姚 震， 李金國*， 謝海波

(1.臺州職業(yè)技術學院 模具研究所， 浙江 臺州 318000； 2.浙江大豪車業(yè)有限公司， 浙江 臺州 318000)

車燈被喻為汽車的眼睛，其配件對汽車的外觀質量和照明性能都有重要影響。氣痕是車燈制品常見的外觀注塑成型缺陷之一，表現(xiàn)形式為表面易出現(xiàn)勾形紋和淚珠形紋，并且缺陷消除難度大。氣痕影響了國產車燈在高端汽車上的應用，企業(yè)常采用油漆涂層來處理缺陷，但效果不佳。

對于車燈配件的成型問題，國內外學者做過一系列研究。李金國等[1]借助Moldflow軟件研究了成型工藝對車燈導光條注塑成型的流痕和氣穴等缺陷問題，提出了采用熱流道時序技術，實施低速高壓注射，能夠有效解決透明、厚壁塑件的流痕和困氣。鐘健靈等[2]通過改變澆口的位置和結構，解決了聚光片熔接痕缺陷問題。吳榮佳等[3]研究了注塑制品表面流痕的成因以及影響其產生的過程參數(shù)。陳先立[4]研究了燈罩的殘余應力問題，發(fā)現(xiàn)提高模具溫度，減小保壓壓力和保壓時間，可以有效降低模內殘余應力。課題組借助Moldflow軟件分析車燈配件成型表面產生氣痕的成因，探究解決此類問題的有效方法，以期為車燈配件的注塑成型提供參考。

1 產品分析

研究對象為某車燈裝飾框，要求表面光滑無痕，耐高溫。塑件外部尺寸為540 mm×270 mm×110 mm，最大壁厚為3 mm，最小壁厚2 mm，中間開有3個孔，用來放置照明燈，其結構如圖1所示。

圖1 車燈裝飾框Figure 1 Car lamp decoration frame

根據(jù)制品使用工況和性能要求，選用聚碳酸酯(PC)材料，牌號為Makrolon 2405，其相關材料特性如表1所示。

表1 PC塑料特性Table 1 Characteristics of PC

2 熔體流動前沿自由表面形態(tài)

車燈裝飾框拐角氣流痕的出現(xiàn)主要是因為模內的噴流泉現(xiàn)象。從數(shù)學模型上分析，塑料熔體在模腔內的流動可以看成是黏性不可壓縮流體的流動，由于車燈裝飾框的橫截面厚度方向尺寸遠小于長度和寬度2個方向的尺寸，可采用廣義Hele-Shaw流動描述[5-6]。假設流體不可壓縮，根據(jù)流變學基礎方程可以得到：

·v=0;

(1)

(2)

(3)

式中：u,v分別表示x,y方向的速度分量;P為壓力;η為黏度系數(shù)。

黏度模型采用Cross模型，數(shù)學表達式為：

(4)

式中：γ為剪切速率；η0由材料常數(shù)確定；τ*為牛頓流體和冪律流體轉變點切應力。

根據(jù)邊界條件，即z=±b處，u=0，可得：

(5)

式中：b為壁厚T的1/2，即b=T/2;μ為動力黏度。

則u在z向作拋物線分布如圖2 所示，其中τ為黏性阻力。

圖2 熔體截面速度分布Figure 2 Velocity distribution of melt section

熔體中央處速度最快，2側速度較慢。熔體前進至最前端時，由于表面張力的作用，熔體減速并向模壁運動形成噴泉形狀的流動波。自由表面的形狀變得接近于半圓形[7]。熔體充填過程如圖3所示[8-9]。

圖3 熔體充填過程Figure 3 Fusant filling process

3 車燈配件方案對比

3.1 初始方案

將裝飾框的幾何模型以STL格式導入到MoldFlow軟件中進行網格劃分，采用Fusion雙層面型網格。網格邊長2.5 mm，網格厚度均勻，網格總數(shù)為151 124，節(jié)點數(shù)為75 544，網格匹配率達到90%，符合成型分析要求。分析類型設定為“冷卻+填充+保壓+翹曲分析”。車燈配件網格模型如圖4所示。根據(jù)其結構并結合企業(yè)實際生產設計經驗，模具型腔布局采用“一模兩穴”的方式。澆注和冷卻系統(tǒng)結構如圖5所示，采用扇形澆口，熱流道進料，隨行水路冷卻。

圖4 雙層面網格模型Figure 4 Fusion model

圖5 澆注和冷卻系統(tǒng)結構Figure 5 Running system and cooling system structure

注塑初始工藝參數(shù)如表2所示。

表2 注塑工藝參數(shù)Table 2 Technological parameters

根據(jù)模流分析結果可以得到如圖6(a)所示塑料流動等值線圖，在橢圓圈出區(qū)域等值線呈V字型，熔體流經該區(qū)域時左右2邊先流過臺階。為準確模擬該區(qū)域熔體流動現(xiàn)象，對該區(qū)域進行等效處理，對網格進行細化，并采用3D網格，得到云圖放大區(qū)域。通過剖面圖6(b)可以直觀看到此處存在空隙，其成因是由于熔體流經該區(qū)域時，由于拐角半徑過小，熔體前沿自由表面與模腔壁之間形成了微小封閉空間，加上左右2邊熔體包裹，模腔內空氣匯集在此處無法排出。在壓力進一步增強和流動趨勢帶動下，氣體沿流動方向遷移，在表面形成氣痕。這與實物樣件表面氣痕所處位置基本一致。實物表面氣痕如圖7所示。

圖6 氣痕區(qū)域熔體流動狀態(tài)Figure 6 Fusant flow state in gas marks area

圖7 實物表面氣痕Figure 7 Gas marks of physical surface

3.2 改進措施

根據(jù)產品設計經驗，針對模內因困氣產生的氣痕問題，可以使用以下幾種方法：

1) 產品設計時把拐角做大，使模內氣體在熔體前沿自由表面推動下向前移動，避免氣體困在該區(qū)域；

2) 改變熔體流動方向；

3) 特種工藝驟冷驟熱；

4) 型腔內抽真空。

針對該裝飾框產品，考慮成本及效率。最適合的應該是加大拐角，但由于翻料痕處于A面，即外觀面，拐角不允許更改，并且加大拐角需要對模具進行燒焊，定模是淬火處理，燒焊影響其性能，故以上方法均不適用。

根據(jù)熔體前沿噴泉流動原理，其自由表面接近半圓形，通過改變拐角前端(熔體來料方向)壁厚，即可改變自由表面曲率半徑。在初始方案中，熔體自由表面曲率半徑相對于拐角過大，如圖8所示，致深色區(qū)域形成微小封閉空間。故可通過減小熔體表面曲率半徑，即減小拐角前端熔體來料方向壁厚(如圖9所示，深色區(qū)域為相對原始方案減少部分)，使得熔體前沿流經該區(qū)域時能貼合拐角內表面，模內氣體則順著料流向前推進。為避免產生封閉空間，則有

圖8 初始方案熔體自由表面相對拐角曲率半徑Figure 8 Curvature radius of fusant free surface in corner region

圖9 改進后結構橫截面示意圖Figure 9 Schematic diagram of cross section of structure

R>1/2T。

式中：R為拐角曲率半徑；T為拐角前端熔體來料方向壁厚。

對車燈裝飾框減小拐角前端熔體來料方向壁厚，不改變成型工藝參數(shù)，重新通過Moldflow數(shù)值模擬，得到如圖10所示塑料熔體流動狀態(tài)。由圖10可知，在拐角區(qū)域不再有空隙產生，塑料熔體可平順地流過該區(qū)域，困氣現(xiàn)象已得到了消除。

圖10 改進后塑料熔體流動狀態(tài)Figure 10 Plastic Fusant flow state after improvement

4 實際驗證

根據(jù)改進方案壁厚要求，對模具動模側進行了燒焊處理，如圖11所示。試模的工藝參數(shù)為MoldFlow軟件的數(shù)值模擬結果參數(shù)，經試模生產，獲得的塑件如圖12所示，符合要求。

圖11 模具燒焊Figure 11 Mold welding

圖12 裝飾框合格產品實物Figure 12 Qualified decoration frames

5 結語

由于車燈裝飾框拐角半徑過小，容易導致塑料熔體流經該區(qū)域時產生困氣現(xiàn)象，導致表面出現(xiàn)氣痕，影響產品外觀。為了降低修模成本，減少對模具的修補損壞，課題組提出通過減小局部壁厚，即減小塑料熔體前沿自由表面曲率半徑，使自由表面曲率半徑小于塑件轉角半徑，即R>T/2，有效避免了困氣現(xiàn)象產生。經修模后注射成型測試，塑件脫模后放置一段時間，未發(fā)現(xiàn)氣痕成型缺陷，塑件達到預期的質量要求。