車用保險(xiǎn)杠針閥式澆口順序進(jìn)澆數(shù)值優(yōu)化

譚安平，幸晉渝，劉克威

（成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000）

大型塑料制件體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔體在模腔中流動(dòng)需要克服較大的阻力。為了保證大型塑件在模腔中的填充性，澆注系統(tǒng)一般采用熱流道+多澆口的形式。澆口數(shù)量增加，熔接痕、虎皮紋、遲滯痕、色差等表面質(zhì)量缺陷的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加。為了解決澆口數(shù)量增多帶來(lái)表面質(zhì)量缺陷的問(wèn)題，需對(duì)熱澆口加以改進(jìn)。采用組態(tài)軟件控制液壓回路，實(shí)現(xiàn)針閥式澆口順序進(jìn)澆，使各澆口流出的分支料流按照控制要求分時(shí)地進(jìn)入型腔［1-2］，可有效解決產(chǎn)品的熔接痕、虎皮紋、遲滯痕、色差等表面質(zhì)量缺陷問(wèn)題。針對(duì)某模具公司為客戶開(kāi)發(fā)的一套車用保險(xiǎn)杠模具，本工作采用Moldflow軟件對(duì)澆注系統(tǒng)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)主要為針閥式澆口的位置及開(kāi)啟時(shí)間。

1 Moldflow軟件前處理

保險(xiǎn)杠產(chǎn)品和原模具設(shè)計(jì)的冷澆口模型見(jiàn)圖1，保險(xiǎn)杠產(chǎn)品外觀尺寸為1 700 mm×670 mm×560 mm，體積為3 205.3 cm3，冷澆口數(shù)量為11個(gè)。

圖1 轎車保險(xiǎn)杠及模具設(shè)計(jì)中的冷澆口Fig.1 Car bumper and cold gate in mold design

將保險(xiǎn)杠產(chǎn)品和冷澆口分別導(dǎo)入到Moldflow軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格修復(fù)，網(wǎng)格采用雙層面網(wǎng)格。網(wǎng)格修復(fù)完成后將產(chǎn)品網(wǎng)格與冷澆口網(wǎng)格合并，合并網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)將網(wǎng)格重疊區(qū)域進(jìn)行重新劃分，并保證兩種網(wǎng)格重疊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。網(wǎng)格合并后網(wǎng)格單元總數(shù)為110 920，網(wǎng)格匹配率為85%，滿足分析要求。在冷澆口基礎(chǔ)上建立熱澆口和熱流道模型，建模完成后，澆注系統(tǒng)模型見(jiàn)圖2。

圖2 澆注系統(tǒng)模型Fig.2 Modeling of gating system

采用中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司生產(chǎn)的保險(xiǎn)杠專用聚丙烯（PP）K9015，推薦工藝為：模具溫度55 ℃，熔體溫度235 ℃。

2 無(wú)針閥式澆口的仿真結(jié)果分析

2.1 熔接痕

注射過(guò)程中若干股流料在模具中分流匯合，流料在界面處未完全熔合，彼此不能熔接為一體，造成熔合印跡即熔接痕，影響塑件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能［3］。大型塑件進(jìn)澆口較多，若直接進(jìn)澆，產(chǎn)品熔接痕較多［4］。從圖3可以看出：直接進(jìn)澆情況下，產(chǎn)品表面出現(xiàn)非常明顯的熔接痕，影響外觀的熔接痕多達(dá)11條（圓圈區(qū)域），不影響外觀的熔接痕為1條（方框區(qū)域）。

圖3 無(wú)針閥式澆口條件下的熔接痕Fig.3 Weld lines without needle valve gate

2.2 填充等值線

填充等值線是考察填充性能好壞的重要仿真結(jié)果。若填充等值線間距均勻，則填充效果好，否則填充效果差。填充等值線可以稀疏，但不能密集，等值線密集表明此處有遲滯現(xiàn)象，填充阻力大，填充不順暢，模腔內(nèi)壓力大，其結(jié)果就是制件表面產(chǎn)生遲滯痕、虎皮紋、色差等現(xiàn)象。從圖4可以看出：不使用針閥式澆口，直接進(jìn)澆的條件下，進(jìn)澆點(diǎn)附近（紅圈區(qū)域）填充等值線疏密程度很不均勻，產(chǎn)品出現(xiàn)各種質(zhì)量缺陷的風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖4 無(wú)針閥式澆口條件下的填充等值線Fig.4 Filling contour without needle valve gate

3 針閥式澆口建模及各澆口開(kāi)啟時(shí)間設(shè)置

3.1 針閥式澆口建模

熔接痕出現(xiàn)的位置一般在遠(yuǎn)端的料流匯合處，結(jié)合模具成本考慮，針閥式澆口不設(shè)置在離注射機(jī)噴嘴較近的位置而是較遠(yuǎn)的位置。因此，保險(xiǎn)杠中線附近的3個(gè)熱澆口不設(shè)置為針閥式澆口，其余8個(gè)熱澆口設(shè)置為針閥式澆口。針閥式澆口設(shè)置及建模結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 針閥式澆口設(shè)置和建模結(jié)果Fig.5 Setting and modeling results of needle valve gate

3.2 設(shè)置針閥式澆口開(kāi)啟時(shí)間

針閥式澆口初始狀態(tài)是關(guān)閉的，根據(jù)控制要求可以在需要的時(shí)候打開(kāi)。針閥式澆口的開(kāi)啟時(shí)間是指從注射機(jī)噴嘴進(jìn)入流道和型腔到打開(kāi)針閥式澆口的時(shí)間。針閥式澆口的開(kāi)啟時(shí)間是工藝參數(shù)中最關(guān)鍵參數(shù)。若不用模擬仿真軟件，針閥式澆口開(kāi)啟時(shí)間節(jié)點(diǎn)通常靠經(jīng)驗(yàn)估算，無(wú)量化和細(xì)化、無(wú)科學(xué)依據(jù)。若針閥式澆口較多，則導(dǎo)致試模次數(shù)增多，調(diào)試時(shí)間延長(zhǎng)，增加了企業(yè)的人力和物力成本［5-6］。針閥式澆口的開(kāi)啟時(shí)間可以由Moldflow軟件準(zhǔn)確推算。對(duì)于保險(xiǎn)杠、儀表板之類的大型制件，針閥式澆口的開(kāi)啟時(shí)間為料流流過(guò)該針閥式澆口之后的0.2 s左右。將8個(gè)針閥式澆口設(shè)置為關(guān)閉，僅留下中線位置的3個(gè)直接澆口。仿真完畢后，從圖6可以看出：料流流過(guò)針閥式澆口1和針閥式澆口2的時(shí)間約為0.9，1.2 s。計(jì)算可知：針閥式澆口1的開(kāi)啟時(shí)間為0.9 s +0.2 s=1.1 s；針閥式澆口2的開(kāi)啟時(shí)間為1.2 s+0.2 s=1.4 s。

圖6 料流流經(jīng)針閥式澆口1和針閥式澆口2所需時(shí)間Fig.6 Time required for melt to flow through valve gate 1 and valve gate 2

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置針閥式澆口1和針閥式澆口2的開(kāi)啟時(shí)間分別為1.1，1.4 s，關(guān)閉針閥式澆口3和針閥式澆口4。參數(shù)設(shè)置完畢后重新仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。料流流經(jīng)針閥式澆口3和針閥式澆口4的時(shí)間約為1.9，3.2 s。計(jì)算可知：針閥式澆口3的開(kāi)啟時(shí)間為1.9 s+0.2 s=2.1 s，針閥式澆口4的開(kāi)啟時(shí)間為3.2 s+0.2 s=3.4 s。

圖7 料流流經(jīng)針閥式澆口3和針閥式澆口4所需時(shí)間Fig.7 Time required for melt to flow through valve gate 3 and valve gate 4

4 針閥式澆口條件下仿真結(jié)果分析

按所有針閥式澆口的開(kāi)啟時(shí)間，重新進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與未使用針閥式澆口條件得到的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 熔接痕

從圖8看出：不影響制件外觀的熔接痕仍為1條，影響外觀的熔接痕由11條降為3條，并且這3條熔接痕比較短。熔接痕數(shù)量極大減少，使用針閥式澆口順序進(jìn)澆改善熔接痕的效果非常顯著。

圖8 采用針閥式澆口優(yōu)化后產(chǎn)品的熔接痕Fig.8 Weld lines of products optimized by needle valve gate

4.2 填充等值線

從圖9可以看出：采用針閥式澆口優(yōu)化后，填充等值線疏密程度非常均勻，進(jìn)澆點(diǎn)附近（紅圈區(qū)域）等值線間距基本相等，沒(méi)有等值線密集的區(qū)域，表明料流在模腔中勻速前進(jìn)，沒(méi)有遲滯現(xiàn)象，受到阻力較小，填充效果較好，因此，產(chǎn)品表面不會(huì)出現(xiàn)遲滯痕、虎皮紋、色差等現(xiàn)象。

圖9 采用針閥式澆口優(yōu)化后的填充等值線Fig.9 Filling contour optimized by needle valve gate

4.3 其他仿真結(jié)果對(duì)比

從表1看出：采用了針閥式澆口后，保險(xiǎn)杠各部分凍結(jié)時(shí)間一致，產(chǎn)品冷卻至常溫收縮不均勻的風(fēng)險(xiǎn)減小，表面各部位收縮率趨于一致，翹曲變形量由12.56 mm降至9.87 mm；模腔壓力均勻，速度控制/壓力控制（V/P）切換壓力，鎖模力較小，最大鎖模力由2 500 t降為2 200 t，有利于提高制件的成型質(zhì)量，機(jī)臺(tái)損耗較小，優(yōu)化成功。

表1 其他仿真結(jié)果Tab.1 Other simulation results

5 結(jié)論

a）對(duì)澆注系統(tǒng)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，在Moldflow軟件中對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行網(wǎng)格劃分和澆注系統(tǒng)建模。

b）不采用針閥式澆口的模擬結(jié)果顯示：制件有很多明顯的熔接痕；填充等值線疏密程度不一致，在等值線密集的位置易發(fā)生虎皮紋、遲滯痕、色差等表面缺陷。

c）對(duì)熱澆口進(jìn)行針閥式澆口建模。通過(guò)仿真結(jié)果計(jì)算料流流過(guò)針閥式澆口所需的時(shí)間，推算出針閥式澆口1～針閥式澆口4的開(kāi)啟時(shí)間分別為1.1，1.4，2.1，3.4 s。

d）設(shè)置各針閥式澆口的開(kāi)啟時(shí)間后重新仿真，結(jié)果顯示：熔接痕數(shù)量減少，填充等值線疏密程度非常均勻，沒(méi)有密集的等值線，表面出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的風(fēng)險(xiǎn)降低。

e）使用針閥式澆口后，產(chǎn)品表面的收縮率趨于一致，翹曲變形量較小，模腔壓力均勻，V/P切換壓力，鎖模力都比較小，有利于提高制件的成型質(zhì)量，機(jī)臺(tái)損耗也較小，優(yōu)化成功。