薛瑋珠

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310053)

0 引言

有較大強(qiáng)度的薄壁零件的制造在汽車行業(yè)有非常重要的作用。在強(qiáng)度的允許下，采用薄壁零件可以降低整個(gè)汽車的重量，從而減少燃油的消耗以及減小對(duì)環(huán)境的污染。此外，在性能允許的前提下通過減少壁厚能夠顯著降低由于材料使用帶來的生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期［1］。用于汽車上的所有的材料如金屬、泡沫、塑料和復(fù)合材料都需要進(jìn)行研究以達(dá)到產(chǎn)品的厚度減少。特別是薄壁的塑料內(nèi)飾件，在能承受日常使用的條件下需要更加的輕巧而且保持表面的美觀［2］。

注塑成型過程中，最終影響塑件質(zhì)量的有多種因素。這些因素可以分為四類:材料、成型機(jī)、模具設(shè)計(jì)和工藝條件［3］。準(zhǔn)確地選擇和控制每個(gè)因素都是需要一個(gè)多學(xué)科的知識(shí)，對(duì)最終產(chǎn)品性能的改進(jìn)和優(yōu)化。薄壁零件的生產(chǎn)需要更高的注射壓力和鎖模力，這也使成型更加困難。要成型復(fù)雜形狀的薄壁零件通常采用多點(diǎn)進(jìn)料的方式，多點(diǎn)進(jìn)料的方式將會(huì)產(chǎn)生熔接痕，熔接痕的存在對(duì)塑料制件來說是非常致命的，它不僅使產(chǎn)品表面的美觀受到影響，而且減小了產(chǎn)品的強(qiáng)度。通過采用順序注射成型(SIM)可以減輕熔接痕的影響，SIM 利用序列地打開和關(guān)閉熱流道和針閥式澆口來控制成型工藝。通過合理規(guī)劃澆口的開啟和關(guān)閉，控制各個(gè)澆口的填充、保壓時(shí)間，降低注射壓力和鎖模力，使制件在低應(yīng)力和更均勻的保壓壓力下成型，從而取得更好的制件質(zhì)量［4］。

本研究在CAE 分析的基礎(chǔ)上，提出汽車飾件順序注射模具成型的優(yōu)化方案。

1 汽車內(nèi)飾件成型研究

1.1 制品分析

筆者研究對(duì)象是一個(gè)中型汽車車身內(nèi)飾塑料，主要要求是組件完成并保持優(yōu)良的表面外觀。

產(chǎn)品分兩部分組成如圖1所示，由螺釘裝配。

圖1 汽車內(nèi)飾件

產(chǎn)品的材料是PP/PPE 合金，該材料性能介于熱塑性聚烯烴和工程塑料之間，實(shí)現(xiàn)了材料剛性、韌性、耐熱性、加工性和價(jià)格之間較好的平衡，可應(yīng)用于汽車工業(yè)和其他行業(yè)，尤其是對(duì)輕量化要求越來越高的汽車行業(yè)，低比重的PP/PPE 合金具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)——非增強(qiáng)的PP/PPE 合金的比重小于1，甚至能夠漂浮在水上。

為了減少產(chǎn)品組件之間的顏色性能差異，提高了整體的視覺質(zhì)量，本研究采用在同一模具里制造兩個(gè)零件，同時(shí)，為了不產(chǎn)生大量流道廢料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，模具采用熱流道。

1.2 汽車內(nèi)飾件成型CAE 前置處理分析

兩個(gè)零件A 和B 的主要尺寸分別為255mm×125mm×41 mm 和255 mm × 125 mm × 23 mm，平均厚度為2.3 mm，使用UG NX 軟件進(jìn)行三維造型建模，并將建好的模型轉(zhuǎn)化為STEP 格式導(dǎo)入到有限元分析軟件Moldflow 注射模分析中，這種格式(STEP)可以使包括零件模型的實(shí)體特征在內(nèi)的零件特征得到很好的保留，而且網(wǎng)格劃分的一致性較好。

有限元分析基于fusion 模型層，這種網(wǎng)格劃分方法可以確保實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，模型的上、下表面被劃分成兩個(gè)薄殼型的網(wǎng)格單元，這種表面網(wǎng)格單元可保持與內(nèi)部的其他網(wǎng)格單元及外表面網(wǎng)格單元的一致性，以確保充填分析順利進(jìn)行。有限元分析基于fusion 網(wǎng)格使用多層分析技術(shù)，以得到模具型腔中各厚度的一系列不同位置的流動(dòng)和溫度數(shù)值。網(wǎng)格在沿模型的厚度方向上劃分整齊一致，這種網(wǎng)格劃分方法使模型上下表面的網(wǎng)格劃分整齊一致，幾乎可以認(rèn)為兩表面單元是一樣的網(wǎng)格單元。這種特殊的網(wǎng)格劃分單元在評(píng)估沿模型厚度方向的不一致流動(dòng)前沿和翹曲分析時(shí)必須的。這種技術(shù)(fusion 網(wǎng)格劃分)可使模型在CAD 與CAE 軟件之間直接接口轉(zhuǎn)換，消除模型在CAD 和CAE 軟件之間的轉(zhuǎn)換障礙，不需要中性層進(jìn)行代替3D 模型劃分技術(shù)，可快速的進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而且可得到在模型的層細(xì)節(jié)方面更加的精確分析用有限元網(wǎng)格，缺點(diǎn)是這種fusion 網(wǎng)格數(shù)量是中性層網(wǎng)格的兩倍，需要更多分析時(shí)間與成本［5］。

本研究取兩個(gè)零件的縱向和橫向fusion 網(wǎng)格數(shù)量分別為5 322 和3 780，三角形網(wǎng)格單元的平均縱橫比等于為2.17，兩個(gè)零件模型的網(wǎng)格匹配率都大于90%。注塑機(jī)鎖模力為1 100 kN 和注射速率為185 cm3/s。

注射工藝參數(shù)如表1所示。

模具和熔體采用聚合物制造商推薦的溫度。本研究通過對(duì)分別采用一個(gè)澆口和三個(gè)澆口兩種形式進(jìn)行有限元模擬分析。

模擬的結(jié)果如表2所示。從表2 可以看出，澆口多少對(duì)填充時(shí)間影響不大，但單個(gè)澆口需要的最大填充壓力與鎖模力都要高得多，本研究接下來的分析都是基于3 個(gè)澆口，而放棄采用單個(gè)澆口的形式。

表1 零件成型工藝表

表2 零件A、B 單澆口和三澆口成型工藝比較表

對(duì)于三澆口配置方案，最大的缺點(diǎn)是將會(huì)產(chǎn)生熔接痕。

本研究通過采用CAE 對(duì)一模兩腔模型填充和保壓階段的重復(fù)分析，采用流速為185 cm3/s 以及前面得出的工藝參數(shù)，可以分析出熱流道3 個(gè)澆口進(jìn)料的最佳位置，設(shè)計(jì)出完整的澆注系統(tǒng)。再根據(jù)定好的澆口位置進(jìn)行填充保壓分析(采用三澆口同時(shí)進(jìn)料方式)，可以模擬出零件A 和零件B 在不同時(shí)間的填充情況，如圖2所示。

圖2 各填充時(shí)期的情況

另外，填充時(shí)由于壁厚比較厚的位置流動(dòng)阻力比較小，壁厚厚的位置流速將會(huì)比較快，這就是塑料模具成型中的跑馬場(chǎng)效應(yīng)(The racetrack effect)，使得模穴中厚度小的區(qū)域尚未充填完成前厚度大的區(qū)域已經(jīng)領(lǐng)先充填完成，造成不必要的熔接痕和及塑件內(nèi)部中空。

2 順序注射成型優(yōu)化方案

基于上述分析結(jié)果，要消除或減弱熔接痕、減小鎖模力，本研究針對(duì)熱流道針閥式澆口采用順序注射成型的方式。熱流道板可以采用單層流道方式和一分二的雙層流道方式，給6 個(gè)澆口編好號(hào)(1～6)(澆口分布如圖3所示)。

圖3 澆口分布

本研究利用Moldflow 中的相關(guān)功能對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行精確定義，保證填充時(shí)料只有一個(gè)流動(dòng)前沿，避免各個(gè)支流產(chǎn)生多個(gè)流動(dòng)前沿相遇，確保不過度保壓，得出最佳的優(yōu)化方案［6-7］。

對(duì)于該制件，可以采用兩種順序注射方法:

方法1:先打開中間的閥澆口(3 和4)，從中間的澆口先進(jìn)料，到達(dá)兩邊澆口位置時(shí)打開兩側(cè)的閥澆口(1、5 和2、6)。

方法2:先打開一側(cè)的澆口(1 和2)，從一側(cè)的澆口開始進(jìn)料，到達(dá)中間澆口(3 和4)時(shí)打開中間的閥澆口，流體到達(dá)另一側(cè)的的澆口時(shí)打開澆口(5和6)。

通過模流分析可以知道，兩種方案中，方案2 需要的填充時(shí)間較長(zhǎng)，最大注射壓力也較大，但需要的鎖模力比方案1 低;同時(shí)，在質(zhì)量指標(biāo)上，它的體積收縮率、熔接痕指數(shù)以及翹曲方面，方案2 都有比較好的指標(biāo)，所以采用方案2 能得到更好的效果，即先打開閥澆口1、2，再打開閥澆口3、4，最后打開閥澆口5、6。

具體各個(gè)閥澆口的控制時(shí)間如圖4所示。其中，閥澆口1 達(dá)到閥澆口3 的位置時(shí)，閥澆口3 延遲0.1 s打開，跟閥澆口4 同步，由于零件A 和零件B 本身的不同，導(dǎo)致兩腔到達(dá)中間澆口的時(shí)間不同步，這種延遲是為了保證兩腔的同步性。在1.7 s 注射完成之后，閥澆口5 和6 繼續(xù)打開，同時(shí)閥澆口1 和2 再次打開，保證保壓階段的進(jìn)行。

圖4 各閥澆口開啟閉合時(shí)間

填充分析如圖5所示。

圖5 填充分析

這樣的順序注射成型很好地消除了跑馬場(chǎng)效應(yīng)(The racetrack effect)，很大程度上消除了熔接痕的影響。同時(shí)，跟三澆口同時(shí)進(jìn)料的普通熱流道相比，注射壓力跟鎖模力都大大降低，其中鎖模力比起普通熱流道注射成型降低尤為明顯，僅為1/3;普通熱流道成型的注射壓力是一個(gè)不斷上升的過程，而順序注射成型在達(dá)到一定峰值后，會(huì)有一個(gè)快速下降的過程［8-9］。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，經(jīng)優(yōu)化后各個(gè)澆口進(jìn)料的熔體能夠很好的融合在一起，整個(gè)產(chǎn)品的表面基本上看不到有熔接痕等各種表面缺陷，優(yōu)化后產(chǎn)品分子取向一致性好，整體質(zhì)量明顯提升。這說明采用順序注射成型優(yōu)化的方案極大地提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。

優(yōu)化的結(jié)果已用于生產(chǎn)，改進(jìn)后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品表面質(zhì)量良好，無熔接痕，大大地改善了制品的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本研究驗(yàn)證了使用順序注射成型可以提升汽車內(nèi)飾件塑件的質(zhì)量，提出采用順序注射成型的方法來消除熔接痕，通過CAE 模擬分析幫助工藝工程師設(shè)計(jì)澆口和修改模具設(shè)計(jì)。此外，所提出的方法可以直接通過監(jiān)測(cè)和對(duì)注塑機(jī)控制系統(tǒng)的工藝參數(shù)來優(yōu)化。

下一步的研究將著眼于通過壓力傳感器來提高有限元軟件使用的預(yù)測(cè)能力。

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