黃 可，殷春云，劉 江，高建國(guó)

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 前言

熱流道模具又稱(chēng)為無(wú)流道模具，比傳統(tǒng)模具更節(jié)約原料，其利用加熱裝置，在熱電偶的監(jiān)測(cè)下，使流道內(nèi)熔體一直保持在恒定溫度，可以實(shí)現(xiàn)低壓注射[1-2]。當(dāng)今世界在各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)該技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。利用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)對(duì)注射成型工藝進(jìn)行模擬及預(yù)測(cè)，而達(dá)到提高制品質(zhì)量及注射成型制造技術(shù)的目的，具有十分重要的工程意義[4]。

文獻(xiàn)[5]基于Moldflow軟件對(duì)多嵌式汽車(chē)接插件包塑成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬及結(jié)果評(píng)估；文獻(xiàn)[6]以?xún)x表臺(tái)出風(fēng)口2個(gè)不同產(chǎn)品同模注塑為例，應(yīng)用Moldflow對(duì)冷流道注塑方案進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[7]基于Moldflow平臺(tái)，針對(duì)“固定套”注塑模具進(jìn)行最佳注塑仿真分析；文獻(xiàn)[8]通過(guò)Moldflow軟件對(duì)家電產(chǎn)品零件豎梁基座進(jìn)行了氣體輔助注射成型(GAIM)過(guò)程模擬仿真。上述通過(guò)Moldflow軟件對(duì)塑件注射成型的研究，對(duì)本文有一定的啟發(fā)，但仍不能解決車(chē)窗內(nèi)飾件熱流道注塑過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文以某型號(hào)汽車(chē)車(chē)窗內(nèi)飾件為研究對(duì)象，利用NX12.0三維造型軟件及Moldflow2018模流分析軟件，分析了車(chē)窗內(nèi)飾件的三維設(shè)計(jì)及注塑過(guò)程；研究了相關(guān)熱流道工藝參數(shù)對(duì)車(chē)窗內(nèi)飾件注射成型的影響規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了模流分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及極差分析法和合理性。

1 問(wèn)題提出

車(chē)窗內(nèi)飾件模型如圖1所示，塑件呈細(xì)長(zhǎng)型分布，整體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，零件存在倒扣現(xiàn)象，C部分最為嚴(yán)重，給抽芯帶來(lái)很大困難。塑件選用丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)材質(zhì)，線性膨脹系數(shù)為(6.0～9.3)×10-5/℃，成型收縮率為0.4 %～0.7 %，在NX12.0軟件中指定模型類(lèi)別為PLASTIC， 材質(zhì)為ABS，測(cè)得塑件質(zhì)量為229 g(取ABS密度為1.07 g/cm3)；體積為217 624 mm3；平均厚度為1.5 mm；整體外形尺寸為500 mm×1 026 mm。

圖1 車(chē)窗內(nèi)飾件模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Model structure of window interior trim

該塑件屬于大型薄壁類(lèi)塑件，若采用普通冷流道可能導(dǎo)致流道過(guò)長(zhǎng)，流道凝料比增高，壓力在傳遞過(guò)程中損失嚴(yán)重，熔融料流在還沒(méi)有到達(dá)末端已經(jīng)凝結(jié)，致使塑件注射成型后表面形成縮孔、凹陷、熔接痕；只能提高注射壓力，縮短充填時(shí)間，以期利用高速料流與噴嘴的摩擦，提高料流溫度及料流的流動(dòng)性，這樣可能導(dǎo)致樹(shù)脂在這一時(shí)間段已經(jīng)分解或燒焦。

該類(lèi)大型薄壁類(lèi)塑件不適宜冷流道注射成型，熱流道注塑模有降低制品成本；節(jié)約原料；澆注系統(tǒng)塑料保持熔融；注射原料中不再摻入流道或澆口凝料等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大型制品、多型腔制品、多澆口制品、薄壁類(lèi)制品的低壓注射。

2 CAE模型分析及熱流道位置預(yù)設(shè)

注塑過(guò)程中塑件都會(huì)產(chǎn)生不同程度的內(nèi)應(yīng)力。熔融料流的溫度大于初始模具溫度，靠近模具的料流先降溫甚至凝結(jié)，料流中部溫度仍較高以保持料流的流動(dòng)性，冷卻階段各部分冷卻狀況有先后及快慢之分，脫模后塑件都會(huì)發(fā)生不同程度的翹曲，該類(lèi)問(wèn)題屬于非線性問(wèn)題，工程應(yīng)用中較為棘手。

CAE技術(shù)能夠預(yù)測(cè)塑件最終成型的形狀、尺寸，保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。翹曲變形分析的目的是預(yù)測(cè)在預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)下，脫模后塑件的力學(xué)性能、應(yīng)力分布、幾何尺寸及外觀成型質(zhì)量，從而改進(jìn)模具設(shè)計(jì)方案、成型工藝參數(shù)及塑件空間結(jié)構(gòu)。眾多模流分析軟件中，Moldflow有限元分析軟件應(yīng)用最廣，模擬結(jié)果也最精確。本研究即基于此軟件進(jìn)行模流分析，其工作原理為利用假想的面(或線)，將連續(xù)介質(zhì)的邊界或內(nèi)部，分割成有限數(shù)目的、有限大小的離散單元來(lái)研究。

在NX12.0三維造型軟件中，對(duì)車(chē)窗內(nèi)飾件模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，修復(fù)破面及刪除自相交壁等操作后，設(shè)置熱流道位置，如圖2所示。將模型導(dǎo)出為igs格式后，導(dǎo)入至Autodesk Moldflow Synergy 2018(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Moldflow 2018)軟件中。

圖2 車(chē)窗內(nèi)飾件模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Model drawing of window interior trim

在Moldflow 2018有限元分析軟件中，將網(wǎng)格類(lèi)型設(shè)置為雙層面，如圖3所示；設(shè)置熱流道，截面形狀為圓形，直徑為10 mm。在實(shí)際熱流道板中加裝熱傳感器，使熔體溫度一直保持在設(shè)定值，與有限元軟件中的預(yù)設(shè)值保持一致；設(shè)置冷卻回路，水管與零件間距離為15 mm，管道數(shù)量為14，水管直徑為12 mm，管道中心之間距離為20 mm，水管超出零件之外距離為50 mm，管道與管道之間選擇軟管連接，水管相對(duì)于零件的排列方式為較長(zhǎng)的Y向，具體見(jiàn)模具實(shí)物模型圖4。

圖3 車(chē)窗內(nèi)飾件雙層面網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of car window interior trim on two levels

圖4 模具實(shí)物模型圖Fig.4 Mold mock-up drawing

3 軟件預(yù)設(shè)及成型參數(shù)正交試驗(yàn)分析

3.1 Moldflow 2018軟件預(yù)設(shè)

本次模擬重點(diǎn)要分析塑件的翹曲變形，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)，盡量劃分細(xì)密。常規(guī)選項(xiàng)中，曲面上的全局邊長(zhǎng)設(shè)置為2 mm；打開(kāi)匹配網(wǎng)格；打開(kāi)計(jì)算雙層面網(wǎng)格的厚度；設(shè)置在澆口附近應(yīng)用額外細(xì)化，細(xì)化值為相對(duì)邊長(zhǎng)的10 %。NURBS選項(xiàng)中，將曲面網(wǎng)格生成器定義為波前法；啟用弦高控制，弦高設(shè)置為0.1 mm；打開(kāi)通過(guò)曲面曲率控制優(yōu)化縱橫比；打開(kāi)通過(guò)臨近控制優(yōu)化縱橫比；打開(kāi)平滑網(wǎng)絡(luò)(僅NURBS曲線)；設(shè)置合并公差為0.05 mm。網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)得三角形實(shí)體276 363個(gè)；已連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)140 139個(gè)；聯(lián)通區(qū)域24個(gè)；表面積(不包括模具鑲塊和冷卻管道)2 780.62 cm2；按單元類(lèi)型統(tǒng)計(jì)的三角形體積為656.843 cm3；不可見(jiàn)三角形0個(gè)；縱橫比最小1.16，平均1.61，最大為6.67；邊細(xì)節(jié)特征中，自由邊為0個(gè)，共用邊為412 591個(gè)，多重邊為0個(gè)，當(dāng)不包括不可見(jiàn)三角形時(shí)，自由邊為0個(gè)；取向細(xì)節(jié)中，配向不正確的單元為0個(gè)；交叉點(diǎn)細(xì)節(jié)中，相交單元為0個(gè)，完全重疊單元為0個(gè)；匹配百分比為90.9 %；相互百分比為89.0 %。

將分析序列設(shè)置為填充+保壓+翹曲，材料選擇列中，制造商為Monsanto Kasei，牌號(hào)為30 % Rubber，材料類(lèi)型為Amorphous，材料縮寫(xiě)為ABS；注射位置中，設(shè)置為圖2所示位置；工藝設(shè)置中，打開(kāi)考慮模具熱膨脹，打開(kāi)分離翹曲原因，打開(kāi)考慮角效應(yīng)；矩陣求解器中，指定SSORCG為求解器。

優(yōu)化參數(shù)方案中選擇模具表面溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、冷卻時(shí)間為研究對(duì)象。選擇填充末端總體溫度、鎖模力、注射壓力、壁剪切應(yīng)力、縮痕深度、流動(dòng)前沿溫度、達(dá)到頂出溫度的時(shí)間、頂出時(shí)的體積收縮率、保壓結(jié)束時(shí)間、零件總重量，為自由優(yōu)化。零件翹曲變形分析只選擇Z方向變形作為分析對(duì)象，忽略X、Y方向變形。

3.2 成型參數(shù)正交試驗(yàn)分析

Moldflow 2018軟件中，注塑ABS(30 % 橡膠)材料時(shí)，模具表面溫度推薦值為25～80 ℃，熔體溫度推薦值為200～280 ℃，頂出溫度推薦值為75～95 ℃，冷卻時(shí)間則沒(méi)有推薦值，預(yù)設(shè)時(shí)間為20 s。各因素交織，對(duì)車(chē)窗內(nèi)飾件翹曲變形的影響相當(dāng)復(fù)雜。正交試驗(yàn)則能很好的解決這類(lèi)具有多因素多水平的問(wèn)題，具有效率極高、齊整可比、均勻分散等特點(diǎn)[9]。

選取模具表面溫度、熔體溫度、頂出溫度、冷卻時(shí)間為研究對(duì)象(對(duì)塑件質(zhì)量影響最大)[9-10]，分別定義為因素H、I、J、K。Moldflow2018軟件提供了4個(gè)方面的翹曲分析結(jié)果，包括取向因素引起的變形、收縮因素引起的變形、冷卻不均引起的變形、所有因素變形，每一方面又能夠分析X、Y、Z各個(gè)分方向上的變形量及總變形量，通常X、Y方向上的變形被視為收縮，Z方向上的變形則被視為翹曲，本文將Z方向上的變形與塑件總厚的比稱(chēng)為翹曲率。正交試驗(yàn)的4因素4水平分配情況如表1所示，正交試驗(yàn)方案及翹曲率如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

Tab.1 Horizontal table of orthogonal test factors

表2 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

Tab.2 Orthogonal test scheme and results

表2中各數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖5所示，翹曲率處于1.89 %～3.45 %之間，在第4組工藝參數(shù)的作用下車(chē)窗內(nèi)飾件的翹曲率最高為3.45 %；在第5組工藝參數(shù)的作用下車(chē)窗內(nèi)飾件的翹曲率最低為1.89 %。每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)翹曲率的影響分別為多少，還需要極差法分類(lèi)分析。

圖5 各組別翹曲率對(duì)比Fig.5 Comparison of warping rate of each group

表3中極差B代表各工藝參數(shù)對(duì)翹曲率的影響程度，B值越大，表示翹曲率的變化越大。其中，Ai1，Ai2，Ai3，Ai4(i=H，I，J，K)分別為不同工藝參數(shù)不同水平下翹曲率的總和；ai1，ai2，ai3，ai4(i=H，I，J，K)分別為不同工藝參數(shù)不同水平下翹曲率的平均值；B為最小平均值與最大平均值之差額即極差。

表3 翹曲率的極差分析

%

Tab.3 Range analysis of warping rate %

對(duì)翹曲率的極差分析，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為K3H3J2I3即H3I3J2K3，將該組參數(shù)與正交表中16種數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該組工藝參數(shù)，在正交設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有設(shè)計(jì)，這也凸顯了極差分析法的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)該組工藝參數(shù)重新利用Moldflow 2018進(jìn)行有限元分析，得出在該組工藝參數(shù)下，車(chē)窗內(nèi)飾件的翹曲率為1.45 %。對(duì)該組參數(shù)，即模具表面溫度60 ℃；熔體溫度260 ℃；頂出溫度82 ℃；冷卻時(shí)間30 s進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)K3H3J2I3組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖6所示。塑料注射成型機(jī)選用海天注塑機(jī)MA33000/u，其參數(shù)為：機(jī)器質(zhì)量250 t；電熱功率187.9 kW；油泵馬達(dá)55 kW×4；油箱容積4 700 L；最大油泵壓力16 MPa；頂出行程500 mm；最小模厚900 mm；最大模厚1 900 mm；拉桿內(nèi)間距2 160 mm×1 900 mm；移模行程2 150 mm；注射質(zhì)量39 612 g；長(zhǎng)徑比21；螺桿直徑215 mm；理論注射量43 530 g；鎖模力3 300 t。

凹模、型芯等主要成型零部件結(jié)構(gòu)設(shè)置為：車(chē)窗內(nèi)飾件細(xì)節(jié)特征較多，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了節(jié)約模具鋼及加工工藝優(yōu)化，型芯采用多塊鑲拼式結(jié)構(gòu)，固定方式采用套板加定位銷(xiāo)固定；車(chē)窗內(nèi)飾件表面不允許有拼接痕跡，所以凹模采有整體式加工。該塑件存在嚴(yán)重的倒扣且空間位置狹小，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽芯，所以采用手動(dòng)脫模的方式。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中的鋼尺起到了圖例的作用同時(shí)充當(dāng)檢具，鋼尺與塑件間的間隙均勻，說(shuō)明塑件在Z方向上的變形不大，可以看出外觀特征1～2、細(xì)節(jié)特征1～2，質(zhì)量均良好。車(chē)窗內(nèi)飾件的理論翹曲率為1.45 %，試驗(yàn)后幾乎沒(méi)有發(fā)生翹曲，也佐證了Moldflow 2018有限元分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(a)動(dòng)模 (b)車(chē)窗內(nèi)飾件在動(dòng)模內(nèi) (c)定模圖6 在K3H3J2I3組參數(shù)下試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 Test site diagram under K3H3J2I3 group parameters

(a)外觀特征1 (b)外觀特征2 (c)細(xì)節(jié)特征1 (d)細(xì)節(jié)特征2圖7 K3H3J2I3組參數(shù)下成型后細(xì)節(jié)特征Fig.7 Detail Characteristics of K3H3J2I3 group parameters after molding

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)車(chē)窗內(nèi)飾件三維模型進(jìn)行分析，得出該類(lèi)零件只能采用熱流道注射成型。在NX12.0三維造型軟件中，預(yù)設(shè)了熱流道澆口位置；

(2)選取模具表面溫度、熔體溫度、頂出溫度、冷卻時(shí)間為研究對(duì)象，利用正交試驗(yàn)法結(jié)合極差分析法，得出模具表面溫度60 ℃、熔體溫度260 ℃、頂出溫度82 ℃、冷卻時(shí)間30 s時(shí)，車(chē)窗內(nèi)飾件的翹曲率最小，為1.45 %；

(3)對(duì)K3H3J2I3組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，車(chē)窗內(nèi)飾件，存在嚴(yán)重的倒扣且空間位置狹小，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽芯，故采用手動(dòng)脫模的方式；試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)窗內(nèi)飾件外觀質(zhì)量良好，觀察不到翹曲現(xiàn)象，佐證了Moldflow 2018有限元分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；極差分析法的合理性。