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，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，在這種形勢下，人們對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)兩個部分，現(xiàn)對流道系統(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)注意以下幾個方面：①主流道形狀應(yīng)呈圓錐形，若設(shè)計(jì)材料流動性較好，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的圓角過渡，盡量降低熔料流動阻力。

2.分流道

分流道是材料進(jìn)入通道，對充模保壓過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)過程中，對分流道設(shè)計(jì)的基本要求是盡量使熔體通過分流道時(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，建議采取軸對稱或中心對稱方法緊湊排列，以控制分流道總面積。③長度盡可能短，多型腔模具中各型腔分流道長度盡可能相等。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，對熔體在模具型腔內(nèi)的流動有很大影響，進(jìn)而影響注塑件成型質(zhì)量。一般來說，熔料的流動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。對于澆口的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)開設(shè)在塑件截面最厚處；減少熔接痕，增加熔接長度；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。若無法充滿型腔或是不能保證熔料平衡流動，制件將會出現(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，通過對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)合理性評估

評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)過程中，觀察型腔是否充滿、熔體流動是否平衡，評價(jià)充填時(shí)間合理性。

第二，考慮流動前沿處溫度。這是分析熔體流動情況的重要指標(biāo)。流動前沿溫度變化應(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)對于成型后制件的使用不會帶來太大影響，這就要求確定合理的保壓壓力和保壓時(shí)間，深入分析保壓過程，并對保壓過程中型腔內(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。通過模擬分析，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，說明設(shè)計(jì)合理。

第四，考慮氣穴。氣穴是在熔體注塑過程中型腔內(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前沿分開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，若無法避免，應(yīng)盡量控制熔接痕出現(xiàn)。經(jīng)過改進(jìn)后，若熔接痕數(shù)量減少，長度縮短，分布位置得以改善，說明設(shè)計(jì)合理，可有效降低制件斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

三、結(jié)語

總之，汽車零件注塑模具流道對模具結(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，因而對于機(jī)械模具設(shè)計(jì)來說，利用數(shù)值模擬技術(shù)并結(jié)合優(yōu)化算法對注塑模具流道系統(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，并對該方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，通過對注塑模具流道系統(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)量帶來的影響。以塑代鋼、以塑代木是當(dāng)今世界發(fā)展趨勢，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，我們應(yīng)有針對性地對注塑模具設(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，這對汽車工業(yè)制造加工將具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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本文來源：http://k2057.cn/w/kj/826.html  《科技風(fēng)》