帶金屬嵌件的汽車接插件注塑成型工藝分析

黃 勇，蔡丹云，丁明明

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

汽車接插件是以銅片為嵌件的注塑件，區(qū)別于將銅片組裝于塑件上的傳統(tǒng)方法，該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，銅片緊密結(jié)合在塑件里而不易松動(dòng)脫落，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，大大提高汽車電器的穩(wěn)定性和可靠性，因而廣泛應(yīng)用現(xiàn)代汽車電子線路中.

某型號(hào)汽車接插件產(chǎn)品外觀(見(jiàn)圖1)，接插件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且含三根銅片嵌件.金屬嵌件在注射模注射成型過(guò)程中，首先[1]要解決的是嵌件的定位問(wèn)題，因受到高壓熔體流的沖擊，嵌件可能發(fā)生位移或變形，同時(shí)塑料還可能擠入嵌件在上面預(yù)留，影響嵌件使用，因此嵌件必須可靠定位；其次還要考慮金屬嵌件的安放和塑件的取出是否方便.作為車用接插件產(chǎn)品，為保證汽車電器性能可靠，需要有效保證插入的金屬端子在一定的拔脫力下不易從塑件中拔出，氣穴和熔接線不應(yīng)該出現(xiàn)在嵌件附近的部位[2].金屬嵌件材料為銅，由于塑件-銅的收縮率不同，制件成型后變形很大，容易造成開發(fā)失敗.鑒于汽車接插件在生產(chǎn)中存在的難度，為了得到最好的注塑工藝參數(shù)，以某型號(hào)汽車接插件為對(duì)象，利用MOLDFLOW軟件中的分析模塊——MPI對(duì)其成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析.

圖1 汽車接插件產(chǎn)品三維圖

1 產(chǎn)品工藝性分析

接插件塑件部分體積為5.332 8 cm3，塑件材料為Ultradur B 4300 G6(PBT+GF30)，強(qiáng)度高、耐疲勞性、尺寸穩(wěn)定、蠕變也小，絕緣性能優(yōu)良，由于結(jié)晶速度快，流動(dòng)性好，模具溫度也比其他工程塑料要求低，該材料的物理參數(shù)如下：熱傳導(dǎo)率：0.22 W/m·c(260面禮℃時(shí))；頂出溫度180 ℃；推薦熔體溫度260℃(250 ℃～275 ℃)；絕對(duì)最大熔體溫度280 ℃；最大剪切應(yīng)力0.4 MPa；推薦模具溫度80℃(60 ℃～100 ℃)；許可剪切速率50 000 1/s.

2 產(chǎn)品注塑成型模擬與工藝方案優(yōu)化

2.1 充填充滿

由于接插件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，計(jì)算機(jī)運(yùn)行較慢，為了節(jié)省模流分析時(shí)間，可以采用一模一腔進(jìn)行分析.首先選用材料推薦的工藝參數(shù)進(jìn)行分析(如方案a1)，并使充填控制設(shè)為自動(dòng)，模擬結(jié)果顯示未充填滿，充填時(shí)間為1.055 s，充填速度5.314 cm3/s.為增大熔體的流動(dòng)性，將熔體溫度提高為280 ℃，模具溫度提高為100 ℃，充填時(shí)間增大為2 s(如方案a2)，模擬結(jié)果顯示仍然未充填滿，雖然充填時(shí)間加長(zhǎng)，但充填速度卻因此而下降為充填速度2.642 cm3/s，發(fā)現(xiàn)未充填滿的原因可能為充填速度太慢.最后提高充填速度為10 cm3/s(如方案a3)，此時(shí)模擬結(jié)果顯示已充填滿，充填時(shí)間為0.55 s.

2.2 注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

在采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)過(guò)程中,設(shè)計(jì)變量的取值范圍相當(dāng)重要,這不僅關(guān)系到所選范圍是否包含最優(yōu)解或次優(yōu)解,也影響到優(yōu)化過(guò)程的搜索效率[3].參考MPI材料庫(kù)中推薦的成型工藝參數(shù)，該材料的工藝范圍設(shè)置為:模具溫度為60 ℃～100 ℃,熔體溫度為250 ℃～275 ℃，充填速度為8～12 cm3/s，速度壓力轉(zhuǎn)換點(diǎn)(由充填體積的)為99.8%～100%，保壓壓力為充填壓力的65%～95%，保壓時(shí)間為10 s.

表1 充填工藝參數(shù)模擬分析

圖2 充填模擬結(jié)果

2.2 注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

在采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)過(guò)程中,設(shè)計(jì)變量的取值范圍相當(dāng)重要,這不僅關(guān)系到所選范圍是否包含最優(yōu)解或次優(yōu)解,也影響到優(yōu)化過(guò)程的搜索效率[3].參考MPI材料庫(kù)中推薦的成型工藝參數(shù)，該材料的工藝范圍設(shè)置為:模具溫度為60 ℃～100 ℃,熔體溫度為250 ℃～275 ℃，充填速度為8～12 cm3/s，速度壓力轉(zhuǎn)換點(diǎn)(由充填體積的)為99.8%～100%，保壓壓力為充填壓力的65%～95%，保壓時(shí)間為10 s.

為更詳細(xì)考察工藝參數(shù)對(duì)制件質(zhì)量的影響，特從以下六個(gè)方面分別進(jìn)行探討，利用Moldflow/MPI DOE進(jìn)行分析[4]：

(1)對(duì)注射壓力的影響：根據(jù)分析日志評(píng)估速度/壓力切換時(shí)的注射壓力.目標(biāo)是將壓力將至最小.注射壓力越小，質(zhì)量越好.

(2)對(duì)縮痕深度的影響：在保壓階段評(píng)估縮痕估算結(jié)果.縮痕深度越淺，零件質(zhì)量越好.

(3)對(duì)最大流動(dòng)前沿溫度的影響：在填充階段評(píng)估流動(dòng)前沿溫度結(jié)果.目標(biāo)是將溫度變化降至最小.溫度變化越小，零件質(zhì)量越好(僅評(píng)估零件，不包括流道).

(1)對(duì)冷卻時(shí)間的影響：評(píng)估達(dá)到頂出溫度的時(shí)間，時(shí)間變化越小，質(zhì)量越好(僅評(píng)估零件，不包括流道).

(2)對(duì)頂出時(shí)的體積收縮率的影響：在上一時(shí)間評(píng)估體積收縮率結(jié)果.目標(biāo)是將體積收縮率變化降至最小，收縮率變化越小，質(zhì)量越好.

(3)對(duì)零件質(zhì)量(重量)的影響：根據(jù)分析日志評(píng)估總質(zhì)量.目標(biāo)是將零件質(zhì)量降至最小.質(zhì)量(重量)越小，質(zhì)量(品質(zhì))越好.

各工藝因素對(duì)制件質(zhì)量的影響(見(jiàn)表2),從中可以看出,工藝參數(shù)對(duì)制品質(zhì)量的影響程度如下:熔體溫度>速度/壓力切換點(diǎn)>模具溫度>保壓控制>充填速度.對(duì)于汽車接插件而言，降低體積收縮率，減小最大流動(dòng)前沿溫度的變化率，可大大減少零件的變形，使接插件能順利與其它接頭裝配.減小縮痕深度，可大大提高零件的強(qiáng)度，使嵌件不易從塑件中脫落.而熔體溫度和速度/壓力切換點(diǎn)對(duì)這幾個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的影響最為顯著,在注塑條件允許的前提下,提高熔體溫度,提高速度/壓力切換時(shí)的充填體積百分比,可以大大提高制件質(zhì)量.

表2 工藝參數(shù)變量對(duì)制件質(zhì)量的影響

2.3 制件翹曲合格

根據(jù)第二階段模擬分析的成果，選取最優(yōu)的工藝參數(shù)進(jìn)行翹曲分析[5]，以判斷零件翹曲量是否在允許的范圍內(nèi)：模具溫度為100 ℃,熔體溫度為275 ℃.充填速度為10 cm3/s，速度壓力轉(zhuǎn)換(由充填體積的)為100%，保壓壓力為充填壓力的80%，保壓時(shí)間為10 s.模擬分析的結(jié)果如下:汽車接插件總的最大翹曲量為0.274 5 mm，X方向的最大翹曲量為0.22 mm，Y方向的最大翹曲量為0.19 mm,Z方向的最大翹曲量為0.22 mm,嵌件總的最大翹曲量為0.119 mm，X方向的最大翹曲量為0.047 mm,Y方向的最大翹曲量為0.024 mmZ方向的最大翹曲量為0.087 mm.經(jīng)與客戶溝通，該翹曲量滿足產(chǎn)品要求.

圖4 汽車接插件翹曲分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)工藝參數(shù)對(duì)帶金屬嵌件汽車接插件質(zhì)量的影響程度如下:熔體溫度>速度/壓力切換點(diǎn)>模具溫度>保壓控制>充填速度.

(2)注塑成型質(zhì)量最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為：模具溫度為100 ℃,熔體溫度為275 ℃.充填速度為10 cm3/s，速度壓力轉(zhuǎn)換點(diǎn)為充填體積的100%，保壓壓力為充填壓力的80%，保壓時(shí)間為10 s.

(3)以最優(yōu)工藝參數(shù)組合模擬分析制件的變形在允許的范圍內(nèi).

參考文獻(xiàn)：

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[2] 桑玉紅，王明榮．機(jī)電一體化在塑料模注射生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．模具制造，2011(9)：54-57.

[3] 李 峰，申屠寶卿．模流分析在含嵌件制品優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．塑料工業(yè)，2007(9)：35-37.

[4] 董 嬌，王雷剛．U盤上蓋的翹曲變形分析與工藝參數(shù)優(yōu)化[J]．模具技術(shù)，2010(2)：8-11.

[5] 賀燦輝，劉 斌，鄒仕放．帶金屬嵌件的手機(jī)外殼注塑成型翹曲變形分析[J]．工程塑料應(yīng)用，2011(11)：29-32.