汽車門把手的氣體輔助注塑模具改進(jìn)及工藝優(yōu)化

潘俊宇，匡唐清*，賴德煒，陳碧龍

(1.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2. 圣萬提注塑工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

機(jī)械與模具

汽車門把手的氣體輔助注塑模具改進(jìn)及工藝優(yōu)化

潘俊宇1，匡唐清1*，賴德煒1，陳碧龍2

(1.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2. 圣萬提注塑工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

通過計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)分析了某汽車門把手的氣體輔助注塑模具試模時的氣體穿透偏心、掏空不足及表面缺陷等問題，發(fā)現(xiàn)了問題產(chǎn)生的根源。對模具的注氣位置、澆口位置和溢料口位置做了相應(yīng)的調(diào)整，消除了氣體穿透偏心及表面缺陷問題。并采用CAE技術(shù)對其成型工藝參數(shù)，包括熔體注射量、注氣壓力、注氣延遲時間和模溫、料溫進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了良好的氣體穿透效果。

氣體輔助注射成型；汽車車門把手；模具；工藝參數(shù)；優(yōu)化

0 前言

氣體輔助注射成型(GAIM)是一種利用高壓惰性氣體來輔助充填與保壓補縮的注塑工藝。由于壓力氣體的注入，GAIM工藝不僅可以獲得普通注塑工藝無法保證的高品質(zhì)表面，還具有節(jié)省原材料、縮短成型周期、提高生產(chǎn)效率和延長模具壽命等優(yōu)點，現(xiàn)在汽車、家電和日用品等塑料加工領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用[1]。

GAIM比傳統(tǒng)工藝多了注氣這一階段，其進(jìn)氣口位置、氣體延遲時間、氣體壓力、熔體預(yù)注量等都直接影響到氣體在熔體內(nèi)的穿透效果及最終產(chǎn)品品質(zhì)，GAIM塑件的品質(zhì)控制相對就更加復(fù)雜和困難[2]。GAIM CAE技術(shù)則能高效且可靠地實現(xiàn)GAIM模具及工藝的優(yōu)化，以保證GAIM產(chǎn)品的品質(zhì)。本文針對一套汽車門把手的GAIM模具在試模中出現(xiàn)的問題，借助GAIM CAE技術(shù)來分析問題的產(chǎn)生原因，并提出模具和工藝參數(shù)的優(yōu)化方案。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

1.1 產(chǎn)品信息

圖1為該汽車門把手的三維(3D)模型，中間截面直徑為27 mm，弧長約400 mm。產(chǎn)品材料為Rhodia Engineering Plastics公司生產(chǎn)的聚酰胺66(PA66)。

(a)視角1 (b)視角2圖1 車門把手模型Fig.1 3D model of a car-door handle

1.2 現(xiàn)有模具方案

如圖2所示，現(xiàn)有模具的進(jìn)膠口和溢料口分別在塑件兩端，同側(cè)，進(jìn)氣口位置如圖2箭頭部分所示。

(a)澆注系統(tǒng)和溢流道 (b)注氣位置圖2 現(xiàn)有模具方案Fig.2 The current mold

1.3 存在問題

現(xiàn)有模具試模存在如圖3所示的問題：

(1)氣體充填不足，穿透長度不充分；

(2)進(jìn)氣端氣體掏空不足，存在嚴(yán)重的熔料堆積；

(3)澆口端有少量熔接痕。

(a)表面紋路缺陷 (b)進(jìn)氣端充氣不足圖3 試模發(fā)現(xiàn)的缺陷Fig.3 Flaws of mold testing

2 現(xiàn)有模具方案的模擬分析

為分析這些問題的產(chǎn)生原因，采用GAIM CAE技術(shù)對現(xiàn)有模具方案進(jìn)行模擬分析。

2.1 模型預(yù)處理

將產(chǎn)品3D模型經(jīng)過必要的簡化與修復(fù)后，并按現(xiàn)模具的流道系統(tǒng)及溢料腔方案進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖4所示。材料選用Rhodia Engineering Plastics公司的PA66，其推薦工藝為：模具溫度80 ℃，熔體溫度280 ℃。初始模擬分析采用的工藝參數(shù)如表1所示。

圖4 現(xiàn)模具方案的網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model of the current mold

參數(shù)數(shù)值模具溫度/℃80熔體溫度/℃280注射時間/s15預(yù)注量/%85冷卻時間/s30注氣壓力/MPa10注氣延遲/s0.1注氣時間/s20

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬主要結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。圖5顯示整個熔體充填與注氣及保壓過程共用時約45 s，且溢料腔并未填滿。從圖6可以看到，氣體充填不足，氣體只穿透了塑件2/3左右的區(qū)域。同時在進(jìn)氣端，氣體掏空不足，氣體型芯只占據(jù)了塑件內(nèi)側(cè)區(qū)域，而外側(cè)壁厚很大。這些與試模結(jié)果基本吻合。圖7則顯示了熔接痕主要出現(xiàn)在塑件進(jìn)氣端外表面。熔接痕不僅可能影響該部位強(qiáng)度，還可能形成明顯的紋路缺陷。

圖5 充填時間模擬結(jié)果Fig.5 Simulation result of the filling time

圖6 現(xiàn)模具氣體型芯模擬結(jié)果Fig.6 Simulation result of the gas core of the current mold

圖7 現(xiàn)模具熔接線模擬結(jié)果Fig.7 Simulation result of weld lines of the current mold

以上模擬結(jié)果與試模結(jié)果基本吻合，驗證了CAE模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。因而可以借助CAE技術(shù)來實現(xiàn)模具設(shè)計及工藝參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化。

模擬結(jié)果可直觀展現(xiàn)成型過程，通過查看熔體和氣體充填過程模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)現(xiàn)模具的進(jìn)氣口位置靠近內(nèi)側(cè)，而氣體穿透時又是趨近彎曲內(nèi)側(cè)，因此導(dǎo)致注氣口外側(cè)掏空不足，熔料堆積較嚴(yán)重，壁厚過厚；

(2)現(xiàn)模具的澆口和溢料口不在塑件縱對稱面處，造成型腔中壓力分布不對稱，進(jìn)而導(dǎo)致氣體偏離塑件中心穿透，存在偏心(模具溫度不均勻也能造成氣體穿透過程中偏心，水路對稱布置可消除此因素)；

(3)澆口位置不當(dāng)造成熔接痕出現(xiàn)在塑件外部可見表面，形成表面缺陷；

(4)工藝參數(shù)設(shè)定不當(dāng)也導(dǎo)致氣體穿透結(jié)果不理想。

上述原因?qū)е铝嗽嚹r出現(xiàn)的問題。因此，針對這些原因，本文從模具設(shè)計(注氣口、澆口和溢料口位置)及工藝參數(shù)2個方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 方案改進(jìn)優(yōu)化

3.1 模具設(shè)計的改進(jìn)

再次審視該車門把手，其對稱面剖視圖如圖8所示。塑件左右兩端內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不同的：左端存在“尖頂”，而右端則是“平頂”?，F(xiàn)模具中注氣口在右端“平頂”處。這樣設(shè)計的問題是：當(dāng)高壓氣體從右往左穿透時，左端“尖頂”部分對氣體穿透有“分流”作用，使高壓氣體進(jìn)入分岔靠內(nèi)側(cè)的薄壁區(qū)，這會影響塑件品質(zhì)，如圖9(a)所示。因此考慮將注氣口調(diào)整到左端“尖頂”處，如圖9(b)所示，氣體分流得到很好改善。相應(yīng)地進(jìn)膠口也調(diào)整到的左端，溢料口調(diào)整到右端。

圖8 塑件剖視圖Fig.8 Section view

結(jié)合對現(xiàn)模具方案的分析，將注氣口設(shè)置在左端近外側(cè)，進(jìn)膠口和溢料口設(shè)置在對稱面上以確保熔體在型腔中流動時壓力平衡。由于進(jìn)膠口調(diào)整后流道有一定程度增長，所以將澆口和流道截面尺寸都適當(dāng)增大以保證熔體能順利進(jìn)入型腔。調(diào)整后的模具方案如圖10所示。

(a)“分叉” (b) “分叉”不明顯圖9 氣體“分叉”Fig.9 Gas-bifurcating

(a)澆注系統(tǒng)和溢流道 (b)注氣位置圖10 調(diào)整后的模具方案Fig.10 The adjusted mould

基于初始工藝參數(shù)設(shè)置對調(diào)整后的模具方案進(jìn)行模擬分析。氣體穿透及熔接痕的模擬結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

圖11 改進(jìn)后的氣體時間Fig.11 The gas time after adjustment

圖12 改進(jìn)后的熔接線Fig.12 Weld lines after adjustment

圖11表明進(jìn)氣端氣體掏空不足的現(xiàn)象已不存在，但整體氣體充填不充分，只穿透了塑件2/3左右的區(qū)域。圖12則顯示了由于澆口的優(yōu)化，熔接線主要集中在不易察覺的塑件內(nèi)表面，從而可以消除表面熔接痕引起的表面紋路缺陷。

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

模具方案調(diào)整后按初始工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析的結(jié)果表明氣體僅穿透了2/3左右的區(qū)域，氣輔效果嚴(yán)重不足。為實現(xiàn)較理想的氣體穿透，還需對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在GAIM工藝中，影響氣體穿透的幾個重要因素有：熔體預(yù)注量、延遲時間、充氣壓力和熔體溫度[3]。

原始方案模擬結(jié)果顯示，首要問題是氣體充填不足。為此首先應(yīng)減小預(yù)注射量。根據(jù)模具方案調(diào)整后的氣體穿透狀況，將預(yù)注射量調(diào)整為68 %。同時為提高實際生產(chǎn)效率，在保證成型品質(zhì)的前提下將熔體注射實際由15 s縮短到5 s，其他工藝參數(shù)不變。氣體穿透結(jié)果如圖13所示，穿透效果得到明顯改善。

圖13 預(yù)注量為68 %時的氣體時間Fig.13 The gas time with 68 % pre-injection

圖14 進(jìn)氣壓力減小到6 MPa時的氣體時間Fig.14 The gas time while the gas pressure is 6 MPa

雖然減小預(yù)注量后充氣效果得到明顯改善，但澆口遠(yuǎn)端仍充氣不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。預(yù)注量確定后氣體體積是一定的，穿透截面越小則穿透長度越長。為降低氣體穿透截面，可降低注氣壓力。為此，將注氣壓力從10 MPa降至6 MPa，其他工藝參數(shù)不變，結(jié)果如圖14所示，可見氣體穿透到了型腔遠(yuǎn)端，實現(xiàn)了有效地穿透與保壓。

在減小熔體預(yù)注量和進(jìn)氣壓力后氣體已經(jīng)能比較完整充型了，但在進(jìn)氣端氣體由于壓力過大穿透進(jìn)入外側(cè)的薄壁區(qū)域，出現(xiàn)“薄壁穿透”現(xiàn)象，這會影響到這部分區(qū)域塑件的強(qiáng)度。為避免出現(xiàn)“薄壁穿透”，可降低氣體壓力或增加延遲時間，讓薄壁區(qū)得到充分冷卻從而增大薄壁穿透阻力。在此將進(jìn)氣壓力減小到4 MPa，延遲時間增加至8 s。結(jié)果如圖15所示，進(jìn)氣端已經(jīng)能達(dá)到較好的充填效果結(jié)果，但澆口遠(yuǎn)端卻出現(xiàn)氣體進(jìn)入薄壁區(qū)的現(xiàn)象。這是因為注氣之前澆口遠(yuǎn)端沒有熔體，因此增加注氣延遲時間不能影響澆口遠(yuǎn)端的壁厚。這是氣體穿透過頭的表現(xiàn)，可以適當(dāng)增加熔體預(yù)注量和氣體壓力以減小穿透長度。為此將熔體預(yù)注量從68 %調(diào)整為69 %，氣體壓力調(diào)整到7 MPa，結(jié)果如圖16所示，薄壁區(qū)進(jìn)氣現(xiàn)象得到明顯改善。

圖15 延遲時間為8 s、進(jìn)氣壓力為4 MPa時的氣體時間Fig.15 The gas time while the gas pressure is 4 MPa and the delay time is 8s

圖16 預(yù)注量為69 %、進(jìn)氣壓力為7 MPa時的氣體時間Fig.16 The gas time while the gas pressure is 7 MPa and the pre-injection is 69 %

圖17 模具溫度為60 ℃、熔體溫度為295 ℃時的氣體時間Fig.17 The gas time while the melt temperature is 295 ℃ and the mold temperature is 60 ℃

熔體溫度和模具溫度本質(zhì)都是影響熔體黏度。熔體溫度、模具溫度越低熔體黏度越高，流動性越差，在其他工藝參數(shù)相同的情況下氣體能推動更小截面積熔體前進(jìn)，因而穿透長度越長，殘余壁厚越小。同時熔體冷卻越快，氣體越不容易進(jìn)入薄壁區(qū)域。因此要進(jìn)一步改善圖17中氣體進(jìn)入薄壁區(qū)域的情況可以適當(dāng)降低模具溫度，提高熔體溫度。本文中設(shè)定模具溫度為60 ℃，熔體溫度為295 ℃，結(jié)果如圖17所示，可以看到情況有一定程度改善。

對調(diào)整后的車門把手氣體輔助注塑模具方案，通過CAE技術(shù)優(yōu)化得到的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后的工藝參數(shù)

4 結(jié)論

(1)針對某汽車門把手氣體輔助注塑模具試模出現(xiàn)的問題，通過CAE技術(shù)模擬了整個氣體輔助注塑過程，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實際試模結(jié)果基本相符，并且通過分析找到了問題根源所在，并結(jié)合相關(guān)理論知識通過改進(jìn)模具設(shè)計和優(yōu)化工藝參數(shù)使問題得以解決；

(2)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點調(diào)整了注氣口位置、澆口位置和溢料口位置解決了表面品質(zhì)問題和氣體穿透偏心的問題；應(yīng)用CAE技術(shù)結(jié)合相關(guān)理論知識對預(yù)熔體注射量、注氣壓力、注氣延遲時間等工藝參數(shù)進(jìn)行針對性優(yōu)化，獲得了良好的氣體穿透效果。

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批次間品質(zhì)高度穩(wěn)定的醫(yī)療級ABS樹脂能為醫(yī)療設(shè)備外殼材料帶來決定性優(yōu)勢

2017年3月21日，全球塑料、膠乳黏合劑和合成橡膠材料生產(chǎn)商盛禧奧(NYSE：TSE)，為醫(yī)療設(shè)備行業(yè)帶來了批次間質(zhì)量高度一致的優(yōu)質(zhì)醫(yī)療級丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)樹脂。一致的品質(zhì)成就穩(wěn)定而出色的加工性能，并且擁有完整的法規(guī)支援及生物相容性。

醫(yī)療行業(yè)對產(chǎn)品的要求比較嚴(yán)格，需要符合的各項法規(guī)也較多，但是終端產(chǎn)品的質(zhì)量包括顏色和外觀等，卻很容易受到樹脂材料的純凈度及材料批次間質(zhì)量參差的影響。盛禧奧醫(yī)療級ABS樹脂(產(chǎn)品牌號：MAGNUMTM 8391 MED)與傳統(tǒng)的乳液法ABS不同，它經(jīng)由本體聚合技術(shù)生產(chǎn)，這技術(shù)使ABS在顏色、流變及物理性能方面高度一致，而且殘留揮發(fā)物較少更潔凈，因此能達(dá)致批次間質(zhì)量極為一致。

批次間質(zhì)量的一致性，使盛禧奧MAGNUMTM 8391 MED所擁有的其他醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品的關(guān)鍵性能也相對穩(wěn)定，包括低揮發(fā)物含量、生物相容性、可進(jìn)行醫(yī)療消毒等。在加工性能方面尤為出色，包括噴涂、電鍍、溶劑黏合和超聲波焊接等。

由于醫(yī)療行業(yè)需要滿足許多法規(guī)要求，盛禧奧在內(nèi)部設(shè)有完善的產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)管流程，確保行業(yè)的嚴(yán)格法規(guī)得以遵守。盛禧奧的醫(yī)療生產(chǎn)設(shè)施及全球其他相關(guān)部門,更在今年通過ISO 13485最新的2016認(rèn)證，對風(fēng)險管理及工藝驗證更嚴(yán)謹(jǐn)。

盛禧奧公司關(guān)鍵消費品應(yīng)用業(yè)務(wù)總監(jiān)Philippe Belot表示：“盛禧奧深耕醫(yī)療儀器市場近30年，致力為醫(yī)療耗材及醫(yī)療儀器外殼提供優(yōu)質(zhì)材料。作為專注于樹脂品質(zhì)和產(chǎn)品管理的制造商，我們很高興能夠發(fā)揮專長，以優(yōu)異的產(chǎn)品品質(zhì)、一致性和全球化供應(yīng)更好地支持醫(yī)療設(shè)備市場。”

關(guān)于盛禧奧

盛禧奧是全球領(lǐng)先的材料解決方案供應(yīng)商，生產(chǎn)塑料、膠粘劑和橡膠。我們致力提供創(chuàng)新和可持續(xù)的解決方案，協(xié)助客戶制造出與我們息息相關(guān)的產(chǎn)品。盛禧奧產(chǎn)品跨越眾多終端巿場，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括汽車、消費電子、家電、醫(yī)療、照明、電器、地毯、紙和紙板、建材和輪胎等。2015年，盛禧奧的收入約為40億美元，在世界各地?fù)碛?5個制造基地，員工超過2200名。如需更多資訊，請瀏覽www.trinseo.com。

Improvement of Gas-assisted Injection Molds and Process Optimization for Car Door Handles

PAN Junyu1, KUANG Tangqing1*, LAI Dewei1, CHEN Bilong2

(1.School of Mechatronics &Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China; 2.Synventive Molding Solutions (Suzhou) Co, Ltd，Suzhou 215000, China)

Eccentric penetration, inadequate empty, and surface defects were found in a car door handle produced by a gas-assisted injection mold during the tooling test. CAE technology was adopted to discover the causes of these problems. The adjustment of gate location, gas injection location and overflow port location were adjusted, which could effectively eliminate the eccentric gas penetration and surface defect. CAE technology was also used to optimize the processing parameters including the shot size of the melt, gas pressure, gas-injection delay time, mold temperature and melt temperature. As a result, a good gas penetration was achieved. This study confirmed that the CAE technology was a necessary means that can ensure a reasonable design for the gas-assisted injection mold as well as optimizes the processing parameters.

gas-assisted injection molding; car door handle; mould; technological parameter; improvement

2016-10-11

江西省教育廳科技項目資助(201501)

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)04-0091-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.017

*聯(lián)系人，tkuang@ecjtu.edu.cn