程聯(lián)社

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

汽車發(fā)動機(jī)蓋罩(氣缸蓋罩)也多是采用熱塑性塑料制成的,其主要是為防止外界的雜質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(jī)對其產(chǎn)生損傷而存在的[1]。塑料制品的生產(chǎn)需要經(jīng)過原料預(yù)處理、注塑填充、保壓、冷卻固化以及脫模5個步驟,其中有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會使產(chǎn)品出現(xiàn)變形、開裂等缺陷[2]。以往人們對于瑕疵產(chǎn)品的鑒定以及原因分析都是采用人工方式進(jìn)行的,這需要消耗大量的人力與物力資源,效率較低[3-4]。

氣缸蓋罩的結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜,并且為提高生產(chǎn)效率,模具通常為一模多腔設(shè)計,如何平衡澆注系統(tǒng)的填充過程,使得多腔中的制品能保持一致,是目前需要解決的關(guān)鍵問題之一[5]。所以不能直接套用傳統(tǒng)的直流道數(shù)學(xué)模型開展分析研究[6]?；谏鲜鰡栴},首先對塑料制品的成型原理及過程進(jìn)行了闡述;其次基于Moldflow對塑料缸蓋罩成型過程進(jìn)行了模流分析;最后建立了熔體在彎流道中流動的理論模型,并在不同的注射速率條件下進(jìn)行數(shù)值模擬。本研究的開展旨在為塑料缸蓋罩工藝條件的優(yōu)化分析,提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量提供重要技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以某汽車發(fā)動機(jī)缸體塑料蓋罩為研究對象,該塑料缸蓋罩外形最大尺寸為213 mm×146 mm×129 mm,材料為ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)塑料,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;對其外觀要求較為嚴(yán)格,需光滑美觀,不可出現(xiàn)澆注口、熔接痕以及明顯的收縮痕和氣穴等缺陷,翹曲程度應(yīng)控制在允許范圍內(nèi);對模具的要求是要能實現(xiàn)無人值守全自動生產(chǎn),總開模次數(shù)至少為400萬次。

1.2 實驗方法

1.2.1塑料制品成型原理和過程

塑料制品的加工成型主要是通過注塑機(jī)與模具之間的有機(jī)配合而實現(xiàn)的[7],每個環(huán)節(jié)的演示如圖1所示。

(a)預(yù)塑

在整個塑料加工過程中,工藝參數(shù)的選取直接關(guān)系著最終成品的質(zhì)量。其中,壓力、溫度以及時間是關(guān)鍵參數(shù)[8]。產(chǎn)品的質(zhì)量問題主要分為內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量兩種:內(nèi)部質(zhì)量問題主要包含變形、彎曲、熔接痕等等;外部質(zhì)量問題主要有顏色分布不均、翹曲、裂痕等等。

1.2.2基于Moldflow的塑料缸蓋罩成型過程模流分析

1)分析過程

汽車發(fā)動機(jī)塑料缸體蓋罩結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜,這就使得其在加注塑型過程中出現(xiàn)缺陷的幾率更大,產(chǎn)品合格率較低[9]。因此必須采用有效的手段對塑料缸蓋罩成型過程進(jìn)行分析,以此來找出問題,并根據(jù)問題提出相應(yīng)的改進(jìn)策略,提高產(chǎn)品的質(zhì)量與合格率[10]。本文采用Unigraphics(UG)軟件建立缸體塑料蓋罩的三維模型,并利用Moldflow軟件對其成型過程進(jìn)行模流分析。采用UG軟件建立的產(chǎn)品三維模型以及劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示;該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 產(chǎn)品工藝參數(shù)

(a)缸蓋罩三維模型

2) 澆注系統(tǒng)的建立

澆注系統(tǒng)是注塑機(jī)與模具之間的連通通道,對產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響[11-12]。首先確定澆注口位置;其次結(jié)合產(chǎn)品要求分析得到的澆口為側(cè)澆口,并在內(nèi)表面隱蔽處,以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)而不影響外觀。根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)和澆口位置,采用一模兩腔布局,最后設(shè)計模具流道。

3)冷卻系統(tǒng)的建立

建立冷卻系統(tǒng)主要是為在充填過程結(jié)束后快速的帶走熔體的熱量,使產(chǎn)品迅速冷卻,有助于生產(chǎn)效率的提高[13]。為使模具的散熱均勻,管道的布局要均衡,應(yīng)兼顧上模與下模,如圖3所示。

圖3 模具冷卻水道布局

1.2.3基于Moldflow的熔體彎道流動數(shù)值模擬

首先建立了熔體彎道流動理論模型,然后采用Moldflow軟件對塑料熔體在彎流道中的流動進(jìn)行模擬,并將模擬結(jié)果與理論模型求解結(jié)果進(jìn)行對比分析,以此來驗證模型的有效性。采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法建立了圓環(huán)坐標(biāo)系中塑料熔體彎道流動理論模型,將熔體在圓管內(nèi)流動的幾何模型建立在一個圓環(huán)坐標(biāo)系(r,θ,φ)之中,圓環(huán)坐標(biāo)系以及圓柱坐標(biāo)系的幾何模型如圖4所示。

(a)圓環(huán)坐標(biāo)系

將圓柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為圓環(huán)坐標(biāo)系可以得到:

(1)

式中:T為溫度;r為圓環(huán)坐標(biāo)系中圓的半徑,r1為圓柱坐標(biāo)系中圓管的半徑。對函數(shù)一階偏導(dǎo)與二階偏導(dǎo),再聯(lián)立公式得到熔體在彎流道中流動的連續(xù)性方程為:

(2)

(u1cosθ-u2sinθ)=0

(3)

式中:η為熔體的黏度;γ為剪切速率。能量方程進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,則有:

(4)

式中:c為比熱容;t為熔體溫度;q為能量;λ為常數(shù)。一般條件下熔體的黏度數(shù)學(xué)模型:

(5)

式中:η為剪切黏度;η0為零切黏度;σ*為剪切盈利水平;n為非牛頓指數(shù)。

(6)

(7)

(8)

式中:T為溫度;P為壓力;D1為零切黏度系數(shù);D2為轉(zhuǎn)變溫度;D3為常數(shù);A1、A2的取值由溫度決定。

1.2.4模擬實驗設(shè)計

實驗在環(huán)境溫度為0 ℃和25 ℃條件下,采用Moldflow軟件對塑料缸蓋罩的成型過程進(jìn)行模擬,記錄此過程中的產(chǎn)品各項數(shù)據(jù)和性能,將2種條件下的結(jié)果進(jìn)行對比分析。在Moldflow軟件中設(shè)置工藝參數(shù),注射速率分別為60、120、200 cm3/s。實驗在彎流道內(nèi)選取了2個位置,每個位置分別對應(yīng)一個內(nèi)側(cè)和一個外側(cè)節(jié)點(diǎn),共4個節(jié)點(diǎn),如圖5所示。

圖5 位置選取示意圖

此外,在1號和2號位置的內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)之間等距離設(shè)置“a～f”6個節(jié)點(diǎn),在模擬實驗結(jié)束后對每個節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模流分析

在不同環(huán)境溫度條件下的模擬結(jié)果如表2所示。

表2 模流分析結(jié)果

由表2可知,2種環(huán)境溫度條件下的填充時間無明顯差異。上模與下模分別是和制品的外表面、內(nèi)表面進(jìn)行接觸的,25 ℃和0 ℃上、下模的溫差分別為34.14、35.27 ℃,說明制品在兩種環(huán)境下的內(nèi)、外表面溫差均較大。冷卻水入口和出口的溫差分別為8.1、6.1 ℃,差距較大,說明冷卻系統(tǒng)的性能不足。從制品的變形量來看,環(huán)境溫度為25 ℃時的變形量比0 ℃時的變形量小,初步判斷其原因可能是由于制品內(nèi)、外表面的溫差導(dǎo)致的,溫差越大則制品變形量越大。

2.2 數(shù)值模擬分析

當(dāng)采用不同的注射速率進(jìn)行模擬實驗時,熔體在1號和2號位置的流動速度、剪切速率、黏度以及溫度變化如圖6所示。

(a)1號位置的流動速度變化

由圖6可知,流動速度隨注射速率的增大而增大,貼近管壁的熔體流速比中間節(jié)點(diǎn)的熔體流速慢。1號位置位于直流道,因此熔體在的此處的內(nèi)、外側(cè)流速基本相當(dāng),最大差值是80 cm/s;而在處于圓弧流道的2號位置時的內(nèi)、外側(cè)流速差值較大,最大達(dá)到300 cm/s;并且外側(cè)的流速明顯低于內(nèi)側(cè)。剪切速率是反應(yīng)流速變化速率的指標(biāo),同理,熔體在2個位置的剪切速率隨注射速率的增大而增大。內(nèi)、外側(cè)熔體流動時的剪切速率明顯大于中間節(jié)點(diǎn)的熔體;外側(cè)的剪切速率大于內(nèi)側(cè)的剪切速率,說明外側(cè)熔體的流速變化比內(nèi)側(cè)快;2號位置的內(nèi)外側(cè)剪切速率最大差值大于1號位置,與熔體流速變化一致。熔體的黏度隨著注射速率的增大而減小,黏度變化范圍在350 Pa·s以內(nèi)。位于流道兩側(cè)的熔體溫度明顯高于中間節(jié)點(diǎn)的熔體,并且2號位置的溫度分布較1號位置更加均勻。結(jié)合上述結(jié)果,分析其原因是熔體流動速度越快,剪切速率越大,則其沿管壁散失的熱量越多;反之,則熱量散失越少。流道外側(cè)的熔體剪切速率較小,因此其溫度高于內(nèi)側(cè);熔體由1號位置流至2號位置的過程中,流速一直減小,使得其內(nèi)部傳熱更加充分,才會出現(xiàn)2號位置的熔體溫度分布更加均勻的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

以往在生產(chǎn)塑料缸蓋罩時,人工分析檢查存在效率低下以及成本高等問題。并且,傳統(tǒng)的直流道數(shù)學(xué)模型也不適用于彎流道。研究基于Moldflow對塑料缸蓋罩成型過程進(jìn)行了模流分析,并采用Moldflow在不同的注射速率條件下進(jìn)行數(shù)值模擬。實驗結(jié)果表明:采用的塑料缸蓋罩的生產(chǎn)工藝存在一定的缺陷,塑料熔體在彎流道內(nèi)的流動速度、剪切速率以及溫度都隨著注射速率的增大而增大,熔體黏度隨著注射速率的增大而降低。貼近管壁的熔體流速、黏度小于流道中間的熔體,剪切速率和溫度大于中間熔體;貼近外側(cè)管壁的熔體流速、剪切速率、黏度和溫度均大于內(nèi)側(cè);熔體在流經(jīng)彎流道時外側(cè)與內(nèi)側(cè)熔體的指標(biāo)差值較直流道更大。本實驗的不足之處在于只定性的研究了熔體在彎流道中的變化規(guī)律,并未對流道的形狀和參數(shù)的改變對其的影響進(jìn)行探究,未來還需建立更多不同的流道模型以及改變參數(shù)來對此進(jìn)行完善。