牛家騰，張惠敏，唐 躍

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266100）

Moldflow軟件可以縮短模具設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化橡膠和塑料制品的生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但Moldflow軟件在塑料注射成型工藝和模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用廣泛，而在橡膠注射成型中的應(yīng)用還很少。本工作應(yīng)用Moldflow軟件，對(duì)轎車(chē)水箱蓋的注射成型工藝進(jìn)行分析，研究模具溫度對(duì)膠料的充模時(shí)間、充模結(jié)束時(shí)的體積固化率和充模后的體積固化率的影響，選擇最優(yōu)的模具溫度。

1 有限元模型的建立

本工作以轎車(chē)水箱蓋為研究對(duì)象，首先用UG格式創(chuàng)建水箱蓋的實(shí)體模型，然后將模型以IGS格式導(dǎo)入Moldflow軟件中，并劃分網(wǎng)格。Moldflow軟件可以提供3種網(wǎng)格劃分方法：中性面、雙層面以及3D網(wǎng)格[1]。轎車(chē)水箱蓋是一個(gè)薄壁橡膠制品，因此采用雙層面來(lái)劃分網(wǎng)格，以保證網(wǎng)格質(zhì)量，并節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存。轎車(chē)水箱蓋注射成型模具設(shè)計(jì)為1模4腔，流道形狀設(shè)計(jì)為H型。用Moldflow軟件設(shè)計(jì)的轎車(chē)水箱蓋注射成型模具的有限元模型如圖1所示。

圖1 轎車(chē)水箱蓋注射成型模具的有限元模型

2 模具溫度方案設(shè)計(jì)

與塑料制品不同，橡膠制品在注射成型過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜的硫化反應(yīng)。橡膠制品的硫化是在高溫、高壓下完成的，硫化期間橡膠線性大分子交聯(lián)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子，從而改善膠料的物理性能[2]。

本工作膠料在模具中的熔體溫度為90 ℃。模具溫度對(duì)成型非常重要，在不同溫度下，膠料在充模階段分子鏈交聯(lián)反應(yīng)情況各不相同。適宜的模具溫度可以保證膠料順利充滿模腔，縮短固化時(shí)間，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，薄壁橡膠制品的模具溫度一般不超過(guò)190 ℃，也不低于160 ℃。本工作模具溫度分別取165 ℃，170 ℃，175 ℃，180 ℃。

3 模具溫度對(duì)成型工藝的影響

3.1 充模時(shí)間

膠料的充模時(shí)間反映了膠料流動(dòng)性的優(yōu)劣。模具溫度直接影響膠料的粘度[3]，而膠料粘度與其流動(dòng)性密切相關(guān)，膠料粘度越小，流動(dòng)性越好，充模時(shí)間越短；膠料粘度越大，流動(dòng)性越差，充模時(shí)間越長(zhǎng)。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模時(shí)間見(jiàn)圖2，模具溫度對(duì)膠料充模時(shí)間的影響見(jiàn)圖3。

圖2 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模時(shí)間

圖3 模具溫度對(duì)膠料充模時(shí)間的影響

從圖2和3可以看出：模具溫度越高，膠料的流動(dòng)性越好，充模時(shí)間越短；模具溫度越低，膠料的流動(dòng)性越差，充模時(shí)間越長(zhǎng)。充模時(shí)間超過(guò)5 s，膠料可能不能充滿模腔，導(dǎo)致制品出現(xiàn)缺陷，因此模具溫度不應(yīng)低于170 ℃。

3.2 充模結(jié)束時(shí)的體積固化率

體積固化率是指在膠料硫化過(guò)程中固化膠料體積占模腔體積的比例。最理想的狀態(tài)是膠料能快速充滿模腔而不產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，不易發(fā)生焦燒，因此充模結(jié)束時(shí)膠料的體積固化率越小越有利[4]。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率見(jiàn)圖4，模具溫度對(duì)膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率的影響見(jiàn)圖5。

圖4 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率

圖5 模具溫度對(duì)膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率的影響

從圖4和5可以看出：模具溫度越低，膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率越?。荒＞邷囟仍礁?，膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率越大，這是由于模具溫度越高，膠料的硫化速度越快，越容易產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，阻礙膠料流動(dòng)，從而導(dǎo)致膠料不能充滿模腔。膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率大于0.75%，膠料可能不能充滿模腔，影響制品外觀和質(zhì)量，因此模具溫度應(yīng)不大于180 ℃。

3.3 充模后的體積固化率

橡膠屬于熱固性材料，當(dāng)熔融的膠料注入模腔以后，借助模腔的高溫，橡膠分子之間產(chǎn)生劇烈的交聯(lián)反應(yīng)。膠料充模后某一時(shí)間點(diǎn)的體積固化率越大，說(shuō)明橡膠制品成型所需的時(shí)間越短，生產(chǎn)效率越高；充模后某一時(shí)間點(diǎn)的體積固化率越小，說(shuō)明橡膠制品成型所需的時(shí)間越長(zhǎng)，生產(chǎn)效率越低。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率見(jiàn)圖6，模具溫度對(duì)膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率的影響如圖7所示。

圖6 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率

圖7 模具溫度對(duì)膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率的影響

從圖6和7可以看出，隨著模具溫度升高，膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率逐漸增大。膠料體積固化率大，說(shuō)明硫化速度快，成型時(shí)間短，生產(chǎn)效率高?？偟膩?lái)看，模具溫度高對(duì)膠料充模后的成型有利。

3.4 優(yōu)選模具溫度

綜合來(lái)看，對(duì)于90 ℃的橡膠熔體，模具溫度在175 ℃時(shí)，膠料充模時(shí)間短，能快速充滿整個(gè)模腔；充模結(jié)束時(shí)的體積固化率小，充模過(guò)程中不易產(chǎn)生焦燒；充模后35 s時(shí)的體積固化率大，膠料交聯(lián)反應(yīng)速度快，成型時(shí)間短，能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)效率。因此優(yōu)選的模具溫度為175 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

轎車(chē)水箱蓋是一種廣泛使用的汽車(chē)配件，具有密封和承壓作用，品種較多，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。采用Moldflow軟件可以對(duì)轎車(chē)水箱蓋等橡膠制品的注射成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，縮短工藝和模具設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。Moldflow軟件作為一款優(yōu)秀橡膠、塑料流動(dòng)分析仿真軟件，應(yīng)在橡膠制品的注射成型研究中推廣使用。