氣輔成型制品氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

付慶興,程曉鋒,李 義,梁繼才

(1.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130025;2.一汽-大眾公司,吉林長(zhǎng)春130011)

氣輔成型制品氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

付慶興1,程曉鋒2,李 義1,梁繼才1

(1.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130025;2.一汽-大眾公司,吉林長(zhǎng)春130011)

采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)氣輔成型制品設(shè)計(jì)中帶有半圓形氣道和矩形氣道的2種基本氣道類型的聚苯乙烯板類件進(jìn)行了模擬分析和物理模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)氣體穿透長(zhǎng)度、氣腔形狀、殘余壁厚及氣道缺陷等主要參數(shù),建立了氣道質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明,對(duì)于半圓形氣道,當(dāng)氣道半徑為制品壁厚的2倍左右時(shí)氣腔質(zhì)量最佳;對(duì)于矩形氣道,在氣道寬度和壁厚相同的情況下,隨著氣道高度和氣道寬度的增加,氣體穿透后形成的氣腔質(zhì)量逐漸提高,當(dāng)氣道高度和氣道寬度的比值達(dá)到2.0時(shí),且氣道寬度對(duì)制品壁厚的比值也達(dá)到2.0時(shí),氣腔質(zhì)量最好,氣道最優(yōu)。

氣輔成型;氣道;數(shù)值模擬;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

氣輔成型技術(shù)利用高壓惰性氣體在注射件內(nèi)部產(chǎn)生中空截面,推動(dòng)熔體完成填充過(guò)程,實(shí)現(xiàn)氣體均勻保壓,是一項(xiàng)消除制品成型缺陷的塑料成型新技術(shù),于20世紀(jì)90年代在發(fā)達(dá)國(guó)家開始進(jìn)入實(shí)用階段[1]。氣輔成型制品氣道設(shè)計(jì)是成功應(yīng)用氣輔成型技術(shù)的關(guān)鍵。在氣輔成型過(guò)程中,引導(dǎo)氣體流動(dòng)使之到達(dá)預(yù)期的位置是氣道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,而氣道尺寸是引導(dǎo)氣體流動(dòng)的重要因素之一[2]。在以往的研究中對(duì)于氣道設(shè)計(jì)都是給出了經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,氣道設(shè)計(jì)的數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)分析還未見(jiàn)研究成果報(bào)道。本文采用數(shù)值模擬和交叉實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)氣輔成型中的2種基本氣道類型,即帶有半圓形氣道和矩形氣道的聚苯乙烯板類件,進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬研究,得出了氣道設(shè)計(jì)的數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚苯乙烯(PS),Asahi-ps666,等級(jí)代碼為 GP101,視覺(jué)特征為透明,Asahi化學(xué)公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

基于材料和設(shè)備供應(yīng)商推薦的工藝范圍,選擇如下工藝參數(shù):模具溫度40℃,熔體溫度230℃,預(yù)注射量85%,氣體注射延遲時(shí)間0.1 s。

1.3 氣道結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)氣道為半圓形氣道和矩形氣道。制品長(zhǎng)度為200 mm,寬度為30 mm,厚度為2.5 mm,如圖 1所示。

圖1 矩形和半圓形氣道示意圖Fig.1 The schematic drawing of semi-circle and rectangular gas channel

1.4 氣道質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)氣輔成型的特點(diǎn)和對(duì)氣輔成型制品的性能要求,氣道的質(zhì)量應(yīng)該從以下2個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià):氣體穿透長(zhǎng)度和氣腔形狀及殘余壁厚。

在實(shí)際分析過(guò)程中要綜合這2個(gè)方面對(duì)氣道質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般要求氣體穿透長(zhǎng)度應(yīng)該超過(guò)氣道長(zhǎng)度的80%,氣體滲透小于1 mm時(shí)[3],氣道的殘余壁厚比較均勻,厚度接近制品整體厚度,且有較少的缺陷如指形區(qū)域、氣泡等。

2 氣輔成型制品氣道設(shè)計(jì)模擬研究

2.1 半圓形氣道設(shè)計(jì)模擬研究

在半圓形氣道的分析過(guò)程中,半圓形氣道的半徑尺寸分別選擇平板厚度的1、1.5、2和3倍取值,如表1所示。平板厚度為2.5 mm,長(zhǎng)度為100 mm,寬度為30 mm。

表1 各種半圓形氣道的截面半徑Tab.1 The radius of semi-circle gas channel

2.2 矩形氣道設(shè)計(jì)模擬研究

在矩形氣道的分析過(guò)程中,存在3個(gè)參數(shù)即矩形截面的寬度(W)、高度(H)和平板厚度(T),數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)是要得到W、H與 T之間的最優(yōu)數(shù)量關(guān)系,使氣道質(zhì)量最優(yōu)。本文采用交叉實(shí)驗(yàn)方法[4],即首先分析得到W和 H之間的最優(yōu)比值,然后確定此值,再分析氣道W和 T的比值,得到確定氣道結(jié)構(gòu)的兩組比值,即W、H的最優(yōu)比值和W、T的最優(yōu)比值。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果

半圓形氣道模擬結(jié)果如圖2所示,得到的氣道參數(shù)如表2和圖3所示。

圖2 半圓形氣道氣腔形態(tài)Fig.2 The gas bubble of the semi-circle gas channels

圖3 氣體穿透長(zhǎng)度和薄壁穿透最大距離隨氣道半徑變化的曲線Fig.3 The curves for gas penetration length and maximum penetration range in thin wall section versus gas channel radius

首先選定矩形截面的氣道寬度為5 mm,取氣道高度為其寬度1、1.5、2、2.5和3倍進(jìn)行模擬分析,結(jié)果如圖4所示。得到的氣道參數(shù)如表3和圖5所示。

表2 半圓形氣道制品的氣道參數(shù)Tab.2 Gas channel parameter for semi-circle gas channel

圖4 不同氣道高度與寬度比值下矩形氣道氣腔形態(tài)Fig.4 The gas bubble of the rectangular gas channel with different ratios of height over width

表3 不同氣道高度與寬度比值下矩形氣道制品的氣道參數(shù)Tab.3 Gas channel parameter for the rectangular gas channel with different ratios of height over width

圖5 氣體穿透長(zhǎng)度和薄壁穿透最大距離隨氣道高度與寬度比值變化的曲線Fig.5 The curves for gas penetration length and maximum penetration range in thin wall section versus the ratios of height over width

根據(jù)以上模擬結(jié)果,選定 H/W=2.0,分別取寬度為壁厚的1.0倍、1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍進(jìn)行模擬對(duì)比分析,分析結(jié)果如圖6所示。得到的氣道參數(shù)如表4和圖7所示。

圖6 不同氣道寬度與壁厚比值下矩形氣道氣腔形態(tài)Fig.6 The gas bubble of the rectangular gas channel with different ratios of width over wall thickness

3.2 結(jié)果分析

從表2及圖3可以看出,氣道半徑與制品壁厚的比值2.0是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),當(dāng)比值<2.0時(shí)薄壁穿透距離隨著比值的減小急劇增加,比值≥2.0時(shí)薄壁穿透極小但氣體穿透長(zhǎng)度減小較為明顯。雖然半圓形截面是氣道設(shè)計(jì)中最優(yōu)的截面形狀[5],從圖2的分析結(jié)果可以看出當(dāng)氣道半徑小于壁厚的1.5倍時(shí),氣體穿透后很難形成較好的氣腔,在成型過(guò)程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的薄壁穿透缺陷。當(dāng)半徑達(dá)到或超過(guò)壁厚的2倍時(shí)所形成的氣腔輪廓清晰,無(wú)明顯缺陷,殘余壁厚均勻。當(dāng)半徑等于壁厚的2倍時(shí),氣道質(zhì)量最好。當(dāng)氣道半徑過(guò)小時(shí),氣體穿透阻力增加,因此很難形成良好的氣腔,易出現(xiàn)薄壁穿透缺陷。從圖2可以明顯看出,當(dāng)半徑大于壁厚2倍后,隨著半徑的增加氣體穿透長(zhǎng)度逐漸變短,這是由于在相同的加工條件下,當(dāng)半徑增加時(shí)注入熔體中的高壓氣體需要推動(dòng)更多的熔體向前同時(shí)也向兩側(cè)擴(kuò)展,因此形成的氣腔較半徑小時(shí)短。綜合以上分析,當(dāng)氣道半徑為壁厚的2倍時(shí),氣道質(zhì)量最好。

表4 不同氣道寬度與壁厚比值下矩形氣道制品的氣道參數(shù)Tab.4 Gas channel parameter for the rectangular gas channel with different ratios of width over wall thickness

圖7 氣體穿透長(zhǎng)度和薄壁穿透最大距離隨氣道寬度與壁厚比值變化的曲線Fig.7 The curves for gas penetration length and maximum penetration range in thin wall section versus the ratios of width over wall thickness

從表3及圖5可以看出,當(dāng)氣道高度與寬度的比值在2.0附近時(shí),薄壁穿透距離達(dá)到最小值,且隨著比值的增加或減小都有明顯增加,成為較為嚴(yán)重的缺陷。氣體穿透長(zhǎng)度在比值為1.5左右達(dá)到峰值,且其隨著比值的增加有明顯減小。同時(shí)從圖4也可以明顯看出,當(dāng)氣道高度小于等于1.5倍的氣道寬度時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的薄壁穿透缺陷,而且隨著比值的減小,缺陷情況越嚴(yán)重,很難形成良好的氣腔形態(tài)。當(dāng)氣道高度為氣道寬度的2倍時(shí),氣體穿透長(zhǎng)度可達(dá)制件長(zhǎng)度的87.4%,氣腔輪廓清晰,殘余壁厚均勻,氣道質(zhì)量?jī)?yōu)良。當(dāng)氣道高度大于寬度的2倍時(shí),也能形成較好的氣腔,隨著高度與寬度比值增加,氣體穿透長(zhǎng)度減小,且在氣體入口處出現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重的局部薄壁穿透現(xiàn)象。因此,當(dāng)高度和寬度的比值為2.0時(shí),氣腔質(zhì)量最好,氣道最優(yōu)。

從表4及圖7可以看出,當(dāng)氣道寬度與制品壁厚的比值在2.0附近時(shí)薄壁穿透距離達(dá)到最小,隨比值的減小,此距離增加明顯。氣體穿透長(zhǎng)度在比值為1.5左右時(shí)達(dá)到峰值,比值1.5與2.0之間時(shí)穿透長(zhǎng)度變化較小。同時(shí)從圖6可以明顯看出,在選定氣道高度為寬度2.0倍的情況下,當(dāng)氣道寬度小于1.5的壁厚時(shí),氣體沒(méi)有清晰的穿透路徑,形成嚴(yán)重的壁厚穿透缺陷,制品難以成型。當(dāng)氣道寬度是壁厚的2.0倍時(shí),氣體穿透形成的氣道輪廓清晰,氣體穿透長(zhǎng)度可以達(dá)到制件長(zhǎng)度的87.4%,殘余壁厚比較均勻,氣腔質(zhì)量較好。當(dāng)氣道高度和寬度的比值大于2.0時(shí),也能形成較好的氣腔,氣體穿透長(zhǎng)度較比值為2.0時(shí)逐漸減小,且在氣體入口處形成局部輕微薄壁穿透缺陷。

從以上的模擬分析可以看出,對(duì)于矩形氣道而言,氣道寬度與制品壁厚的比值和氣道高度與氣道寬度的比值在決定氣體穿透過(guò)程中起著非常重要的作用。對(duì)于壁厚一定的平板類制件,在氣道寬度一定的情況下,隨著氣道高度與氣道寬度比值的增加,氣體穿透后形成氣腔質(zhì)量逐漸提高,當(dāng)比值達(dá)到2.0時(shí),氣腔質(zhì)量較好,氣道最優(yōu)。在最優(yōu)的氣道高度和寬度的比值情況下,氣道寬度對(duì)制品壁厚的比值也對(duì)氣道質(zhì)量起著決定性的作用,隨著氣道寬度與制品壁厚比值的增加,氣體穿透后形成的氣腔質(zhì)量逐漸增加,比值達(dá)到2.0時(shí),氣腔質(zhì)量較好。

3.3 物理模擬實(shí)驗(yàn)

采用自行開發(fā)的氣輔裝置和模具對(duì)分析得出的最優(yōu)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)。為方便實(shí)驗(yàn),制品選擇板類制品上面設(shè)置交叉形氣道,如圖8所示。

選擇半圓形氣道半徑為制品厚度的2.0倍,矩形氣道高度為寬度的2.0倍,寬度為制品厚度的2.0倍,制品厚度為2.5 mm,氣道長(zhǎng)度為100 mm。

從表5可以看出,數(shù)值模擬分析結(jié)果合理,分析所得的氣道質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖8 氣輔成型薄板件Fig.8 Gas-assisted injection molded thin plate part

表5 物理模擬與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Tab.5 The comparison of numerical simulation with experimental data

4 結(jié)論

(1)提出了氣道質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)氣輔成型的特點(diǎn)和對(duì)氣輔成型制品的性能要求,氣道的質(zhì)量應(yīng)該從以下幾個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià):氣體穿透長(zhǎng)度、氣腔形狀、殘余壁厚、缺陷情況等;

(2)對(duì)于半圓形氣道,當(dāng)氣道半徑小于壁厚的1.5倍時(shí),氣體穿透后很難形成較好的氣腔,在成型過(guò)程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的薄壁穿透缺陷。當(dāng)半徑達(dá)到或超過(guò)壁厚的2倍時(shí)所形成的氣腔輪廓清晰,無(wú)明顯缺陷,殘余壁厚均勻。當(dāng)半徑等于壁厚的2倍時(shí),氣道質(zhì)量較好。當(dāng)半徑大于壁厚2倍后,隨著半徑的增加氣體穿透長(zhǎng)度逐漸變短;

(3)對(duì)于矩形氣道,氣道寬度與制品壁厚的比值和氣道高度與氣道寬度的比值在決定氣體穿透過(guò)程中起著非常重要的作用。對(duì)于壁厚一定的平板類制件,在氣道寬度一定的情況下,隨著氣道高度與氣道寬度比值的增加,氣體穿透后形成氣腔質(zhì)量逐漸提高,當(dāng)氣道高度和氣道寬度的比值達(dá)到2.0時(shí),且氣道寬度與制品壁厚的比值達(dá)到2.0時(shí),氣腔質(zhì)量較優(yōu)。

[1] 梁瑞鳳.氣體輔助注射成型技術(shù)——一項(xiàng)向傳統(tǒng)注射成型工藝挑戰(zhàn)的未來(lái)技術(shù)[J].高分子通報(bào),1996(4):226-233.

[2] Chien R D,Chen S C,Lin M C,et al.Effect of Channel Design on the Molding Window of Gas Assisted Injection Molded Polystyrene Parts[J].Journal of Applied Polymer Science,2003,90:2979-2986.

[3] Chien R D,Chen C S,Chen S C,et al.Correlation of Gas Penetration and Permeation to the Structural Performance of Gas Assisted Injection Molded Parts[J].Advances in Polymer Technology,1999,18(4):303-313.

[4] 劉傳銀.化學(xué)實(shí)驗(yàn)誤差分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鄖陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2004,24(6):21-23.

[5] Jack Avery.氣體輔助注塑成型原理[M].楊衛(wèi)民,丁玉梅,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:75.

Study on Optimal Design of G as Channel in G as-assisted Injection Molding

FU Qingxing1,CHEN G Xiaofeng2,LI Yi1,LIAN GJicai1
(1.College of Computer Scienec and Technology,Jilin University,Changchun 130025,China;2.FAW-Volkswagen Automobile Co,Ltd,Changchun 130011,China)

Numerical simulation and laboratory experiments were carried out to analyze two kinds of polystyrene plates with either semi-circle or rectangular gas channel.Based on the main processing parameters such as gas penetration length,gas channel shape,residue thickness,and gas channel defects,the evaluating standard of the quality of gas channel was established.For semi-circle gas channel,the radius was 2 times that of the plate wall thickness,and the quality of gas channel was the best.For rectangular gas channel,when the width of gas channel and the wall thickness kept constant,the quality of gas channel would improve with increase of the height and width of gas channel;when the height of gas channel was 2 times of the width of gas channel,and the width of gas channel was 2 times of the plate wall thickness,the quality of gas channel was the best.

gas-assisted injection molding;gas channel;numerical simulation;optimal design

TQ320.66+2

B

1001-9278(2010)07-0055-05

2010-04-02

聯(lián)系人,mig2k@163.com