俞蓓

(安徽機電職業(yè)技術學院機械工程系， 安徽 蕪湖 241002)

注塑產(chǎn)品憑借其優(yōu)良的性能、較低的生產(chǎn)成本漸有替代傳統(tǒng)金屬制件之勢，大量的注塑件應用于汽車配件制造中。這些汽車配件的尺寸越來越大，結構復雜，普通的冷流道注塑技術已經(jīng)很難解決注塑時熔體流動不平衡、熔接痕數(shù)量多、熔接強度低、產(chǎn)品短射或翹曲等問題。為了確保零件注塑的成功率，通常在模具設計前需針對不同的工藝方案，應用Moldflow進行有限元建模分析。然后，根據(jù)產(chǎn)品成型方案比較結果，再對注塑方案進行優(yōu)化和確認，最終提出合理的成型工藝參數(shù)及模具結構設計指導意見。這種方法可有效提高產(chǎn)品的成型效率，大幅降低模具設計與產(chǎn)品生產(chǎn)的成本[1]。本次研究將運用此方法，針對國內(nèi)某大型客車配件生產(chǎn)，提出2套熱流道注塑成型方案，并對其進行對比分析。

1 產(chǎn)品概述

產(chǎn)品系國內(nèi)某大型客車的配件，尺寸較大，為1 120 mm×558 mm×107 mm；配件結構形狀復雜，有連接裝配要求，具有多處小孔、倒扣、凸臺及溝槽等，模具結構設計時需要考慮鑲件及斜頂?shù)氖褂?。產(chǎn)品整體壁厚為1.5～5.0 mm，局部壁厚達到5.6 mm，模具設計時需要重點考慮冷卻水路的布置，加強其冷卻性能[2]。圖1所示為產(chǎn)品結構圖。因為零件需要較高的力學性能，因此，生產(chǎn)材料選用SABIC公司的STAMAX 30YM240。該材料為30%玻纖增強PP，具有高剛性、高強度、耐老化、耐磨損的特點[3]。

2 澆注系統(tǒng)設計

澆注系統(tǒng)是完成注塑成型的一系列通道，其布置、結構和尺寸對產(chǎn)品成型有很大影響。 根據(jù)這類大型汽車零部件的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，對澆注系統(tǒng)進行了具體設計?？紤]到零件的尺寸及結構，設計為“一模一腔”熱流道注塑成型，配合使用針閥式噴嘴按設定的時間進行順序注塑。圖2所示為產(chǎn)品澆注方案。表1所示為針閥式噴嘴開啟時間順序。

環(huán)形管外徑為22 mm，支管外徑為22 mm，熱嘴孔徑為6 mm?？紤]到澆口位置、澆口去除、熔體流動平衡及流程等因素，提出2種注塑成型工藝方案：六點進澆方案和八點進澆方案。按照六點進澆方案，澆口從產(chǎn)品上邊框的左、中、右3處，中間邊緣凸耳處及下邊框中間處進行注塑；按照八點進澆方案，與六點進澆位置相似，另在產(chǎn)品下邊框左、右兩側增設進澆點。利用Moldflow對其注塑填充過程及其翹曲情況進行對比分析。統(tǒng)一設定其模具溫度為50 ℃，熔體溫度為250 ℃，V/P轉換為99%。

圖1 產(chǎn)品結構圖

圖2 產(chǎn)品澆注方案

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3 注塑成型填充對比

3.1 充型時間

產(chǎn)品的充型時間與生產(chǎn)效率直接相關，可以通過動態(tài)成型過程觀察產(chǎn)品充型的平衡性及短射缺陷。圖3所示為充型時間對比。六點進澆方案的充型時間為6.066 s，各澆口充填連續(xù)平穩(wěn)，充填平衡，塑件無短射缺陷[4]。八點進澆方案充型時間為7.646 s。與六點進澆方案相比，八點進澆方案充填平衡，無短射缺陷[4]，但充型時間卻延長了1.58 s，約延長26%。由此可以看出，并不是澆口數(shù)量越多充型就越快。充型平衡時型腔充滿的時間與澆口數(shù)量及其布置的位置有著緊密聯(lián)系，只有設置合理，成型時間才會縮短，產(chǎn)品短射缺陷才可避免。

圖3 充型時間對比

3.2 熔前溫度

熔前溫度是熔體在注塑時充型到達型腔內(nèi)各個不同時間點所能達到的溫度，型腔內(nèi)各處的熔前溫度應該基本一致，溫差不能太大，通常溫差不宜超過20 ℃。圖4為熔前溫度對比。六點進澆方案的熔前溫度范圍為243.6 ～ 251.1 ℃，八點進澆方案的熔前溫度范圍為231.6～251.0 ℃。兩方案的熔前溫差都小于推薦值(20 ℃)，均滿足注塑要求。但是，六點進澆時熔體的熔前溫度溫差為6.5 ℃，溫差較??；八點進澆時熔體的熔前溫差為19.4 ℃，溫差較六點進澆時高出12.9 ℃。

圖4 熔前溫度對比

3.3 纖維取向分布

STAMAX 30YM240是汽車輕量化生產(chǎn)中應用較廣泛的一種復合材料[5]。在注塑填充過程中流動形態(tài)非常復雜，并且在熔體流動期間可能在某個方向上發(fā)生取向。取向程度會影響產(chǎn)品的力學性能和翹曲變形效果。圖5所示為纖維取向?qū)Ρ?。六點進澆方案和八點進澆方案中產(chǎn)品的纖維取向十分相似，它們的取向程度都比較均勻平衡，產(chǎn)品大面積的平面區(qū)域取向程度較低，基本為0.6左右[6]。同時，產(chǎn)品邊緣及加強筋的末端這些需要較高強度的地方處在模具分型面及型腔表面處，受料流的剪切作用明顯，其纖維取向分布高度均衡，取向程度達到0.8以上，最高值接近1.0。

圖5 纖維取向?qū)Ρ?/p>

3.4 V/P轉換、注塑壓力及鎖模力

V/P(速度/壓力)轉換顯示了注塑過程中壓力變化接近壓力轉換點時型腔所能達到的壓力值。圖6所示為V/P轉換、注塑壓力及鎖模力對比。

六點進澆方案中，接近壓力轉換點99%時壓力為60.82 MPa；八點進澆方案的壓力比六點進澆方案有所降低，接近壓力轉換點99%時壓力為40.77 MPa。注塑成型時的注塑壓力反映了產(chǎn)品注塑時熔體流動的平衡性。六點進澆方案中，5.013 s時注塑壓力達到峰值62.7 MPa，隨后進行13.000 s的保壓，需要鎖模力1 367.1 t。

八點進澆方案顯示，6.767 s時注塑壓力達到峰值42.0 MPa，隨后進行13.000 s的保壓，需要鎖模力1 900.9 t。注塑壓力小，表明熔體充型相對平衡，產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷的概率會大大降低。由此可見，八點進澆方案雖然對注塑機鎖模力的要求較高，但卻有利于產(chǎn)品成型。

4 產(chǎn)品注塑翹曲對比

產(chǎn)品需要與其他零件進行裝配與連接，所以對其結構形狀及安裝孔的位置要求較高。成型前對產(chǎn)品進行翹曲變形分析，是模具結構的優(yōu)化及產(chǎn)品注塑工藝參數(shù)設置的重要依據(jù)[7]。圖7為產(chǎn)品翹曲變形對比。由六點進澆方案的分析可知，產(chǎn)品總的變形量為0.162 9～2.07 8 mm，x方向的變形量為-1.523 ～1.271 mm，y方向的變形量為-1.527～1.887 mm，z方向的變形量為-1.334～1.883 mm。八點進澆方案的分析結果顯示，產(chǎn)品總的變形量為0～2.018 mm，x方向的變形量為-1.249～0.856 3 mm，y方向的變形量為-1.615～1.66 9 mm，z方向的變形量為-0.902 8～0.998 3 mm。由上述對比可以看出，八點進澆時，無論是總的變形量，還是x、y、z方向的變形量均小于六點進澆時的變形量。需特別注意的是，產(chǎn)品中間2處凸耳位置，八點進澆方案x方向的變形量均為0.814 mm，比六點進澆方案中這兩處x方向的1.164、1.031 mm的變形量明顯有所降低。八點進澆下產(chǎn)品的翹曲變形量較小，可以滿足產(chǎn)品的裝配要求。

圖6 V/P轉換、注塑壓力及鎖模力圖

5 結 語

本次研究中提出了2種注塑方案，應用Moldflow對產(chǎn)品進行了充填模擬和翹曲變形分析。通過比較得出以下結論：

(1) 六點進澆方案較八點進澆方案的注塑壓力大，翹曲變形相對嚴重，八點進澆時熔體的流動平穩(wěn)，產(chǎn)品翹曲變形小，可以達到產(chǎn)品的裝配要求。

(2) 六點進澆方案較八點進澆方案的熔前溫差低近13 ℃，但八點進澆方案溫差小于20 ℃，滿足注塑成型的要求。

(3) 八點進澆方案需要的鎖模力達1 900 t，需要選擇合模力較大的注塑機。

(4) 八點進澆方案比六點進澆方案的澆口數(shù)量多，但所需充型時間卻比六點進澆方案長26%。這對于生產(chǎn)成本會產(chǎn)生一定影響，因此考慮調(diào)整澆口的位置，以縮短成型時間。

圖7 產(chǎn)品翹曲變形對比

綜上所述，選擇八點進澆方案，可以生產(chǎn)出滿足裝配要求的合格產(chǎn)品。同時，在實踐中應調(diào)整多澆口之間的距離及位置，盡可能縮短成型時間，以降低成本。