汽車二次成型塑料配件模流分析

王昌儒，陳再良

（蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，蘇州 215021）

0 引言

現(xiàn)如今，對于注塑件新產(chǎn)品的開發(fā)，為了盡可能縮減開發(fā)周期，減少模具設(shè)計失誤率和修模成本，制取合格率高的產(chǎn)品，在注塑模具設(shè)計之前一般借助CAE軟件進行模流分析。通過前期的模流分析，可以模擬整個注塑工藝過程，得到原料填充時間、最大注塑壓力、翹曲變形量等參數(shù)值，為模具設(shè)計中優(yōu)化澆口位置和尺寸、避免產(chǎn)品出現(xiàn)嚴重缺陷和經(jīng)驗主義造成的損失提供了重要依據(jù)[1～6]。對于需要二次注塑成型的較復(fù)雜產(chǎn)品，比如基體材料為硬膠，覆蓋材料為軟膠的產(chǎn)品，本身注塑工藝難度大，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。二次注塑成型過程中，每次注塑都要嚴格控制溫度，若出現(xiàn)澆口位置和尺寸選擇不當、模腔排氣不暢等問題，產(chǎn)品很容易產(chǎn)生飛邊、熔接線等缺陷，甚至發(fā)生燒傷而報廢。因此，在注塑件新產(chǎn)品開發(fā)前期進行模流分析，對于設(shè)計人員而言具有重要參考價值[7]。

1 產(chǎn)品材料分析

研究對象三維圖如圖1所示，需要進行二次注塑成型。產(chǎn)品基體部分材料為硬膠，外邊緣包覆一圈軟膠材料。基體部分體積188cm3，所占空間大小為455×99×136mm，投影面積494cm2，外邊緣包覆的軟膠部分體積86cm3，投影面積469cm2。產(chǎn)品物性表如表1所示。硬膠與軟膠材料粘溫曲線如圖2、圖3所示。

圖1 產(chǎn)品三維圖

圖2 硬膠材料粘溫曲線

圖3 軟膠材料粘溫曲線

經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)第一次注塑與第二次注塑時模具表面溫度與熔體溫度有較大差異，為了防止出現(xiàn)熔接線和飛邊等缺陷，需要嚴格控制模具表面溫度與熱流道溫度，精準把握開始第二次注塑的時間。

表1 材料物性表

2 產(chǎn)品模流分析

2.1 產(chǎn)品總體壁厚分析

產(chǎn)品總體壁厚分布如圖4所示，從分析結(jié)果來看，硬膠部分壁厚分布均勻，不存在壁厚突變區(qū)，基本壁厚為1.8mm。軟膠部分基本壁厚為1.5～1.8mm，外邊緣加厚約0.3mm，產(chǎn)品整體較薄。

圖4 產(chǎn)品總體壁厚分布圖

2.2 熱流道系統(tǒng)設(shè)計

產(chǎn)品需要二次注塑成型，第一次注塑與第二次注塑需要控制的注塑溫度是不同的，分別設(shè)計一套熱流道系統(tǒng)。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與尺寸大小，第一次注塑采用2點開放式熱流道系統(tǒng)，第二次注塑采用4點開放式熱流道系統(tǒng)。采用扇形澆口，可使熔體初始流動平緩。澆口位置如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品澆口位置圖

2.3 料流填充時間分析

料流填充時間模擬分析如圖6所示，第一次注塑熔體溫度為210℃，模具表面溫度為40℃，料流填充時間為2.1s，V/P切換點填充體積百分比為98%，保壓壓力為40MPa；第二次注塑熔體溫度為230℃，模具表面溫度為40℃，料流填充時間為1.6s，V/P切換點填充體積百分比為98%，保壓壓力為57MPa。

圖6 料流填充時間分析圖

2.4 V/P切換時壓力分析

由圖7所示，第一次注塑V/P切換時的最大壓力為51MPa，第二次注塑V/P切換時的最大壓力為72MPa。產(chǎn)品壓降較為均勻，壓力梯度適宜，沒有出現(xiàn)壓力過大現(xiàn)象。

圖7 V/P切換時壓力分布圖

2.5 流動波前溫度分析

從圖8中第一次注塑與第二次注塑流動波前的溫度分布可以看出，第一次注塑時，流動波前溫度分布較為均勻，溫差較小。第二次注塑時，A區(qū)域局部溫度最高，為231.4℃，此處會因型腔內(nèi)積聚的氣體的壓縮作用，實際注塑時可能會產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。為了改善B區(qū)域和C區(qū)域溫度分布，提高料流的流動性，改善注塑效果，需要對澆口的位置和角度作出修正。

圖8 流動波前溫度分布圖

2.6 氣穴與熔接線分布位置

圖9顯示氣穴可能出現(xiàn)的位置，空心圓圈標記的位置即為氣穴位置。圖10顯示熔接線可能出現(xiàn)的位置以及該處的溫度，圖中粗線條示意熔接線位置。第一次注塑時，熔接線處的溫度最高為210℃，其他兩處分別為199.6℃和209℃。第二次注塑時，熔接線處的溫度分別為213.1℃和216.1℃。溫度低處為熔接線最易產(chǎn)生的區(qū)域。氣穴與熔接線應(yīng)盡量消除，避免影響產(chǎn)品外觀、強度等要求。在設(shè)計模具時，一般在靠近氣穴與熔接線可能出現(xiàn)的地方增設(shè)排氣孔或者排氣鑲件，還需要考慮模流分析結(jié)果與實際注塑時的差異。

圖9 氣穴可能的分布位置示意圖

圖10 熔接線可能的分布位置及溫度示意圖

2.7 產(chǎn)品基材變形分析

圖11 產(chǎn)品基材沿坐標軸方向變形示意圖

如圖11所示，(a)、(b)、(c)分別為產(chǎn)品基材部分在X軸、Y軸和Z軸方向上的變形放大2倍后的示意圖。圖中透明部分為變形前的產(chǎn)品，實體部分為變形后的產(chǎn)品。產(chǎn)品在X軸方向和Y軸方向的變形主要是收縮變形，圖中箭頭指向表示收縮的方向。在X軸方向變形量范圍為-1.69～+1.79mm，在Y軸方向變形量范圍為-1.18～+0.65mm。產(chǎn)品在Z軸方向上的翹曲變形量范圍為-0.54～+0.71mm。根據(jù)產(chǎn)品圖紙設(shè)計要求，X軸方向變形量較大，不符合設(shè)計精度要求，需要進行優(yōu)化。

3 優(yōu)化分析

根據(jù)前面的模流分析結(jié)果，需要從修正澆口位置、盡量消除氣穴影響與熔接線、控制變形量等方面進行優(yōu)化分析，改進方案如下：

1）如圖8所示，為了避免實際注塑時A區(qū)域因局部溫度高而發(fā)生燒傷，改善B區(qū)域和C區(qū)域溫度分布以提高料流的流動性，B處澆口位置應(yīng)上移至最近的產(chǎn)品拐角處，C處澆口應(yīng)更改為直澆口，同時在A區(qū)域設(shè)置排氣裝置。

2）一般的注塑過程中，會在料流前端和填充末端出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。氣穴現(xiàn)象會影響產(chǎn)品的外觀，氣體無法排出，嚴重時會發(fā)生短射與燒焦現(xiàn)象。設(shè)計模具時，應(yīng)在相應(yīng)位置設(shè)置排氣裝置，實際注塑時要控制注塑速度。熔接線是因注塑時多股料流相匯合時，流動波前溫度低而形成。為了盡量消除產(chǎn)品熔接線，除了可以在設(shè)計模具時增設(shè)排氣孔或者排氣鑲件外，還有4種常見的保證料流匯聚時溫度適宜的方法：適當提高模具表面溫度；適量提高熔體注入溫度，即提高注塑機炮筒的設(shè)置溫度值；提高料流在模腔內(nèi)的流動速度，即提高注塑機擠入螺桿的進給速度；適當提高注塑壓力值。產(chǎn)品在試模時，可以根據(jù)注塑的實際情況靈活選用解決方法。

3）本文研究對象結(jié)構(gòu)與尺寸精度已確定，無法更改?？梢酝ㄟ^優(yōu)化模具冷卻水路系統(tǒng)來減小產(chǎn)品變形量。從模流分析結(jié)果來看，X軸方向變形量超出設(shè)計精度要求，在模具相應(yīng)位置應(yīng)該增加水路數(shù)目，保證第一次注塑與第二次注塑時，熔體可以被均勻冷卻，減小產(chǎn)品變形量。也可采用分段保壓工藝，控制模腔壓力梯度和產(chǎn)品體積收縮，減少內(nèi)應(yīng)力，達到控制產(chǎn)品變形量目的。

4 結(jié)論

通過對汽車塑料配件進行模流分析，得到產(chǎn)品的二次注塑料流填充時間分別為2.1s和1.6s，填充的

【】【】最大壓力分別為51MPa和72MPa，產(chǎn)品在X軸、Y軸和Z軸方向上的變形量范圍分別為-1.69～+1.79mm、 -1.18～+0.65mm和-0.54～+0.71mm。并且得到二次注塑流動波前的溫度分布情況與氣穴和熔接線可能出現(xiàn)的位置。結(jié)合分析結(jié)果，對澆口位置與角度進行優(yōu)化，確定了最佳進料方式。設(shè)計模具時，可以參考模擬得到的氣穴和熔接線位置圖和變形量圖，設(shè)計相應(yīng)的排氣裝置和分布均勻、足夠數(shù)目的水路。在試模時，根據(jù)實際情況調(diào)整工藝參數(shù)值，力求產(chǎn)品的完美。模流分析提高了注塑產(chǎn)品開發(fā)效率，有助于技術(shù)人員控制注塑工藝過程，降低報廢率，是注塑行業(yè)有效的輔助制造工具。

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