后防擦條大流長比注塑參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

張華龍，張二紅，蘇海洋，鄒華杰，黃可

(1.廊坊職業(yè)技術學院，河北廊坊 065000；2.常州機電職業(yè)技術學院，江蘇常州 213164)

注塑模具種類繁多，結構各異。沈忠良等[1]對某SUV 儀表臺塑件，設計了一種多澆口兩板熱流道注塑模具；文獻[2–5]對注塑參數(shù)進行了研究；劉成娟等[6]對制品翹曲量進行了研究。以上對制品注塑成型的研究，沒有解決大流長比制品的注塑成型問題。

筆者以某型號客車的后防擦條外板為研究對象，通過制品模型分析，確定澆口數(shù)量，針對大流長比這一成型關鍵點，構建正交試驗，得出最優(yōu)工藝參數(shù)，最后通過試驗驗證，驗證技術路線的正確性。

1 后防擦條外板的模具設計

1.1 后防擦條外板模型

圖1 為某品牌客車的后防擦條外板模型。該塑件外形尺寸為720 mm×240 mm×60 mm，平均壁厚為3 mm。為了減少風阻，該塑料件的設計采用流線型。在NX1851 軟件中，通過工具–材料–指派材料[7]，選擇模型類別名稱為聚丙烯(PP)材料，測得制品表面積為337 144.35 mm2；質(zhì)量為623.9 g(密度為1.015 g／cm3)；體積為530 787.25 mm3。

圖1 后防擦條外板模型

1.2 澆口數(shù)量及流長比

要求注塑后不能對制品進行表面噴涂等處理，去除澆口后直接交付使用。澆口數(shù)量增多，充填壓力較低，熔體溫度可以較低[8]，但多個澆口會導致熔接痕的產(chǎn)生，在相同工藝條件下，熔接痕區(qū)域的強度只有原始材料的10%～82%[9]，嚴重影響制品的正常使用及制品外觀。通過分析后防擦條外板模型，制品整體呈流線型分布，單澆口效果最好，能夠保證制品表面保留一定的流動紋理(啞光效果)[10]。

該制品長度方向尺寸為720 mm，平均壁厚為3 mm，流長比(流動路徑與壁厚的比值)達到了240，超出了一般材料的允許值[11]。

1.3 材料確定

該制品為大批量生產(chǎn)，材料經(jīng)濟性為首要考察指標，選用中廣核俊爾新材料有限公司生產(chǎn)的牌號為P1M6I–B02的復合材料。該材料母材PP 質(zhì)量分數(shù)為50%，低黏度PP 質(zhì)量分數(shù)為5%，礦物填充質(zhì)量分數(shù)為30%，潤滑劑質(zhì)量分數(shù)為10%，彈性體質(zhì)量分數(shù)為5%，具有低收縮，低線性膨脹系數(shù)，尺寸穩(wěn)定性好等特點[12]。該材料的拉伸強度為17.4 MPa，彎曲強度為23.5 MPa，彎曲彈性模量為1535 MPa，懸臂梁缺口沖擊強度為45 kJ／m2，–30℃懸臂梁缺口沖擊強度為7.1 kJ／m2，熔體流動速率為23.2 g／10 min，皮紋面光澤度(60°)1.6[13]。

1.4 模具結構

模具動模結構如圖2 所示。

圖2 動模結構圖

考慮水路加工工藝，不開設斜向水路，水路與水路之間呈平行或垂直狀態(tài)，為了水路靠近制品，開設向下的單向水路管，在單向水路管中增加隔水板，使水流呈湍流狀態(tài)，加速熱量交換。動模上加設耐磨板，增加模具使用壽命。本模具為“一模兩腔”結構，由單根主流道將熔體導入模腔，在定模仁上開設分流道，使熔體分流。不設置頂針板，在推板上直接安裝頂針；設置推板導向柱，確保推板運行平穩(wěn)。在模腳上安裝行程開關，推板上對應設置擋塊，能夠檢測推板所處的位置，判斷推板是否推出到位，或復位到位。

2 單澆口方案論證

為了追求極致的表面紋理，選擇單澆口方案，充填過程需要精確地把控，擬采用模溫機將模具內(nèi)表面溫度控制在某一值，提高熔體的流動性，延緩熔體前鋒的冷凝速率。

在CAD Doctor 2020 軟件中，對制品三維造型進行修整，逐一修正干涉邊、碎面、自由邊、環(huán)路中的間隙、相交環(huán)路、自相交曲面等制品缺陷(多種軟件間相互裝換，必然導致缺陷)。將修正后的模型以UDM 格式(該格式能夠準確傳遞)輸入至Moldflow 2020 模流分析軟件中[14]。

為了使分析結果更準確，選擇“3D”網(wǎng)格類型，將曲面上的全局邊長設置為19.98 mm；選用“匹配網(wǎng)絡”；選用“在澆口附近應用額外細化”，設置“相對邊長”為20.0%，得“3D 網(wǎng)格單元”239 614 個。運行網(wǎng)格統(tǒng)計，四面體數(shù)量為239 614 個；已連接的節(jié)點數(shù)量是43 996 個；型腔體積是1 055.02 cm3；最大縱橫比為18.36；平均9.24；最小1.24。

設置分析序列為“填充+保壓+翹曲”；在物料庫中，選擇與牌號P1M6I–B02 性能一致的材料，制造商為北美貝塞爾聚烯烴公司，牌號為Hostacom 65F5–2；設置單個澆口，澆口形狀為方形澆口，尺寸為2.5 mm×7.5 mm；為了驗證單澆口方案可行，將模具表面溫度設置為較低的60℃，熔體溫度設置為225℃，其它參數(shù)不作調(diào)整，選擇默認。

采用以上工藝參數(shù)進行澆注，充填完成所需時間如圖3 所示。

圖3 充填完成所需時間

在以上工藝參數(shù)下，熔體充滿時間為7.85 s。圖4 為熔體路徑線，圖5 為熔體溫度變化狀況。

圖4 熔體路徑線

圖5 熔體溫度變化圖

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及翹曲量監(jiān)測

單澆口能夠保證制品表面紋理一致，但該制品翹曲量也是重要檢驗指標，翹曲量超差，則安裝后客車表面會有明顯的凸起或凹陷。在43 996 個節(jié)點中選取最具代表性的N28258 點與N27632 點為監(jiān)測點(見圖6)。

圖6 監(jiān)測點具體位置圖

此類大流長比制品，充填過程中，對熔體影響最大的因素為模具表面溫度，模具初始溫度能夠直接影響熔體流動前鋒的狀態(tài)，模具初始溫度高，熔體冷凝速率慢，成型效果好，但成型周期變長，不利于大量生產(chǎn)。在單澆口尺寸固定的情況下，注塑壓力能夠影響成型周期，但過大的充填壓力，會致使熔體在通過澆口時，產(chǎn)生噴射現(xiàn)象，導致熔體燒焦，在制品表面留下顆粒狀的斑點。對于保壓壓力，通常在型腔充滿至90%～95%時，將注塑壓力切換至60%～90%，繼續(xù)保持一段時間。對于此類投影面積大的制品，保壓壓力過高，則所需鎖模力較大，對曲柄式注塑機的使用壽命會有很大影響。該制品流長比為240，保壓壓力過低，熔體前鋒在冷卻過程中，熔體得不到補縮，導致制品翹曲嚴重。保壓時間對成型周期影響最大，保壓過程也是制品冷卻的過程，制品已經(jīng)凝結，過長的保壓時間使保壓還在繼續(xù)，產(chǎn)生無效工時；保壓時間過短，因冷卻收縮的部分得不到補充，影響制品翹曲[15]。

綜上分析，選取對后防擦條外板翹曲量影響最大的因素，模具表面溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時間為研究對象。模具表面溫度(A)取90～150℃；注塑壓力(B)取80～120 MPa；保壓壓力(C)為注塑壓力的60%～90%；保壓時間(D)取8～15 s。在Moldflow 2020 模流分析軟件中，對4 種主要參數(shù)進行正交試驗，分別模擬出N28258 點與N27632點處，所有效應下的翹曲量。正交試驗的4 因素4水平分配情況見表1，各水平的取值遵循均衡分布的原則；表2 為正交試驗方案。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗方案

不同工藝參數(shù)組合下，N28258 和N27632 點處的翹曲量，具體分布如圖7 所示。N28258 點處翹曲量為0.569～1.856 mm，最小值出現(xiàn)在第4 組工藝參數(shù)下，最大值出現(xiàn)在第7 組工藝參數(shù)下；N27632點處翹曲量為0.689～1.892 mm，最小值出現(xiàn)在第6 組工藝參數(shù)下，最大值出現(xiàn)在第1 組工藝參數(shù)下，無法分辨出哪組參數(shù)影響下制品翹曲量最小。

圖7 正交試驗翹曲量統(tǒng)計圖

將兩點處的翹曲量相加得到第4 組工藝參數(shù)下兩點處的翹曲量和最小。具體為，模具表面溫度90℃，注塑壓力106 MPa，保壓壓力為注塑壓力的80%，保壓時間12 s。由結果可知，模具表面溫度相對較低，選擇純水模溫機即可；注塑壓力適中，熔體經(jīng)澆口不會發(fā)生噴射現(xiàn)象；保壓壓力較低，所需鎖模力較小，可以選擇規(guī)格適中的注塑機型號；相對流長比為240的制品的保壓時間可以接受。

第4 組工藝參數(shù)下的制品翹曲量如圖8 所示。制品最大翹曲量為8.287 mm，產(chǎn)生在制品兩端處，相對于720 mm的長度，翹曲率為1.15%[16]，模擬結果符合制品收縮特性。

圖8 第4 組工藝參數(shù)下制品翹曲量

4 試驗驗證及制品檢測

圖9 為試驗現(xiàn)場圖片，模仁選用斯穆碧根柏(S+B)預硬鋼，F(xiàn)ormadur 400 ESR 牌號，保證模具使用壽命100 萬次。模溫機通過模溫介質(zhì)接口，將控溫介質(zhì)導入定模、動模。模具澆口嚴格按照模擬時預設值加工，澆口形狀為方形澆口，尺寸為2.5 mm×7.5 mm。試驗驗證時，模具表面溫度通過模溫機設定為90℃，注塑壓力設定為106 MPa，保壓壓力設定為注塑壓力的80%，保壓時間設定12 s，其余工藝參數(shù)與Moldflow 2020 模流分析預設值設定一致。

圖9 試驗現(xiàn)場圖片

圖10 為成型后的制品。由圖10 可以看出，制品表面成型良好，N28258 點和N27632 點處沒有明顯翹曲現(xiàn)象，除去澆口凝料，即可交付使用。

圖10 成型后制品

圖11 為檢測中的制品。制品在檢具中通過外形尺寸定位，快動壓鉗固定，經(jīng)檢測卡規(guī)檢測，卡規(guī)與制品間縫隙均勻，透光一致。驗證了Moldflow 2020 模流分析軟件，分析結果的準確性。制品表面光潔，顯現(xiàn)了單澆口成型技術的優(yōu)勢。

圖11 檢測中的制品

5 結論

(1)通過對某品牌客車后防擦條外板模型進行分析，得到制品整體呈流線型分布，單澆口效果最好。

(2)針對該制品的流長比為240 這一問題進行論證，通過設定模具表面溫度，提高了熔體的流動性，延緩了熔體前鋒的冷凝速率，解決了大流長比的技術問題。

(3)選取對后防擦條外板翹曲量影響最大的因素——模具表面溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時間為研究對象。構建4 因素4 水平正交試驗，得到最佳工藝參數(shù)：模具表面溫度90℃、注塑壓力106 MPa、保壓壓力為注塑壓力的80%、保壓時間12 s，此工藝參數(shù)下N28258 點和N27632 點處的翹曲量之和最小。

(4)通過試驗驗證，制品表面光潔，驗證了Moldflow 2020 模流分析軟件分析結果的準確性，顯示了單澆口成型技術的優(yōu)勢。