徐暉

（200093 上海 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

汽車副儀表盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積大，采用注塑成型工藝制造。傳統(tǒng)的汽車注塑件模具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)工人的技術(shù)水平以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)都有很高的要求，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證?；贛oldex3D 成熟的模流分析軟件，進(jìn)行澆注系統(tǒng)的優(yōu)化分析，可以減少不必要的試模修模次數(shù)。在有限熱嘴數(shù)量的前提下，時(shí)序控制熱流道的使用基本能夠消除較明顯的熔接痕缺陷[1]，有效改善產(chǎn)品表面質(zhì)量。優(yōu)化澆口位置會(huì)解決充填過(guò)程中出現(xiàn)的“頭重腳輕”的問(wèn)題，而且會(huì)消除一些不易消除的熔接痕。

相關(guān)研究中，王忠生[2]描述了3 種熔接痕的類型及優(yōu)化方案。以自動(dòng)販賣機(jī)內(nèi)襯板為研究對(duì)象，運(yùn)用Moldflow 模流分析軟件對(duì)其進(jìn)行填充分析模擬，再對(duì)較大的平板件注塑成型過(guò)程中熔接痕產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)利用時(shí)序控制可以改善熔接痕和鎖模力；朱成兵[3]、趙戰(zhàn)鋒[4]研究表明，汽車副儀表盤體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的冷流道澆注系統(tǒng)注塑的產(chǎn)品熔接痕較多，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和外觀質(zhì)量，無(wú)法滿足生產(chǎn)制造要求。

1 模型建立

1.1 汽車儀表盤建模

采用NX 軟件對(duì)汽車副儀表盤進(jìn)行建模，利用NX 中的拉伸按鈕創(chuàng)建一個(gè)初始模型，接著對(duì)其曲面部分進(jìn)行混合掃描，結(jié)合加強(qiáng)筋功能對(duì)該模型進(jìn)行邊界以及加強(qiáng)筋的處理，最后利用倒角功能對(duì)邊界進(jìn)行倒角處理。最終建立如圖1 所示的模型，并且將該模型保存為STP 檔以便后續(xù)CAE 分析處理[5]。

圖1 產(chǎn)品模型Fig.1 Product model

1.2 模具流道系統(tǒng)建模

流道系統(tǒng)的主要功能是引導(dǎo)射出機(jī)噴嘴射出的熔膠，經(jīng)由主流道、分流道、澆口讓塑料能夠均勻快速地進(jìn)入模腔。流道系統(tǒng)一般由3 部分組成：主流道、分流道以及澆口。

一般而言，注塑成型模具的流道系統(tǒng)可分成冷流道與熱流道2 種，主要差異在于冷流道和塑件一樣，在頂出階段被頂出模具，但熱流道因?yàn)樵O(shè)計(jì)的特殊性，熱流道周圍有金屬圈持續(xù)加溫，所以流道中的熔膠一直維持在高溫加熱的熔融狀態(tài)，并可以供給后續(xù)的注塑成型周期使用。

模具的澆口位置如圖2 所示，使用最基礎(chǔ)的針點(diǎn)交口，考慮到產(chǎn)品是外觀件，澆口位置的選擇避免建立在外觀表面上[6]。

圖2 澆口模型Fig.2 Gate model

1.2.2 流道

流道的主要任務(wù)是將熔膠均勻地從噴嘴傳送到產(chǎn)品模穴，流道設(shè)計(jì)直接影響充填路徑、周期時(shí)間，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)。流道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮4 個(gè)因素：流道形狀、流道尺寸、模穴數(shù)量、流道整體配置。如果流道系統(tǒng)采用熱流道，流道形狀只能是正圓形且直徑為8～20 mm。模具的流道建模如圖3 所示[7]。本次采用的是“熱流道+冷流道”的組合方式。在熱流道與冷流道交界處添加熱流道的時(shí)序控制閥，圖3（a）中以Valve Gate 圖框表示，通過(guò)時(shí)序閥控制熔膠進(jìn)入模腔的時(shí)間。

圖3 流道模型Fig.3 Flow channel model

由于該塑件整體形狀為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，進(jìn)澆位置也處于模型中心，熔膠從澆口處到達(dá)最遠(yuǎn)端的流動(dòng)時(shí)間一致，避免了流動(dòng)不平衡問(wèn)題。

1.2.3 冷卻水路建模

對(duì)Kinect采集到的20個(gè)三維關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行行為特征提取時(shí)選擇的特征量應(yīng)滿足平移不變性及縮放不變性,角度特征很好的滿足了以上兩個(gè)條件。為了方便計(jì)算角度將20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)分別用“A”-“O”進(jìn)行標(biāo)記,對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2,其中A(Head),T(HandLeft),P(HandRight),L(FootLeft),H(FootRight)5個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)由于會(huì)發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象[6],所以并未使用。

良好的冷卻系統(tǒng)將縮短成型周期并提高產(chǎn)品質(zhì)量，而不當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)計(jì)是引起不均勻收縮和翹曲的主要原因之一。冷卻的目的是去除塑件熔融熱便于快速頂出和生產(chǎn)。一般而言，較大尺寸塑件中冷卻液溫度變動(dòng)低于10 ℃，小型冷卻液溫度變動(dòng)在3 ℃以內(nèi)。水路設(shè)計(jì)原則是距離一致，包括兩水路之間距離和水路與模具壁之間距離[8]。模具的冷卻水路建模如圖4 所示。使用8 個(gè)不同的冷卻水路進(jìn)行冷卻，大大提高了冷卻效率及覆蓋面積。

圖4 冷卻水路Fig.4 Cooling water

2 模型網(wǎng)格劃分與工藝參數(shù)

2.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

該汽車副儀表盤體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較多筋條、內(nèi)孔、凸臺(tái)、深腔，采用傳統(tǒng)冷流道澆注系統(tǒng)注塑出來(lái)的產(chǎn)品熔接痕較多，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和外觀質(zhì)量，無(wú)法滿足注塑工藝要求。產(chǎn)品尺寸及肉厚分布分別如圖5、圖6 所示。

圖6 肉厚分布Fig.6 Thickness distribution

2.2 網(wǎng)格劃分

預(yù)處理工具選用Moldex3D Designer，只需5 步即可處理和優(yōu)化各種注塑成型模型：（1）導(dǎo)入模型；（2）建立流道系統(tǒng)；（3）建立冷卻系統(tǒng)；（4）生成塑件網(wǎng)格；（5）導(dǎo)出網(wǎng)格模型。BLM（邊界層網(wǎng)格技術(shù)）和eDesign（自動(dòng)生成網(wǎng)格技術(shù)）這兩種模式下都可以提供自動(dòng)和手動(dòng)設(shè)計(jì)工具，BLM模式還提供修復(fù)工具，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，BLM 模式能更加方便靈活地對(duì)模型網(wǎng)格化。網(wǎng)格和網(wǎng)格參數(shù)分別如圖7、圖8 所示[9]。

圖7 網(wǎng)格Fig.7 Mesh

圖8 網(wǎng)格參數(shù)Fig.8 Mesh parameters

利用鑿切功能切割模型，觀察最薄處內(nèi)部網(wǎng)格、流道內(nèi)部網(wǎng)格以及澆口與塑件處網(wǎng)格，如圖9—圖11 所示。圖9 最薄處網(wǎng)格上下邊界層為3 層，內(nèi)部有2 層，網(wǎng)格數(shù)共有8 層，滿足分析要求。圖10 流道網(wǎng)格均為三角形網(wǎng)格。圖11 澆口處的網(wǎng)格自動(dòng)加密，有助于分析。

圖9 最薄處Fig.9 The thinnest place

圖10 流道Fig.10 Flow channel

圖11 澆口處Fig.11 Gate

3 基于Moldex3D 的分析結(jié)果以及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 工藝參數(shù)

材料選用King fa 公司提供的PP+EPDM+T20，型號(hào)為ABP-2036M，黏度和PVT 曲線分別如圖12、圖13 所示。

圖12 材料黏度曲線圖Fig.12 Material viscosity curve

圖13 PVT 曲線圖Fig.13 PVT graph

所選材料的加工條件見(jiàn)表1。受加工條件限制，注塑成型過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)控溫度設(shè)定，部分由溫度造成的問(wèn)題得以減少。

表1 材料加工性能Tab.1 Processability of material

根據(jù)材料的加工性能，工藝參數(shù)設(shè)置如下：充填時(shí)間6 s，塑料溫度220 ℃，模具溫度45 ℃，最大射壓壓力140 MPa，保壓時(shí)間9.25 s，最大保壓壓力140 MPa，冷卻時(shí)間14.6 s，開(kāi)模時(shí)間5 s。控制閥設(shè)置：首先開(kāi)啟Valve Gate1，其它3 個(gè)閥澆口開(kāi)啟模式采用流動(dòng)波前控制，為此在副儀表盤上分別選擇3 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)：105 699，97 506，86 778，如圖14 所示。

圖14 控制閥設(shè)置Fig.14 Control valve setting

3.2 原始方案分析結(jié)果

3.2.1 充填結(jié)果

（1）流動(dòng)波前時(shí)間

記錄充填過(guò)程中不同時(shí)間段塑膠達(dá)到的位置，模擬展示塑膠的充填過(guò)程,如圖15 所示。

圖15 流動(dòng)波前時(shí)間Fig.15 Control valve setting

圖15（a）顯示在15%充填時(shí)刻，Valve Gate2澆口的熔膠進(jìn)入模穴，開(kāi)始填充模穴；圖15（b）、圖15（c）顯示在30%、55% 時(shí)，Valve Gate3、Valve Gate4 兩個(gè)澆口也成功進(jìn)澆；圖15（d）顯示在80%時(shí)，充填階段進(jìn)入尾聲。

（2）熔接痕

在射出過(guò)程中，當(dāng)2 個(gè)以上流動(dòng)塑膠交會(huì)時(shí)，兩股流動(dòng)波前溫度較低者先行固化，造成熔膠無(wú)法完全熔合而產(chǎn)生熔接痕，此缺陷經(jīng)常發(fā)生在成品的孔洞周圍或成品邊界交會(huì)處[4]。

如圖16 所示，該充填階段存在明顯的熔接痕。圖16 可以看出：（1）A/B 面有明顯的熔接痕①，由于Gate3 開(kāi)啟時(shí)間較早，造成Gate1&Gate2 注射的塑膠與Gate3 的流動(dòng)前沿相遇形成熔接痕；（2）熔接痕②、③、④是由副儀表盤自身結(jié)構(gòu)形成；（3）熔接痕③、④處在充填的末端，塑膠溫度處在下降過(guò)程，所以熔接痕非常明顯。

圖16 熔接痕Fig.16 Weld mark

3.2.2 壓力曲線圖

（1）進(jìn)澆口壓力曲線

進(jìn)澆口壓力曲線顯示充填過(guò)程中進(jìn)澆口的壓力變化歷程，充填過(guò)程所有影響流動(dòng)難易程度的因子都會(huì)反映到壓力結(jié)果上，通過(guò)波前進(jìn)度查找壓力異常竄升原因，診斷流動(dòng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

如圖17 所示，進(jìn)澆口壓力最大值為86.18 MPa，在不同時(shí)序閥開(kāi)啟時(shí)刻有明顯的壓力下降，證明閥成功控制了該充填過(guò)程。在最后階段，壓力上升過(guò)程中存在波動(dòng)，將會(huì)出現(xiàn)最先進(jìn)澆處質(zhì)量大以及充填末端處質(zhì)量小的問(wèn)題，即“頭重腳輕”。

圖17 進(jìn)澆口壓力曲線Fig.17 Inlet gate pressure curve

（2）鎖模力曲線

鎖模力是射出機(jī)抵抗射出過(guò)程中模內(nèi)壓力撐開(kāi)模穴的力量，鎖模力曲線可以很好地協(xié)助使用者確定射出機(jī)臺(tái)規(guī)格。

如圖18 所示，該鎖模力最大值為594.72 t。同樣，在不同時(shí)序閥開(kāi)啟時(shí)刻有著明顯的壓降現(xiàn)象，而在后續(xù)階段也有波動(dòng)，可以判定該產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了“頭重腳輕”。

圖18 鎖模力曲線Fig.18 Clamping force curve

3.3 優(yōu)化方案分析結(jié)果

原方案澆注系統(tǒng)存在一定的問(wèn)題，即Gate1～Gate4 澆口設(shè)計(jì)的比較集中。由于副儀表盤是較長(zhǎng)的注塑件，很容易造成“頭重腳輕”的局面，以致熔接痕③和④非常明顯。對(duì)此，設(shè)計(jì)出如圖19 所示的方案，在原方案基礎(chǔ)上改變①號(hào)進(jìn)澆點(diǎn)的位置，其它進(jìn)澆點(diǎn)不變。

圖19 優(yōu)化方案Fig.19 Prioritization scheme

3.3.1 充填結(jié)果

（1）流動(dòng)波前時(shí)間

如圖20 所示，圖20（a）顯示了40%充填時(shí)刻，Valve Gate2 澆口的熔膠進(jìn)入模穴，開(kāi)始填充模穴；圖20（b）、圖20（c）顯示在50%、65%充填時(shí)刻，Valve Gate3、Valve Gate4 兩個(gè)澆口也成功進(jìn)澆；圖20（d）顯示在85%充填時(shí)刻，充填階段幾乎進(jìn)入尾聲。圖20 顯示的整個(gè)充填階段，控制閥均成功控制各澆口進(jìn)入模腔的時(shí)間，沒(méi)有明顯的進(jìn)澆不平衡、短射等充填問(wèn)題。對(duì)比圖15，兩種不同澆口位置的設(shè)計(jì)均成功進(jìn)澆，同時(shí)未有明顯充填缺陷。

圖20 流動(dòng)波前時(shí)間Fig.20 Control valve setting

（2）熔接痕

如圖21 所示，相比于圖16 所示，在該流道系統(tǒng)下汽車副儀表盤的A/B 面熔接痕明顯消除；由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，深孔內(nèi)部存在一些短而碎的熔接痕；熔接痕①和②處在充填的前端，痕跡明顯淡化。在接下來(lái)的保壓過(guò)程中熔接痕的力學(xué)性能、熔接長(zhǎng)度和深度都將會(huì)進(jìn)一步得到改善。

圖21 熔接痕Fig.21 Weld mark

3.3.2 壓力曲線圖

如圖22 所示，通過(guò)對(duì)比可以看出，在黑色圓圈內(nèi)原始方案中波動(dòng)較大，而優(yōu)化方案中曲線上升平順光滑較為合理，避免了“頭重腳輕”的缺陷。

圖22 對(duì)比圖Fig.22 Area chart

4 結(jié)論

基于模流分析軟件Moldex3D 進(jìn)行某汽車副儀表盤澆注系統(tǒng)優(yōu)化，可以減少不必要的試模修模次數(shù)。在有限熱嘴數(shù)量的前提下，時(shí)序控制熱流道基本能夠消除較明顯的熔接痕缺陷，有效改善該產(chǎn)品的表面質(zhì)量。優(yōu)化澆口位置會(huì)解決充填過(guò)程中出現(xiàn)的“頭重腳輕”局面，而且會(huì)消除一些不易消除的熔接痕。