汽車玻璃塑料包邊注射成形中的傳熱建模與試驗(yàn)研究

王乾廷 陳文哲 黃永華 劉 一 劉賢平

1.福建工程學(xué)院,福州,350108 2.福建宏達(dá)模具塑料廠,福州,350019 3.福耀玻璃工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,福州,350301

0 引言

嵌件塑件在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,它可以改進(jìn)塑件性能或擴(kuò)大塑件應(yīng)用范圍[1-2]。嵌件的材料類型有金屬、塑料或無機(jī)非金屬等[3-6]。在汽車安全玻璃中,有一類是塑料包邊玻璃,它把玻璃這種脆性材料作為嵌件用于中高檔轎車和客車車窗的密封,其作用是使玻璃與車體緊密結(jié)合,提高密封性,同時(shí)增加美觀。其生產(chǎn)流程是：首先對(duì)普通退火玻璃進(jìn)行切裁、磨邊、清洗等預(yù)處理后,送入生產(chǎn)線進(jìn)行鋼化;然后在包邊工序中,把玻璃作為嵌件,在其邊緣注射熔化的塑料,固化后塑料緊包在玻璃邊緣形成包邊。經(jīng)過修邊和安裝卡腳等后續(xù)工序的處理后,采用專用的檢測儀器檢驗(yàn)幾何尺寸與原設(shè)計(jì)的誤差,以及外觀質(zhì)量指標(biāo),判定合格后入庫[7-9]。

包邊工序是沿玻璃周邊注射熔融塑料并冷卻固化的過程,材料屬性、工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)等因素同時(shí)影響包邊的質(zhì)量[10]。玻璃屬于硬脆材料,包邊塑料材質(zhì)柔軟且具有彈性,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)中,容易出現(xiàn)塑料與玻璃結(jié)合不緊密甚至脫落導(dǎo)致達(dá)不到密封要求或產(chǎn)品報(bào)廢的情況,此外,在包邊塑件的外觀面上還易出現(xiàn)氣泡和縮孔兩類缺陷。這些問題與注塑工藝特別是成形時(shí)的傳熱過程密切相關(guān)。

關(guān)于注塑成形過程的傳熱研究,基本思路是從黏性流體力學(xué)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程出發(fā),建立適合于充模分析的數(shù)學(xué)模型,通過控制方程求解壓力場、溫度場和流動(dòng)前沿位置[4]。可借用有限元軟件構(gòu)建包含模具和塑件的傳熱模型,分別對(duì)注塑工藝的加熱、冷卻過程進(jìn)行溫度響應(yīng)模擬,以減小成形周期和提高溫度均勻性為目標(biāo),對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化分析[11-12]。

為了有效控制包邊質(zhì)量,我們利用理論和試驗(yàn)手段,考察了包邊成形過程中的能量傳輸情況,目的是為制定注射工藝規(guī)程和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。采用的方法是：建立模具、塑料和玻璃三者之間的熱量傳輸模型,從傳輸理論角度描述塑件與模具之間、塑件與玻璃之間的能量傳輸情況,通過包邊成形溫度測量試驗(yàn),得到溫度變化和焓變曲線并加以分析。

1 塑料包邊玻璃及其成形模具的結(jié)構(gòu)

包邊玻璃安裝在車身上的情況如圖1所示。由于玻璃和包邊塑件形成一體,故可直接裝配于車身上,免去了分別安裝并進(jìn)行機(jī)械卡緊的過程。包邊玻璃的結(jié)構(gòu)如圖2a所示,圖2b所示是P處的局部剖面。包邊塑料結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜,有較多的溝槽、凸起以及斷面劇烈變化,故容易出現(xiàn)常見的注塑缺陷。包邊模具的結(jié)構(gòu)和普通的注塑模具大致相同,由于含有玻璃嵌件,故需采用立式注塑機(jī),模具內(nèi)含有玻璃定位和夾緊機(jī)構(gòu)。模具的工作部分如圖3所示。令x軸指向包邊周邊方向,y軸指向包邊斷面內(nèi)部方向,z軸指向厚度方向,建立坐標(biāo)系。

圖1 包邊玻璃安裝在車身上的示意圖

圖2 包邊玻璃示意圖

圖3 包邊模具工作部分結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳熱模型分析

塑料、玻璃和模具及其主要輪廓尺寸如圖4所示。為簡化分析,研究由模腔分別向玻璃與模壁之間的一維傳熱,并且只考慮充模階段到澆口封閉后的冷卻階段的情況。模板、塑件和玻璃的傳熱簡化模型如圖5所示,圖中,L為動(dòng)模左側(cè)到定模右側(cè)的總長度。與傳熱相關(guān)的參數(shù)取值如表1所示[13]。下標(biāo)s、p、g分別表示模具鋼、塑料和玻璃,例如,cs表示模具鋼的比熱容,依此類推。

圖4 包邊模具尺寸和傳感器安裝示意圖

圖5 模板、塑件和玻璃的傳熱簡化模型

表1 塑料、模具鋼和玻璃的相關(guān)參數(shù)

模腔向模具工作表面和玻璃表面的傳熱方程分別為[14]

邊界條件如下：

式中,Ts為模板溫度;T0為動(dòng)模板左側(cè)的溫度;H0、HL分別為動(dòng)模板左側(cè)和定模板右側(cè)處的焓函數(shù)。

模腔的傳熱方程為

式中,p為塑料熔體的壓力;ΔH為模腔內(nèi)熔體的焓變;n為指數(shù);G0為晶體生長速率;Kg為常數(shù);N0為激活核子的初始數(shù)量;U*為激活能;Tinf為理論上無限長時(shí)間后熔體的溫度;Tf為某指定時(shí)間后熔體的溫度。

從充填完成后開始計(jì)時(shí),此時(shí)t=0。在不同離散時(shí)間點(diǎn)上,塑件與模具和玻璃之間符合傳熱條件：

其中,Ri,i+1為熱阻,當(dāng)模腔內(nèi)壓力大于外界大氣壓時(shí)假定為常數(shù);φi→i+1為模具向塑料以及塑料向玻璃傳熱過程中的熱流密度。當(dāng)?shù)陀诖髿鈮簳r(shí),塑件就會(huì)收縮并脫模,這時(shí)熱阻的變化函數(shù)為

式中,c(i0)、c(it)分別為模腔壓力下降至常壓和下降到一定量值時(shí)的PVC的比熱容。

3 測溫試驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

在立式注塑機(jī)(注射量 463g,螺桿轉(zhuǎn)速0.142r/min,合模力165k N)上裝模,模具配有水冷系統(tǒng),在包邊塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜易形成熔體過早冷卻而填充不足的部分則配有局部油加熱系統(tǒng)。在動(dòng)模和定模上分別裝上K形線徑為1.2mm的熱電偶進(jìn)行測溫,熱電偶的安裝如圖4所示。該安裝結(jié)構(gòu)可以使熱電偶沿著包邊塑料的厚度方向進(jìn)行小范圍的調(diào)整,以便測量沿塑件不同厚度處的溫度。為了進(jìn)一步減小傳感系統(tǒng)受到的干擾,采用耐熱性較好的聚酰亞胺(PI)固裝在熱電偶的外側(cè)。模腔內(nèi)也安裝了3個(gè)壓力傳感器。試驗(yàn)材料為：模具采用日本大同鋼鐵PX5預(yù)硬模具鋼;玻璃采用福耀公司依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB9656-2003生產(chǎn)的鋼化玻璃;包邊塑料采用臺(tái)塑公司生產(chǎn)的密度為1.57g/cm3的PVC顆粒。試驗(yàn)用的主要參數(shù)為：模溫 40℃,熔體溫度 195℃,保壓壓力105k N,保壓時(shí)間15～25s,冷卻時(shí)間 50～65s,注射速度300mm/s。合模后,把熱電偶導(dǎo)入模腔。這里還用到了一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),用于采集模腔壓力、表面模腔溫度和注射壓力等數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

首先計(jì)算得到離散時(shí)間點(diǎn)上塑件的溫度。計(jì)算方法如下：利用Moldflow軟件,依據(jù)“建?！W(wǎng)格劃分→設(shè)置參數(shù)→設(shè)置邊界條件→計(jì)算”的步驟得到曲線包邊每一點(diǎn)的溫度。在幾何建模中,把玻璃假定為邊界的一部分,在參數(shù)設(shè)置中,設(shè)定其密度、比熱容和傳熱系數(shù)。然后與測量得到的溫度曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。結(jié)果顯示,測量值與理論值的最大誤差不超過4.7℃,多分布在±(1.2～3.2)℃范圍內(nèi),表明理論分析與實(shí)測值較一致。

圖6 包邊塑件注射成形冷卻溫度曲線

圖7 顯示了測量得到的塑件分別靠近動(dòng)模、玻璃和定模表面處的溫度變化曲線?？梢钥闯?塑件靠近動(dòng)模表面處的溫度在保壓約9s左右時(shí)有明顯的溫度回升現(xiàn)象(曲線1),這表明隨著模腔內(nèi)壓力的逐漸下降,熱流密度有所減小,包邊塑件開始脫離模腔。但是,在靠近玻璃的一側(cè),前一階段溫度梯度較小(曲線2),這表明二者之間的熱傳遞不如塑件向模具傳熱明顯。位于定模上的溫升點(diǎn)比動(dòng)模溫升點(diǎn)要滯后(曲線3)。

根據(jù)式(2)并離散成形時(shí)間,計(jì)算得到包邊塑件成形的焓變曲線,如圖8所示。計(jì)算中取表2所示的參數(shù)[15]。定模溫升時(shí)間與焓變值突變時(shí)間幾乎發(fā)生在同一時(shí)間,即約13s左右。成形過程中,鋼質(zhì)模具和玻璃這兩種材料在傳熱性質(zhì)上有本質(zhì)差異,使得包邊過程中PVC易于從模具上脫落,同時(shí)包緊在玻璃上,且二者的傳熱系數(shù)差異越大,包邊效果就越好。由于注射熔體是從定模方向進(jìn)入的,故熔體與定模之間的傳熱速度低于熔體與動(dòng)模之間的傳熱速度。這也是溫升滯后的主要原因。

圖7 保壓時(shí)間為15s時(shí)的溫度變化曲線

圖8 包邊注塑過程中的焓變曲線

表2 包邊塑件成形焓變參數(shù)取值

3.3 討論

根據(jù)以上分析得知,通過調(diào)整部分注塑參數(shù),可以控制塑料從鋼質(zhì)模具上的脫落時(shí)間,以及與玻璃的包緊狀況。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這二者是相互矛盾的,當(dāng)模腔內(nèi)的壓力下降較快時(shí),有利于包邊塑件的脫模,但PVC與玻璃的結(jié)合力下降。根據(jù)試驗(yàn),保壓時(shí)間一般不低于12s,冷卻時(shí)間不低于44s。

在模具設(shè)計(jì)中,型腔的傳熱系數(shù)也是直接影響包邊效果的因素,故應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)高熱導(dǎo)率的預(yù)硬鋼。同時(shí),由式(2)和圖8知,根據(jù)包邊塑件形狀,合理地布置冷卻水道,控制冷卻介質(zhì)的流動(dòng),有利于提高包邊效果和順利脫模。

4 結(jié)語

包邊過程是熔融塑料的成形固化過程,同時(shí)也是塑件脫離鋼質(zhì)模具前與玻璃結(jié)合的過程。本文建立了帶有嵌件的注射成形模型,并通過試驗(yàn)得到了塑料、模具、玻璃表面的溫度變化曲線。由于塑件脫離動(dòng)模瞬間保壓壓力下降,故出現(xiàn)一定的溫升,該溫升的時(shí)間與塑件固化過程中的焓變密切相關(guān)。因此,通過合理選用合適導(dǎo)熱性能的模具鋼,控制熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間,可以有效地改變包邊成形過程中的能量傳輸情況。與現(xiàn)有研究注塑成形傳熱模型的文獻(xiàn)相比,本文側(cè)重于建立包含玻璃嵌件以及玻璃雙側(cè)的塑料熔體的傳熱模型,并對(duì)傳熱方程增加模具與玻璃之間的導(dǎo)熱項(xiàng),利用方程和試驗(yàn)的方法研究玻璃和塑料這兩種材料相互結(jié)合時(shí)的影響因素。

另一方面,由于本試驗(yàn)中采用了一種注射成形冷卻系統(tǒng)的布局,未對(duì)多種布局方法進(jìn)行比較,故如何進(jìn)一步改進(jìn)冷卻系統(tǒng)并控制成形過程中的傳熱,從而改善塑件質(zhì)量和包邊質(zhì)量,是下一步需要研究的工作。

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