王 偉, 盛 丹， 蔡嘉盛， 周應(yīng)國

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 揚(yáng)州分院, 江蘇 揚(yáng)州 225003) (2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003) (3.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū), 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

由于質(zhì)輕、造型美觀、易于成型、耐腐蝕、成本低等特點(diǎn),聚合物在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛,其中,在轎車和一些輕型車中,塑料保險(xiǎn)杠有取代金屬保險(xiǎn)杠的趨勢,它主要能起到安全和裝飾兩方面的作用．隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,對車輛外觀質(zhì)量的要求越來越高,因此塑料保險(xiǎn)杠的裝飾性作用更加突出,不允許產(chǎn)生諸如凹陷、熔接線、翹曲等質(zhì)量缺陷,這就對其生產(chǎn)過程提出更高的要求．塑料保險(xiǎn)杠外觀尺寸及注射量均較大,在其成型過程中澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理將直接影響到聚合物熔體壓力和溫度的變化,進(jìn)而影響材料的填充以及之后的保壓補(bǔ)縮,最終導(dǎo)致產(chǎn)品殘余內(nèi)應(yīng)力及熔接線等質(zhì)量問題的產(chǎn)生．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)可以在注射模具設(shè)計(jì)過程中起到試模的作用[1-2],其應(yīng)用越來越廣泛[3-5]．文中針對某款家用轎車的前保險(xiǎn)杠注射模具開展數(shù)值模擬工作,從聚合物熔接線的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),對其澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出建議,從而解決保險(xiǎn)杠加工過程中可能出現(xiàn)的問題．

1 理論基礎(chǔ)

在注射成型過程中,當(dāng)采用多澆口或型腔中存在孔洞、嵌件、以及制品厚度變化較大時(shí),聚合物熔體在模具內(nèi)會(huì)發(fā)生兩個(gè)方向以上的流動(dòng),當(dāng)兩股熔體相遇時(shí),就會(huì)在制品中形成熔接線(weld line)．熔接線在注射成型、吹塑、反應(yīng)注射以及壓鑄等成型加工過程中均可能會(huì)出現(xiàn)．熔接線是聚合物制品的主要質(zhì)量問題之一,熔接線的存在不僅影響制品的力學(xué)性能,而且也影響到制品的外觀質(zhì)量,特別對于保險(xiǎn)杠要求外觀質(zhì)量的制品更為明顯,因此,對熔接線的分析是保險(xiǎn)杠注射成型數(shù)值模擬中很重要的部分．

對熔接線的有效預(yù)測是基于注射成型過程的CAE基礎(chǔ)之上的．注射成型CAE是根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)基本理論,建立塑料熔體在模具型腔中流動(dòng)、傳熱的數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)值計(jì)算理論構(gòu)造求解方法以定量求出成型過程壓力場、溫度場、速度場等的分布,再利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)屏幕上形象、直觀的顯示出實(shí)際成型中熔體的動(dòng)態(tài)充填冷卻過程[1]．該技術(shù)的核心是建立可靠的數(shù)學(xué)模型及與之相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法．

目前注射成型CAE普遍采用基于廣義Hele-Shaw流動(dòng)模型之上的控制方程,在此重點(diǎn)關(guān)注熔接線數(shù)值模擬的邊界條件．由于熔接線是由兩股不同方向或平行方向熔體交匯而成,所以在熔接線上熔體的壓力和法向速度應(yīng)保持連續(xù),即滿足:

pl=pr

(1)

(2)

式中：p為壓力,l和r分別表示熔接線的兩側(cè),S為流通率,n為法向方向．

控制方程加上上述的邊界條件可選用有限元/有限差分混合法[6]同時(shí)結(jié)合流動(dòng)分析網(wǎng)絡(luò)FAN法[1,6]求解,該方法在流動(dòng)平面內(nèi)采用有限元近似,厚度方向和時(shí)間導(dǎo)數(shù)采用有限差分近似,這樣可充分發(fā)揮有限元和有限差分各自的優(yōu)點(diǎn),能適用于平面任意形狀型腔模擬．同時(shí),由于模具充填過程是一個(gè)瞬態(tài)過程,熔體前沿會(huì)隨實(shí)時(shí)向前推進(jìn),故需要根據(jù)控制方程確定每一時(shí)刻充模熔體的流動(dòng)前沿及其自由界面．對運(yùn)動(dòng)界面實(shí)時(shí)跟蹤的同時(shí)就可以預(yù)測熔接線的產(chǎn)生．具體的計(jì)算過程可采用現(xiàn)有的CAE模擬軟件實(shí)現(xiàn)并最終對結(jié)果進(jìn)行分析．

2 分析與比較

2.1 制品及模具特點(diǎn)

圖1為某款汽車的前保險(xiǎn)杠實(shí)體模型,其外形尺寸約為:長2 400 mm,寬450 mm,高810 mm,制品平均壁厚約為4.5 mm,對其外形尺寸精度并沒有過高要求,但對制件表面質(zhì)量要求較高．保險(xiǎn)杠材料要求在較寬的溫度范圍內(nèi)剛性好,耐沖擊性能好,尺寸穩(wěn)定性好,耐溶劑性好,涂裝性能好,故選用改性聚丙烯作為保險(xiǎn)杠材料．在保險(xiǎn)杠左右邊各有橢圓形燈孔,中間部位為通風(fēng)柵格,內(nèi)側(cè)有若干加強(qiáng)筋．尾部有內(nèi)側(cè)卷曲,因此,模具需要采用內(nèi)側(cè)抽芯．保險(xiǎn)杠模具的特點(diǎn)為模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜;制品尺寸大,澆注系統(tǒng)采用熱流道;型腔、型芯冷卻系統(tǒng)復(fù)雜;制品頂出系統(tǒng)復(fù)雜,常用液壓、機(jī)械聯(lián)合頂出,并采用機(jī)械手自動(dòng)取出制品．這其中澆注系統(tǒng)尤其重要,關(guān)系到制品的可成型性和最終性能．

圖1 汽車前保險(xiǎn)杠三維實(shí)體模型Fig.1 3D model of the front car bumper

根據(jù)以上特點(diǎn),分別設(shè)計(jì)如下3種澆注系統(tǒng):中心澆口(圖2),四澆口澆注系統(tǒng)(圖3)和六澆口澆注系統(tǒng)(圖4)．

圖2 中心澆注系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of central feeding system

圖3 四澆口澆注系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of four-gate feeding system

圖4 六澆口澆注系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of six-gate feeding system

2.2 結(jié)果與討論

在制品形狀確定之后,熔接線的位置受澆注系統(tǒng)的影響較大．采用中心澆注系統(tǒng)之后,由于為單澆口進(jìn)料,其熔接線數(shù)量相對較少(圖5)．但分析同時(shí)顯示,采用中心澆注系統(tǒng)后聚合物在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)行程較長,在充填后期容易出現(xiàn)欠注現(xiàn)象,同時(shí),該方案對注射機(jī)器的鎖模力要求高達(dá)6 172 t．

圖5 中心澆注系統(tǒng)熔接線位置示意Fig.5 Schematic diagram of location of weld lines for central feeding system

改用常規(guī)的四澆口澆注系統(tǒng)后,其熔接線將大量增加,特別熔料從左右兩邊澆口進(jìn)入后在保險(xiǎn)杠前部正中間的部位相遇后,會(huì)形成較明顯的熔接線(圖6),這將明顯影響到制品的外觀．

圖6 常規(guī)四澆口澆注系統(tǒng)熔接線位置示意Fig.6 Schematic diagram of location of weld lines for conventional four-gate feeding system

對于多澆口來說,順序控制技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[7-8],現(xiàn)對該四澆口澆注系統(tǒng)也采用順序澆注系統(tǒng)．其中通過模擬后,將閥澆口的開啟時(shí)間正好設(shè)定與熔料流到該澆口處的時(shí)刻,其各閥的開啟時(shí)間見表1,得到的熔接線位置如圖7．該結(jié)果明顯優(yōu)于圖6所示的熔接線位置,但采用四澆口,對注射機(jī)的鎖模力仍然要求較高,其最大鎖模力超過5 108 t．

采用常規(guī)的六澆口澆注系統(tǒng)之后,注射機(jī)的鎖模力要求有所降低,最大鎖模力為4 329 t,但由于同時(shí)進(jìn)料后,六澆口處的聚合物熔體相遇后形成的熔接線較多(圖8),對產(chǎn)品的外觀將有明顯影響．

表1 四澆口動(dòng)態(tài)進(jìn)料系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)Table 1 Parameter of time in four gates sequence feeding system

圖7 四澆口順序澆注系統(tǒng)熔接線位置示意Fig.7 Schematic diagram of location of weld lines for sequence four-gate feeding system

圖8 常規(guī)六澆口澆注系統(tǒng)熔接線位置示意Fig.8 Schematic diagram of location of weld lines for conventional six-gate feeding system

同樣采用順序澆注系統(tǒng),在未經(jīng)過優(yōu)化的情況下,設(shè)定的各澆口的開啟閉合時(shí)間見表2,得到制品的熔接線位置(圖9)．

表2 六澆口動(dòng)態(tài)進(jìn)料系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)Table 2 Parameter of time in six gates sequence feeding system

圖9 六澆口順序澆注系統(tǒng)熔接線位置示意Fig.9 Schematic diagram of location of weld lines for sequence six-gate feeding system

對比圖8,9可知,采用順序控制技術(shù)有效減少了熔接線,同時(shí),注射機(jī)的鎖模力更為減少,最大鎖模力僅需要3 450 t．但是,圖9中仍然有較多的熔接線,尤其是在保險(xiǎn)杠的中部有一條橫向熔接線可能會(huì)影響到制品的外觀,需要對其繼續(xù)優(yōu)化．通過調(diào)查制品各部分材料從各澆口處流入分布可以發(fā)現(xiàn),在保險(xiǎn)杠左上澆口和中部上面的澆口處進(jìn)入的材料會(huì)相遇(圖10)．

圖10 六澆口順序澆注系統(tǒng)模具內(nèi)制品各部分材料的流徑分布Fig.10 Schematic diagram of distribution of flow track for sequence four-gate feeding system

圖11 經(jīng)過優(yōu)化后的六澆口順序澆注系統(tǒng)熔接線位置示意Fig.11 Schematic diagram of location of weld lines for optimized sequence four-gate feeding system

將圖9中的各澆口進(jìn)料順序進(jìn)行調(diào)整,同時(shí),調(diào)整各閥澆口的開啟與關(guān)閉時(shí)間,其時(shí)間參數(shù)見表3,最終得到如圖11的熔接線位置．該熔接線均處于保險(xiǎn)杠的側(cè)部及邊角處,不會(huì)影響到其外觀．其制品各部分材料流經(jīng)的澆口位置分布如圖12,對比圖10,中部未出現(xiàn)熔接線的原因在于中部均在同一澆口處進(jìn)料．

表3 優(yōu)化后的六澆口動(dòng)態(tài)進(jìn)料系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)Table 3 Parameter of time in six gates sequence feeding system after optimization

圖12 優(yōu)化后的六澆口順序澆注系統(tǒng)制品各部分材料的流徑分布Fig.12 Schematic diagram of distribution of flow track for optimized sequence four-gate feeding system

從聚合物熔體在模具開腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)形成的取向情況來分析熔接線的情況．圖13為常規(guī)六澆口澆注系統(tǒng)熔接線的形成,其中a)圖圓圈內(nèi)為易出現(xiàn)熔接線的部位,熔體的表層取向發(fā)生不一致的現(xiàn)象,b)圖方框內(nèi)為不易出現(xiàn)熔接線的部位,熔體在表層的取向平行一致．該結(jié)果和圖8，11所示的熔接線位置對應(yīng),說明熔接線的形成與熔體流動(dòng)時(shí)形成的表層取向之間聯(lián)系密切．

圖13 熔體在六澆口澆注系統(tǒng)模具中流動(dòng)時(shí)形成的表層取向Fig.13 Orientation of melt skin for six-gate feeding system

綜合以上對制品熔接線結(jié)果的分析,設(shè)計(jì)與制造出該制品的注射模具,并進(jìn)行實(shí)際注射成型,得到如圖14所示的合格制品．

圖14 最終的制品Fig.14 Final part

3 結(jié)論

1) 順序澆注系統(tǒng)在減少熔接線的形成方面較有成效,通過本文的對比,采用六澆口順序澆注系統(tǒng)可順利生產(chǎn)出保險(xiǎn)杠,并且其熔接線較少,表觀質(zhì)量較佳．

2) 數(shù)值模擬能夠提前預(yù)測較多成型加工過程可能遇到的問題,通過對成型過程數(shù)值模擬來有效預(yù)測熔接線位置,可在模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮著作用．另外,對使用順序澆注系統(tǒng)來說,數(shù)值模擬可預(yù)測澆口的合理開啟與閉合時(shí)間．

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