以擾流優(yōu)化澆口料流形態(tài)的透明注塑件表面流痕控制

朱成兵， 姚 震， 諶胤銓， 李金國*， 虞偉炳， 張 旭

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具研究所， 浙江 臺(tái)州 318000； 2.浙江賽豪實(shí)業(yè)有限公司, 浙江 黃巖 318020)

汽車車燈導(dǎo)光條是汽車車燈常用的零部件之一，該類產(chǎn)品通常要求較高的視覺均勻性和光學(xué)性能。該類制品中流痕是較為常見的缺陷之一，且通常分布在導(dǎo)光條的進(jìn)澆口附近，它的存在直接影響導(dǎo)光條的表面光潔度和光學(xué)性能，因此在制品的生產(chǎn)過程中要加以避免。海內(nèi)外學(xué)者對(duì)注塑件流痕的問題進(jìn)行了不少研究。申長雨等[1]研究了塑件流痕方向與模具的澆口位置直接相關(guān)的問題；李剛[2]研究了流痕的大小與成型材料的流動(dòng)性、制品形狀、模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)條件等因素有關(guān)的問題；張甲敏等[3]介紹了流痕的形成原因及工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)等對(duì)塑料件產(chǎn)生流痕的影響；蘇瞧忠等[4]介紹了通過改進(jìn)澆口類型和調(diào)整澆口位置以控制塑件流痕；趙斌等[5]研究了流痕的產(chǎn)生與復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率等因素的關(guān)系及規(guī)律。但以擾流優(yōu)化澆口熔料的流動(dòng)形態(tài)控制流痕的問題，中英文文獻(xiàn)調(diào)研較少報(bào)道[6-9]。

課題組以某企業(yè)生產(chǎn)的車燈導(dǎo)光條作為分析對(duì)象。要求導(dǎo)光條表面不得有明顯的流痕縮水等缺陷，根據(jù)上述要求及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，課題組在企業(yè)原塑件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圓柱形、菱形和橢圓形3種不同結(jié)構(gòu)的澆口；并結(jié)合企業(yè)設(shè)計(jì)要求和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行熱流道澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的布局，結(jié)合模流分析Moldflow軟件進(jìn)行模擬，分析研究不同類型澆口對(duì)塑件成型質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

該車燈導(dǎo)光條選用Marplex Australia Ltd生產(chǎn)的PMMA材料，產(chǎn)品尺寸為85 mm×42 mm×8 mm，外形結(jié)構(gòu)呈長條形厚壁類透明注塑件。產(chǎn)品表面要求光潔無明顯流痕。運(yùn)用Moldflow軟件，以雙層面型網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長3 mm，并完成塑件的網(wǎng)格質(zhì)量修改，其中網(wǎng)格匹配率為95%，符合成型分析要求；車燈導(dǎo)光條實(shí)體模型，如圖1所示。根據(jù)其結(jié)構(gòu)并結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)建一模兩穴的熱流道澆注系統(tǒng)，其中流道直徑12 mm，冷卻系統(tǒng)布局如圖2所示。冷卻管道直徑12 mm，對(duì)側(cè)澆口車燈導(dǎo)光條進(jìn)行模擬分析，通過模流分析發(fā)現(xiàn)流道中間料溫和靠近模具鋼料兩側(cè)邊的料溫不一樣，如圖3所示。由于模具鋼料兩側(cè)邊的料溫度比中間料溫低，且澆口圓形過于平順，料溫不均勻，所以產(chǎn)品成型易產(chǎn)生流痕。

圖1 車燈導(dǎo)光條模型Figure 1 Light guide strip model

圖2 熱流道澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)Figure 2 Hot runner gating system and cooling system

圖3 澆口附近的溫度分布Figure 3 Temperature distribution near gate

2 流痕產(chǎn)生的原因和改進(jìn)措施

2.1 流痕產(chǎn)生原因分析

HAMADA等[10]對(duì)PC/ABS制品注塑過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)塑料熔體的溫度較低時(shí)熔體的剪切力會(huì)增加，會(huì)有流痕的產(chǎn)生，提高熔體的溫度可以減少流痕的出現(xiàn)。塑料材料在不同溫度下會(huì)有熱脹冷縮的物理變化，同時(shí)在不同壓力下因受壓縮流體密度(或比容)亦會(huì)改變。體積受溫度壓力影響的關(guān)聯(lián)性，稱之為p-V-T關(guān)系，若以狀態(tài)方程式來描述p,V,T三者之間的關(guān)系，可表示為：

式中f為必須通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的函數(shù)。

1個(gè)變量的變化影響另外2個(gè)變量。給定任何2個(gè)變量，可以確定第3個(gè)變量，但要能較好地描述比容受溫度與壓力的影響，需要p-V-T模型，其中Spencer-Gilmore model模型較為常用(此模型由理想氣體定律加上溫度跟壓力對(duì)比容的修正項(xiàng)所推導(dǎo)而得)，可表示為

此模型由理想氣體定律加上溫度跟壓力對(duì)比容的修正項(xiàng)所推導(dǎo)而得。由上述數(shù)學(xué)模型可知：塑料熔體在不同壓力和剪切力的作用下，溫度隨著比熱容和壓力的增大而升高，因此熔體溫度的提高可避免澆口產(chǎn)生流痕，從而解決了澆口的進(jìn)澆問題。

2.2 改進(jìn)措施

如圖4所示，以圓柱體為例，在澆口設(shè)置擾流柱，通過澆口形狀突變，使料對(duì)沖產(chǎn)生擾流，提高剪切摩擦熱，來降低產(chǎn)品流痕產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品合格率。因此模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮產(chǎn)品進(jìn)澆口的形狀,在產(chǎn)品原澆口上增設(shè)圓柱體、菱形體和橢圓體擾流柱，3種形狀擾流柱的進(jìn)澆口結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 澆口擾流柱Figure 4 Gate spoil flow

圖5 各種形狀澆口Figure 5 Various shapes of gate

3 數(shù)值模擬分析

基于流行理論壁面滑移和Go-over原理，目前可以認(rèn)為與流痕出現(xiàn)相關(guān)的模擬分析結(jié)果是產(chǎn)品表面的凍結(jié)層因子、流動(dòng)前沿溫度和壁面剪切應(yīng)力，因此對(duì)3種不同類型的進(jìn)澆口模型分別進(jìn)行模擬分析，根據(jù)結(jié)果來判斷流痕出現(xiàn)的可能性，以此設(shè)計(jì)合適的進(jìn)澆口類型。

3.1 凍結(jié)層因子模擬分析

凍結(jié)層因子是指熔體成型過程中熔體與型腔表面接觸冷卻凝固，后續(xù)熔體推動(dòng)凝固層重新與模具表面接觸而產(chǎn)生的流痕。凝固層厚度指數(shù)，其數(shù)值在0～1之間，凝固層厚薄與數(shù)值有關(guān)系，因此澆口附近的凍結(jié)成因子數(shù)值大小可以較好地反映流痕產(chǎn)生的可能性。

借助Moldflow軟件模擬分析，凍結(jié)層因子模擬結(jié)果如圖6所示。從模擬的結(jié)果來看，圓柱體擾流柱等3種進(jìn)澆口，其分析結(jié)果數(shù)值均小于1，其中在進(jìn)澆口附近，凍結(jié)層因子都小于0.024 2。3種澆口的凍結(jié)因子大小的比較為：菱形體擾流澆口值<圓柱體擾流澆口<橢圓體擾流澆口。說明3種不同類型澆口產(chǎn)生流痕的可能性相似。

圖6 凍結(jié)層因子模擬結(jié)果Figure 6 Simulation results of freezing layer factors

3.2 流動(dòng)前沿溫度模擬分析

流動(dòng)前沿溫度分布是熔體到達(dá)某各節(jié)點(diǎn)時(shí)其流動(dòng)前沿的溫度分布，其代表的是截面中心的溫度，因此變化不大。合理的溫度分布應(yīng)大致相同，避免溫度過高或過低，以使制品出現(xiàn)流痕或使材料短射、滯流或降解等問題從而影響制品的質(zhì)量。圓柱體擾流柱等3種進(jìn)澆口流動(dòng)前沿處的溫度模擬結(jié)果如圖7所示，3種進(jìn)澆口模型的流動(dòng)前沿溫度介于157～247 ℃，溫度沒有出現(xiàn)太大變化。在進(jìn)澆口附近可以看到，3種澆口模型的溫度大小關(guān)系是：圓柱體澆口模型>橢圓形體澆口模型>菱形澆口模型，3種不同類型澆口產(chǎn)生流痕的可能性相似。

圖7 澆口模型的流動(dòng)前沿溫度模擬結(jié)果Figure 7 Simulation results of flow front temperature of gate model

3.3 壁面剪切應(yīng)力模擬結(jié)果分析

課題組對(duì)進(jìn)澆口附近的3節(jié)點(diǎn)N5887，N8604和N8945進(jìn)行詳細(xì)分析，3節(jié)點(diǎn)在制件的位置如圖8所示。如圖9所示為制品模型的壁面剪切應(yīng)力模擬結(jié)果。從圖9(a)可知，節(jié)點(diǎn)N5887和N8604表面剪切應(yīng)力的走勢(shì)基本一致，數(shù)值大小差別不大；節(jié)點(diǎn)N8945表面剪切應(yīng)力的大小與節(jié)點(diǎn)N5887和N8604相近，但是應(yīng)力的走勢(shì)不同，約在0.65 s時(shí)發(fā)生較大變化。在0.65 s之前，點(diǎn)N8604的表面剪切應(yīng)力大于點(diǎn)N8945，可以認(rèn)為在0.65 s之前，點(diǎn)N8604對(duì)點(diǎn)N8945存在一個(gè)推力；而0.65 s時(shí)，點(diǎn)N8604的表面剪切應(yīng)力小于點(diǎn)N8945，可以認(rèn)為點(diǎn)N8945對(duì)點(diǎn)N8604反而存在一個(gè)拉力。因此可以認(rèn)為這種不穩(wěn)定的壁面剪切應(yīng)力可能使?jié)部谥苓吶菀桩a(chǎn)生波浪狀的皺褶，即容易形成流痕。

從圖9(b)可知，節(jié)點(diǎn)N5887，N8604和N8945的表面剪切應(yīng)力曲線走勢(shì)相近，數(shù)值大小N5887和N8604更接近，而節(jié)點(diǎn)N8945表面剪切應(yīng)力的數(shù)值大小存在變化，在0.85 s時(shí)，點(diǎn)N8945的剪切應(yīng)力大于點(diǎn)N5887，直至1.00 s時(shí)逐漸回落。所以橢圓形擾流柱進(jìn)澆口壁面剪切應(yīng)力還是存在輕微的不穩(wěn)定性，但是相比圓柱體擾流進(jìn)膠口的制品模型有了較大的改善。

從圖9(c)可知，N5887,N8604和N8945這3點(diǎn)的表面剪切應(yīng)力趨向是一致的，即在制品澆口表面不會(huì)產(chǎn)生壁面滑移，理論上分析也就不可能有流痕的產(chǎn)生。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)車燈導(dǎo)光條的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了菱形澆口的的一模兩穴的模具結(jié)構(gòu)，如圖10～11所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試模，生產(chǎn)的導(dǎo)光條制品如圖12所示，經(jīng)廠商檢測(cè)，制件表面無明顯流痕，符合廠家質(zhì)量要求。

圖8 3點(diǎn)在制件的位置Figure 8 Three points in position of parts

圖9 制品模型的壁面剪切應(yīng)力模擬結(jié)果Figure 9 Simulation results of wall shear stress of product model

圖10 汽車車燈模具Figure 10 Car headlights mould

圖11 菱形澆口結(jié)構(gòu)Figure 11 Rhombus gate structure

圖12 導(dǎo)光條制件Figure 12 Light guide strip

5 結(jié)論

1) 課題組通過在澆口附近設(shè)置擾流柱，將澆口熔料由層流形式轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧餍问剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)進(jìn)澆熔料的溫度均勻性，并通過剪切摩擦提升了澆口熔料的溫度，該方法能夠有效減少澆口流痕的產(chǎn)生。

2) 流痕的產(chǎn)生與澆口擾流柱的類型有密切關(guān)系，課題組比較分析3了種不同類型澆口結(jié)構(gòu)的擾流效果，結(jié)果表明菱形擾流結(jié)構(gòu)澆口可以明顯有效降低澆口附近熔體壁面剪切應(yīng)力值，從而減少流痕的產(chǎn)生。

3) 采用菱形擾流結(jié)構(gòu)澆口可明顯減少車燈導(dǎo)光條的表面流痕產(chǎn)生、有效改善制品表觀質(zhì)量，解決了車燈塑料導(dǎo)光條表面成型質(zhì)量差的問題。