基于Moldflow技術(shù)的塑料缸蓋罩成型過程及模流數(shù)值分析

程聯(lián)社

(楊凌職業(yè)技術(shù)學院,陜西 楊凌 712100)

汽車發(fā)動機蓋罩(氣缸蓋罩)也多是采用熱塑性塑料制成的,其主要是為防止外界的雜質(zhì)進入發(fā)動機對其產(chǎn)生損傷而存在的[1]。塑料制品的生產(chǎn)需要經(jīng)過原料預處理、注塑填充、保壓、冷卻固化以及脫模5個步驟,其中有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會使產(chǎn)品出現(xiàn)變形、開裂等缺陷[2]。以往人們對于瑕疵產(chǎn)品的鑒定以及原因分析都是采用人工方式進行的,這需要消耗大量的人力與物力資源,效率較低[3-4]。

氣缸蓋罩的結(jié)構(gòu)一般較為復雜,并且為提高生產(chǎn)效率,模具通常為一模多腔設計,如何平衡澆注系統(tǒng)的填充過程,使得多腔中的制品能保持一致,是目前需要解決的關(guān)鍵問題之一[5]。所以不能直接套用傳統(tǒng)的直流道數(shù)學模型開展分析研究[6]?；谏鲜鰡栴},首先對塑料制品的成型原理及過程進行了闡述;其次基于Moldflow對塑料缸蓋罩成型過程進行了模流分析;最后建立了熔體在彎流道中流動的理論模型,并在不同的注射速率條件下進行數(shù)值模擬。本研究的開展旨在為塑料缸蓋罩工藝條件的優(yōu)化分析,提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量提供重要技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以某汽車發(fā)動機缸體塑料蓋罩為研究對象,該塑料缸蓋罩外形最大尺寸為213 mm×146 mm×129 mm,材料為ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)塑料,結(jié)構(gòu)較為復雜;對其外觀要求較為嚴格,需光滑美觀,不可出現(xiàn)澆注口、熔接痕以及明顯的收縮痕和氣穴等缺陷,翹曲程度應控制在允許范圍內(nèi);對模具的要求是要能實現(xiàn)無人值守全自動生產(chǎn),總開模次數(shù)至少為400萬次。

1.2 實驗方法

1.2.1塑料制品成型原理和過程

塑料制品的加工成型主要是通過注塑機與模具之間的有機配合而實現(xiàn)的[7],每個環(huán)節(jié)的演示如圖1所示。

(a)預塑

在整個塑料加工過程中,工藝參數(shù)的選取直接關(guān)系著最終成品的質(zhì)量。其中,壓力、溫度以及時間是關(guān)鍵參數(shù)[8]。產(chǎn)品的質(zhì)量問題主要分為內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量兩種:內(nèi)部質(zhì)量問題主要包含變形、彎曲、熔接痕等等;外部質(zhì)量問題主要有顏色分布不均、翹曲、裂痕等等。

1.2.2基于Moldflow的塑料缸蓋罩成型過程模流分析

1)分析過程

汽車發(fā)動機塑料缸體蓋罩結(jié)構(gòu)一般較為復雜,這就使得其在加注塑型過程中出現(xiàn)缺陷的幾率更大,產(chǎn)品合格率較低[9]。因此必須采用有效的手段對塑料缸蓋罩成型過程進行分析,以此來找出問題,并根據(jù)問題提出相應的改進策略,提高產(chǎn)品的質(zhì)量與合格率[10]。本文采用Unigraphics(UG)軟件建立缸體塑料蓋罩的三維模型,并利用Moldflow軟件對其成型過程進行模流分析。采用UG軟件建立的產(chǎn)品三維模型以及劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示;該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 產(chǎn)品工藝參數(shù)

(a)缸蓋罩三維模型

2) 澆注系統(tǒng)的建立

澆注系統(tǒng)是注塑機與模具之間的連通通道,對產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響[11-12]。首先確定澆注口位置;其次結(jié)合產(chǎn)品要求分析得到的澆口為側(cè)澆口,并在內(nèi)表面隱蔽處,以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)而不影響外觀。根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)和澆口位置,采用一模兩腔布局,最后設計模具流道。

3)冷卻系統(tǒng)的建立

建立冷卻系統(tǒng)主要是為在充填過程結(jié)束后快速的帶走熔體的熱量,使產(chǎn)品迅速冷卻,有助于生產(chǎn)效率的提高[13]。為使模具的散熱均勻,管道的布局要均衡,應兼顧上模與下模,如圖3所示。

圖3 模具冷卻水道布局

1.2.3基于Moldflow的熔體彎道流動數(shù)值模擬

首先建立了熔體彎道流動理論模型,然后采用Moldflow軟件對塑料熔體在彎流道中的流動進行模擬,并將模擬結(jié)果與理論模型求解結(jié)果進行對比分析,以此來驗證模型的有效性。采用坐標轉(zhuǎn)換法建立了圓環(huán)坐標系中塑料熔體彎道流動理論模型,將熔體在圓管內(nèi)流動的幾何模型建立在一個圓環(huán)坐標系(r,θ,φ)之中,圓環(huán)坐標系以及圓柱坐標系的幾何模型如圖4所示。

(a)圓環(huán)坐標系

將圓柱坐標系轉(zhuǎn)換為圓環(huán)坐標系可以得到:

(1)

式中:T為溫度;r為圓環(huán)坐標系中圓的半徑,r1為圓柱坐標系中圓管的半徑。對函數(shù)一階偏導與二階偏導,再聯(lián)立公式得到熔體在彎流道中流動的連續(xù)性方程為:

(2)

(u1cosθ-u2sinθ)=0

(3)

式中:η為熔體的黏度;γ為剪切速率。能量方程進行坐標轉(zhuǎn)換,則有:

(4)

式中:c為比熱容;t為熔體溫度;q為能量;λ為常數(shù)。一般條件下熔體的黏度數(shù)學模型:

(5)

式中:η為剪切黏度;η0為零切黏度;σ*為剪切盈利水平;n為非牛頓指數(shù)。

(6)

(7)

(8)

式中:T為溫度;P為壓力;D1為零切黏度系數(shù);D2為轉(zhuǎn)變溫度;D3為常數(shù);A1、A2的取值由溫度決定。

1.2.4模擬實驗設計

實驗在環(huán)境溫度為0 ℃和25 ℃條件下,采用Moldflow軟件對塑料缸蓋罩的成型過程進行模擬,記錄此過程中的產(chǎn)品各項數(shù)據(jù)和性能,將2種條件下的結(jié)果進行對比分析。在Moldflow軟件中設置工藝參數(shù),注射速率分別為60、120、200 cm3/s。實驗在彎流道內(nèi)選取了2個位置,每個位置分別對應一個內(nèi)側(cè)和一個外側(cè)節(jié)點,共4個節(jié)點,如圖5所示。

圖5 位置選取示意圖

此外,在1號和2號位置的內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點之間等距離設置“a～f”6個節(jié)點,在模擬實驗結(jié)束后對每個節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模流分析

在不同環(huán)境溫度條件下的模擬結(jié)果如表2所示。

表2 模流分析結(jié)果

由表2可知,2種環(huán)境溫度條件下的填充時間無明顯差異。上模與下模分別是和制品的外表面、內(nèi)表面進行接觸的,25 ℃和0 ℃上、下模的溫差分別為34.14、35.27 ℃,說明制品在兩種環(huán)境下的內(nèi)、外表面溫差均較大。冷卻水入口和出口的溫差分別為8.1、6.1 ℃,差距較大,說明冷卻系統(tǒng)的性能不足。從制品的變形量來看,環(huán)境溫度為25 ℃時的變形量比0 ℃時的變形量小,初步判斷其原因可能是由于制品內(nèi)、外表面的溫差導致的,溫差越大則制品變形量越大。

2.2 數(shù)值模擬分析

當采用不同的注射速率進行模擬實驗時,熔體在1號和2號位置的流動速度、剪切速率、黏度以及溫度變化如圖6所示。

(a)1號位置的流動速度變化

由圖6可知,流動速度隨注射速率的增大而增大,貼近管壁的熔體流速比中間節(jié)點的熔體流速慢。1號位置位于直流道,因此熔體在的此處的內(nèi)、外側(cè)流速基本相當,最大差值是80 cm/s;而在處于圓弧流道的2號位置時的內(nèi)、外側(cè)流速差值較大,最大達到300 cm/s;并且外側(cè)的流速明顯低于內(nèi)側(cè)。剪切速率是反應流速變化速率的指標,同理,熔體在2個位置的剪切速率隨注射速率的增大而增大。內(nèi)、外側(cè)熔體流動時的剪切速率明顯大于中間節(jié)點的熔體;外側(cè)的剪切速率大于內(nèi)側(cè)的剪切速率,說明外側(cè)熔體的流速變化比內(nèi)側(cè)快;2號位置的內(nèi)外側(cè)剪切速率最大差值大于1號位置,與熔體流速變化一致。熔體的黏度隨著注射速率的增大而減小,黏度變化范圍在350 Pa·s以內(nèi)。位于流道兩側(cè)的熔體溫度明顯高于中間節(jié)點的熔體,并且2號位置的溫度分布較1號位置更加均勻。結(jié)合上述結(jié)果,分析其原因是熔體流動速度越快,剪切速率越大,則其沿管壁散失的熱量越多;反之,則熱量散失越少。流道外側(cè)的熔體剪切速率較小,因此其溫度高于內(nèi)側(cè);熔體由1號位置流至2號位置的過程中,流速一直減小,使得其內(nèi)部傳熱更加充分,才會出現(xiàn)2號位置的熔體溫度分布更加均勻的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

以往在生產(chǎn)塑料缸蓋罩時,人工分析檢查存在效率低下以及成本高等問題。并且,傳統(tǒng)的直流道數(shù)學模型也不適用于彎流道。研究基于Moldflow對塑料缸蓋罩成型過程進行了模流分析,并采用Moldflow在不同的注射速率條件下進行數(shù)值模擬。實驗結(jié)果表明:采用的塑料缸蓋罩的生產(chǎn)工藝存在一定的缺陷,塑料熔體在彎流道內(nèi)的流動速度、剪切速率以及溫度都隨著注射速率的增大而增大,熔體黏度隨著注射速率的增大而降低。貼近管壁的熔體流速、黏度小于流道中間的熔體,剪切速率和溫度大于中間熔體;貼近外側(cè)管壁的熔體流速、剪切速率、黏度和溫度均大于內(nèi)側(cè);熔體在流經(jīng)彎流道時外側(cè)與內(nèi)側(cè)熔體的指標差值較直流道更大。本實驗的不足之處在于只定性的研究了熔體在彎流道中的變化規(guī)律,并未對流道的形狀和參數(shù)的改變對其的影響進行探究,未來還需建立更多不同的流道模型以及改變參數(shù)來對此進行完善。