牛家騰,張惠敏,唐 躍
(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266100)
Moldflow軟件可以縮短模具設(shè)計(jì)周期,優(yōu)化橡膠和塑料制品的生產(chǎn)工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量。但Moldflow軟件在塑料注射成型工藝和模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用廣泛,而在橡膠注射成型中的應(yīng)用還很少。本工作應(yīng)用Moldflow軟件,對(duì)轎車水箱蓋的注射成型工藝進(jìn)行分析,研究模具溫度對(duì)膠料的充模時(shí)間、充模結(jié)束時(shí)的體積固化率和充模后的體積固化率的影響,選擇最優(yōu)的模具溫度。
本工作以轎車水箱蓋為研究對(duì)象,首先用UG格式創(chuàng)建水箱蓋的實(shí)體模型,然后將模型以IGS格式導(dǎo)入Moldflow軟件中,并劃分網(wǎng)格。Moldflow軟件可以提供3種網(wǎng)格劃分方法:中性面、雙層面以及3D網(wǎng)格[1]。轎車水箱蓋是一個(gè)薄壁橡膠制品,因此采用雙層面來(lái)劃分網(wǎng)格,以保證網(wǎng)格質(zhì)量,并節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存。轎車水箱蓋注射成型模具設(shè)計(jì)為1模4腔,流道形狀設(shè)計(jì)為H型。用Moldflow軟件設(shè)計(jì)的轎車水箱蓋注射成型模具的有限元模型如圖1所示。
圖1 轎車水箱蓋注射成型模具的有限元模型
與塑料制品不同,橡膠制品在注射成型過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜的硫化反應(yīng)。橡膠制品的硫化是在高溫、高壓下完成的,硫化期間橡膠線性大分子交聯(lián)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子,從而改善膠料的物理性能[2]。
本工作膠料在模具中的熔體溫度為90 ℃。模具溫度對(duì)成型非常重要,在不同溫度下,膠料在充模階段分子鏈交聯(lián)反應(yīng)情況各不相同。適宜的模具溫度可以保證膠料順利充滿模腔,縮短固化時(shí)間,優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。
根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn),薄壁橡膠制品的模具溫度一般不超過(guò)190 ℃,也不低于160 ℃。本工作模具溫度分別取165 ℃,170 ℃,175 ℃,180 ℃。
膠料的充模時(shí)間反映了膠料流動(dòng)性的優(yōu)劣。模具溫度直接影響膠料的粘度[3],而膠料粘度與其流動(dòng)性密切相關(guān),膠料粘度越小,流動(dòng)性越好,充模時(shí)間越短;膠料粘度越大,流動(dòng)性越差,充模時(shí)間越長(zhǎng)。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模時(shí)間見(jiàn)圖2,模具溫度對(duì)膠料充模時(shí)間的影響見(jiàn)圖3。
圖2 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模時(shí)間
圖3 模具溫度對(duì)膠料充模時(shí)間的影響
從圖2和3可以看出:模具溫度越高,膠料的流動(dòng)性越好,充模時(shí)間越短;模具溫度越低,膠料的流動(dòng)性越差,充模時(shí)間越長(zhǎng)。充模時(shí)間超過(guò)5 s,膠料可能不能充滿模腔,導(dǎo)致制品出現(xiàn)缺陷,因此模具溫度不應(yīng)低于170 ℃。
體積固化率是指在膠料硫化過(guò)程中固化膠料體積占模腔體積的比例。最理想的狀態(tài)是膠料能快速充滿模腔而不產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng),不易發(fā)生焦燒,因此充模結(jié)束時(shí)膠料的體積固化率越小越有利[4]。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率見(jiàn)圖4,模具溫度對(duì)膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率的影響見(jiàn)圖5。
圖4 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率
圖5 模具溫度對(duì)膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率的影響
從圖4和5可以看出:模具溫度越低,膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率越??;模具溫度越高,膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率越大,這是由于模具溫度越高,膠料的硫化速度越快,越容易產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng),阻礙膠料流動(dòng),從而導(dǎo)致膠料不能充滿模腔。膠料充模結(jié)束時(shí)的體積固化率大于0.75%,膠料可能不能充滿模腔,影響制品外觀和質(zhì)量,因此模具溫度應(yīng)不大于180 ℃。
橡膠屬于熱固性材料,當(dāng)熔融的膠料注入模腔以后,借助模腔的高溫,橡膠分子之間產(chǎn)生劇烈的交聯(lián)反應(yīng)。膠料充模后某一時(shí)間點(diǎn)的體積固化率越大,說(shuō)明橡膠制品成型所需的時(shí)間越短,生產(chǎn)效率越高;充模后某一時(shí)間點(diǎn)的體積固化率越小,說(shuō)明橡膠制品成型所需的時(shí)間越長(zhǎng),生產(chǎn)效率越低。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率見(jiàn)圖6,模具溫度對(duì)膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率的影響如圖7所示。
圖6 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率
圖7 模具溫度對(duì)膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率的影響
從圖6和7可以看出,隨著模具溫度升高,膠料充模后35 s時(shí)的體積固化率逐漸增大。膠料體積固化率大,說(shuō)明硫化速度快,成型時(shí)間短,生產(chǎn)效率高。總的來(lái)看,模具溫度高對(duì)膠料充模后的成型有利。
綜合來(lái)看,對(duì)于90 ℃的橡膠熔體,模具溫度在175 ℃時(shí),膠料充模時(shí)間短,能快速充滿整個(gè)模腔;充模結(jié)束時(shí)的體積固化率小,充模過(guò)程中不易產(chǎn)生焦燒;充模后35 s時(shí)的體積固化率大,膠料交聯(lián)反應(yīng)速度快,成型時(shí)間短,能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)效率。因此優(yōu)選的模具溫度為175 ℃。
轎車水箱蓋是一種廣泛使用的汽車配件,具有密封和承壓作用,品種較多,產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。采用Moldflow軟件可以對(duì)轎車水箱蓋等橡膠制品的注射成型工藝進(jìn)行優(yōu)化,縮短工藝和模具設(shè)計(jì)周期,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。Moldflow軟件作為一款優(yōu)秀橡膠、塑料流動(dòng)分析仿真軟件,應(yīng)在橡膠制品的注射成型研究中推廣使用。