褚建忠

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318020）

1 引言

隨著客戶對(duì)汽車產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)高端汽車保險(xiǎn)杠的外觀質(zhì)量也提出了更高的要求。

目前高端汽車保險(xiǎn)杠通過(guò)巧妙的模具設(shè)計(jì)，分型線設(shè)計(jì)在保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)，在保險(xiǎn)杠可視面已經(jīng)消除了分型線，極大提高了保險(xiǎn)杠的外觀質(zhì)量。在外觀質(zhì)量提高之外，如何能有效提高保險(xiǎn)杠的力學(xué)強(qiáng)度就成為關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)多股以上料流匯合時(shí),由于熔體前鋒溫度較低，會(huì)在熔體匯合處的塑件表面上形成的接縫痕跡，這就是熔接痕[1]。熔接痕不僅影響塑件的外觀質(zhì)量，使塑件后續(xù)涂裝、電鍍工序產(chǎn)生色差，嚴(yán)重時(shí)還對(duì)塑件強(qiáng)度產(chǎn)生影響,損害塑件的力學(xué)性能。對(duì)于大型汽車塑件諸如保險(xiǎn)杠、汽車儀表板、落水槽等，熔接痕對(duì)制件外觀和強(qiáng)度的影響尤其突出。傳統(tǒng)注射模的澆注系統(tǒng)大多采用同時(shí)澆注，既各個(gè)澆口的熔料同時(shí)開始注射。這種同時(shí)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但會(huì)造成熔料在匯合處不可避免地出現(xiàn)熔接痕，熔接痕處溫度較低，因此會(huì)嚴(yán)重影響塑件的強(qiáng)度。長(zhǎng)期以來(lái)，保險(xiǎn)杠熔接痕一直是影響保險(xiǎn)杠力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[2～5]。

2 消除熔接痕的解決方案

在塑件成型中，熔接痕通常很難避免。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)方式、塑件形狀都會(huì)影響熔接痕的存在。

在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，澆口的數(shù)量、布局和位置都會(huì)產(chǎn)生不同的料流分支，產(chǎn)生不同的匯合點(diǎn)，從而會(huì)造成熔接痕的產(chǎn)生：多個(gè)澆口的同時(shí)進(jìn)料通常都會(huì)產(chǎn)生多股料流，從而不可避免地產(chǎn)生熔接痕，澆口的位置分布會(huì)影響熔接痕產(chǎn)生的位置。

模具結(jié)構(gòu)中的溢料槽設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)影響熔接痕處的熔料流動(dòng)情況與熔料溫度分布情況，也會(huì)影響熔接痕的出現(xiàn)：在熔接痕可能出現(xiàn)的位置設(shè)計(jì)溢料槽會(huì)改善料流的匯合情況，避免了熔接痕出現(xiàn)在塑件位；冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性會(huì)影響熔接痕處的熔料溫度情況，適當(dāng)?shù)卦黾尤劢雍厶幍臏囟?，也?huì)有助于改善熔接痕。

在塑件設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)盡量避免導(dǎo)致熔料產(chǎn)生分流的結(jié)構(gòu)，在不影響塑件功能的前提下盡量減少加強(qiáng)筋、孔位等特征，會(huì)有助于減少熔接痕的產(chǎn)生。

這些方法都能減輕熔接痕的出現(xiàn)或者能將熔接痕轉(zhuǎn)移到不影響塑件強(qiáng)度的位置，但是都很難消除熔接痕。

目前，很多注射模采用了熱流道技術(shù)，有開放式或針閥式。從成本考慮大部分模具采用了開放式熱流道系統(tǒng)，雖然減少了塑料熔料的流動(dòng)長(zhǎng)度，有助于增加熔料匯合點(diǎn)的融合情況。但是，在開放式熱流道系統(tǒng)中各噴嘴的熔料仍然同時(shí)進(jìn)入模具型腔，熔料的匯合情況與傳統(tǒng)的冷流道系統(tǒng)大同小異，無(wú)法從根本上消除熔接痕的出現(xiàn)。針閥式熱流道系統(tǒng)是在每個(gè)開放式熱噴嘴內(nèi)設(shè)計(jì)了一套閥針機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)控制閥針的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以控制熱噴嘴內(nèi)熔料的開放時(shí)間，這樣就可以控制每一個(gè)熱澆口的開放與關(guān)閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)熔料在各澆口的順序流動(dòng)，而通過(guò)熔料的順序流動(dòng)，就可以順利控制塑件的熔料溫度和匯合情況，從而可以在根本上消除熔接痕。

3 大型內(nèi)分型保險(xiǎn)杠的仿真工藝分析

本項(xiàng)目的塑件為大型內(nèi)分型保險(xiǎn)杠，外觀效果要求比較嚴(yán)格：要求分型線內(nèi)置在塑件內(nèi)側(cè)，外觀上不允許出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)熔接痕，不允許出現(xiàn)明顯的毛刺。分型線內(nèi)藏在模具結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)，但模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法解決熔接痕的出現(xiàn)，因此必須在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)上解決熔接痕問(wèn)題。

本文借助注射流動(dòng)模擬軟件MoldFlow對(duì)內(nèi)分型保險(xiǎn)杠進(jìn)行注射工藝模擬分析，對(duì)同時(shí)澆注系統(tǒng)與順序澆注系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，探討順序澆注系統(tǒng)對(duì)塑件熔接痕的消除機(jī)理。

3.1 原料和注塑機(jī)的選擇

本項(xiàng)目的保險(xiǎn)杠原材料采用PP+EPDM+TALC（聚丙烯+三元乙丙橡膠+滑石粉）樹脂共混改性料。汽車保險(xiǎn)杠必須具有優(yōu)良的強(qiáng)度、抗沖擊韌性及良好的加工性能。共混改性材料中的PP（聚丙烯）具有良好的柔韌性、拉伸強(qiáng)度及高溫性能，并且具有良好的流動(dòng)性，加工性能非常良好，在汽車領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用。EPDM（三元乙丙橡膠）是乙烯、丙烯以及非共軛二烯烴的三元共聚物，由于分子結(jié)構(gòu)內(nèi)無(wú)極性取代基，分子間內(nèi)聚能低，故分子鏈可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持柔順性，具有優(yōu)良的彈性，此外還具有良好的耐老化、耐腐蝕及耐水等突出性能。TALC（滑石粉）是一種填料，內(nèi)部是比較特殊的薄片狀結(jié)構(gòu)，在塑料中是一種有效的增強(qiáng)材料，無(wú)論常溫和高溫下，都可賦予塑料較高的剛性和抗蠕變性，滑石粉的加入可改變塑料的多種性能，有效減少成型收縮率，提高塑件表面硬度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度藝及塑件尺寸穩(wěn)定性等。

本項(xiàng)目采用了北歐化工（Borealis）公司的PP/EPDM/TALC，加工性能如表1所示。保險(xiǎn)杠模具試模所用的注塑機(jī)采用的是寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司的HTF1600X2。其主要性能指標(biāo)如表2所示。

表1 PP/EPDM/TALC的加工性能

表2 注塑機(jī)的性能指標(biāo)

3.2 澆注系統(tǒng)對(duì)熔接痕的影響對(duì)比試驗(yàn)

內(nèi)分型保險(xiǎn)杠如圖1所示，總體尺寸為：1,680×498×780mm，壁厚3.4mm，塑件體積3,657.7cm3，塑件投影面積4,543cm2。模型借助于MoldFlow進(jìn)行模型修補(bǔ)與簡(jiǎn)化后，以FUSION網(wǎng)格模型輸入MoldFlow系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、修補(bǔ)后進(jìn)入仿真注射成型分析。

圖1 保險(xiǎn)杠的塑件及澆注系統(tǒng)圖

根據(jù)保險(xiǎn)杠的外觀要求（表面不允許出現(xiàn)澆口痕跡）和塑件結(jié)構(gòu)（內(nèi)部沒(méi)有面積比較大的開槽），因此保險(xiǎn)杠的澆注系統(tǒng)采用針閥式熱流道控制下的3點(diǎn)扇形澆口進(jìn)料。具體尺寸為：主流道（熱流道）直徑為?16mm，分流道直徑尺寸為?16mm。如圖1所示。

3.2.1 開放式澆注系統(tǒng)對(duì)塑料流動(dòng)及熔接痕的影響

開放式澆注系統(tǒng)中的熱噴嘴沒(méi)有針閥控制，料流直接通過(guò)開放式噴嘴流入型腔。在該試驗(yàn)中的注射工藝參數(shù)如表3所示。

表3 注射工藝參數(shù)

模擬填充分析后的數(shù)據(jù)如圖2～圖5所示。圖1數(shù)據(jù)為填充時(shí)間分布圖，可以明顯觀察出：塑料熔體從3個(gè)澆口同時(shí)注射進(jìn)入型腔，充填時(shí)間最終為5.65s。由于是同時(shí)進(jìn)料，在3個(gè)澆口的中間部分存在這兩處明顯的匯合點(diǎn)，可以推測(cè)這兩處應(yīng)該分別是兩股料流融合處，存在著產(chǎn)生熔接痕的可能。

圖2 填充時(shí)間分布圖

圖3所示為流動(dòng)前沿溫度分別，可以觀察熔料前鋒流經(jīng)塑件每個(gè)部分的溫度情況。按照流動(dòng)規(guī)律，流動(dòng)期前沿溫度與澆口距離相關(guān)性比較大，可以觀察出：塑件大部分的流動(dòng)前沿溫度在212℃～220℃，溫度的大致分布與澆口之間距離成正比；但是在兩股料流交匯處的前沿溫度卻只有210℃，這兩處的溫度較低的原因應(yīng)該是料流的匯合減慢了熔料的流動(dòng)速度，流動(dòng)的剪切速率大幅降低，表現(xiàn)為表觀上的熔料前沿溫度快速降低，這就為熔接痕的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

圖3 流動(dòng)前沿溫度分布圖

圖4所示為注塑機(jī)鎖模壓力圖，該數(shù)據(jù)直接反映了型腔內(nèi)注射壓力的變化。從圖中觀察到：由于3個(gè)澆口同時(shí)開始注射，注射壓力的變化反映到鎖模壓力上，鎖模壓力從零開始逐漸上升，一直到達(dá)峰值609.9ton。

圖4 鎖模壓力圖

圖5所示為熔接線分布圖，可以觀察到：保險(xiǎn)杠的兩側(cè)出現(xiàn)了比較明顯的熔接痕，產(chǎn)生的部位就是料流匯合點(diǎn)。從以上幾個(gè)分析數(shù)據(jù)可以判斷：3個(gè)澆口的同時(shí)注射不僅出現(xiàn)了料流的匯合也導(dǎo)致了匯合點(diǎn)的前沿溫度的快速降低，從而導(dǎo)致了熔接痕的產(chǎn)生。因此同時(shí)注射試驗(yàn)表明：多澆口的同時(shí)注射無(wú)法有效控制塑料熔體的流動(dòng)，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生熔接痕。因此熱流道開放式系統(tǒng)雖然成本低，但在流動(dòng)控制方面與傳統(tǒng)的冷流道并無(wú)而異。

圖5 熔接痕分布圖

3.2.2 順序閥澆注系統(tǒng)對(duì)塑料流動(dòng)及熔接痕的影響

為了找到有效消除熔接痕的方法，本文進(jìn)行了第二個(gè)對(duì)比試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了順序閥控制的澆注系統(tǒng)：該澆注系統(tǒng)的熱噴嘴內(nèi)設(shè)計(jì)了一套針閥機(jī)構(gòu)，針閥的運(yùn)動(dòng)由噴嘴外的氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而可以按照時(shí)間來(lái)控制針閥的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了熱噴嘴的順序開閉。該順序澆注系統(tǒng)可以對(duì)保險(xiǎn)杠澆口的開放時(shí)間進(jìn)行控制：注射時(shí)，先打開中間的澆口，兩側(cè)澆口暫時(shí)關(guān)閉；當(dāng)中間的熔料流經(jīng)兩側(cè)澆口時(shí)，再打開兩側(cè)澆口熱噴嘴內(nèi)的閥針，高溫的兩側(cè)熔料將中間的料流再次推向型腔前方，從而可以提高料流的前鋒溫度，也就可以有效地消除熔接痕。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，保險(xiǎn)杠3個(gè)澆口的開閉時(shí)間設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 澆口控制時(shí)間表

保險(xiǎn)杠三澆口順序注射模擬試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)如圖6～圖9所示。圖6所示為熔料填充時(shí)間分布圖，可以觀察到：3個(gè)澆口的注射時(shí)間明顯沒(méi)有同步，注射時(shí)間最終是5.81s。保險(xiǎn)杠的中間澆口先開始注射，熔料了流經(jīng)兩側(cè)澆口時(shí)，兩側(cè)澆口再同時(shí)打開，從而將中間溫度降低的熔料再次進(jìn)行加溫及提高剪切速率。

圖6 熔料填充時(shí)間分布圖

圖7所示為順序澆注后的流動(dòng)前沿溫度分布情況，可以觀察到：3個(gè)澆口順序開放控制后的熔料流動(dòng)情況明顯不同于之前的同時(shí)澆注。流動(dòng)前沿溫度分布范圍縮小到219～222℃，相比較同時(shí)澆注的溫度情況（210℃），經(jīng)過(guò)順序澆注后的塑件中間端的前沿溫度普遍高于220℃，前沿溫度的提高有利于塑料料流之間更好地融合。前沿溫度的分布數(shù)據(jù)表明順序澆注促進(jìn)了塑料熔體的流動(dòng)剪切速率提高，從而有效提高了熔體溫度，也有助于消除塑件的熔接痕。

圖7 流動(dòng)前沿溫度分布圖

圖8所示為鎖模壓力分布圖，可以觀察到順序澆注系統(tǒng)改變了塑料熔體的流動(dòng)情況，也引起了注塑機(jī)鎖模壓力數(shù)據(jù)的變化：在中間澆口開放時(shí)，鎖模壓力逐漸上升，在到達(dá)3.5s時(shí)達(dá)到峰值，然后回落。然后在4s時(shí)鎖模壓力重新開始上升，一直到達(dá)最高峰值585ton。鎖模壓力的這種漸進(jìn)變化完全對(duì)應(yīng)了順序澆口開放的時(shí)間：開始注射時(shí)，中間澆口先打開，料流先充入型腔，表現(xiàn)為鎖模壓力逐漸上升；當(dāng)充填時(shí)間達(dá)到3.5s時(shí)，左右側(cè)澆口再打開，兩側(cè)熔料將中間的熔料再次推向型腔遠(yuǎn)端（后續(xù)的注射壓力主要由兩側(cè)澆口提供），此時(shí)鎖模壓力再次上升并達(dá)到峰值。從圖中觀察到，由于鎖模壓力沒(méi)有同時(shí)受3個(gè)澆口注射壓力影響，因此最大鎖模壓力低于三澆口同時(shí)注射時(shí)的鎖模壓力，試驗(yàn)表明，順序澆注系統(tǒng)可以顯著地降低鎖模壓力。

圖8 鎖模壓力分布圖

從圖9所示熔接痕分布圖上，可以看出保險(xiǎn)杠橫梁兩側(cè)部位已經(jīng)觀察不到熔接痕了，而這兩側(cè)部位就是三澆口同時(shí)澆注時(shí)產(chǎn)生熔接痕的部位。試驗(yàn)表明，由于順序澆注改變了熔料流動(dòng)，改變了熔料前鋒的組成結(jié)構(gòu)，從而也有效改善了熔接痕。

圖9 熔接痕分布圖

4 結(jié)論

熔接痕的產(chǎn)生本質(zhì)上是多股溫度塑料熔體前鋒匯合產(chǎn)生，由于前鋒溫度較低阻礙了不同股熔料之間的融合。消除熔接痕就必須改變塑料熔體的流動(dòng)情況或者改變?nèi)垠w前鋒的溫度。順序閥控制的澆注系統(tǒng)是對(duì)開放式熱流道系統(tǒng)的改進(jìn)，試驗(yàn)證明：應(yīng)用順序閥澆注系統(tǒng)可以改變塑料熔料流動(dòng)的機(jī)理，為有效消除熔接痕及促進(jìn)塑件質(zhì)量的改進(jìn)提供了一種有效的解決方案。利用注射模擬分析CAE技術(shù)可以比較直觀地研究塑料熔體的流動(dòng)情況和溫度變化情況，可以動(dòng)態(tài)地觀察熔接痕產(chǎn)生與熔體流動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和變化，為解決熔接痕問(wèn)題提供了更好的途徑。