基于Moldflow技術的塑料缸蓋罩成型過程及模流數值分析

程聯社

(楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100)

汽車發動機蓋罩(氣缸蓋罩)也多是采用熱塑性塑料制成的,其主要是為防止外界的雜質進入發動機對其產生損傷而存在的[1]。塑料制品的生產需要經過原料預處理、注塑填充、保壓、冷卻固化以及脫模5個步驟,其中有一個環節出現問題都會使產品出現變形、開裂等缺陷[2]。以往人們對于瑕疵產品的鑒定以及原因分析都是采用人工方式進行的,這需要消耗大量的人力與物力資源,效率較低[3-4]。

氣缸蓋罩的結構一般較為復雜,并且為提高生產效率,模具通常為一模多腔設計,如何平衡澆注系統的填充過程,使得多腔中的制品能保持一致,是目前需要解決的關鍵問題之一[5]。所以不能直接套用傳統的直流道數學模型開展分析研究[6]?；谏鲜鰡栴},首先對塑料制品的成型原理及過程進行了闡述;其次基于Moldflow對塑料缸蓋罩成型過程進行了模流分析;最后建立了熔體在彎流道中流動的理論模型,并在不同的注射速率條件下進行數值模擬。本研究的開展旨在為塑料缸蓋罩工藝條件的優化分析,提升生產效率與質量提供重要技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以某汽車發動機缸體塑料蓋罩為研究對象,該塑料缸蓋罩外形最大尺寸為213 mm×146 mm×129 mm,材料為ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)塑料,結構較為復雜;對其外觀要求較為嚴格,需光滑美觀,不可出現澆注口、熔接痕以及明顯的收縮痕和氣穴等缺陷,翹曲程度應控制在允許范圍內;對模具的要求是要能實現無人值守全自動生產,總開模次數至少為400萬次。

1.2 實驗方法

1.2.1塑料制品成型原理和過程

塑料制品的加工成型主要是通過注塑機與模具之間的有機配合而實現的[7],每個環節的演示如圖1所示。

(a)預塑

在整個塑料加工過程中,工藝參數的選取直接關系著最終成品的質量。其中,壓力、溫度以及時間是關鍵參數[8]。產品的質量問題主要分為內部質量和外部質量兩種:內部質量問題主要包含變形、彎曲、熔接痕等等;外部質量問題主要有顏色分布不均、翹曲、裂痕等等。

1.2.2基于Moldflow的塑料缸蓋罩成型過程模流分析

1)分析過程

汽車發動機塑料缸體蓋罩結構一般較為復雜,這就使得其在加注塑型過程中出現缺陷的幾率更大,產品合格率較低[9]。因此必須采用有效的手段對塑料缸蓋罩成型過程進行分析,以此來找出問題,并根據問題提出相應的改進策略,提高產品的質量與合格率[10]。本文采用Unigraphics(UG)軟件建立缸體塑料蓋罩的三維模型,并利用Moldflow軟件對其成型過程進行模流分析。采用UG軟件建立的產品三維模型以及劃分后的網格模型如圖2所示;該產品的生產工藝參數如表1所示。

表1 產品工藝參數

(a)缸蓋罩三維模型

2) 澆注系統的建立

澆注系統是注塑機與模具之間的連通通道,對產品質量有直接影響[11-12]。首先確定澆注口位置;其次結合產品要求分析得到的澆口為側澆口,并在內表面隱蔽處,以實現自動化生產而不影響外觀。根據產品形態和澆口位置,采用一模兩腔布局,最后設計模具流道。

3)冷卻系統的建立

建立冷卻系統主要是為在充填過程結束后快速的帶走熔體的熱量,使產品迅速冷卻,有助于生產效率的提高[13]。為使模具的散熱均勻,管道的布局要均衡,應兼顧上模與下模,如圖3所示。

圖3 模具冷卻水道布局

1.2.3基于Moldflow的熔體彎道流動數值模擬

首先建立了熔體彎道流動理論模型,然后采用Moldflow軟件對塑料熔體在彎流道中的流動進行模擬,并將模擬結果與理論模型求解結果進行對比分析,以此來驗證模型的有效性。采用坐標轉換法建立了圓環坐標系中塑料熔體彎道流動理論模型,將熔體在圓管內流動的幾何模型建立在一個圓環坐標系(r,θ,φ)之中,圓環坐標系以及圓柱坐標系的幾何模型如圖4所示。

(a)圓環坐標系

將圓柱坐標系轉換為圓環坐標系可以得到:

(1)

式中:T為溫度;r為圓環坐標系中圓的半徑,r1為圓柱坐標系中圓管的半徑。對函數一階偏導與二階偏導,再聯立公式得到熔體在彎流道中流動的連續性方程為:

(2)

(u1cosθ-u2sinθ)=0

(3)

式中:η為熔體的黏度;γ為剪切速率。能量方程進行坐標轉換,則有:

(4)

式中:c為比熱容;t為熔體溫度;q為能量;λ為常數。一般條件下熔體的黏度數學模型:

(5)

式中:η為剪切黏度;η0為零切黏度;σ*為剪切盈利水平;n為非牛頓指數。

(6)

(7)

(8)

式中:T為溫度;P為壓力;D1為零切黏度系數;D2為轉變溫度;D3為常數;A1、A2的取值由溫度決定。

1.2.4模擬實驗設計

實驗在環境溫度為0 ℃和25 ℃條件下,采用Moldflow軟件對塑料缸蓋罩的成型過程進行模擬,記錄此過程中的產品各項數據和性能,將2種條件下的結果進行對比分析。在Moldflow軟件中設置工藝參數,注射速率分別為60、120、200 cm3/s。實驗在彎流道內選取了2個位置,每個位置分別對應一個內側和一個外側節點,共4個節點,如圖5所示。

圖5 位置選取示意圖

此外,在1號和2號位置的內側和外側節點之間等距離設置“a～f”6個節點,在模擬實驗結束后對每個節點的相關數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 模流分析

在不同環境溫度條件下的模擬結果如表2所示。

表2 模流分析結果

由表2可知,2種環境溫度條件下的填充時間無明顯差異。上模與下模分別是和制品的外表面、內表面進行接觸的,25 ℃和0 ℃上、下模的溫差分別為34.14、35.27 ℃,說明制品在兩種環境下的內、外表面溫差均較大。冷卻水入口和出口的溫差分別為8.1、6.1 ℃,差距較大,說明冷卻系統的性能不足。從制品的變形量來看,環境溫度為25 ℃時的變形量比0 ℃時的變形量小,初步判斷其原因可能是由于制品內、外表面的溫差導致的,溫差越大則制品變形量越大。

2.2 數值模擬分析

當采用不同的注射速率進行模擬實驗時,熔體在1號和2號位置的流動速度、剪切速率、黏度以及溫度變化如圖6所示。

(a)1號位置的流動速度變化

由圖6可知,流動速度隨注射速率的增大而增大,貼近管壁的熔體流速比中間節點的熔體流速慢。1號位置位于直流道,因此熔體在的此處的內、外側流速基本相當,最大差值是80 cm/s;而在處于圓弧流道的2號位置時的內、外側流速差值較大,最大達到300 cm/s;并且外側的流速明顯低于內側。剪切速率是反應流速變化速率的指標,同理,熔體在2個位置的剪切速率隨注射速率的增大而增大。內、外側熔體流動時的剪切速率明顯大于中間節點的熔體;外側的剪切速率大于內側的剪切速率,說明外側熔體的流速變化比內側快;2號位置的內外側剪切速率最大差值大于1號位置,與熔體流速變化一致。熔體的黏度隨著注射速率的增大而減小,黏度變化范圍在350 Pa·s以內。位于流道兩側的熔體溫度明顯高于中間節點的熔體,并且2號位置的溫度分布較1號位置更加均勻。結合上述結果,分析其原因是熔體流動速度越快,剪切速率越大,則其沿管壁散失的熱量越多;反之,則熱量散失越少。流道外側的熔體剪切速率較小,因此其溫度高于內側;熔體由1號位置流至2號位置的過程中,流速一直減小,使得其內部傳熱更加充分,才會出現2號位置的熔體溫度分布更加均勻的現象。

3 結語

以往在生產塑料缸蓋罩時,人工分析檢查存在效率低下以及成本高等問題。并且,傳統的直流道數學模型也不適用于彎流道。研究基于Moldflow對塑料缸蓋罩成型過程進行了模流分析,并采用Moldflow在不同的注射速率條件下進行數值模擬。實驗結果表明:采用的塑料缸蓋罩的生產工藝存在一定的缺陷,塑料熔體在彎流道內的流動速度、剪切速率以及溫度都隨著注射速率的增大而增大,熔體黏度隨著注射速率的增大而降低。貼近管壁的熔體流速、黏度小于流道中間的熔體,剪切速率和溫度大于中間熔體;貼近外側管壁的熔體流速、剪切速率、黏度和溫度均大于內側;熔體在流經彎流道時外側與內側熔體的指標差值較直流道更大。本實驗的不足之處在于只定性的研究了熔體在彎流道中的變化規律,并未對流道的形狀和參數的改變對其的影響進行探究,未來還需建立更多不同的流道模型以及改變參數來對此進行完善。