冷卻系統(tǒng)對(duì)ABS材質(zhì)汽車后視鏡外殼翹曲變形影響

趙天德

(梧州職業(yè)學(xué)院，廣西梧州 543002)

丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)具有十分優(yōu)異的硬度、強(qiáng)度和韌性，而且其尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)耐受性也十分良好。ABS的應(yīng)用廣泛，在日常生活用品、汽車零部件、工程部件等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1–3]。隨著汽車輕量化發(fā)展越來(lái)越快，ABS在汽車中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，后視鏡外殼、儀表盤、保險(xiǎn)杠等，都可以利用ABS塑料來(lái)制造。ABS塑料是一種熱塑性工程塑料，能夠通過(guò)注塑、擠出等常見的加工方式進(jìn)行加工，用于汽車零部件制備時(shí)常采用注塑加工的手段。根據(jù)ABS的熔融溫度和分解溫度可以確定其加工窗口為220～260℃，具體加工溫度應(yīng)根據(jù)不同牌號(hào)ABS性質(zhì)來(lái)確定。為了防止ABS在料筒內(nèi)降解和燒焦，需要控制其停留時(shí)間低于6 min。除此之外，提高注塑壓力，可以有效提高注塑效率，降低熱熔停留時(shí)間，改善充模性能[4–6]。

對(duì)于汽車零部件來(lái)說(shuō)，一般為薄壁制件，這類注塑件的加工工藝和加工過(guò)程對(duì)其質(zhì)量和性能的影響十分顯著，工藝控制不合適，容易導(dǎo)致出現(xiàn)收縮或翹曲變形等缺陷。例如，在冷卻過(guò)程中，制件不同部位以不同的速率進(jìn)行冷卻，則不同部位的固化和收縮過(guò)程各不相同，熔體內(nèi)應(yīng)力釋放速率不同，進(jìn)而導(dǎo)致最終制件發(fā)生翹曲變形。除了冷卻速率外，注塑過(guò)程中所采用的的注塑溫度、注塑壓力、注射速率、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度等均會(huì)影響制件的最終質(zhì)量，從而造成注塑件出現(xiàn)缺陷。因此，采用合適的注塑工藝是改善注塑件質(zhì)量的有效手段[7–10]。由于通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化過(guò)程較為繁瑣，周期較長(zhǎng)，所以一般會(huì)利用正交試驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法對(duì)注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該過(guò)程實(shí)施周期短，高效快速[11–15]。筆者對(duì)ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的注塑工藝進(jìn)行了仿真模擬，由于注塑原料確定為ABS塑料，因此對(duì)于注塑溫度和壓力等參數(shù)的優(yōu)化空間較小，可根據(jù)注塑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，基本可以篩選出最優(yōu)的溫度和壓力參數(shù)組合。筆者主要對(duì)模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，探究了冷卻系統(tǒng)對(duì)該ABS材質(zhì)汽車后視鏡外殼翹曲變形情況的影響。并且，還利用模擬仿真所得到的注塑工藝對(duì)ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼進(jìn)行了實(shí)際注塑加工，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果。

1 注塑參數(shù)范圍選定

注塑溫度：注塑溫度主要影響ABS熔體的流動(dòng)性能，通常適合ABS注塑加工的溫度區(qū)間為220～260℃。根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定，該ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的注塑溫度為260℃。

注塑壓力：注塑壓力主要影響充模的完整性以及ABS熔體在料筒中的停留時(shí)間。通常適合ABS注塑加工的注塑壓力區(qū)間為10~15 MPa。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定該ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的注塑壓力為11 MPa。

保壓壓力：保壓壓力主要影響ABS熔體的充模完整性。通常適合ABS注塑加工的保壓壓力區(qū)間為2~3 MPa。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定，該ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的保壓壓力為2 MPa。

保壓時(shí)間：保壓時(shí)間主要影響ABS熔體的充模完整性。通常適合ABS注塑加工的保壓時(shí)間為3～10 s。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定該ABS材料的汽車后視鏡外殼的保壓時(shí)間為5 s。

模具溫度：模具溫度主要影響ABS熔體的冷卻速率。通常適合ABS注塑加工的模具溫度區(qū)間為50～70℃。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定，該ABS材料的汽車后視鏡外殼的模具溫度為60℃。

除以上注塑工藝參數(shù)，其它涉及到冷卻過(guò)程的工藝參數(shù)需根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)。

2 冷卻系統(tǒng)的仿真

ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼在加工過(guò)程中的冷卻速率除了受到模具溫度影響外，還會(huì)受到模具的冷卻系統(tǒng)影響。例如，冷卻管路的數(shù)目、直徑、位置、排列、冷卻液溫度等。筆者利用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了10種不同的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)篩選的ABS材料的汽車后視鏡外殼注塑工藝，對(duì)不同冷卻系統(tǒng)下的注塑進(jìn)行了模擬，并得到了10種冷卻系統(tǒng)下制得的ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量，結(jié)果見表1。

表1 不同冷卻系統(tǒng)仿真的結(jié)果

模擬仿真結(jié)果表明，冷卻系統(tǒng)的變化會(huì)導(dǎo)致ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量發(fā)生明顯的變化。當(dāng)冷卻系統(tǒng)確定為：冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，相應(yīng)條件下制備出的ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量最小，僅為1.031 mm。

所用建模軟件為CAD UG 5.0，將ABS材料的汽車后視鏡外殼模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中后，進(jìn)一步結(jié)合ABS的流體力學(xué)特性和彈性力學(xué)特性，對(duì)ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼進(jìn)行CAE分析，利用有限元分析對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)合公式(1)和公式(2)進(jìn)行分析：

式中：η——ABS的黏度；

α——ABS的黏度系數(shù)；

γ——注塑過(guò)程的剪切速率；

β——注塑過(guò)程的剪切系數(shù)；

C——注塑過(guò)程的溫度系數(shù)；

T——注塑過(guò)程的溫度。

式中：γ′——ABS 的黏度；

A1～A6——多項(xiàng)式的6 個(gè)系數(shù)。

2.1 冷卻液溫度仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，冷卻溫度模擬結(jié)果如圖1所示。冷卻管路入口處的溫度較低，為20.02℃，出口處冷卻液溫度上升，為25.20℃，這是由于冷卻液與ABS熔體發(fā)生了熱交換。入口處的冷卻液溫度和出口處冷卻液溫度之差僅為5.18℃，這說(shuō)明了ABS熔體是以較為平穩(wěn)的速率冷卻的，未發(fā)生溫度的驟降，所以冷卻液的溫度上升幅度較小。因此，這種冷卻系統(tǒng)方案下，ABS熔體內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力較容易釋放，不易產(chǎn)生翹曲變形。

圖1 冷卻溫度模擬結(jié)果

2.2 冷卻時(shí)間仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，冷卻時(shí)間模擬結(jié)果如圖2所示。ABS材料的汽車后視鏡外殼各個(gè)部位的冷卻時(shí)間并不相同，其中中心部位最早達(dá)到頂出溫度，時(shí)間為20.34 s；制件邊緣部位較慢達(dá)到頂出溫度，時(shí)間為30.37 s。雖然各個(gè)部位達(dá)到頂出溫度的時(shí)間不同，但相差僅為10.03 s，說(shuō)明在這一冷卻系統(tǒng)下，ABS材料的汽車后視鏡外殼各部位的冷卻速率較為一致，不易產(chǎn)生翹曲變形。另外，根據(jù)各個(gè)部位達(dá)到頂出溫度的時(shí)間的模擬結(jié)果，可以將冷卻時(shí)間確定為30.37 s。

圖2 冷卻時(shí)間模擬結(jié)果

2.3 零件底面溫度仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，零件底面溫度模擬結(jié)果如圖3所示，在冷卻過(guò)程中，ABS材料的汽車后視鏡外殼底面各個(gè)部位的溫度也不相同。其中，中心部位的底面溫度較低54.71℃；邊緣部位的底面溫度稍高，為60.21℃。各部位底面溫度的差距較小，中心部位與邊緣部位的差距僅為5.50℃。這一結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)下冷卻時(shí)，該ABS材料的汽車后視鏡外殼各部位是以較為均一的速率進(jìn)行冷卻的。這一仿真結(jié)果進(jìn)一步表明了，該冷卻系統(tǒng)較為適合ABS材料的汽車后視鏡外殼的冷卻。

圖3 零件底面溫度模擬結(jié)果

2.4 零件翹曲變形量仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20 ℃時(shí)，筆者也對(duì)ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量進(jìn)行了模擬。零件翹曲變形模擬結(jié)果如圖4所示。模擬結(jié)果表明，由于ABS材料的汽車后視鏡外殼各部位的冷卻速率不同，所以導(dǎo)致了不同部位的翹曲變形量也出現(xiàn)了差異。在冷卻速率較快的中心部位，ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量較高，為1.031 mm；在冷卻速率較慢的邊緣部位，ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量較低，為0.101 mm。這一結(jié)果表明，冷卻速率的確對(duì)制件的翹曲變形影響較顯著，若能夠盡量降低各部位冷卻速率的差值，使整個(gè)制件以較為均一的速率冷卻下來(lái)，則能夠保證制件具有較低的翹曲變形量。

圖4 零件翹曲變形模擬結(jié)果

3 實(shí)際注塑過(guò)程研究

為了進(jìn)一步對(duì)模擬仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)ABS材料的汽車后視鏡外殼進(jìn)行了實(shí)際注塑加工。注塑工藝參數(shù)為：料筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度分別為260℃，11 MPa，2 MPa，5.0 s，60℃。冷卻系統(tǒng)為：冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃?？傆?jì)進(jìn)行了10次注塑實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表2中列出。

將實(shí)際注塑結(jié)果與模擬仿真結(jié)果對(duì)比可知，實(shí)際注塑所得ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量與模擬結(jié)果相差較小，最大誤差僅為0.004 mm，最小誤差為0 mm。通過(guò)對(duì)10組注塑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算可得，這十組實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.003 mm。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬仿真所得到的結(jié)果準(zhǔn)確度高，即通過(guò)仿真所篩選出來(lái)的冷卻系統(tǒng)適合ABS材料的汽車后視鏡外殼的加工，仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際注塑加工的指導(dǎo)意義較大。

表2 實(shí)際注塑結(jié)果

4 結(jié)論

對(duì)ABS材料的汽車后視鏡外殼注塑的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，最終確定該冷卻系統(tǒng)為：冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃。在該冷卻系統(tǒng)下，冷卻液進(jìn)出口溫差僅為5.18℃，各部位達(dá)到頂出溫度時(shí)間差僅為10.03 s，制件各部位底面溫差僅為5.50℃，制件冷卻過(guò)程平穩(wěn)、速率均一。基于前期工作經(jīng)驗(yàn)確定注塑工藝參數(shù)為：料筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度分別為260℃，11 MPa，2 MPa，5.0 s，60℃，此時(shí)所制備的ABS材料的汽車后視鏡外殼的總翹曲變形量?jī)H為1.031 mm。通過(guò)實(shí)際注塑驗(yàn)證，該模擬結(jié)果準(zhǔn)確率較高，實(shí)際注塑結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差僅為0~0.004 mm，10組注塑實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.003 mm。