汽車零件注塑模具流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

近年來(lái)，隨著注塑成型制品在汽車工業(yè)的廣泛應(yīng)用，汽車塑料化已成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，與此同時(shí)，塑料質(zhì)汽車零件已由汽車內(nèi)飾件擴(kuò)展到車身、外裝件和一些功能結(jié)構(gòu)件，在這種形勢(shì)下，人們對(duì)注塑模具的研究越發(fā)深入，模具結(jié)構(gòu)和注塑工藝的優(yōu)化逐漸成為主要研究方向。注塑模具流道系統(tǒng)連接流道和型腔的熔體通道，對(duì)模具結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)都有重要影響，直接關(guān)系到制件質(zhì)量，通常使用成型加工方法，因此，在模具設(shè)計(jì)初期就必須對(duì)流道尺寸和形狀進(jìn)行綜合考慮。受多種需求影響，在給定的流道布局上，優(yōu)化流道尺寸是多目標(biāo)的，比如熔接線位置、翹曲量高低、用料量多少等，而這些目標(biāo)往往會(huì)產(chǎn)生沖突，所以需要在這些目標(biāo)中找到平衡以獲得最為滿意的流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，切實(shí)提高加工品質(zhì)和效率。

一、汽車零件注塑模具流道系統(tǒng)組成

汽車零件注塑模具流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括流道設(shè)計(jì)和澆口設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，現(xiàn)對(duì)流道系統(tǒng)組成及在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.主流道

主流道為材料進(jìn)出通道，主要包括直澆口式、橫澆口式和斜澆口式三種結(jié)構(gòu)形式。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①主流道形狀應(yīng)呈圓錐形，若設(shè)計(jì)材料流動(dòng)性較好，錐角設(shè)計(jì)為2-4度，反之則可取6-10度，主流道長(zhǎng)度控制在60mm以下。②主流道截面積大小影響塑料熔體流速和充模時(shí)間，結(jié)合具體情況，一般將主流道近端口截面直徑控制在4-8mm，若熔體流動(dòng)性好且制件較小，可適當(dāng)減小直徑。③錐孔內(nèi)壁粗糙度控制在0.4-0.63μm，在圓錐孔大端處由直徑為1-3mm的圓角過(guò)渡，盡量降低熔料流動(dòng)阻力。

2.分流道

分流道是材料進(jìn)入通道，對(duì)充模保壓過(guò)程中的壓力影響很大。由于分流道要將具有高溫高壓特性的塑料熔體流向主流道然后轉(zhuǎn)換到模腔，因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)分流道設(shè)計(jì)的基本要求是盡量使熔體通過(guò)分流道時(shí)的溫度有所下降，壓力損失盡可能降低，并保證熔體能均勻穩(wěn)定地分配到模腔。這就需要在綜合考慮制品的體積、厚度、形狀的基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)分流道形狀和尺寸。實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要注意以下幾方面：①在滿足塑性設(shè)計(jì)和注塑成型工藝條件下，使分流道截面積盡量小。②合理設(shè)計(jì)分流道排放位置和排列方法，間距要合理，建議采取軸對(duì)稱或中心對(duì)稱方法緊湊排列，以控制分流道總面積。③長(zhǎng)度盡可能短，多型腔模具中各型腔分流道長(zhǎng)度盡可能相等。④粗糙度一般取1.6μm。⑤進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)留有足夠空間安置冷卻系統(tǒng)，并保證冷卻系統(tǒng)方式和布局合理。

3.澆口

澆口為熔體通道，連接流道和型腔，對(duì)熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)有很大影響，進(jìn)而影響注塑件成型質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，熔料的流動(dòng)方向和平衡性由澆口位置決定，若澆口位置不合理，將不利于熔體的平衡充填，導(dǎo)致制品存在質(zhì)量缺陷。對(duì)于澆口的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)開(kāi)設(shè)在塑件截面最厚處；減少熔接痕，增加熔接長(zhǎng)度；選擇的澆口位置應(yīng)使塑料流程最短，料流變向最少，并應(yīng)有利于排氣和補(bǔ)料。

二、汽車零件注塑模具流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1.澆口位置及數(shù)量的確定

本文以汽車儀表板為例，該汽車零件對(duì)外表面質(zhì)量要求較高，澆口位置只能設(shè)置在制件上下兩側(cè)邊緣，這樣才能保證使用表面光潔度。若無(wú)法充滿型腔或是不能保證熔料平衡流動(dòng)，制件將會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。以確定合理的澆口位置和數(shù)量為設(shè)計(jì)思路，提出了三套澆口設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)各方案澆口的平衡充填水平的分析，選擇出最優(yōu)方案，確定最佳澆口數(shù)量和位置。筆者主要設(shè)計(jì)了三種澆筑方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。最后決定選用方案b。

表1 不同澆筑方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.主流道、分流道、點(diǎn)澆口的管徑計(jì)算

由聚合物流變學(xué)理論可知非牛頓流體真實(shí)剪切速率公式為：

式中，γ為塑料熔體流動(dòng)剪切速率（s-1）；Q為塑料熔體體積流率（cm3/s）；n為熔體非牛頓指數(shù)；R為流道半徑。

大量研究表明，在主流道中，熔體的剪切速率為γ=5×103s-1，根據(jù)汽車儀表盤和流道系統(tǒng)總體積、充填時(shí)間、主流道體積流率、溫度、熔體非牛頓指數(shù)，帶入式可求出主流道直徑。

在分流道中，熔體的剪切速率為γ=5×102s-1，在熔體分流道體積速率、分流道直徑已知情況下，根據(jù)上式可計(jì)算出分流道直徑。

在點(diǎn)澆口處，熔體的剪切速率為γ=105s-1，帶入上式可得到點(diǎn)澆口直徑。

得出理論計(jì)算值后，利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計(jì)存在缺陷，比如存在熔接痕，可將澆口改為潛伏澆口。

3.流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性評(píng)估

評(píng)估汽車零件注塑模具流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，應(yīng)從以下幾方面綜合考慮：

第一，考慮充填時(shí)間。對(duì)改進(jìn)前后的兩類塑件進(jìn)行充填時(shí)間實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察型腔是否充滿、熔體流動(dòng)是否平衡，評(píng)價(jià)充填時(shí)間合理性。

第二，考慮流動(dòng)前沿處溫度。這是分析熔體流動(dòng)情況的重要指標(biāo)。流動(dòng)前沿溫度變化應(yīng)在10攝氏度以內(nèi)。若溫度分布均勻性較差，且不能滿足流動(dòng)前沿溫度變化要求，那么成型后的制件表面質(zhì)量可能就得不到保證，需進(jìn)行改進(jìn)。

第三，考慮體積收縮率。將體積收縮率控制在一定范圍內(nèi)對(duì)于成型后制件的使用不會(huì)帶來(lái)太大影響，這就要求確定合理的保壓壓力和保壓時(shí)間，深入分析保壓過(guò)程，并對(duì)保壓過(guò)程中型腔內(nèi)的壓力、溫度、剪切應(yīng)力的分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。通過(guò)模擬分析，當(dāng)體積最大收縮率在要求范圍且在塑件左邊凸起，不會(huì)使體積收縮出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，其他地方體積收縮率也比較均勻，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理。

第四，考慮氣穴。氣穴是在熔體注塑過(guò)程中型腔內(nèi)空氣、塑料自身蒸發(fā)出的水蒸氣等氣體未及時(shí)排出進(jìn)而導(dǎo)致保壓不充分、填充不完全及欠壓的情況下產(chǎn)生的，其存在直接影響制件成型質(zhì)量。氣穴主要存在于塑件孔和邊的邊緣，當(dāng)塑件有眾多孔或柵格，氣穴產(chǎn)生就不可避免，在這樣的情況下，充填熔體時(shí)可設(shè)置排氣槽以使氣體充分排出，進(jìn)而消除氣穴，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

第五，考慮熔接痕。在汽車零件注塑成型中，熔接痕是常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷之一，是由兩股塑料熔體匯集在一起或是一股流動(dòng)前沿分開(kāi)之后又匯合到一起產(chǎn)生的熔接線，這種現(xiàn)象往往是不可避免的。在對(duì)于表面質(zhì)量要求較高的汽車儀表板中，一般不允許存在熔接痕，但是由于多孔的特征，若無(wú)法避免，應(yīng)盡量控制熔接痕出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，若熔接痕數(shù)量減少，長(zhǎng)度縮短，分布位置得以改善，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理，可有效降低制件斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，汽車零件注塑模具流道對(duì)模具結(jié)構(gòu)和相關(guān)工藝參數(shù)都有重要影響，直接影響制件的成型質(zhì)量，因而對(duì)于機(jī)械模具設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，利用數(shù)值模擬技術(shù)并結(jié)合優(yōu)化算法對(duì)注塑模具流道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文通過(guò)一系列模擬實(shí)驗(yàn)制定了一套優(yōu)化流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)注塑模具流道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可限制體積和收縮率、熔接線等因素給汽車零件質(zhì)量帶來(lái)的影響。以塑代鋼、以塑代木是當(dāng)今世界發(fā)展趨勢(shì)，汽車塑料化是衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，未來(lái)，我們應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和完善，致力于提高汽車零件的制造水平和成型工藝水平，這對(duì)汽車工業(yè)制造加工將具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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