的原材料节省等显性收益约109.6万元，同时还可带来产品外观不良品降低、效率提升、噪音不良率降低等隐性收益。