陳曉春

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214405)

0 前言

塑料成型受到很多因素的影響，注射成型中常見(jiàn)的問(wèn)題有：表面光澤不良、熔接痕、收縮凹陷、填充不足、流痕、燒焦、飛邊、翹曲變形等。常凈芳等[1]對(duì)多嵌式汽車(chē)接插件包塑成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬及結(jié)果評(píng)估，并通過(guò) Moldflow 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證；崔小松等[2]以儀表臺(tái)出風(fēng)口2個(gè)不同產(chǎn)品同模注塑為例，對(duì)2種澆注系統(tǒng)方案進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，冷/熱流道結(jié)合能有效解決冷流道注塑帶來(lái)的質(zhì)量缺陷；陳開(kāi)源等[3]針對(duì)手電筒上下蓋注塑模組合型腔熔體流動(dòng)不平衡的問(wèn)題，采用 Moldflow 軟件進(jìn)行了模流分析，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)。

上述對(duì)塑件注射成型的研究，對(duì)本文有一定的啟發(fā)，但仍不能解決A 柱內(nèi)飾件注塑過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文以某型號(hào)汽車(chē) A 柱內(nèi)飾件為研究對(duì)象，利用 Moldflow2018 模流分析軟件分析了 A 柱內(nèi)飾件的注塑過(guò)程；研究了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì) A 柱內(nèi)飾件成型的影響規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了模流分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 注塑工藝分析

1.1 A柱內(nèi)飾件模型

A柱內(nèi)飾件模型如圖 1 所示，其整體外形尺寸為 785 mm×150 mm；塑件平均壁厚2.3 mm；塑件整體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，呈細(xì)長(zhǎng)型分布。A-A 截面所在位置為主裝配筋所在位置，為了裝配方便設(shè)置成中空結(jié)構(gòu)，壁厚為2.3 mm，壁厚均勻，筋底為了便于脫模，設(shè)計(jì)了 1 °的拔模角度；B-B 截面所在位置為次裝配筋所在位置，該截面壁厚不均，也設(shè)置成中空結(jié)構(gòu)，該截面尺寸的波動(dòng)可能在注塑過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致料流不能穩(wěn)定地流動(dòng)；C部分為汽車(chē)音響安裝口，該部分分布有多個(gè)小孔，每個(gè)孔的直徑為φ1.5 mm， 該部分在注射成型時(shí)最容易產(chǎn)生熔接線，冷卻時(shí)由于內(nèi)部流道比較細(xì)密，凝料收縮情況也比較復(fù)雜。所以在設(shè)計(jì)模具之前，要借助 Moldflow模流分析軟件充分暴露可能出現(xiàn)的問(wèn)題，王小新、劉斌等[4-5]對(duì)該塑件的注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，避免試模階段的返修。

圖1 A 柱內(nèi)飾件模型Fig.1 Interior trim model of column A

1.2 A柱內(nèi)飾件澆口位置分析

澆口位置的選擇，決定了塑件最終的成型質(zhì)量。條件允許的情況下，澆口應(yīng)設(shè)置在塑件的正中央(幾何中心)，保證熔融料流較為均衡地流動(dòng)，使?jié)部诘搅鲃?dòng)終端的線路等長(zhǎng)度，避免注塑失衡；如若熔融料流線路很長(zhǎng)，常常會(huì)在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生凝料現(xiàn)象，導(dǎo)致線路末端不能獲得較好的均衡充填，則需考慮增加多個(gè)澆口，來(lái)縮短熔融料流線路長(zhǎng)度。田永、王和慧等[6-7]規(guī)則塑件遵循以上兩點(diǎn)就可以很好地解決澆口位置及澆口數(shù)量的問(wèn)題。

本文所研究的塑件為異型塑件，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，A面為外觀面，表面要求極高，不允許出現(xiàn)澆口及熔接線，C部所示的音響口特征，料流很容易因?yàn)榱鞯兰?xì)窄而充填不充分，該區(qū)域附近必須增加澆口以保證足夠的內(nèi)壓；B面為功能區(qū)域且加強(qiáng)筋等部位均不對(duì)稱，B面上的 K1～K12 小凸臺(tái)，在料流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)影響料流走勢(shì)，很容易在該處形成氣孔；J1～J3 接插特征壁厚相對(duì)較厚且為料流的流動(dòng)終端，在注塑過(guò)程中需適當(dāng)提高保壓時(shí)間，才能充填完全；H1～H2 為扣接特征，設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，需在模具上設(shè)計(jì)相應(yīng)的內(nèi)抽結(jié)構(gòu)，內(nèi)抽結(jié)構(gòu)的引入很大程度上改變了熔融料流的流向，為了保證充填完全，需在該區(qū)域分別設(shè)置澆口。

A、B—面編號(hào) C—音響口特征 K1～K12—小凸臺(tái) J1～J3—接插特征 H1～H2—扣接特征 Ⅰ～ Ⅳ—注塑分區(qū)(a)裝飾件正面 (b)裝飾件背面圖2 A柱內(nèi)飾件各部分分區(qū)圖Fig.2 Partition diagram of each part of column A interior decoration

綜上，將塑件大致分為4個(gè)區(qū)域(Ⅰ～Ⅳ區(qū))，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)澆口。A 面為外觀面，排除設(shè)置澆口的可能；B 面功能區(qū)也排除設(shè)置澆口可能，所以澆口應(yīng)選擇潛伏式側(cè)澆口。鑒于本塑件的細(xì)長(zhǎng)特征，模具設(shè)計(jì)成“一模兩腔”結(jié)構(gòu)，進(jìn)行鏡像對(duì)稱注塑。

2 CAE模型設(shè)置及參數(shù)正交試驗(yàn)分析

2.1 A柱內(nèi)飾件CAE 設(shè)置

在nx12.0三維造型軟件中，對(duì)塑件進(jìn)行設(shè)計(jì)并修復(fù)破面及刪除自相交壁等操作后，導(dǎo)出為STL格式后，導(dǎo)入Moldflow2018 模流分析軟件中。將網(wǎng)格類型設(shè)置為雙層面；曲面上的全局邊長(zhǎng)設(shè)置為5 mm；在澆口附近應(yīng)用額外細(xì)化25 %；打開(kāi)計(jì)算雙層面網(wǎng)格的厚度；打開(kāi)匹配網(wǎng)格，曲線界面下設(shè)置澆注系統(tǒng)的邊長(zhǎng)與直徑之比為0.1∶4；回路的邊長(zhǎng)與直徑之比為0.5∶8；最大弦高與弦長(zhǎng)之比為0.02∶0.3；澆口的每條曲線上的最小單元數(shù)為1∶5，將網(wǎng)格置于激活層中復(fù)選框打開(kāi)。網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)共得三角形網(wǎng)格168 676 個(gè)；已連接的節(jié)點(diǎn)112 750個(gè)；連通區(qū)域1；不可見(jiàn)三角形0；面積(不包括模具鑲塊和冷卻管道)4 619.94 cm2；按單元類型統(tǒng)計(jì)的體積為 483.677 cm3；縱橫比最大為6.7，平均1.89，最小1.02；自由邊及多重邊均為0，公用邊201 406個(gè)；相交單元2個(gè)(已修復(fù))，完全重疊單元4個(gè)(已修復(fù))；匹配百分比93.2 %，相互百分比 91.2 %，如圖 3(a)所示。材質(zhì)選取Monsanto Kasei公司生產(chǎn)的Amorphous型丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料。設(shè)置主熱流道，截面形狀設(shè)置為圓形設(shè)置為非椎體；主熱流道直徑為12 mm。外部加熱器在熔體溫度低于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)，直徑為10 mm。設(shè)置冷卻回路，水管直徑為10 mm；水管與零件間距離為20 mm；水管與零件排列方式選擇較長(zhǎng)的y向；管道數(shù)量為 14；管道中心之間距離為30 mm；超出零件之外距離為20 mm；管道與管道之間選擇軟管連接，具體水路如圖 3(b) 所示。

(a)網(wǎng)格劃分 (b)水路設(shè)置圖圖3 有限元分析模型Fig.3 Finite analysis model

2.2 試驗(yàn)因素及水平的確定及結(jié)果分析

很多工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，如熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力、鎖模力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間，各因素交織，對(duì)塑件翹曲的影響相對(duì)復(fù)雜。正交試驗(yàn)是一種針對(duì)具有復(fù)雜因素的多水平多因素的設(shè)計(jì)方法，具有齊整可比、效率極高、均勻分散等特點(diǎn)，因而在試驗(yàn)驗(yàn)證之前安排正交試驗(yàn)來(lái)得到各因素對(duì)塑件翹曲的影響。

在諸多影響因素中，選取熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間為研究對(duì)象，分別定義為因素A、B、C、D。衛(wèi)煒、龐龍鳳等[8-9]正交試驗(yàn)的 4 因素 4 水平分配情況如表 1 所示，第1和第4水平均為軟件預(yù)設(shè)的極限值，第2、第3水平為平均插值。正交試驗(yàn)方案及平均體積收縮率的值如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

表2中各數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖4所示，平均體積收縮率處于 4.384 %～5.762 %之間，16組試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果變化范圍較寬，說(shuō)明不同工藝參數(shù)對(duì)平均體積收縮率的影響很大。在圖4中可以直觀地看出，在第1 組工藝參數(shù)的作用下塑件的平均體積收縮率最高為5.762 %；在第13組工藝參數(shù)的作用下塑件的平均體積收縮率最低為4.384 %。

圖4 各組別平均體積收縮率對(duì)比圖Fig.4 Comparison of average volume shrinkage of each group

表3中極差E代表各工藝參數(shù)對(duì)平均體積收縮率的影響程度，E值越大，表示平均體積收縮率的變化越大。其中，Hi1，Hi2，Hi3，Hi4(i=A，B，C，D)分別為不同工藝參數(shù)不同水平下體積收縮率的總和；hi1，hi2，hi3，hi4(i=A，B，C，D)分別為不同工藝參數(shù)不同水平下體積收縮率的平均值；E為最大平均值與最小平均值之差。

表3 平均體積收縮率的極差分析 %

對(duì)平均體積收縮率的極差分析，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為B1D4A2C2 即 A2B1C2D4，對(duì)比發(fā)現(xiàn)該組工藝參數(shù)不在正交試驗(yàn)表中，故需要對(duì)該組工藝參數(shù)重新進(jìn)行有限元分析，得出在該組工藝參數(shù)下，平均體積收縮率為3.42 %。分別對(duì)第13組(A4B1C4D2)及A2B1C2D4 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)以上2組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖5 所示。塑料注塑機(jī)選用無(wú)錫泓源塑料機(jī)械制造有限公司的CJ80TB 型注塑機(jī)，鼓風(fēng)干燥箱選用上海昕?jī)x儀器儀表有限公司的DHG9240A型鼓風(fēng)干燥箱，塑件材料為ABS。參照傅建鋼文獻(xiàn)[10]將粒料在85 ℃的溫度下干燥 6 h，在第13組工藝參數(shù)下即熔體溫度240 ℃、保壓壓力105 MPa、保壓時(shí)間11 s、冷卻時(shí)間23 s的情況下進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，可以看出，A柱內(nèi)飾件左右相差較大；頂端翹曲嚴(yán)重；整體輪廓與檢具間隙普遍超差。由于模擬出的平均體積收縮率為 4.384 %，試驗(yàn)結(jié)果符合模擬結(jié)果。

圖5 試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Test field

圖6 第13組工藝參數(shù)制備的產(chǎn)品Fig.6 Product processed with group 13 process parameters

對(duì)在A2B1C2D4 組參數(shù)下A柱內(nèi)飾件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件為熔體溫度 232 ℃、保壓壓力105 MPa、保壓時(shí)間7 s、冷卻時(shí)間29 s。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出，圖2中C部分的音響口特征成型完全，沒(méi)有因?yàn)閮?nèi)流道細(xì)長(zhǎng)而產(chǎn)生缺陷；H2扣接特征也沒(méi)有出現(xiàn)表面質(zhì)量問(wèn)題。將圖7所示產(chǎn)品放入檢具，檢驗(yàn)得左右相差在允許范圍內(nèi)；頂端沒(méi)有發(fā)生翹曲；整體輪廓與檢具間隙在允許范圍內(nèi)。

圖7 A2B1C2D4組參數(shù)下產(chǎn)品Fig.7 Product processed with A2B1C2D4 group parameters

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì) A 柱內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出采用4點(diǎn)進(jìn)料，能夠很好地解決本異型塑件的進(jìn)料方式,模具設(shè)計(jì)成“一模兩腔”結(jié)構(gòu);

(2)選取熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間為研究對(duì)象，得出熔體溫度240 ℃、保壓壓力105 MPa、保壓時(shí)間11 s、冷卻時(shí)間23 s的情況下，塑件的平均體積收縮率最低為4.384 %；通過(guò)極差分析法，得出在 A2B1C2D4組工藝參數(shù)下，塑件平均體積收縮率更低，為 3.42 %;

(3)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出在 A2B1C2D4 組工藝參數(shù)下，A 柱內(nèi)飾件音響口特征成型完全，沒(méi)有因?yàn)閮?nèi)流道細(xì)長(zhǎng)而產(chǎn)生缺陷,整體輪廓與檢具間隙在允許范圍內(nèi)。