朱洪軍

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 紹興 312000)

0 前言

汽車副儀表箱體是汽車內(nèi)飾件中的大型塑件，其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是體積大，壁薄，功能特征較多，注塑易變形，塑件的尺寸難以控制[1-5]。隨著汽車新款的不斷推出，副儀表箱體上承載的輔助功能件越來越多，因而，其結(jié)構(gòu)及外形也須不斷改進(jìn)，以滿足功能件的安裝需要。同時(shí)，該零件的外觀也有較高的要求，一般依據(jù)汽車的檔次需要，需要做皮紋、高光等表面處理[6-9]。因而，塑件的注射成型有一定的難度。大型塑件注塑中，對應(yīng)形狀奇異的塑件一般很難做到均衡注塑，故而需要從根源上調(diào)整和優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以盡可能地做到近平衡性注塑，即縮小分平衡點(diǎn)之間物理參數(shù)狀態(tài)差異，以保證塑件的塑件的外形尺寸及表觀質(zhì)量，盡可能地消除塑件的潛在質(zhì)量缺陷[7-11]。模流分析軟件Moldflow2015能對塑件的注塑過程進(jìn)行高質(zhì)量仿真，特別是針對塑件的平衡注塑時(shí)，能有效發(fā)現(xiàn)塑件上同位置點(diǎn)平衡注塑時(shí)塑料料流的物理狀態(tài)差異，從而有針對性進(jìn)行改進(jìn)，以盡可能地避免盲目試模帶來的生產(chǎn)成本浪費(fèi)[12-13]，本文擬結(jié)合某汽車新款汽車副儀表箱體的注塑優(yōu)化來進(jìn)行實(shí)例研究，以資設(shè)計(jì)參考。

1 副儀表箱體塑件模型

副儀表箱體塑件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型如圖1所示，塑件平均壁厚2.5 mm，其整體外形尺寸為1 025 mm×463 mm×319 mm； 塑件整體結(jié)構(gòu)基本呈左右對稱狀態(tài)分布，左右兩邊為側(cè)為側(cè)面板，中間部位依次設(shè)計(jì)有142 mm×227 mm的雜物盒槽。78 mm×319 mm的杯槽，140 mm×45 mm的尾臺。從前后方位來看，材質(zhì)在前后方向上不均極不均勻，主要體現(xiàn)在中間78 mm×319 mm的杯槽偏設(shè)于塑件一邊，另外一邊則為61 mm×276 mm的擋位槽，且擋位槽壁厚相對較厚，為3 mm左右，壁厚不均。塑件的另外一個(gè)特點(diǎn)是側(cè)壁內(nèi)側(cè)上設(shè)有較多的比較薄的卡扣和插片。壁厚不均意味著塑料在塑件的各部位上分布的塑料差別大，因而在注塑過程中導(dǎo)致料流不能平衡穩(wěn)定地流動(dòng)，冷卻時(shí)收縮情況也不盡一致，導(dǎo)致潛在的注塑問題較多，因此，塑件注塑前，應(yīng)依據(jù)注塑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和CAE輔助分析來對塑件的注塑進(jìn)行優(yōu)化，以期盡可能地避免改模成本浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

圖1 塑件模型Fig.1 Product model

2 注塑問題分析

無論是異型塑件還是規(guī)則形狀塑件，相對于注射成型而言，澆口位置開設(shè)在塑件的正中央(幾何中心)是最佳的澆口位置選擇，這樣能保證澆口位置到各流動(dòng)終端的路徑基本能做到等長度，熔融料流能做到較為均衡地流動(dòng)，塑件的各填充末端能獲得較好的均衡充填，避免注塑失衡；但通常情況下，中心注塑是受到諸多限制的，特別是針對本塑件而言，如圖2(a)所示，側(cè)壁A、側(cè)壁B兩邊是對稱的，其上的K1～K9也是成兩邊對稱分布的；但A壁和B壁中間的H1、H2特征為非對稱分布且壁厚相對較厚，料流在H1、H2處的流動(dòng)走勢與A壁、B壁的走勢不同，如圖2(b)所示，因而，結(jié)合塑件中央部位的特征，可以將塑件分為3個(gè)注塑區(qū)域，分別為第I區(qū)域、第II區(qū)域、第III區(qū)域。因而，塑件澆注方案的制定遵循以下思路思路進(jìn)行：第一種方案，經(jīng)過UG軟件對塑件的實(shí)體進(jìn)行體積測算后，做體積充填均衡處理，將I區(qū)單獨(dú)采用一個(gè)澆口進(jìn)行充填，II、III區(qū)合并為采用另一個(gè)澆口進(jìn)行澆注，在此基礎(chǔ)上再增設(shè)澆口來進(jìn)行澆注；澆口位置設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到塑件外表要做皮紋的要求，澆口不能開設(shè)于塑件表面，只能開設(shè)于側(cè)邊或者采用潛伏式澆口開設(shè)于塑件背面。

K1～K9—扣接特征 A、B—側(cè)壁編號 H1～H2—槽特征 J1—尾臺特征 I、II、III—注塑分區(qū)(a)塑件背面 (b)塑件正面圖2 澆注分析Fig.2 Gating analysis

3 CAE模型

CAE分析借助Moldflow2015對澆注系統(tǒng)進(jìn)行逐步仿真分析，而后再針對澆注方案出現(xiàn)的問題，對方案進(jìn)行對比來改進(jìn)優(yōu)化，最后獲取最優(yōu)方案的注塑工藝參數(shù)，以獲得最優(yōu)的注塑塑件效果。

有限元分析CAE模型設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3(a)所示為塑件UG軟件中分析的壁厚結(jié)果，從圖中彩紋圖可以看出，塑件壁厚最大為5 mm，最小為0.42 mm左右；壁厚明顯有不均勻問題存在。

壓力/MPa：▲—0 ■—50 ●—100 ◆—150 +—200(a)塑件壁厚 (b)CAE網(wǎng)格 (c)型腔冷卻管道 (d)型芯冷卻管道 (e)材料PVT特性圖3 CAE模型Fig.3 CAE model

圖3(b)所示為CAE網(wǎng)格模型，模型通過UG軟件將塑件的3D模型的PRT格式圖檔導(dǎo)出為STL格式后，通過Moldflow2015的自帶網(wǎng)格模塊劃分軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，類型采用雙層面三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格信息如下：網(wǎng)格總數(shù)113 584個(gè)，總表面積12 564 cm2,總體積1 513 cm3，縱橫比最大為15.0，最小為1.16，平均2.29；共用邊170 376，自由邊、多重邊、配向不正確單元、相交單元、完全重疊單元數(shù)量皆為零；匹配百分比89.6 %，相互百分比85.8 %。如圖3(c)所示，冷卻CAE模型設(shè)置中型腔水路設(shè)置24條水路，型芯水路設(shè)置為10條12 mm獨(dú)立管道，如圖3(d)所示，管道直徑與單元長度比設(shè)置為1∶5，材料選用Generic PP，材料推薦工藝參數(shù)為，模具表面溫度50 ℃，熔體溫度220 ℃，模具溫度20～80 ℃，熔體溫度范圍180～260 ℃，絕對最大熔體溫度300 ℃，頂出溫度124 ℃，最大剪切應(yīng)力0.25 MPa，最大剪切速率10 000 s-1,材質(zhì)的PVT屬性如圖4(e)所示。

4 CAE分析

4.1 原始方案

(1)最佳澆口位置分析?？紤]到塑件的表面要求及流動(dòng)長度等因素的影響，結(jié)合塑件的形狀特點(diǎn)，考慮采用3點(diǎn)式澆注對塑件來進(jìn)行分區(qū)同步澆注，在對塑件不能設(shè)置澆口位置的區(qū)域做出設(shè)定后，其區(qū)域限制設(shè)定包括4個(gè)區(qū)域，如圖4(a)所示，運(yùn)用軟件的【澆口位置】分析尋優(yōu)3個(gè)澆口最佳位置，獲得澆口位置分布如圖4(b)所示。

(a)限制性澆口區(qū)域設(shè)置 (b)原始澆注系統(tǒng)模型 (c)原始方案翹曲變形圖4 原始方案Fig.4 Original scheme

(2)澆口平衡。最佳澆口位置分析結(jié)果，原始方案構(gòu)建澆注系統(tǒng)的模型如圖4(b)所示，澆口開設(shè)有3個(gè)，分別為G1、G2、G3，G1澆口負(fù)責(zé)I區(qū)域的充填，G2、G3負(fù)責(zé)II、III區(qū)域的充填。澆注系統(tǒng)由G1澆口澆注系統(tǒng)和G2、G3澆注系統(tǒng)組成，流道系統(tǒng)采用冷熱流道相結(jié)合的方式，以保證料流的流動(dòng)性充足。 熱流道采用Φ15 mm流道，R1、R2分流道為冷流道，其主流道都采用錐形流道，入口直徑為Φ4 mm，R1、R2分流道采用梯形截面流道，截面尺寸為12 mm×10 mm×10 mm ，G1～G34 個(gè)澆口采用扇形澆口，同一塑件上不同澆口之間的平衡；澆口之間的平衡一般用BGV值來衡量，相同塑件同模注塑時(shí)，各澆口的BGV值須相等，相異塑件之間的注塑充填量與BGV值之間的比值應(yīng)該相等，故而，BGV值(VBGV)為：

(1)

式中Ag——澆口截面積，mm2

Lr——主流道澆口中心到澆口的流道長度，mm

Lg——澆口長度，mm

同一塑件采用多個(gè)澆口澆注時(shí)，為做到平衡澆注，各澆口之間的BGV值關(guān)系為：

VBGV1=VBGV2==VBGVi

(2)

經(jīng)平衡后，G1澆口入口截面尺寸為11 mm×4 mm，G2、G3采用相同尺寸，入口截面尺寸為14 mm×2.4 mm。分析方案采用【充填+保壓+翹曲】，工藝參數(shù)設(shè)置中，模具表面溫度50 ℃，熔體溫度220 ℃，注射時(shí)間5.8 s，速度/壓力切換[98.85 %體積]，保壓控制80 MPa/10 s，50 MPa/5 s，冷卻時(shí)間60 s，變形結(jié)果中分離翹曲原因，考慮角效應(yīng)。其主要分析結(jié)果如圖4(c)所示，最大問題是塑件的翹曲量過大，因而初始澆注系統(tǒng)須做進(jìn)一步的改進(jìn)。

翹曲變形過大的原因，從其分離結(jié)果分析來看，收縮不均值為2.3～107 mm之間，取向不均為1～88 mm之間，角效應(yīng)為1.23 ～233.3 mm之間，冷卻不均為0～45.5 mm之間；從結(jié)果的排序來看，影響大小依次為角效應(yīng)>收縮不均>取向不均>冷卻不均。角效應(yīng)主要由于四角熱量散發(fā)不均，有轉(zhuǎn)角的地方不容易散熱，容易積熱，而在該處的分子，在熱應(yīng)力高的情況下運(yùn)動(dòng)較其他地方激烈，因而，在一定空間里，分子與分子間的距離將加大，在分子冷卻下來時(shí)，該處(轉(zhuǎn)角位)的收縮就比其他部位高，在兩角之間的地方產(chǎn)生向外折彎的力，但在收縮時(shí)又被模仁所約束，從而導(dǎo)致面內(nèi)收縮和厚度方向收縮差異較大，使得塑件兩角中間部分向內(nèi)變形而導(dǎo)致收縮不均，解決的辦法是減小體積收縮來減小轉(zhuǎn)角效應(yīng)。收縮不均主要由于流道不合理、澆口截面過小導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)合理的保壓而引起。分子取向不均為澆口位置的選擇與設(shè)置不當(dāng)而引起；冷卻不均是冷卻管路布置不當(dāng)引起，應(yīng)改善冷卻效果，優(yōu)化冷卻管道的設(shè)計(jì)。所以，綜合上述大翹曲變形的結(jié)果分析來看，對澆注系統(tǒng)做進(jìn)一步的改進(jìn)應(yīng)為本案優(yōu)化改進(jìn)的首選方案。

4.2 第一次改進(jìn)方案

第一次改進(jìn)后澆注系統(tǒng)的模型如圖5(a)所示，澆口開設(shè)有6個(gè)，在G1、G2、G3的基礎(chǔ)上增加3個(gè)澆口，分別為G4、G5、G6；I區(qū)域的充填在G1澆口的基礎(chǔ)上增加G4、G5澆口；II、III區(qū)域的充填在G2、G3澆口的基礎(chǔ)上增設(shè)G6澆口。流道系統(tǒng)在R1基礎(chǔ)上增設(shè)了一條橫向流道R4、R2分流道增設(shè)了一條流道R3，R1、R2、R3、R4分流道同樣采用梯形截面流道，截面尺寸為12 mm×10 mm×10 mm ，G1～G66個(gè)澆口同樣采用扇形澆口，經(jīng)平衡后，G1、G4、G5澆口入口截面尺寸為11 mm×2.65 mm，G2、G3、G6入口截面尺寸為14 mm×2.4 mm。分析方案采用【充填+保壓+翹曲】，工藝參數(shù)設(shè)置同原始方案同。其主要分析結(jié)果如圖5(b)所示，最大問題是依然塑件的翹曲量過大，并且有進(jìn)一步增大的趨勢。

究其原因，主要是改進(jìn)后澆注系統(tǒng)在分區(qū)間的流動(dòng)長度過長，還是不能在充填后去除分區(qū)間的流動(dòng)差異，因而改進(jìn)的方案只能還是對澆注系統(tǒng)做進(jìn)一步的調(diào)整。

4.3 第二次改進(jìn)方案

(a)第二次改進(jìn)澆注系統(tǒng)模型 (b)第二次方案翹曲變形圖6 第二次改進(jìn)方案結(jié)果 IFig.6 The results of the second improvement scheme I

第二次改進(jìn)后澆注系統(tǒng)的模型如圖6(a)所示，澆口開設(shè)有8個(gè)，在第一次改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上增加2個(gè)澆口，分別為G7、G8。I區(qū)域的充填由G1、G4、G5澆口實(shí)施充填，II區(qū)域由G2、G3、G6澆口實(shí)施充填；III區(qū)域增設(shè)G7、G8進(jìn)行澆注。R1～R4流道尺寸不變，增加流道R5，R5分流道同樣采用梯形截面流道，截面尺寸為12 mm×10 mm×10 mm 。G7、G86個(gè)澆口同樣采用扇形澆口，經(jīng)平衡后，G1、G4、G5澆口入口截面尺寸為11 mm×2.65 mm，G2、G3、G6入口截面尺寸為14 mm×2.4 mm，G7、G8入口截面尺寸為7 mm×2.65 mm。分析方案采用【充填+保壓+翹曲】，工藝參數(shù)設(shè)置同原始方案同。分析結(jié)果如圖6(b)所示，從圖6中可以看出，最大變形量為15.34 mm，其相對于塑件的X軸向、Y軸向、Z軸向而言，變形量分別占比為4 %，3.3 %，1.5 %，這對于汽車件的裝配尺寸精度而言，已能滿足使用要求。可以認(rèn)為，采用第二次改進(jìn)的澆注系統(tǒng)能滿足本塑件的實(shí)際使用要求，只需對工藝參數(shù)做進(jìn)一步的改善其它質(zhì)量缺陷的工藝參數(shù)優(yōu)化。

5 注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

5.1 綜合結(jié)果分析

查詢到第二次改進(jìn)方案的其他結(jié)果情況為，充填時(shí)間7.08 s，各澆口充填情況如圖7(a)所示；速度/壓力切換時(shí)的壓力173.1 MPa；前沿溫度塑件主體上的溫度范圍為210.1～260.3 ℃，如圖7(b)所示，整體溫度在200.5～255.8 ℃之間；最高剪切速率在G1澆口處為7 141 s-1；注射位置處的尖峰壓力為173 MPa；頂出時(shí)的體積收縮率最大為9.85 %；射出體積量在7.23 s時(shí)為94.55 %，直到40.1 s時(shí)達(dá)100 %；氣穴較少，主要分布在H1、H2特征及M1特征處；最大鎖模力出現(xiàn)在6.9 s時(shí)，其鎖模力大小為1 834 t；內(nèi)應(yīng)力較大，最大為78.41 MPa，如圖7(c)所示；心部取向和表層取向較為規(guī)整，塑件無潛流問題；最終注塑壓力大，達(dá)173.1 MPa左右；縮痕指數(shù)比較小，最大為1.609 %；熔接線在澆口周圍較多。綜合上述，有問題的考察項(xiàng)為前沿溫度溫差大；注塑壓力過大，導(dǎo)致鎖模力過大；內(nèi)應(yīng)過大；熔接線過多，如圖7(d)所示。

(a)澆注區(qū)域分布 (b)氣孔分布 (c)內(nèi)應(yīng)力分布 (d)熔接線分布圖7 第二次改進(jìn)方案結(jié)果 IFig.7 The results of the second improvement scheme I

綜合有問題的考察項(xiàng)來看，主要與料溫和模溫關(guān)系比較大，其次是保壓設(shè)置，再次是通過優(yōu)化來提高生產(chǎn)效率和綜合提高塑件注塑品質(zhì)。

5.2 熔體溫度優(yōu)化

提高熔體溫度對消除塑件的內(nèi)應(yīng)力、降低注塑壓力、減少跑道效應(yīng)、消除熔接痕等問題能起非常明顯的作用。熔體溫度優(yōu)化的過程為，對不同溫度下，各品質(zhì)考察分項(xiàng)狀態(tài)來進(jìn)行對應(yīng)的應(yīng)用溫度的優(yōu)化評估。優(yōu)化過程為從熔體溫度范圍200～280 ℃等間距取點(diǎn)5 個(gè)點(diǎn)，分別為230、235、240、245、250 ℃，將5個(gè)溫度依次輸入注塑工藝參數(shù)中，模溫采用60 ℃，采用【充填+保壓+翹曲】分析方法；通過對結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)熔體的溫度應(yīng)選245 ℃較為適宜。通過其他指標(biāo)的觀測，245 ℃時(shí)，塑件整體溫度溫差變化小，前鋒溫度溫差在5 ℃內(nèi)，翹曲變形量為8.088 mm，注塑壓力為104 MPa，縮痕指數(shù)正負(fù)區(qū)間變小，塑件的外觀能得到更好的保證。

5.3 保壓曲線優(yōu)化

保壓優(yōu)化包括保壓時(shí)間和保壓壓力的優(yōu)化，結(jié)合前述結(jié)果，射出體積量在7.23 s時(shí)為94.55 %，直到40.1 s時(shí)達(dá)100 %的狀態(tài)，分析后可以得出，保壓時(shí)間可以設(shè)置空間有33 s時(shí)間，分析塑件在熔體溫度為245 ℃時(shí)的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在30.78 s時(shí)，塑件的質(zhì)量已趨于穩(wěn)定，為98.8 %，因此，可以認(rèn)為30.88 s為保壓終了時(shí)塑件的質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)，通過進(jìn)一步的保壓時(shí)間與射出量之間的仿真模擬，保壓在31.5 s時(shí)，其質(zhì)量已完全趨于穩(wěn)定，因而去除7.23 s充填時(shí)間后，保壓時(shí)間可取25 s。

保壓壓力的優(yōu)化，在245 ℃熔體溫度條件下，注射壓力為104 MPa，結(jié)合保壓設(shè)置經(jīng)驗(yàn)，保壓壓力可取分別取70、80、90、100、110 MPa，對5種保壓壓力分別進(jìn)行模擬，可以觀察到體積收縮率和最大殘余應(yīng)力都隨保壓壓力的增加而遞減，保壓壓力的增加有力于減少塑件的頂出時(shí)的收縮和殘余應(yīng)力的減少。綜合考察5.1節(jié)所述指標(biāo)及翹曲量，保壓壓力取90 MPa和70 MPa，即第一段保壓壓力90 MPa，第二段為70 MPa，對應(yīng)時(shí)間分別為16、9 s，能較好地降低翹曲及內(nèi)應(yīng)力。

5.4 冷卻時(shí)間優(yōu)化

將優(yōu)化后的熔體溫度、保壓參數(shù)輸入圖1(c)所示CAE模型中運(yùn)行【填充+保壓+冷卻+翹曲】，加入冷卻因素后，初始冷卻時(shí)間估算為注塑時(shí)間的10倍，因而初步冷卻時(shí)間為70 s，對冷卻時(shí)間等間距分散后，以10 s為步長，采用50、60、70、80、90 s進(jìn)行冷卻分析。最優(yōu)的冷卻結(jié)果為60 s，結(jié)果表明，管道冷卻進(jìn)出口溫差為1.95 ℃，小于3 ℃，，管壁溫度為29.45 ℃，介質(zhì)最高溫度為26.82 ℃，低于管壁5 ℃，故而，冷卻時(shí)間選60 s冷卻較為合理。冷卻優(yōu)化后塑件的頂出收縮率為2.35 %，能在生產(chǎn)所指定的周期內(nèi)保證塑件的高品質(zhì)注塑。

6 注塑成品

按上述優(yōu)化參數(shù)工藝進(jìn)行注塑，試模7模后，獲得的塑件樣件效果較好，經(jīng)相關(guān)外形尺寸、表觀等項(xiàng)目檢測，該注塑仿真結(jié)果提供的參數(shù)能保證塑件的高品質(zhì)量產(chǎn)要求，注塑樣件如圖8所示。

(a)塑件正面 (b)塑件背面圖8 成品Fig.8 Product

7 結(jié)論

(1)在綜合分析塑件結(jié)構(gòu)特征及基于注射成型經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了其初步的冷熱流道相結(jié)合的3點(diǎn)注射成型方案，通過CAE仿真分析發(fā)現(xiàn)，初始澆注方案成型的最大缺陷為澆口間的不平衡澆注導(dǎo)致塑件的翹曲變形過大，通過進(jìn)一步的2次澆口增設(shè)及澆口間的平衡調(diào)整，塑件的翹曲變形降到15 mm左右，翹曲變形得到了有效控制;

(2)在基于澆注系統(tǒng)平衡優(yōu)化獲得較好翹曲變形控制的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的料溫、保壓參數(shù)、冷卻參數(shù)的調(diào)整，注射成型的工藝參數(shù)得到進(jìn)一步的優(yōu)化；獲得的最佳注射成型工藝參數(shù)為：料溫245 ℃，模溫60 ℃，保壓分兩段保壓，分別為90 MPa/16 s，70 MPa/9 s；冷卻時(shí)間60 s;

(3)運(yùn)用CAE輔助分析，能高效對注射成型中潛在的成型問題進(jìn)行有效預(yù)測分析，避免單純依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試模試錯(cuò)所帶來的生產(chǎn)成本風(fēng)險(xiǎn)，提高了模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和生產(chǎn)效益。