薄壁零件熱流道分流板熱平衡分析及溫度控制

韓 偉，劉楚生*，梁秋華，江 明

（1. 廣州城市理工學院 機械工程學院，廣東 廣州 510800；2. 廣東省韶關市高技能公共實訓基地管理中心，廣東 韶關 512026）

針閥式熱流道注塑的特點是注塑過程中熔體始終處于熔融狀態(tài)，進料時不產生澆注系統(tǒng)內的凝料。熱流道內的熔膠長期保持較高的溫度，提高了熔膠流動性，熔膠溫度均勻，流動阻力小，在流道中壓力損失小，有利于熔膠充模和保證壓力傳遞，改善制品表面質量和力學性能，同時能延緩熔體與模腔接觸界面凝固層的擴展，有助于薄壁塑件完整充模。由于分流板和針閥熱嘴分別完成熔膠的輸送及最后的注射動作，因此，分流板結構、針閥熱嘴布局以及溫度控制方式對于塑件質量具有重要的作用。通過計算機輔助工程（CAE）智能技術手段，精確掌握分流板內每個針閥熱流道孔均達到注塑溫度所需的時間，再通過時序控制裝置，控制不同澆口的射膠順序，避免同時進膠的熔體對沖形成熔接痕［1］，有利于提高塑件表面質量、塑件強度和表面硬度。特別是對于大型薄壁塑件，使用多點澆口和長流程的成型工藝，更應該改變依靠經驗進行分流板結構設計和注塑時間選擇的隨意性，運用智能軟件實現對注塑零件成型過程的精準控制。本工作以大型薄壁塑件汽車座椅托板成型工藝為研究對象，運用智能軟件對多澆口和長流程的注塑成型工藝進行有限元分析，改變依靠經驗進行分流板結構設計和注塑時間選擇的隨意性，實現注塑零件成型過程的精準控制。

1 塑件成型工藝分析

某汽車座椅托板零件的針閥式熱流道模具基本結構見圖1。塑件材料為典型的熱塑性材料——聚對苯二甲酸丁二酯（PBT），外形近似長方形，尺寸為620 mm×550 mm，厚度為1.5～3.0 mm，屬于大型精密薄壁零件。根據注塑零件的結構特點、表面質量和力學性能要求，澆注系統(tǒng)設計成三點針閥式熱流道進膠。其中，分流板作為連接注塑機料筒噴嘴與針閥熱嘴的零件，根據注塑零件的具體形狀、針閥熱嘴數量和分布情況等因素設計成Y形結構，重點對分流板的結構、加熱時間和溫度控制進行了研究，并應用Ansys軟件對其熱平衡情況進行了有限元分析。針閥熱流道分流板必須滿足各局部形狀的熱平衡要求，需控制分流板和三個熱嘴等組件之間溫度的偏差最小。為此，應對加熱元件的功率進行準確計算，合理確定加熱位置和測溫點。連續(xù)注塑生產時熔體不斷帶走的熱量損失也需要同步加熱得到補償，故應安裝加熱元件以及采取充分的絕熱措施和效果。加熱元件和溫控器等組件的作用是精確控制熱流道系統(tǒng)溫度，使熔體在注塑過程中始終處于熔融狀態(tài)，對塑件的成型質量具有決定性作用［2］。因此，需保證加熱元件耐用性好，耐高溫和耐化學藥品腐蝕性好，不易泄漏，線路連接安全可靠。

圖1 熱流道模具基本結構Fig.1 Basic structure of hot runner mold

2 分流板的結構設計和熱平衡分析

分流板的加熱采用外加熱，外加熱的流道板懸裝在模具中，將彎曲的加熱管配置在流道的外側。針閥式熱流道系統(tǒng)由針閥熱嘴、分流板、加熱管和溫控器等組成（見圖2）［3］。熔融膠液通過分流板分流后，經過針閥熱嘴進入汽車座椅托板模具型腔，分流板是針閥熱流道系統(tǒng)實現多點進膠的重要部件，它將從主流道噴嘴射入的塑料熔體經流道分流輸送到各針閥熱嘴，使熔融塑料均勻填入模具的型腔中，并通過持續(xù)加熱保持熱量平衡以及熔融塑料的平衡流動［4］。因此，分流板的結構設計和針閥熱嘴的結構類型成為熱流道系統(tǒng)的核心內容。

圖2 熱流道系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of hot runner system

2.1 分流板的結構設計

為使分流板具有足夠的耐熱能力、強度和剛度，選用熱傳導性良好的4CrW2Si熱作鋼。分流板的結構設計根據模具澆口數量和分布位置情況進行設計，汽車座椅托板零件三個針閥熱流道系統(tǒng)中的三個針閥熱嘴采用CP-25型，分流板為Y型結構設計，見圖3，其中，圓形分流道直徑為5 mm。加熱管均勻分布在澆口周圍，爭取更有效避免局部過熱現象。分流板的加熱方式采用外加熱方式，即在上下兩個平面雙層設置加熱管，上下兩層均布置8.5 mm×8.5 mm的加熱管槽，從流道外部對流道進行加熱。這種雙層對稱加熱形式便于均衡適配布局加熱管，不會產生局部過熱且流道內流動阻力小，減少熱量損失，使其發(fā)熱更穩(wěn)定，傳熱更均勻。從而保證三個Y型分布的針閥熱流道之間溫度均衡［5］。

圖3 分流板的結構設計Fig.3 Structure design of manifold

2.2 加熱管的布局結構和功率核算

采用專用于熱流道加熱的直徑為8 mm的ISD牌不銹鋼840電熱管，這種不銹鋼電熱管可以根據分流板形狀及熱嘴分布位置，彎制成所需形狀，并帶有J型標準熱電偶。帶有三個熱嘴的分流板針閥熱流道布局和加熱管的布局結構見圖4。

圖4 針閥熱流道布局及加熱管結構示意Fig.4 Schematic diagrams of hot runner needle valve layout and heating pipe structure

由于PBT的分子主鏈是由每個重復單元為剛性苯環(huán)和柔性脂肪醇連接起來的飽和線性分子組成，分子中沒有側鏈，結構對稱且組織緊密堆砌，因此，PBT具有較高的熔點，成型加工溫度為250～270 ℃。因此，注塑時熱嘴和分流板中的熔體須加熱至260 ℃以上［6］。根據生產需要，加熱系統(tǒng)應在盡量短的時間內，將分流板的溫度從常溫升到250～270 ℃，同時必須保證分流板各熱流道的溫度平衡，其加熱器功率可按式（1）計算。

式中：P為加熱器功率，kW；M為分流板質量，kg；c為分流板材料比熱容，kJ/（kg·℃）；ΔT為分流板工作溫度與室溫之差，℃；t為升溫時間，min；η為分流板加熱效率系數（當分流板的絕熱條件良好時，η=0.47～0.56；當分流板的絕熱條件一般時，η=0.44～0.50；當分流板的絕熱條件差時，η=0.33～0.38）。

根據資料查得分流板4CrW2Si熱作鋼的密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，比熱容為0.46 kJ/（kg·℃），傳熱系數約為60.64 W/（m·K）。設置分流板受熱的熱流密度取21 W/cm2，分流板與空氣的自然對流系數為5 W/m2。分流板的絕熱條件良好，故取加熱效率系數為0.47，分流板質量為17.12 kg，分流板工作溫度與室溫之差為260-25=235 ℃，升溫時間為4 min，得到本次設計的加熱器功率為16.41 kW。

2.3 分流板熱平衡有限元分析驗證

只有分流板滿足三個針閥熱流道之間的溫度平衡要求，才能保證針閥進膠時熔體溫度一致。因此，需要通過精確的分析手段預先知道分流板上三個針閥熱流道孔均達到260 ℃的時間，根據計算所得分流板加熱的功率，通過Ansys軟件有限元分析分流板從室溫加熱到260 ℃的時間，如果在未達到250 ℃就開始注塑，則由于流道內溫度太低會造成短射和進澆不足等缺陷，而如果超過了270 ℃也會產生縮松等缺陷［6］。從圖5可看出：不同的加熱過程中，溫度場顏色均呈現均勻分布狀態(tài)，表明分流板的結構設計和加熱管的布局能夠達到三個針閥熱平衡要求［7］。當加熱時間為61 s時，分流板大部分區(qū)域溫度為40～50 ℃；當加熱時間為121 s時，分流板大部分區(qū)域溫度為90～100℃；當加熱時間為181 s時，分流板大部分區(qū)域溫度為150～165 ℃；當加熱時間為250 s時，分流板大部分區(qū)域溫度為255～270 ℃［8］。由此可見，此座椅托板零件注塑時，分流板初次注塑的加熱時間應該在250 s以上，此時開啟第一個熱流道針閥將熔體注射入熱流道，能使注塑膠料始終處于熔融狀態(tài)，在溫控箱持續(xù)控制流道內溫度保持在250℃以上的狀態(tài)下，依次開啟第二、第三個針閥進膠，并順利實現三個針閥熱流道的時序控制進膠，保證汽車座椅托板薄壁零件的注塑質量。

圖5 分流板Ansys軟件有限元熱平衡分析Fig.5 Thermal balance diagram of manifold by Ansys finite element analysis

3 系統(tǒng)溫度控制

熱流道系統(tǒng)的溫度精確控制是實現熱流道系統(tǒng)熔體始終處于熔融狀態(tài)的關鍵因素。分流板中的流道在加熱階段加熱到270 ℃，其后在連續(xù)注塑生產注射周期內，熔體持續(xù)進行注塑時，還會不斷補充帶入大量的熱能。此時加熱系統(tǒng)主要用于補償注塑過程損耗造成的熱量損失，此過程中熔體溫度的控制精確與否將對塑件成型質量起關鍵作用［9］。因此，在實踐中選用具有智能高精度比例積分微分（PID）調節(jié)功能的溫控器（簡稱PID溫控器），將分流板系統(tǒng)和三個針閥熱嘴流道的溫度偏差控制在±5 ℃。采用SeaShell-TPS型觸摸式熱流道溫控箱進行溫度控制，溫控箱是通過表芯內智能計算機芯片探測發(fā)熱流道溫度，再經過智能計算機內部數據處理，輸出適當比例電流值，從而達到精確的溫度控制。在模腔內三個針閥對應的位置配接K型熱電偶輸入信號，對溫度進行精確測量，采用觸摸屏的人機操作界面增強了系統(tǒng)的操控性，內置標準MODBUS-RTU型數據通訊總線接口，模塊式多中央處理器分散控制模式［10］。三個針閥熱流道的回路溫度可分別獨立設定。

針對汽車座椅托板使用的PBT具有較高的熔點，成型加工溫度為250～270 ℃的特點，根據Ansys軟件有限元模擬分析的結果，系統(tǒng)的溫度控制可參照圖6的溫度與時間關系曲線［11］。

圖6 熱流道溫度與時間的關系曲線Fig.6 Temperature of hot runner as a function of time

4 通過時序控制進膠改善塑件表面質量

大型薄壁結構零件汽車座椅托板注塑時表面容易產生熔接痕、進膠不足和縮水變形等缺陷，運用針閥熱流道的時序控制進膠功能，能實現精細化控制三個針閥按順序打開和閉合，根據熔膠在模腔內充型的不同階段延時分階段注塑［11］。還可以通過在模具型腔內熔體前進路徑上安裝壓力傳感器，隨時反饋熔體到達的位置，控制第二、第三澆口在熔體經過時順序打開。補充增強熔體的熱量，避免了同時進膠的兩股熔體在波前相遇匯合時的熔接痕，提高塑件表面成型質量，并可運用Moldflow軟件進行分析驗證［12］。從圖7可以看出：采用針閥熱流道時序控制后，熔接痕得到了明顯的減少和改善。

圖7 汽車座椅托板三點同時進膠和時序控制進膠模擬Fig.7 Simulation of simultaneous glue injection and timing control in three points of automobile seat pallet

5 結論

a）對于大型薄壁注塑件，使用多點澆口和長流程的PBT薄壁零件成型注塑生產，可用CAE智能軟件對注塑零件成型過程和分流板結構進行精準設計。

b）通過選用PID溫控器，將分流板系統(tǒng)和三個針閥熱嘴流道的溫度偏差控制在±5 ℃，從而實現精確控制溫度范圍以及保證分流板內部的溫度平衡。

c）Ansys軟件有限元分析方法既可以驗證分流板的結構及加熱管的設計方案是否合理，還能精確把握熱流道內部的加熱溫度與時間變化情況，為時序控制進膠提供精準的工藝數據。