王蘊(yùn)晴，王小新，杜鵬輝，王曉東

(青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引 言

氣體輔助注塑成型(GAIM)是在注塑成型過程中，利用高壓氣體來輔助進(jìn)行填充和保壓，在塑件內(nèi)部形成中空截面，消除產(chǎn)品表面的縮痕。這種成型工藝具有很多傳統(tǒng)注塑成型不具備的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以降低鎖模力，節(jié)省原材料，還可以縮短成型周期，減少殘余應(yīng)力和翹曲變形，消除表面縮痕[1]。圖1為氣體輔助注塑成型過程。

氣輔成型工藝比傳統(tǒng)注塑成型工藝更復(fù)雜，其成型參數(shù)包括熔體注塑量、氣道設(shè)計(jì)、注氣點(diǎn)布局、氣體延遲時(shí)間、氣體壓力和氣體保壓時(shí)間等，這些參數(shù)之間還會(huì)相互影響，需要反復(fù)調(diào)試[2]。

目前，隨著注塑成型模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，利用注塑CAE軟件對氣輔注塑成型工藝過程進(jìn)行模擬，預(yù)測成型過程中可能出現(xiàn)的各種問題，進(jìn)而對模具和成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大縮短調(diào)試周期，提高產(chǎn)品品質(zhì)[3-5]。

(a) 注入塑料熔體

(c) 開模頂出

1 冰箱頂蓋產(chǎn)品特點(diǎn)及成型缺陷分析

冰箱頂蓋對冰箱起著支撐和固定作用，這就要求該產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)要保持平整，不能有大的翹曲變形和影響外觀的表面縮痕。該產(chǎn)品長480 mm，寬430 mm，高12 mm，大面厚度為2.8 mm。產(chǎn)品背面有多條加強(qiáng)筋和多個(gè)螺釘柱規(guī)則排布，其中加強(qiáng)筋大端厚度1.6 mm，小端厚度為1.2 mm。圖2為產(chǎn)品的外部形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖3為產(chǎn)品周圈加強(qiáng)筋厚度尺寸示意圖。

(a) 產(chǎn)品外部形狀

圖3 產(chǎn)品周圈加強(qiáng)筋厚度尺寸示意圖

該產(chǎn)品選用臺(tái)灣奇美公司生產(chǎn)的ABS為原料，牌號(hào)為Polylac PA-757。模具采用一模一腔，直澆口中心進(jìn)澆。澆口為錐形，小端直徑5 mm，大端直徑8 mm，如圖4所示。

圖4 澆口形狀及位置

由于冰箱頂蓋為平板類產(chǎn)品，注塑成型時(shí)很容易產(chǎn)生翹曲變形，影響產(chǎn)品裝配；另外產(chǎn)品背面有較多的加強(qiáng)筋和螺釘柱，特別是周圈的加強(qiáng)筋距離澆口較遠(yuǎn)，保壓不足，容易在產(chǎn)品表面對應(yīng)位置產(chǎn)生縮痕，影響外觀質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)采用Moldflow軟件對產(chǎn)品進(jìn)行了注塑成型仿真分析，圖5和圖6分別為縮痕深度和翹曲變形的分析結(jié)果。

圖5 縮痕深度分析結(jié)果圖

圖6 翹曲變形分析結(jié)果圖

由圖5可以看出，產(chǎn)品四角筋、柱位置由于距離澆口比較遠(yuǎn)，保壓較弱，表面縮痕深度超過了0.03 mm，縮痕明顯，影響外觀。由圖6可以看出，產(chǎn)品注塑后呈現(xiàn)中間下凹、四角上翹的變形趨勢，最大翹曲變形量達(dá)到了12.74 mm，遠(yuǎn)大于產(chǎn)品變形小于3 mm的裝配要求。

2 氣道布局及氣體輔助成型方案設(shè)計(jì)

為有效消除產(chǎn)品表面縮痕和翹曲變形，對本產(chǎn)品采用氣體輔助注塑成型工藝，并應(yīng)用Moldflow軟件氣輔分析模塊進(jìn)行仿真分析和工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

氣輔注塑成型首先要設(shè)計(jì)氣道和進(jìn)氣口位置。根據(jù)產(chǎn)品形狀特點(diǎn)，沿產(chǎn)品背面外側(cè)周圈的加強(qiáng)筋根部設(shè)置4條氣道，氣道截面形狀尺寸如圖7所示。

圖7 氣道截面形狀尺寸

本設(shè)計(jì)采用中性面網(wǎng)格進(jìn)行氣輔仿真分析，氣道等效直徑為8 mm，產(chǎn)品網(wǎng)格模型及氣道布局如圖8所示。根據(jù)氣體穿透特點(diǎn)，在氣道末端的柱體單元直徑逐漸遞減，形成錐狀末端。采用模具型芯進(jìn)氣方式，每條氣道的進(jìn)氣口均設(shè)置在氣道的中間，使氣體由氣道中間向末端穿透，與熔體流動(dòng)方向和壓力梯度一致，如圖8中G1～G4所示。

圖8 網(wǎng)格模型及氣道布局和進(jìn)氣口位置

在氣輔成型工藝參數(shù)中，熔體注塑量、延遲時(shí)間和氣體壓力、氣體保壓時(shí)間是影響氣體輔助成型產(chǎn)品質(zhì)量的主要工藝參數(shù)。其中，對氣體穿透效果起決定性作用的是熔體注塑量、氣體壓力和氣體保壓時(shí)間。

采用短射進(jìn)氣工藝，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將熔體注塑量設(shè)定為總充填體積的97%～98%，設(shè)定氣體延遲時(shí)間為1 s，并針對熔體注塑量、氣體壓力、氣體保壓時(shí)間設(shè)定了6種不同的氣體輔助注塑成型方案進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 氣體輔助注塑成型方案

3種氣體壓力曲線分別如圖9～11所示。

圖9 氣體壓力曲線一

圖10 氣體壓力曲線二

圖11 氣體壓力曲線三

3 氣輔注塑方案對比及效果分析

氣體輔助注塑要求氣體盡可能穿透到氣道末端，并盡量不要有氣體滲透到氣道以外的薄壁區(qū)域，更不能沖破熔體前鋒。Moldflow的氣體時(shí)間分析結(jié)果表示氣體達(dá)到塑件各處的時(shí)間，用于檢查氣體在塑件中的穿透效果。圖12～17分別為6種方案的氣體穿透分析結(jié)果。

圖12 方案一氣體穿透分析結(jié)果

圖13 方案二氣體穿透分析結(jié)果

圖14 方案三氣體穿透分析結(jié)果

圖15 方案四氣體穿透分析結(jié)果

圖16 方案五氣體穿透分析結(jié)果

圖17 方案六氣體穿透分析結(jié)果

各方案的氣體穿透效果對比如表2所示。

表2 氣體穿透效果比較

由表2可知，方案二得到的氣體穿透效果最好，氣體基本穿透到氣道末端，薄壁進(jìn)氣較少，因此選擇方案二作為優(yōu)選的氣輔注塑成型方案，具體如下：

(1) 氣道等效直徑8 mm；

(2) 氣體延遲時(shí)間1 s；

(3) 熔體注塑量98%；

(4) 最大氣體壓力20 MPa，壓力曲線如圖8所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證氣體輔助注塑工藝對消除制品表面縮痕和翹曲變形的效果，對優(yōu)選方案進(jìn)行了模擬分析，其表面縮痕和翹曲變形的結(jié)果分別如圖18， 19所示。

從圖18可以看出，氣體輔助注塑的表面縮痕深度最大只有0.005 9 mm，比普通注塑縮痕深度(0.0 311 mm)減小了81%，肉眼幾乎不可見，對制品表面質(zhì)量基本無影響。

圖18 氣輔注塑縮痕分析結(jié)果

從圖19可以看出，氣體輔助注塑的翹曲變形量約為1.6 mm，遠(yuǎn)低于普通注塑(12.74 mm)的翹曲變形量，滿足產(chǎn)品變形小于3 mm的裝配要求。

圖19 氣輔注塑翹曲變形分析結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于Moldflow軟件對冰箱頂蓋的注塑過程進(jìn)行了仿真模擬，對氣輔注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對多種方案的分析對比找到了合理的氣輔成型工藝參數(shù)方案，可以有效改善冰箱頂蓋表面縮痕和翹曲變形問題，保證產(chǎn)品成型質(zhì)量。