基于MoldFlow對注射壓力的研究

趙鑫星，李士明

（精誠工科汽車系統(tǒng)有限公司模具技術(shù)分公司，河北保定071000）

1 引言

汽車前照燈既是汽車重要功能組件，又是重要外觀面。如圖1所示，前照燈由前燈燈罩、飾框、燈殼、電氣元件等組成。本文以前燈燈罩為例，應(yīng)用流變理論及MoldFlow軟件實(shí)現(xiàn)注射壓力準(zhǔn)確預(yù)估。前燈燈罩一般采用PC材料，澆注系統(tǒng)多采用熱轉(zhuǎn)冷的形式，定模側(cè)單點(diǎn)進(jìn)膠，如圖2所示。

圖1 前照燈組成

圖2 前燈燈罩澆注系統(tǒng)

2 注射壓力理論推導(dǎo)及MoldFlow驗(yàn)證

2.1 流動模型

塑膠材料是典型的非牛頓流體，即流體的剪切應(yīng)力與剪切速率呈非線性曲線關(guān)系。本文以牛頓狹縫線性粘性流動模型定性推導(dǎo)影響注射壓力的關(guān)鍵因子[1]。

模型假設(shè)：流體在長l，高度h和寬度w的狹縫中流動，流動方式為穩(wěn)定的簡單剪切流動，如圖3所示。在w/h＞20的條件下，忽略側(cè)向的黏性和壁面阻力。

圖3 狹縫流動模型

狹縫中薄片微單元，受到驅(qū)動力△Pw2y，上下面流動阻力τxy2lw，二者平衡即可得到：

式中 ΔP——壓力降，即注射壓力

μ——材料黏度

l——流動長度

w——塑件寬度

h——塑件壁厚

qv——體積流量，qv=vwh，v——注射速度

由以上流動模型可知注射壓力的影響因子：材料黏度μ、注射速度v、流動長度l、塑件壁厚h。

2.2 材料粘度（MoldFlow驗(yàn)證）

材料黏度是對聚合物在外加壓力下流動能力的衡量，其受聚合物結(jié)構(gòu)、溫度、剪切、壓力因素影響，前燈燈罩材料固定PC，因此材料、剪切、壓力不做考慮，只分析模具溫度及熔體溫度對注射壓力的影響。

驗(yàn)證對象1（small）：尺寸：100×50×30mm，壁厚：2.0mm，體積：21.6cm3。

驗(yàn)證對象2（big）：尺寸：520×190×100mm，壁厚2.5/2.8mm，體積577.5cm3。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗(yàn)證條件：前燈燈罩推薦模溫80℃~120℃，料溫280℃~320℃，采用單一變量原則，以5℃為間隔進(jìn)行注射壓力測定。

驗(yàn)證結(jié)果：注射壓力與模具溫度關(guān)系如圖4所示，注射壓力與熔體溫度關(guān)系如圖5所示。

圖4 注射壓力與模具溫度關(guān)系

圖5 注射壓力與熔體溫度關(guān)系

曲線解讀：注射壓力隨溫度升高而降低，基本呈正比關(guān)系。塑件大小不同溫度對注射壓力的影響也不同，大塑件梯度較大；熔體溫度相對模具溫度對注射壓力影響更大。

驗(yàn)證結(jié)論：提高成型溫度對注射壓力有改善，考慮現(xiàn)狀，溫度調(diào)整量5℃~15℃左右，對于模具溫度注射壓力降低2.5~7.5MPa，占比2%~6%；對于熔體溫度，壓力降低5.7~17MPa，占比4.5%~13.5%。

2.3 注射速度（MoldFlow驗(yàn)證）

驗(yàn)證對象：尺寸：520×190×100mm，壁厚2.5/2.8mm，體積577.5cm3。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗(yàn)證條件：注射速度以10cm3/s為間隔進(jìn)行注射壓力測定。

驗(yàn)證結(jié)果：注射壓力與注射速度關(guān)系如圖6所示。

圖6 注射壓力與注射速度關(guān)系

曲線解讀：低注射速度時，材料與模具接觸時間長，熱量散失較大，凍結(jié)層厚度增加，流動阻力增大，導(dǎo)致成型壓力升高。高注射速度時，隨速度增大，材料剪切熱升高，黏度降低，成型壓力下降，但速度顯著提升后，需較大的壓力來保持高射速。前燈燈罩注射速度一般在20~35mm/s，對應(yīng)流動速率157~275cm3/s，比對關(guān)系曲線壓力無顯著變化（PC材料的黏度對剪切不敏感。驗(yàn)證結(jié)論：前燈燈罩在工藝范圍內(nèi)，注射壓力幾乎與注射速度無關(guān)，因此不考慮注射速度影響。

2.4 流動長度（MoldFlow驗(yàn)證）

驗(yàn)證對象：尺寸：寬度50mm，高度30mm，壁厚：2.0mm。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗(yàn)證條件：塑件長度以25mm為間隔進(jìn)行注射壓力測定。

驗(yàn)證結(jié)果：注射壓力與流動長度關(guān)系如圖7所示。

圖7 注射壓力與流動長度關(guān)系

曲線解讀：注射壓力隨流動長度增加注射壓力增大，基本呈線性關(guān)系。

驗(yàn)證結(jié)論：前燈燈罩注射壓力隨塑件長度增加而加大，一般情況下，前燈塑件形狀不會變化，因此流動長度僅作為不同塑件相同壁厚下壓力比較。

2.5 塑件壁厚（MoldFlow驗(yàn)證）

驗(yàn)證對象1（small）：尺寸：100×50×30mm。

驗(yàn)證對象2（big）：尺寸：200×100×30mm。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗(yàn)證條件：采用單一變量原則，壁厚以0.5mm為間隔進(jìn)行注射壓力測定。

驗(yàn)證結(jié)果：注射壓力與壁厚關(guān)系如圖8所示。

圖8 注射壓力與壁厚關(guān)系

曲線解讀：注射壓力隨壁厚增大，呈現(xiàn)指數(shù)降低，壁厚增大至一定數(shù)值時，壓力趨于平衡一般情況下前燈燈罩壁厚2.0~3.5mm，壁厚增加可顯著降低注射壓力。

2.6 總結(jié)

通過對影響前燈燈罩注射壓力的4因素分析驗(yàn)證，得到了相應(yīng)的關(guān)系曲線，進(jìn)而得出影響注射壓力各因子排名：塑件壁厚＞流動長度＞熔體溫度＞模具溫度＞注射速度。

3 注射壓力精準(zhǔn)預(yù)測

3.1 注塑機(jī)與MoldFlow對應(yīng)關(guān)系

注塑機(jī)面板顯示壓力為注射液壓壓力，指液壓油作用在注射油缸上的壓力，即Ph。

MoldFlow軟件計算注射壓力為注塑機(jī)螺桿作用在熔體上的壓力，即Pm，可通過換算公式將注塑機(jī)面板壓力Ph轉(zhuǎn)換至注射壓力Pm，以便于理論對比。

3.2 壓力補(bǔ)償因子

收集不同注塑機(jī)號碼面板壓力并根據(jù)增強(qiáng)比將其轉(zhuǎn)換為注射壓力，然后再與MoldFlow軟件測試壓力進(jìn)行比較，將多組數(shù)據(jù)得到的平均比值作為壓力補(bǔ)償因子，壓力補(bǔ)償因子可精準(zhǔn)注射壓力，準(zhǔn)確率90%以上，具體如表1所示。

表1 壓力補(bǔ)償因子（平均比值）

4 總結(jié)

本文通過經(jīng)驗(yàn)公式近似推導(dǎo)影響注射壓力的關(guān)鍵因子，并應(yīng)用MoldFlow軟件驗(yàn)證，得到影響注射壓力因子排序：塑件壁厚＞流動長度＞熔體溫度＞模具溫度＞注射速度。通過引入補(bǔ)償因子，實(shí)現(xiàn)前燈燈罩注射壓力的精準(zhǔn)預(yù)測。