汽車前門(mén)窗框熱流道澆口位置變更設(shè)計(jì)研究

翟豪瑞，王 磊，孟 輝，熊 新，孫從貴，鄭竹安

(1．鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇鹽城224051;2． 江蘇雨燕模具模業(yè)科技股份有限公司，江蘇鹽城 224045 )

汽車前門(mén)窗框是安裝在汽車前門(mén)窗戶上的一種窗框，是一種擁有美觀性與實(shí)用性的外飾件。汽車前門(mén)窗框除了可以美觀汽車外，還同時(shí)具備良好的減震和消噪的能力[1]。本文實(shí)例產(chǎn)品為江蘇雨燕公司為豪華車打造的一款汽車前門(mén)窗框的注塑件，如圖1所示，其形狀為“U”字型，材料為PA6+GF15，是一種聚酰胺加15%玻纖的產(chǎn)品。采用一模兩穴的方式進(jìn)行生產(chǎn)，其單一模穴體積為302 cm3，產(chǎn)品的肉厚分布均勻，平均肉厚1.5 mm。

圖1 產(chǎn)品模型Fig 1 Product model

注塑模具的澆口是分流道和模腔之間的狹窄部分，它將分流道輸送過(guò)來(lái)的塑膠進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，使塑膠更快更好地進(jìn)入模腔內(nèi)。澆口的位置和尺寸對(duì)于塑件的質(zhì)量有著很大的影響，澆口位置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致充填過(guò)程中流動(dòng)不平衡，容易造成翹曲位移量大[2]；另外，澆口的位置在開(kāi)模之后很難改變，而澆口的尺寸可以根據(jù)開(kāi)模以后的要素而變化，所以開(kāi)模前應(yīng)對(duì)澆口位置做好分析。

基于有限元模流分析技術(shù)，可以在產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題之前進(jìn)行預(yù)判。臺(tái)灣科盛公司開(kāi)發(fā)的Moldex3D模流分析軟件是一款非常好用的分析工具，其開(kāi)發(fā)的BLM實(shí)體網(wǎng)格、熱流道模塊等為模流分析的準(zhǔn)確性提供了可靠保證，模擬結(jié)果適用于典型注塑成型的4個(gè)階段：填充、保壓、冷卻和翹曲[3-4]。本文以Moldex3D模流分析軟件為工具，對(duì)汽車前門(mén)窗框翹曲位移大的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

1 原始方案設(shè)計(jì)分析

1.1 原始澆口位置設(shè)計(jì)

本注塑件采用一模兩穴的方案設(shè)計(jì)，其網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大，分析時(shí)間較長(zhǎng)，因兩穴為對(duì)稱模穴，為了節(jié)省分析時(shí)間首先對(duì)單一模穴進(jìn)行分析。該產(chǎn)品外觀要求嚴(yán)格，其棱線要求清晰，且不可有澆口痕跡；翹曲位移不能過(guò)大，成型周期控制在20 s以內(nèi)，故采用熱流道技術(shù)，在澆口位置采用如圖2所示的方式進(jìn)膠。

圖2a采用“熱流道+冷流道”的方式進(jìn)膠。圖2a中箭頭代表的是熱流道，在熱流道與塑件之間采用的是冷流道，這樣的設(shè)計(jì)避免了單一使用熱流道進(jìn)膠導(dǎo)致塑件上有虎皮紋，冷流道進(jìn)膠導(dǎo)致產(chǎn)品周期過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題[5]。圖2b采用側(cè)進(jìn)膠的方式，澆口尺寸大小為10 mm×5 mm。

a 流道

b 澆口圖2 進(jìn)膠方式Fig 2 Glue feeding mode

本次工藝參數(shù)設(shè)定如表1所示，其中充填階段的充填時(shí)間為4 s，壓力上限為200 MPa；保壓階段的保壓時(shí)間為6 s，分為3段，分別是4 s/124 MPa，1 s/93 MPa，1 s/46 MPa；冷卻階段的冷卻時(shí)間為10 s；溫度設(shè)定中的噴嘴溫度為265 ℃，冷卻水路溫度為75 ℃。參數(shù)設(shè)定后用Moldex3D進(jìn)行模擬[6]，得結(jié)果如圖3。

表1參數(shù)設(shè)置
Table1Parameter settings

參數(shù) 參數(shù)值充填階段充填時(shí)間/s最大壓力/MPa4 200 保壓聯(lián)合體保壓時(shí)間/s保壓段數(shù)6 3 冷卻階段冷卻時(shí)間/s10 溫度設(shè)定塑膠溫度/℃冷卻液溫度/℃265 75

圖3 充填結(jié)果Fig 3 Filling Results

由圖3充填結(jié)果可知：(1)充填2.12 s，填充了50%的時(shí)候沒(méi)有異樣(圖3a)；(2)充填3.18 s，填充至75%的時(shí)候，通過(guò)不同澆口進(jìn)入模腔中的塑膠達(dá)到流動(dòng)末端位置(圖3b中箭頭所指位置)；(3)充填3.61 s，填充至85%的時(shí)候，右上角流動(dòng)末端未填充的地方較其他流動(dòng)末端處大(圖3c)，說(shuō)明塑件右上方流動(dòng)末端填充的時(shí)間較其他處晚；(4)充填4.03 s，充填95%的時(shí)候，整個(gè)塑件的充填末端(圖3d中箭頭所指的位置)明顯較其他位置充填時(shí)間長(zhǎng)，也就是說(shuō)該位置是最晚充填完畢的，也是最晚進(jìn)入保壓階段的。

圖4為塑件充填結(jié)束時(shí)的壓力分布。由圖4的色桿可以看出：較早充填完成的區(qū)域壓力上升較快；充填完畢時(shí)，整體壓力分布不均勻，其中充填末端(箭頭處)的壓力最小。

圖4 充填結(jié)束時(shí)壓力分布 Fig 4 Pressure distribution at the end of filling

由上可知，塑膠較早充填完成的區(qū)域壓力上升較快，充填末端填充的時(shí)間較晚，壓力最小，從而形成整體壓力的不均勻分布，導(dǎo)致翹曲位移的產(chǎn)生。

圖5為塑件總翹曲位移量圖，圖6為各因素翹曲量圖。由圖5可以看出：(1)脫模產(chǎn)品最大的翹曲位移量高達(dá)18.54 mm；(2)塑件向著箭頭所指方向進(jìn)行翹曲變形，位移量大(右側(cè)為放大5倍之后的效果圖)。由圖6可以看出：(1)總翹曲位移量為18.54 mm(圖6a)；(2)總區(qū)域收縮效應(yīng)造成的位移量為14.14 mm(圖6b)；(3)纖維配向效應(yīng)造成的位移量為9.39 mm(圖6c)；(4)溫度差異效應(yīng)造成的位移量為0.31 mm(圖6d)。由各因素翹曲量可知，塑件翹曲主要來(lái)自充填過(guò)程中流動(dòng)不平衡造成的不均勻收縮和材料中包含15%玻纖引起的纖維配向效應(yīng)，而溫度差異帶來(lái)的翹曲量可忽略不計(jì)。

圖5 總翹曲位移Fig 5 Total warping displacement

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)分析

2.1 澆口位置變更設(shè)計(jì)

由圖6可知，塑件翹曲主要來(lái)自充填過(guò)程中流動(dòng)不平衡造成的不均勻收縮和材料中包含15%玻纖引起的纖維配向效應(yīng)，因此，改善流動(dòng)平衡，可減少塑件的壓力不平衡，有效減少區(qū)域收縮帶來(lái)的變形；而纖維對(duì)翹曲的影響較為復(fù)雜，通常只有改變流動(dòng)趨勢(shì)才有可能改變纖維的排布情況，以此改善翹曲[7]。經(jīng)過(guò)前面模流分析結(jié)果判定原始澆口位置設(shè)計(jì)造成了流動(dòng)不平衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致塑件翹曲位移量大的問(wèn)題，難以滿足產(chǎn)品質(zhì)量和影響塑件外觀質(zhì)量的要求，進(jìn)而對(duì)澆口位置進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。為改善流動(dòng)不平衡帶來(lái)的壓力分布不均，成型壓力和鎖模力過(guò)高，以及后續(xù)的收縮不均帶來(lái)的區(qū)域收縮效應(yīng)翹曲，將圖7中箭頭處的4個(gè)澆口位置朝向流動(dòng)末端即箭頭所指方向移動(dòng)，嘗試調(diào)整流動(dòng)。

2.2 結(jié)果分析對(duì)比

對(duì)澆口位置變更前后的塑件按照表1的充填參數(shù)運(yùn)用Moldex3D進(jìn)行模擬，在充填75%與95%的時(shí)候得到結(jié)果如圖8(左圖為澆口原始設(shè)計(jì)；右圖為澆口變更設(shè)計(jì)，以下分別簡(jiǎn)稱為左圖與右圖)。

由圖8中的色桿可以明顯看出：充填至75%時(shí)，左圖中右上方的流動(dòng)末端大多還未充滿，而右圖中右上方已幾乎是充滿的狀態(tài)(圖8a)；在充填95%時(shí)，左圖中右上方仍未充滿模腔，流動(dòng)末端時(shí)刻相差較大，流動(dòng)不平衡現(xiàn)象明顯，而右圖中模腔已幾乎填充完成，其色桿分布較為均勻，流動(dòng)末端時(shí)刻相差不大(圖8b)。

圖6 各因素翹曲量Fig 6 Warping of various factors

圖7 澆口位置變更設(shè)計(jì)Fig 7 Gate position change design

圖9為澆口位置變更前后塑件的進(jìn)膠口壓力曲線對(duì)比(具體已在圖中箭頭標(biāo)注)。由圖9可知：(1)原始設(shè)計(jì)方案的最大進(jìn)膠口壓力高達(dá)224 MPa(單一模穴)，而變更設(shè)計(jì)方案的最大進(jìn)膠口壓力只有171 MPa(單一模穴)，成型壓力降低了53 MPa；(2)相比原始設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變更優(yōu)化了流動(dòng)平衡，在同樣的充填速度下，需要的充填壓力更小。

圖10為澆口位置變更前后塑件的鎖模力曲線對(duì)比。由圖10可以看出：原始設(shè)計(jì)方案的最大鎖模力高達(dá)2 003 t(單一模穴)，而變更設(shè)計(jì)方案的最大鎖模力只有1 474 t(單一模穴)，降低了529 t。顯然，更小的成型壓力，可以得到更小的鎖模力。

圖8 結(jié)果分析對(duì)比Fig 8 Result analysis

圖9 進(jìn)膠口壓力曲線圖 Fig 9 Pressure curve of the inlet

圖10 鎖模力曲線圖Fig 10 Clamping force curve

圖11為澆口位置變更前后塑件的翹曲位移對(duì)比。將圖11的結(jié)果進(jìn)行5倍數(shù)量的放大，可以明顯看出：變更設(shè)計(jì)后翹曲位移比原始方案要小；在最終的最大變形量上，從原始方案的18.54 mm優(yōu)化至變更后的14.05 mm，優(yōu)化比例為24.22%。

3 實(shí)物驗(yàn)證

基于以上CAE模流分析結(jié)果，將澆口位置變更以后的方案交給雨燕公司進(jìn)行實(shí)際試模對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)試模以及成型產(chǎn)品如圖12。從圖12的成型產(chǎn)品圖可以看出：右圖相比于左圖，其翹曲位移量小。該結(jié)果與Moldex3D分析結(jié)果接近，顯然翹曲位移得到了較為明顯的改善。

4 總結(jié)

本文基于CAE技術(shù)，采用Moldex3D模流分析軟件模流分析了塑件澆口位置變化對(duì)翹曲位移的影響，得出如下結(jié)論：

圖11 翹曲位移對(duì)比Fig 11 Warping displacement comparison

圖12 現(xiàn)場(chǎng)試摸及成型產(chǎn)品Fig 12 Field trial and molding products

(1)最大成型壓力從224 MPa降至171 MPa(單一模穴)；在同等的充填速度下，充填壓力更小，優(yōu)化了23.66%。

(2)最大鎖模力從2 003 t降至1 474 t(單一模穴)；成型壓力的降低使得鎖模力的要求變低，優(yōu)化了26.41%。

(3)澆口位置調(diào)整前后的塑件，最大翹曲位移量從調(diào)整前的18.54 mm降至調(diào)整后的14.05 mm，優(yōu)化了24.22%。

顯然，變更設(shè)計(jì)后的塑件比原始設(shè)計(jì)減少了翹曲位移量，提高了產(chǎn)品的成型質(zhì)量[7]。