車窗內(nèi)飾件熱流道注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

黃 可，殷春云，劉 江，高建國

(1.常州機電職業(yè)技術學院機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.常州機電職業(yè)技術學院模具技術學院，江蘇 常州 213164)

0 前言

熱流道模具又稱為無流道模具，比傳統(tǒng)模具更節(jié)約原料，其利用加熱裝置，在熱電偶的監(jiān)測下，使流道內(nèi)熔體一直保持在恒定溫度，可以實現(xiàn)低壓注射[1-2]。當今世界在各工業(yè)發(fā)達國家或地區(qū)該技術得到了廣泛的應用[3]。利用計算機輔助工程(CAE)技術對注射成型工藝進行模擬及預測，而達到提高制品質(zhì)量及注射成型制造技術的目的，具有十分重要的工程意義[4]。

文獻[5]基于Moldflow軟件對多嵌式汽車接插件包塑成型過程進行了數(shù)值模擬及結(jié)果評估；文獻[6]以儀表臺出風口2個不同產(chǎn)品同模注塑為例，應用Moldflow對冷流道注塑方案進行了分析；文獻[7]基于Moldflow平臺，針對“固定套”注塑模具進行最佳注塑仿真分析；文獻[8]通過Moldflow軟件對家電產(chǎn)品零件豎梁基座進行了氣體輔助注射成型(GAIM)過程模擬仿真。上述通過Moldflow軟件對塑件注射成型的研究，對本文有一定的啟發(fā)，但仍不能解決車窗內(nèi)飾件熱流道注塑過程中的關鍵問題。本文以某型號汽車車窗內(nèi)飾件為研究對象，利用NX12.0三維造型軟件及Moldflow2018模流分析軟件，分析了車窗內(nèi)飾件的三維設計及注塑過程；研究了相關熱流道工藝參數(shù)對車窗內(nèi)飾件注射成型的影響規(guī)律，并通過試驗，驗證了模流分析數(shù)據(jù)的準確性及極差分析法和合理性。

1 問題提出

車窗內(nèi)飾件模型如圖1所示，塑件呈細長型分布，整體結(jié)構不對稱，零件存在倒扣現(xiàn)象，C部分最為嚴重，給抽芯帶來很大困難。塑件選用丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)材質(zhì)，線性膨脹系數(shù)為(6.0～9.3)×10-5/℃，成型收縮率為0.4 %～0.7 %，在NX12.0軟件中指定模型類別為PLASTIC， 材質(zhì)為ABS，測得塑件質(zhì)量為229 g(取ABS密度為1.07 g/cm3)；體積為217 624 mm3；平均厚度為1.5 mm；整體外形尺寸為500 mm×1 026 mm。

圖1 車窗內(nèi)飾件模型結(jié)構圖Fig.1 Model structure of window interior trim

該塑件屬于大型薄壁類塑件，若采用普通冷流道可能導致流道過長，流道凝料比增高，壓力在傳遞過程中損失嚴重，熔融料流在還沒有到達末端已經(jīng)凝結(jié)，致使塑件注射成型后表面形成縮孔、凹陷、熔接痕；只能提高注射壓力，縮短充填時間，以期利用高速料流與噴嘴的摩擦，提高料流溫度及料流的流動性，這樣可能導致樹脂在這一時間段已經(jīng)分解或燒焦。

該類大型薄壁類塑件不適宜冷流道注射成型，熱流道注塑模有降低制品成本；節(jié)約原料；澆注系統(tǒng)塑料保持熔融；注射原料中不再摻入流道或澆口凝料等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)大型制品、多型腔制品、多澆口制品、薄壁類制品的低壓注射。

2 CAE模型分析及熱流道位置預設

注塑過程中塑件都會產(chǎn)生不同程度的內(nèi)應力。熔融料流的溫度大于初始模具溫度，靠近模具的料流先降溫甚至凝結(jié)，料流中部溫度仍較高以保持料流的流動性，冷卻階段各部分冷卻狀況有先后及快慢之分，脫模后塑件都會發(fā)生不同程度的翹曲，該類問題屬于非線性問題，工程應用中較為棘手。

CAE技術能夠預測塑件最終成型的形狀、尺寸，保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。翹曲變形分析的目的是預測在預設的工藝參數(shù)下，脫模后塑件的力學性能、應力分布、幾何尺寸及外觀成型質(zhì)量，從而改進模具設計方案、成型工藝參數(shù)及塑件空間結(jié)構。眾多模流分析軟件中，Moldflow有限元分析軟件應用最廣，模擬結(jié)果也最精確。本研究即基于此軟件進行模流分析，其工作原理為利用假想的面(或線)，將連續(xù)介質(zhì)的邊界或內(nèi)部，分割成有限數(shù)目的、有限大小的離散單元來研究。

在NX12.0三維造型軟件中，對車窗內(nèi)飾件模型進行設計，修復破面及刪除自相交壁等操作后，設置熱流道位置，如圖2所示。將模型導出為igs格式后，導入至Autodesk Moldflow Synergy 2018(以下簡稱Moldflow 2018)軟件中。

圖2 車窗內(nèi)飾件模型結(jié)構圖Fig.2 Model drawing of window interior trim

在Moldflow 2018有限元分析軟件中，將網(wǎng)格類型設置為雙層面，如圖3所示；設置熱流道，截面形狀為圓形，直徑為10 mm。在實際熱流道板中加裝熱傳感器，使熔體溫度一直保持在設定值，與有限元軟件中的預設值保持一致；設置冷卻回路，水管與零件間距離為15 mm，管道數(shù)量為14，水管直徑為12 mm，管道中心之間距離為20 mm，水管超出零件之外距離為50 mm，管道與管道之間選擇軟管連接，水管相對于零件的排列方式為較長的Y向，具體見模具實物模型圖4。

圖3 車窗內(nèi)飾件雙層面網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of car window interior trim on two levels

圖4 模具實物模型圖Fig.4 Mold mock-up drawing

3 軟件預設及成型參數(shù)正交試驗分析

3.1 Moldflow 2018軟件預設

本次模擬重點要分析塑件的翹曲變形，所以在網(wǎng)格劃分時，盡量劃分細密。常規(guī)選項中，曲面上的全局邊長設置為2 mm；打開匹配網(wǎng)格；打開計算雙層面網(wǎng)格的厚度；設置在澆口附近應用額外細化，細化值為相對邊長的10 %。NURBS選項中，將曲面網(wǎng)格生成器定義為波前法；啟用弦高控制，弦高設置為0.1 mm；打開通過曲面曲率控制優(yōu)化縱橫比；打開通過臨近控制優(yōu)化縱橫比；打開平滑網(wǎng)絡(僅NURBS曲線)；設置合并公差為0.05 mm。網(wǎng)格統(tǒng)計得三角形實體276 363個；已連接的節(jié)點數(shù)140 139個；聯(lián)通區(qū)域24個；表面積(不包括模具鑲塊和冷卻管道)2 780.62 cm2；按單元類型統(tǒng)計的三角形體積為656.843 cm3；不可見三角形0個；縱橫比最小1.16，平均1.61，最大為6.67；邊細節(jié)特征中，自由邊為0個，共用邊為412 591個，多重邊為0個，當不包括不可見三角形時，自由邊為0個；取向細節(jié)中，配向不正確的單元為0個；交叉點細節(jié)中，相交單元為0個，完全重疊單元為0個；匹配百分比為90.9 %；相互百分比為89.0 %。

將分析序列設置為填充+保壓+翹曲，材料選擇列中，制造商為Monsanto Kasei，牌號為30 % Rubber，材料類型為Amorphous，材料縮寫為ABS；注射位置中，設置為圖2所示位置；工藝設置中，打開考慮模具熱膨脹，打開分離翹曲原因，打開考慮角效應；矩陣求解器中，指定SSORCG為求解器。

優(yōu)化參數(shù)方案中選擇模具表面溫度、熔體溫度、注射時間、冷卻時間為研究對象。選擇填充末端總體溫度、鎖模力、注射壓力、壁剪切應力、縮痕深度、流動前沿溫度、達到頂出溫度的時間、頂出時的體積收縮率、保壓結(jié)束時間、零件總重量，為自由優(yōu)化。零件翹曲變形分析只選擇Z方向變形作為分析對象，忽略X、Y方向變形。

3.2 成型參數(shù)正交試驗分析

Moldflow 2018軟件中，注塑ABS(30 % 橡膠)材料時，模具表面溫度推薦值為25～80 ℃，熔體溫度推薦值為200～280 ℃，頂出溫度推薦值為75～95 ℃，冷卻時間則沒有推薦值，預設時間為20 s。各因素交織，對車窗內(nèi)飾件翹曲變形的影響相當復雜。正交試驗則能很好的解決這類具有多因素多水平的問題，具有效率極高、齊整可比、均勻分散等特點[9]。

選取模具表面溫度、熔體溫度、頂出溫度、冷卻時間為研究對象(對塑件質(zhì)量影響最大)[9-10]，分別定義為因素H、I、J、K。Moldflow2018軟件提供了4個方面的翹曲分析結(jié)果，包括取向因素引起的變形、收縮因素引起的變形、冷卻不均引起的變形、所有因素變形，每一方面又能夠分析X、Y、Z各個分方向上的變形量及總變形量，通常X、Y方向上的變形被視為收縮，Z方向上的變形則被視為翹曲，本文將Z方向上的變形與塑件總厚的比稱為翹曲率。正交試驗的4因素4水平分配情況如表1所示，正交試驗方案及翹曲率如表2所示。

表1 正交試驗因素水平表

Tab.1 Horizontal table of orthogonal test factors

表2 正交試驗方案和結(jié)果

Tab.2 Orthogonal test scheme and results

表2中各數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖5所示，翹曲率處于1.89 %～3.45 %之間，在第4組工藝參數(shù)的作用下車窗內(nèi)飾件的翹曲率最高為3.45 %；在第5組工藝參數(shù)的作用下車窗內(nèi)飾件的翹曲率最低為1.89 %。每組試驗數(shù)據(jù)對翹曲率的影響分別為多少，還需要極差法分類分析。

圖5 各組別翹曲率對比Fig.5 Comparison of warping rate of each group

表3中極差B代表各工藝參數(shù)對翹曲率的影響程度，B值越大，表示翹曲率的變化越大。其中，Ai1，Ai2，Ai3，Ai4(i=H，I，J，K)分別為不同工藝參數(shù)不同水平下翹曲率的總和；ai1，ai2，ai3，ai4(i=H，I，J，K)分別為不同工藝參數(shù)不同水平下翹曲率的平均值；B為最小平均值與最大平均值之差額即極差。

表3 翹曲率的極差分析

%

Tab.3 Range analysis of warping rate %

對翹曲率的極差分析，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為K3H3J2I3即H3I3J2K3，將該組參數(shù)與正交表中16種數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，該組工藝參數(shù)，在正交設計時沒有設計，這也凸顯了極差分析法的優(yōu)點。對該組工藝參數(shù)重新利用Moldflow 2018進行有限元分析，得出在該組工藝參數(shù)下，車窗內(nèi)飾件的翹曲率為1.45 %。對該組參數(shù)，即模具表面溫度60 ℃；熔體溫度260 ℃；頂出溫度82 ℃；冷卻時間30 s進行試驗驗證。

4 試驗驗證

對K3H3J2I3組參數(shù)進行試驗驗證，試驗現(xiàn)場圖片如圖6所示。塑料注射成型機選用海天注塑機MA33000/u，其參數(shù)為：機器質(zhì)量250 t；電熱功率187.9 kW；油泵馬達55 kW×4；油箱容積4 700 L；最大油泵壓力16 MPa；頂出行程500 mm；最小模厚900 mm；最大模厚1 900 mm；拉桿內(nèi)間距2 160 mm×1 900 mm；移模行程2 150 mm；注射質(zhì)量39 612 g；長徑比21；螺桿直徑215 mm；理論注射量43 530 g；鎖模力3 300 t。

凹模、型芯等主要成型零部件結(jié)構設置為：車窗內(nèi)飾件細節(jié)特征較多，整體結(jié)構復雜，為了節(jié)約模具鋼及加工工藝優(yōu)化，型芯采用多塊鑲拼式結(jié)構，固定方式采用套板加定位銷固定；車窗內(nèi)飾件表面不允許有拼接痕跡，所以凹模采有整體式加工。該塑件存在嚴重的倒扣且空間位置狹小，難以實現(xiàn)自動抽芯，所以采用手動脫模的方式。試驗結(jié)果如圖7所示，圖中的鋼尺起到了圖例的作用同時充當檢具，鋼尺與塑件間的間隙均勻，說明塑件在Z方向上的變形不大，可以看出外觀特征1～2、細節(jié)特征1～2，質(zhì)量均良好。車窗內(nèi)飾件的理論翹曲率為1.45 %，試驗后幾乎沒有發(fā)生翹曲，也佐證了Moldflow 2018有限元分析數(shù)據(jù)的準確性。

(a)動模 (b)車窗內(nèi)飾件在動模內(nèi) (c)定模圖6 在K3H3J2I3組參數(shù)下試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.6 Test site diagram under K3H3J2I3 group parameters

(a)外觀特征1 (b)外觀特征2 (c)細節(jié)特征1 (d)細節(jié)特征2圖7 K3H3J2I3組參數(shù)下成型后細節(jié)特征Fig.7 Detail Characteristics of K3H3J2I3 group parameters after molding

5 結(jié)論

(1)通過對車窗內(nèi)飾件三維模型進行分析，得出該類零件只能采用熱流道注射成型。在NX12.0三維造型軟件中，預設了熱流道澆口位置；

(2)選取模具表面溫度、熔體溫度、頂出溫度、冷卻時間為研究對象，利用正交試驗法結(jié)合極差分析法，得出模具表面溫度60 ℃、熔體溫度260 ℃、頂出溫度82 ℃、冷卻時間30 s時，車窗內(nèi)飾件的翹曲率最小，為1.45 %；

(3)對K3H3J2I3組參數(shù)進行試驗驗證，車窗內(nèi)飾件，存在嚴重的倒扣且空間位置狹小，難以實現(xiàn)自動抽芯，故采用手動脫模的方式；試驗結(jié)果表明，車窗內(nèi)飾件外觀質(zhì)量良好，觀察不到翹曲現(xiàn)象，佐證了Moldflow 2018有限元分析數(shù)據(jù)的準確性；極差分析法的合理性。