張華龍，張二紅，蘇海洋，鄒華杰，黃可

(1.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊 065000；2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164)

注塑模具種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。沈忠良等[1]對(duì)某SUV 儀表臺(tái)塑件，設(shè)計(jì)了一種多澆口兩板熱流道注塑模具；文獻(xiàn)[2–5]對(duì)注塑參數(shù)進(jìn)行了研究；劉成娟等[6]對(duì)制品翹曲量進(jìn)行了研究。以上對(duì)制品注塑成型的研究，沒有解決大流長(zhǎng)比制品的注塑成型問題。

筆者以某型號(hào)客車的后防擦條外板為研究對(duì)象，通過制品模型分析，確定澆口數(shù)量，針對(duì)大流長(zhǎng)比這一成型關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)建正交試驗(yàn)，得出最優(yōu)工藝參數(shù)，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證技術(shù)路線的正確性。

1 后防擦條外板的模具設(shè)計(jì)

1.1 后防擦條外板模型

圖1 為某品牌客車的后防擦條外板模型。該塑件外形尺寸為720 mm×240 mm×60 mm，平均壁厚為3 mm。為了減少風(fēng)阻，該塑料件的設(shè)計(jì)采用流線型。在NX1851 軟件中，通過工具–材料–指派材料[7]，選擇模型類別名稱為聚丙烯(PP)材料，測(cè)得制品表面積為337 144.35 mm2；質(zhì)量為623.9 g(密度為1.015 g／cm3)；體積為530 787.25 mm3。

圖1 后防擦條外板模型

1.2 澆口數(shù)量及流長(zhǎng)比

要求注塑后不能對(duì)制品進(jìn)行表面噴涂等處理，去除澆口后直接交付使用。澆口數(shù)量增多，充填壓力較低，熔體溫度可以較低[8]，但多個(gè)澆口會(huì)導(dǎo)致熔接痕的產(chǎn)生，在相同工藝條件下，熔接痕區(qū)域的強(qiáng)度只有原始材料的10%～82%[9]，嚴(yán)重影響制品的正常使用及制品外觀。通過分析后防擦條外板模型，制品整體呈流線型分布，單澆口效果最好，能夠保證制品表面保留一定的流動(dòng)紋理(啞光效果)[10]。

該制品長(zhǎng)度方向尺寸為720 mm，平均壁厚為3 mm，流長(zhǎng)比(流動(dòng)路徑與壁厚的比值)達(dá)到了240，超出了一般材料的允許值[11]。

1.3 材料確定

該制品為大批量生產(chǎn)，材料經(jīng)濟(jì)性為首要考察指標(biāo)，選用中廣核俊爾新材料有限公司生產(chǎn)的牌號(hào)為P1M6I–B02的復(fù)合材料。該材料母材PP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，低黏度PP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，礦物填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，潤(rùn)滑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，彈性體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，具有低收縮，低線性膨脹系數(shù)，尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[12]。該材料的拉伸強(qiáng)度為17.4 MPa，彎曲強(qiáng)度為23.5 MPa，彎曲彈性模量為1535 MPa，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度為45 kJ／m2，–30℃懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度為7.1 kJ／m2，熔體流動(dòng)速率為23.2 g／10 min，皮紋面光澤度(60°)1.6[13]。

1.4 模具結(jié)構(gòu)

模具動(dòng)模結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 動(dòng)模結(jié)構(gòu)圖

考慮水路加工工藝，不開設(shè)斜向水路，水路與水路之間呈平行或垂直狀態(tài)，為了水路靠近制品，開設(shè)向下的單向水路管，在單向水路管中增加隔水板，使水流呈湍流狀態(tài)，加速熱量交換。動(dòng)模上加設(shè)耐磨板，增加模具使用壽命。本模具為“一模兩腔”結(jié)構(gòu)，由單根主流道將熔體導(dǎo)入模腔，在定模仁上開設(shè)分流道，使熔體分流。不設(shè)置頂針板，在推板上直接安裝頂針；設(shè)置推板導(dǎo)向柱，確保推板運(yùn)行平穩(wěn)。在模腳上安裝行程開關(guān)，推板上對(duì)應(yīng)設(shè)置擋塊，能夠檢測(cè)推板所處的位置，判斷推板是否推出到位，或復(fù)位到位。

2 單澆口方案論證

為了追求極致的表面紋理，選擇單澆口方案，充填過程需要精確地把控，擬采用模溫機(jī)將模具內(nèi)表面溫度控制在某一值，提高熔體的流動(dòng)性，延緩熔體前鋒的冷凝速率。

在CAD Doctor 2020 軟件中，對(duì)制品三維造型進(jìn)行修整，逐一修正干涉邊、碎面、自由邊、環(huán)路中的間隙、相交環(huán)路、自相交曲面等制品缺陷(多種軟件間相互裝換，必然導(dǎo)致缺陷)。將修正后的模型以UDM 格式(該格式能夠準(zhǔn)確傳遞)輸入至Moldflow 2020 模流分析軟件中[14]。

為了使分析結(jié)果更準(zhǔn)確，選擇“3D”網(wǎng)格類型，將曲面上的全局邊長(zhǎng)設(shè)置為19.98 mm；選用“匹配網(wǎng)絡(luò)”；選用“在澆口附近應(yīng)用額外細(xì)化”，設(shè)置“相對(duì)邊長(zhǎng)”為20.0%，得“3D 網(wǎng)格單元”239 614 個(gè)。運(yùn)行網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)，四面體數(shù)量為239 614 個(gè)；已連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是43 996 個(gè)；型腔體積是1 055.02 cm3；最大縱橫比為18.36；平均9.24；最小1.24。

設(shè)置分析序列為“填充+保壓+翹曲”；在物料庫(kù)中，選擇與牌號(hào)P1M6I–B02 性能一致的材料，制造商為北美貝塞爾聚烯烴公司，牌號(hào)為Hostacom 65F5–2；設(shè)置單個(gè)澆口，澆口形狀為方形澆口，尺寸為2.5 mm×7.5 mm；為了驗(yàn)證單澆口方案可行，將模具表面溫度設(shè)置為較低的60℃，熔體溫度設(shè)置為225℃，其它參數(shù)不作調(diào)整，選擇默認(rèn)。

采用以上工藝參數(shù)進(jìn)行澆注，充填完成所需時(shí)間如圖3 所示。

圖3 充填完成所需時(shí)間

在以上工藝參數(shù)下，熔體充滿時(shí)間為7.85 s。圖4 為熔體路徑線，圖5 為熔體溫度變化狀況。

圖4 熔體路徑線

圖5 熔體溫度變化圖

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及翹曲量監(jiān)測(cè)

單澆口能夠保證制品表面紋理一致，但該制品翹曲量也是重要檢驗(yàn)指標(biāo)，翹曲量超差，則安裝后客車表面會(huì)有明顯的凸起或凹陷。在43 996 個(gè)節(jié)點(diǎn)中選取最具代表性的N28258 點(diǎn)與N27632 點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖6)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置圖

此類大流長(zhǎng)比制品，充填過程中，對(duì)熔體影響最大的因素為模具表面溫度，模具初始溫度能夠直接影響熔體流動(dòng)前鋒的狀態(tài)，模具初始溫度高，熔體冷凝速率慢，成型效果好，但成型周期變長(zhǎng)，不利于大量生產(chǎn)。在單澆口尺寸固定的情況下，注塑壓力能夠影響成型周期，但過大的充填壓力，會(huì)致使熔體在通過澆口時(shí)，產(chǎn)生噴射現(xiàn)象，導(dǎo)致熔體燒焦，在制品表面留下顆粒狀的斑點(diǎn)。對(duì)于保壓壓力，通常在型腔充滿至90%～95%時(shí)，將注塑壓力切換至60%～90%，繼續(xù)保持一段時(shí)間。對(duì)于此類投影面積大的制品，保壓壓力過高，則所需鎖模力較大，對(duì)曲柄式注塑機(jī)的使用壽命會(huì)有很大影響。該制品流長(zhǎng)比為240，保壓壓力過低，熔體前鋒在冷卻過程中，熔體得不到補(bǔ)縮，導(dǎo)致制品翹曲嚴(yán)重。保壓時(shí)間對(duì)成型周期影響最大，保壓過程也是制品冷卻的過程，制品已經(jīng)凝結(jié)，過長(zhǎng)的保壓時(shí)間使保壓還在繼續(xù)，產(chǎn)生無效工時(shí)；保壓時(shí)間過短，因冷卻收縮的部分得不到補(bǔ)充，影響制品翹曲[15]。

綜上分析，選取對(duì)后防擦條外板翹曲量影響最大的因素，模具表面溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間為研究對(duì)象。模具表面溫度(A)取90～150℃；注塑壓力(B)取80～120 MPa；保壓壓力(C)為注塑壓力的60%～90%；保壓時(shí)間(D)取8～15 s。在Moldflow 2020 模流分析軟件中，對(duì)4 種主要參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，分別模擬出N28258 點(diǎn)與N27632點(diǎn)處，所有效應(yīng)下的翹曲量。正交試驗(yàn)的4 因素4水平分配情況見表1，各水平的取值遵循均衡分布的原則；表2 為正交試驗(yàn)方案。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)方案

不同工藝參數(shù)組合下，N28258 和N27632 點(diǎn)處的翹曲量，具體分布如圖7 所示。N28258 點(diǎn)處翹曲量為0.569～1.856 mm，最小值出現(xiàn)在第4 組工藝參數(shù)下，最大值出現(xiàn)在第7 組工藝參數(shù)下；N27632點(diǎn)處翹曲量為0.689～1.892 mm，最小值出現(xiàn)在第6 組工藝參數(shù)下，最大值出現(xiàn)在第1 組工藝參數(shù)下，無法分辨出哪組參數(shù)影響下制品翹曲量最小。

圖7 正交試驗(yàn)翹曲量統(tǒng)計(jì)圖

將兩點(diǎn)處的翹曲量相加得到第4 組工藝參數(shù)下兩點(diǎn)處的翹曲量和最小。具體為，模具表面溫度90℃，注塑壓力106 MPa，保壓壓力為注塑壓力的80%，保壓時(shí)間12 s。由結(jié)果可知，模具表面溫度相對(duì)較低，選擇純水模溫機(jī)即可；注塑壓力適中，熔體經(jīng)澆口不會(huì)發(fā)生噴射現(xiàn)象；保壓壓力較低，所需鎖模力較小，可以選擇規(guī)格適中的注塑機(jī)型號(hào)；相對(duì)流長(zhǎng)比為240的制品的保壓時(shí)間可以接受。

第4 組工藝參數(shù)下的制品翹曲量如圖8 所示。制品最大翹曲量為8.287 mm，產(chǎn)生在制品兩端處，相對(duì)于720 mm的長(zhǎng)度，翹曲率為1.15%[16]，模擬結(jié)果符合制品收縮特性。

圖8 第4 組工藝參數(shù)下制品翹曲量

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及制品檢測(cè)

圖9 為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片，模仁選用斯穆碧根柏(S+B)預(yù)硬鋼，F(xiàn)ormadur 400 ESR 牌號(hào)，保證模具使用壽命100 萬次。模溫機(jī)通過模溫介質(zhì)接口，將控溫介質(zhì)導(dǎo)入定模、動(dòng)模。模具澆口嚴(yán)格按照模擬時(shí)預(yù)設(shè)值加工，澆口形狀為方形澆口，尺寸為2.5 mm×7.5 mm。試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，模具表面溫度通過模溫機(jī)設(shè)定為90℃，注塑壓力設(shè)定為106 MPa，保壓壓力設(shè)定為注塑壓力的80%，保壓時(shí)間設(shè)定12 s，其余工藝參數(shù)與Moldflow 2020 模流分析預(yù)設(shè)值設(shè)定一致。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖10 為成型后的制品。由圖10 可以看出，制品表面成型良好，N28258 點(diǎn)和N27632 點(diǎn)處沒有明顯翹曲現(xiàn)象，除去澆口凝料，即可交付使用。

圖10 成型后制品

圖11 為檢測(cè)中的制品。制品在檢具中通過外形尺寸定位，快動(dòng)壓鉗固定，經(jīng)檢測(cè)卡規(guī)檢測(cè)，卡規(guī)與制品間縫隙均勻，透光一致。驗(yàn)證了Moldflow 2020 模流分析軟件，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。制品表面光潔，顯現(xiàn)了單澆口成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖11 檢測(cè)中的制品

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)某品牌客車后防擦條外板模型進(jìn)行分析，得到制品整體呈流線型分布，單澆口效果最好。

(2)針對(duì)該制品的流長(zhǎng)比為240 這一問題進(jìn)行論證，通過設(shè)定模具表面溫度，提高了熔體的流動(dòng)性，延緩了熔體前鋒的冷凝速率，解決了大流長(zhǎng)比的技術(shù)問題。

(3)選取對(duì)后防擦條外板翹曲量影響最大的因素——模具表面溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間為研究對(duì)象。構(gòu)建4 因素4 水平正交試驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)：模具表面溫度90℃、注塑壓力106 MPa、保壓壓力為注塑壓力的80%、保壓時(shí)間12 s，此工藝參數(shù)下N28258 點(diǎn)和N27632 點(diǎn)處的翹曲量之和最小。

(4)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，制品表面光潔，驗(yàn)證了Moldflow 2020 模流分析軟件分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，顯示了單澆口成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。