李永泉,李 峰,孫 晉

(中石化北京化工研究院,北京100013)

0 前言

汽車保險杠作為安全保護裝置,同時也是車身外形的重要裝飾件,它的外觀品質(zhì)和尺寸穩(wěn)定性非常重要。而作為一種大表面積、薄壁的復(fù)雜力學(xué)結(jié)構(gòu)件和外觀件,注塑模具設(shè)計、材料選擇以及注射工藝參數(shù)等都會對最終制品品質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。實踐證明,塑料注射成型數(shù)值模擬技術(shù)對加快塑料制品的新產(chǎn)品開發(fā)、提高塑料制品質(zhì)量、降低成本起著關(guān)鍵作用[1-3]。

本文使用Moldflow軟件對威姿轎車前保險杠比例縮小模型進行模擬分析。對2種進膠方案進行填充、熔接痕以及翹曲變形分析,根據(jù)分析結(jié)果來確定哪種進膠方案能使制品外觀品質(zhì)更好,裝配尺寸更合適。

1 保險杠注射成型模擬分析

1.1 保險杠模型尺寸及材料選擇

圖1 網(wǎng)格模型Fig.1 The mesh model

塑件采用威姿轎車前保險杠按2∶1等比例縮小的試驗用保險杠,如圖1所示,該產(chǎn)品尺寸為950 mm×323 mm×268 mm,壁厚大部分在2.8～3.0 mm之間,比較均勻。材料選用揚子石化的汽車保險杠專用料高抗沖聚丙烯 K9015,其加工性能參數(shù)如表1所示,黏流曲線如圖2所示。

表1 K9015的加工參數(shù)Tab.1 The processing parameters of K9015

圖2 K9015的黏流曲線Fig.2 Rheological behavior of K9015

1.2 澆口分析

澆口是熔體流進型腔的最后通道,直接影響塑料熔體在模具型腔內(nèi)的流動,從而關(guān)系到注塑件成型后是否會產(chǎn)生翹曲變形、熔接痕等缺陷。澆口的數(shù)目和位置主要影響充填模式,而澆口的形狀與尺寸決定了聚合物流動方向和平衡。為了得到最合適的澆口位置和數(shù)量就必須對注塑件的外形和注塑過程中的流動情況進行模擬和分析。澆口位置分析的目的是要根據(jù)結(jié)構(gòu),找到使流動達到平衡的最佳澆口位置,盡可能減少制品缺陷。

為了解決由于尺寸較大給注射成型帶來的成型困難和工藝范圍狹窄的問題,大型模具往往采用增加熱流道和多澆口的設(shè)計形式,在此我們采用3個側(cè)澆口進膠。圖3(a)給出了Moldflow軟件自動分析的最佳澆口位置,由于產(chǎn)品是外觀件,澆口不能設(shè)在表面,故稍作改動作為方案1。圖3(b)是自己設(shè)計的澆口位置,作為方案2。

圖3 澆口位置Fig.3 Gate location

1.3 填充分析

通過填充模擬分析,考察熔體流動是否平衡,標準是熔體到達末端的時間是否基本一致。如果不一致容易導(dǎo)致過保壓,產(chǎn)生縮痕等缺陷。同時觀察熔體是否能充滿型腔,有沒有短射的發(fā)生。填充的熔體溫度均為230℃,模溫為45℃,其余設(shè)為自動。

從圖4可以看出,方案1的注射時間為2.682 s,方案2的注射時間為2.699 s(由于軟件默認設(shè)計注塑機注射速度很高,所以模擬注射時間比實際時間要短一些),2種方案的注射時間相差不大。同時,從流動過程可以看出,2種方案的流動填充都比較平衡,料流基本能同時充滿遠處末端,沒有短射發(fā)生。

圖4 填充時間Fig.4 Filling time

1.4 熔接痕分析

熔接痕的存在嚴重影響制品的外觀品質(zhì),同時對制品的力學(xué)性能也有很大影響,所以注塑制品要盡量避免熔接痕的產(chǎn)生,減少熔接痕的長度,避免其出現(xiàn)在制品受力的部位。熔接痕是兩股料流相遇熔合形成的,其質(zhì)量與兩股料流遇合角度、料流前鋒溫度有關(guān)[4-5]。2種方案的熔接痕如圖5所示。從圖5可以看出,采用方案1時,制品有3條比較大的熔接痕,其中有一條非常長,嚴重影響了制品的外觀。采用方案2時,制品也有3條熔接痕,但比方案1要短,熔接痕質(zhì)量比較好。從圖6可以看出,2種方案產(chǎn)生熔接痕處的料流前鋒溫度在230℃左右,沒有下降很多,因此不是形成熔接痕的主因。而從圖7可以看出,方案1形成較長熔接痕的原因主要是兩股料流相遇時幾乎沒有角度的正面碰撞;方案2則是相遇時有一定角度,所以熔接痕較短,對外觀品質(zhì)影響也較小。

圖5 熔接痕Fig.5 Weld line

圖6 料流前鋒溫度Fig.6 Temperature of the melt flow

圖7 料流遇合角度Fig.7 Weld line angle

1.5 翹曲變形分析

注射成型過程中,翹曲是由于制品收縮率不均勻而產(chǎn)生的。收縮率不均勻表現(xiàn)在以下幾個方面:制品不同部位的收縮率不一樣;沿制品厚度方向收縮率不同;與分子取向平行和垂直方向的收縮率不同。而翹曲又分為穩(wěn)定翹曲和非穩(wěn)定翹曲,穩(wěn)定翹曲是指翹曲變形與收縮應(yīng)變成正比;非穩(wěn)定翹曲是指翹曲變形是由于制品彎曲而產(chǎn)生的。在這種情況下,收縮應(yīng)變表現(xiàn)為平面應(yīng)變,由于平面應(yīng)變過大導(dǎo)致制品失穩(wěn)而彎曲[6]。從圖8可以看出,2種方案的翹曲變形都比較大,方案1的最大變形量為8.7 mm,方案2的最大變形量為9.8 mm,都發(fā)生在保險杠制品的兩翼,向中間彎曲。

通過上面的熔接痕及變形分析,最終選擇方案2作為進膠方案。從圖9可以看出,制品產(chǎn)生翹曲變形的主要原因是分子取向和材料的收縮變形。由分子取向和收縮引起的最大變形量分別是11.16 mm和9.57 mm。通過保壓壓力以及保壓時間對方案2的翹曲變形進行優(yōu)化,如圖10所示。

從圖11可以看出,通過優(yōu)化保壓曲線,制品的翹曲變形量變?yōu)?7.8 mm,相比優(yōu)化之前的變形量9.8 mm有了較大改善。

2 結(jié)論

(1)采用2種進膠方案的注射時間基本相同,并且填充基本平衡;

圖8 翹曲總變形分析Fig.8 Analysis of warpage

圖9 方案2的翹曲變形分析Fig.9 Analysis of warpage in case 2

圖10 保壓壓力與時間關(guān)系曲線Fig.10 Packing pressure versus time

圖11 優(yōu)化保壓后的翹曲變形Fig.11 Warpage after the optimization of packing pressure

(2)采用3個澆口在一側(cè)即方案2時,制品的熔接痕質(zhì)量相對較好,主要是因為兩股料流相遇時的角度更大;

(3)2種進膠方案都會產(chǎn)生較大的翹曲變形,產(chǎn)生的主要原因是材料的收縮不均以及分子取向。通過優(yōu)化保壓曲線可以減少制品的翹曲變形量。

[1] 于衛(wèi)東,陳 建.Moldflow技術(shù)在注射成型過程中的應(yīng)用[J].計算機輔助設(shè)計與制造,2001,(6):59-61.

[2] 王殿君,石連生,陳永秋.基于Moldflow軟件的內(nèi)飾件注射成型模擬[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2005,10(16):51.

[3] 張小甫,閻峰云,王翠香,等.Moldflow和 Plastic Advisor在注射成型中的應(yīng)用[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2004,(6):14-16.

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[5] 張艷會,刁虹超.注射成型中熔接痕控制的數(shù)值模擬研究[J].山東煤炭科技,2008,(3):144.

[6] 吳宏武,高 軍.聚合物注塑制品的取向研究[J].材料導(dǎo)報,2007,21(8):59.