趙天德

(梧州職業(yè)學(xué)院，廣西梧州 543002)

丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)具有十分優(yōu)異的硬度、強(qiáng)度和韌性，而且其尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)耐受性也十分良好。ABS的應(yīng)用廣泛，在日常生活用品、汽車零部件、工程部件等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1–3]。隨著汽車輕量化發(fā)展越來越快，ABS在汽車中的應(yīng)用也越來越廣泛，后視鏡外殼、儀表盤、保險(xiǎn)杠等，都可以利用ABS塑料來制造。ABS塑料是一種熱塑性工程塑料，能夠通過注塑、擠出等常見的加工方式進(jìn)行加工，用于汽車零部件制備時(shí)常采用注塑加工的手段。根據(jù)ABS的熔融溫度和分解溫度可以確定其加工窗口為220～260℃，具體加工溫度應(yīng)根據(jù)不同牌號ABS性質(zhì)來確定。為了防止ABS在料筒內(nèi)降解和燒焦，需要控制其停留時(shí)間低于6 min。除此之外，提高注塑壓力，可以有效提高注塑效率，降低熱熔停留時(shí)間，改善充模性能[4–6]。

對于汽車零部件來說，一般為薄壁制件，這類注塑件的加工工藝和加工過程對其質(zhì)量和性能的影響十分顯著，工藝控制不合適，容易導(dǎo)致出現(xiàn)收縮或翹曲變形等缺陷。例如，在冷卻過程中，制件不同部位以不同的速率進(jìn)行冷卻，則不同部位的固化和收縮過程各不相同，熔體內(nèi)應(yīng)力釋放速率不同，進(jìn)而導(dǎo)致最終制件發(fā)生翹曲變形。除了冷卻速率外，注塑過程中所采用的的注塑溫度、注塑壓力、注射速率、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度等均會(huì)影響制件的最終質(zhì)量，從而造成注塑件出現(xiàn)缺陷。因此，采用合適的注塑工藝是改善注塑件質(zhì)量的有效手段[7–10]。由于通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化過程較為繁瑣，周期較長，所以一般會(huì)利用正交試驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法對注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該過程實(shí)施周期短，高效快速[11–15]。筆者對ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的注塑工藝進(jìn)行了仿真模擬，由于注塑原料確定為ABS塑料，因此對于注塑溫度和壓力等參數(shù)的優(yōu)化空間較小，可根據(jù)注塑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，基本可以篩選出最優(yōu)的溫度和壓力參數(shù)組合。筆者主要對模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，探究了冷卻系統(tǒng)對該ABS材質(zhì)汽車后視鏡外殼翹曲變形情況的影響。并且，還利用模擬仿真所得到的注塑工藝對ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼進(jìn)行了實(shí)際注塑加工，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果。

1 注塑參數(shù)范圍選定

注塑溫度：注塑溫度主要影響ABS熔體的流動(dòng)性能，通常適合ABS注塑加工的溫度區(qū)間為220～260℃。根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定，該ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的注塑溫度為260℃。

注塑壓力：注塑壓力主要影響充模的完整性以及ABS熔體在料筒中的停留時(shí)間。通常適合ABS注塑加工的注塑壓力區(qū)間為10~15 MPa。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定該ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的注塑壓力為11 MPa。

保壓壓力：保壓壓力主要影響ABS熔體的充模完整性。通常適合ABS注塑加工的保壓壓力區(qū)間為2~3 MPa。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定，該ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的保壓壓力為2 MPa。

保壓時(shí)間：保壓時(shí)間主要影響ABS熔體的充模完整性。通常適合ABS注塑加工的保壓時(shí)間為3～10 s。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定該ABS材料的汽車后視鏡外殼的保壓時(shí)間為5 s。

模具溫度：模具溫度主要影響ABS熔體的冷卻速率。通常適合ABS注塑加工的模具溫度區(qū)間為50～70℃。筆者根據(jù)前期工作的經(jīng)驗(yàn)確定，該ABS材料的汽車后視鏡外殼的模具溫度為60℃。

除以上注塑工藝參數(shù)，其它涉及到冷卻過程的工藝參數(shù)需根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)。

2 冷卻系統(tǒng)的仿真

ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼在加工過程中的冷卻速率除了受到模具溫度影響外，還會(huì)受到模具的冷卻系統(tǒng)影響。例如，冷卻管路的數(shù)目、直徑、位置、排列、冷卻液溫度等。筆者利用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了10種不同的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)篩選的ABS材料的汽車后視鏡外殼注塑工藝，對不同冷卻系統(tǒng)下的注塑進(jìn)行了模擬，并得到了10種冷卻系統(tǒng)下制得的ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量，結(jié)果見表1。

表1 不同冷卻系統(tǒng)仿真的結(jié)果

模擬仿真結(jié)果表明，冷卻系統(tǒng)的變化會(huì)導(dǎo)致ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量發(fā)生明顯的變化。當(dāng)冷卻系統(tǒng)確定為：冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，相應(yīng)條件下制備出的ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量最小，僅為1.031 mm。

所用建模軟件為CAD UG 5.0，將ABS材料的汽車后視鏡外殼模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中后，進(jìn)一步結(jié)合ABS的流體力學(xué)特性和彈性力學(xué)特性，對ABS材質(zhì)的汽車后視鏡外殼進(jìn)行CAE分析，利用有限元分析對注塑過程進(jìn)行模擬，結(jié)合公式(1)和公式(2)進(jìn)行分析：

式中：η——ABS的黏度；

α——ABS的黏度系數(shù)；

γ——注塑過程的剪切速率；

β——注塑過程的剪切系數(shù)；

C——注塑過程的溫度系數(shù)；

T——注塑過程的溫度。

式中：γ′——ABS 的黏度；

A1～A6——多項(xiàng)式的6 個(gè)系數(shù)。

2.1 冷卻液溫度仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，冷卻溫度模擬結(jié)果如圖1所示。冷卻管路入口處的溫度較低，為20.02℃，出口處冷卻液溫度上升，為25.20℃，這是由于冷卻液與ABS熔體發(fā)生了熱交換。入口處的冷卻液溫度和出口處冷卻液溫度之差僅為5.18℃，這說明了ABS熔體是以較為平穩(wěn)的速率冷卻的，未發(fā)生溫度的驟降，所以冷卻液的溫度上升幅度較小。因此，這種冷卻系統(tǒng)方案下，ABS熔體內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力較容易釋放，不易產(chǎn)生翹曲變形。

圖1 冷卻溫度模擬結(jié)果

2.2 冷卻時(shí)間仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，冷卻時(shí)間模擬結(jié)果如圖2所示。ABS材料的汽車后視鏡外殼各個(gè)部位的冷卻時(shí)間并不相同，其中中心部位最早達(dá)到頂出溫度，時(shí)間為20.34 s；制件邊緣部位較慢達(dá)到頂出溫度，時(shí)間為30.37 s。雖然各個(gè)部位達(dá)到頂出溫度的時(shí)間不同，但相差僅為10.03 s，說明在這一冷卻系統(tǒng)下，ABS材料的汽車后視鏡外殼各部位的冷卻速率較為一致，不易產(chǎn)生翹曲變形。另外，根據(jù)各個(gè)部位達(dá)到頂出溫度的時(shí)間的模擬結(jié)果，可以將冷卻時(shí)間確定為30.37 s。

圖2 冷卻時(shí)間模擬結(jié)果

2.3 零件底面溫度仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃時(shí)，零件底面溫度模擬結(jié)果如圖3所示，在冷卻過程中，ABS材料的汽車后視鏡外殼底面各個(gè)部位的溫度也不相同。其中，中心部位的底面溫度較低54.71℃；邊緣部位的底面溫度稍高，為60.21℃。各部位底面溫度的差距較小，中心部位與邊緣部位的差距僅為5.50℃。這一結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)下冷卻時(shí)，該ABS材料的汽車后視鏡外殼各部位是以較為均一的速率進(jìn)行冷卻的。這一仿真結(jié)果進(jìn)一步表明了，該冷卻系統(tǒng)較為適合ABS材料的汽車后視鏡外殼的冷卻。

圖3 零件底面溫度模擬結(jié)果

2.4 零件翹曲變形量仿真

當(dāng)冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20 ℃時(shí)，筆者也對ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量進(jìn)行了模擬。零件翹曲變形模擬結(jié)果如圖4所示。模擬結(jié)果表明，由于ABS材料的汽車后視鏡外殼各部位的冷卻速率不同，所以導(dǎo)致了不同部位的翹曲變形量也出現(xiàn)了差異。在冷卻速率較快的中心部位，ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量較高，為1.031 mm；在冷卻速率較慢的邊緣部位，ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量較低，為0.101 mm。這一結(jié)果表明，冷卻速率的確對制件的翹曲變形影響較顯著，若能夠盡量降低各部位冷卻速率的差值，使整個(gè)制件以較為均一的速率冷卻下來，則能夠保證制件具有較低的翹曲變形量。

圖4 零件翹曲變形模擬結(jié)果

3 實(shí)際注塑過程研究

為了進(jìn)一步對模擬仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對ABS材料的汽車后視鏡外殼進(jìn)行了實(shí)際注塑加工。注塑工藝參數(shù)為：料筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度分別為260℃，11 MPa，2 MPa，5.0 s，60℃。冷卻系統(tǒng)為：冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃?？傆?jì)進(jìn)行了10次注塑實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表2中列出。

將實(shí)際注塑結(jié)果與模擬仿真結(jié)果對比可知，實(shí)際注塑所得ABS材料的汽車后視鏡外殼的翹曲變形量與模擬結(jié)果相差較小，最大誤差僅為0.004 mm，最小誤差為0 mm。通過對10組注塑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算可得，這十組實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.003 mm。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬仿真所得到的結(jié)果準(zhǔn)確度高，即通過仿真所篩選出來的冷卻系統(tǒng)適合ABS材料的汽車后視鏡外殼的加工，仿真結(jié)果對實(shí)際注塑加工的指導(dǎo)意義較大。

表2 實(shí)際注塑結(jié)果

4 結(jié)論

對ABS材料的汽車后視鏡外殼注塑的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，最終確定該冷卻系統(tǒng)為：冷卻管路直徑為10 mm，管路數(shù)目為1根，排列方式處于模具單側(cè)排列，冷卻液溫度為20℃。在該冷卻系統(tǒng)下，冷卻液進(jìn)出口溫差僅為5.18℃，各部位達(dá)到頂出溫度時(shí)間差僅為10.03 s，制件各部位底面溫差僅為5.50℃，制件冷卻過程平穩(wěn)、速率均一?；谇捌诠ぷ鹘?jīng)驗(yàn)確定注塑工藝參數(shù)為：料筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度分別為260℃，11 MPa，2 MPa，5.0 s，60℃，此時(shí)所制備的ABS材料的汽車后視鏡外殼的總翹曲變形量僅為1.031 mm。通過實(shí)際注塑驗(yàn)證，該模擬結(jié)果準(zhǔn)確率較高，實(shí)際注塑結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差僅為0~0.004 mm，10組注塑實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.003 mm。