汽車玻璃塑料包邊注射成形中的傳熱建模與試驗研究

王乾廷 陳文哲 黃永華 劉 一 劉賢平

1.福建工程學院,福州,350108 2.福建宏達模具塑料廠,福州,350019 3.福耀玻璃工業集團股份有限公司,福州,350301

0 引言

嵌件塑件在生產中應用廣泛,它可以改進塑件性能或擴大塑件應用范圍[1-2]。嵌件的材料類型有金屬、塑料或無機非金屬等[3-6]。在汽車安全玻璃中,有一類是塑料包邊玻璃,它把玻璃這種脆性材料作為嵌件用于中高檔轎車和客車車窗的密封,其作用是使玻璃與車體緊密結合,提高密封性,同時增加美觀。其生產流程是：首先對普通退火玻璃進行切裁、磨邊、清洗等預處理后,送入生產線進行鋼化;然后在包邊工序中,把玻璃作為嵌件,在其邊緣注射熔化的塑料,固化后塑料緊包在玻璃邊緣形成包邊。經過修邊和安裝卡腳等后續工序的處理后,采用專用的檢測儀器檢驗幾何尺寸與原設計的誤差,以及外觀質量指標,判定合格后入庫[7-9]。

包邊工序是沿玻璃周邊注射熔融塑料并冷卻固化的過程,材料屬性、工藝參數、模具結構等因素同時影響包邊的質量[10]。玻璃屬于硬脆材料,包邊塑料材質柔軟且具有彈性,結構復雜,生產中,容易出現塑料與玻璃結合不緊密甚至脫落導致達不到密封要求或產品報廢的情況,此外,在包邊塑件的外觀面上還易出現氣泡和縮孔兩類缺陷。這些問題與注塑工藝特別是成形時的傳熱過程密切相關。

關于注塑成形過程的傳熱研究,基本思路是從黏性流體力學的質量、動量和能量方程出發,建立適合于充模分析的數學模型,通過控制方程求解壓力場、溫度場和流動前沿位置[4]。可借用有限元軟件構建包含模具和塑件的傳熱模型,分別對注塑工藝的加熱、冷卻過程進行溫度響應模擬,以減小成形周期和提高溫度均勻性為目標,對模具設計方案進行優化分析[11-12]。

為了有效控制包邊質量,我們利用理論和試驗手段,考察了包邊成形過程中的能量傳輸情況,目的是為制定注射工藝規程和冷卻系統設計提供理論依據。采用的方法是：建立模具、塑料和玻璃三者之間的熱量傳輸模型,從傳輸理論角度描述塑件與模具之間、塑件與玻璃之間的能量傳輸情況,通過包邊成形溫度測量試驗,得到溫度變化和焓變曲線并加以分析。

1 塑料包邊玻璃及其成形模具的結構

包邊玻璃安裝在車身上的情況如圖1所示。由于玻璃和包邊塑件形成一體,故可直接裝配于車身上,免去了分別安裝并進行機械卡緊的過程。包邊玻璃的結構如圖2a所示,圖2b所示是P處的局部剖面。包邊塑料結構往往比較復雜,有較多的溝槽、凸起以及斷面劇烈變化,故容易出現常見的注塑缺陷。包邊模具的結構和普通的注塑模具大致相同,由于含有玻璃嵌件,故需采用立式注塑機,模具內含有玻璃定位和夾緊機構。模具的工作部分如圖3所示。令x軸指向包邊周邊方向,y軸指向包邊斷面內部方向,z軸指向厚度方向,建立坐標系。

圖1 包邊玻璃安裝在車身上的示意圖

圖2 包邊玻璃示意圖

圖3 包邊模具工作部分結構示意圖

2 傳熱模型分析

塑料、玻璃和模具及其主要輪廓尺寸如圖4所示。為簡化分析,研究由模腔分別向玻璃與模壁之間的一維傳熱,并且只考慮充模階段到澆口封閉后的冷卻階段的情況。模板、塑件和玻璃的傳熱簡化模型如圖5所示,圖中,L為動模左側到定模右側的總長度。與傳熱相關的參數取值如表1所示[13]。下標s、p、g分別表示模具鋼、塑料和玻璃,例如,cs表示模具鋼的比熱容,依此類推。

圖4 包邊模具尺寸和傳感器安裝示意圖

圖5 模板、塑件和玻璃的傳熱簡化模型

表1 塑料、模具鋼和玻璃的相關參數

模腔向模具工作表面和玻璃表面的傳熱方程分別為[14]

邊界條件如下：

式中,Ts為模板溫度;T0為動模板左側的溫度;H0、HL分別為動模板左側和定模板右側處的焓函數。

模腔的傳熱方程為

式中,p為塑料熔體的壓力;ΔH為模腔內熔體的焓變;n為指數;G0為晶體生長速率;Kg為常數;N0為激活核子的初始數量;U*為激活能;Tinf為理論上無限長時間后熔體的溫度;Tf為某指定時間后熔體的溫度。

從充填完成后開始計時,此時t=0。在不同離散時間點上,塑件與模具和玻璃之間符合傳熱條件：

其中,Ri,i+1為熱阻,當模腔內壓力大于外界大氣壓時假定為常數;φi→i+1為模具向塑料以及塑料向玻璃傳熱過程中的熱流密度。當低于大氣壓時,塑件就會收縮并脫模,這時熱阻的變化函數為

式中,c(i0)、c(it)分別為模腔壓力下降至常壓和下降到一定量值時的PVC的比熱容。

3 測溫試驗和結果分析

3.1 試驗方法

在立式注塑機(注射量 463g,螺桿轉速0.142r/min,合模力165k N)上裝模,模具配有水冷系統,在包邊塑件結構復雜易形成熔體過早冷卻而填充不足的部分則配有局部油加熱系統。在動模和定模上分別裝上K形線徑為1.2mm的熱電偶進行測溫,熱電偶的安裝如圖4所示。該安裝結構可以使熱電偶沿著包邊塑料的厚度方向進行小范圍的調整,以便測量沿塑件不同厚度處的溫度。為了進一步減小傳感系統受到的干擾,采用耐熱性較好的聚酰亞胺(PI)固裝在熱電偶的外側。模腔內也安裝了3個壓力傳感器。試驗材料為：模具采用日本大同鋼鐵PX5預硬模具鋼;玻璃采用福耀公司依據國家標準GB9656-2003生產的鋼化玻璃;包邊塑料采用臺塑公司生產的密度為1.57g/cm3的PVC顆粒。試驗用的主要參數為：模溫 40℃,熔體溫度 195℃,保壓壓力105k N,保壓時間15～25s,冷卻時間 50～65s,注射速度300mm/s。合模后,把熱電偶導入模腔。這里還用到了一個多通道數據采集系統,用于采集模腔壓力、表面模腔溫度和注射壓力等數據。

3.2 試驗結果

首先計算得到離散時間點上塑件的溫度。計算方法如下：利用Moldflow軟件,依據“建模→網格劃分→設置參數→設置邊界條件→計算”的步驟得到曲線包邊每一點的溫度。在幾何建模中,把玻璃假定為邊界的一部分,在參數設置中,設定其密度、比熱容和傳熱系數。然后與測量得到的溫度曲線進行對比,如圖6所示。結果顯示,測量值與理論值的最大誤差不超過4.7℃,多分布在±(1.2～3.2)℃范圍內,表明理論分析與實測值較一致。

圖6 包邊塑件注射成形冷卻溫度曲線

圖7 顯示了測量得到的塑件分別靠近動模、玻璃和定模表面處的溫度變化曲線。可以看出,塑件靠近動模表面處的溫度在保壓約9s左右時有明顯的溫度回升現象(曲線1),這表明隨著模腔內壓力的逐漸下降,熱流密度有所減小,包邊塑件開始脫離模腔。但是,在靠近玻璃的一側,前一階段溫度梯度較小(曲線2),這表明二者之間的熱傳遞不如塑件向模具傳熱明顯。位于定模上的溫升點比動模溫升點要滯后(曲線3)。

根據式(2)并離散成形時間,計算得到包邊塑件成形的焓變曲線,如圖8所示。計算中取表2所示的參數[15]。定模溫升時間與焓變值突變時間幾乎發生在同一時間,即約13s左右。成形過程中,鋼質模具和玻璃這兩種材料在傳熱性質上有本質差異,使得包邊過程中PVC易于從模具上脫落,同時包緊在玻璃上,且二者的傳熱系數差異越大,包邊效果就越好。由于注射熔體是從定模方向進入的,故熔體與定模之間的傳熱速度低于熔體與動模之間的傳熱速度。這也是溫升滯后的主要原因。

圖7 保壓時間為15s時的溫度變化曲線

圖8 包邊注塑過程中的焓變曲線

表2 包邊塑件成形焓變參數取值

3.3 討論

根據以上分析得知,通過調整部分注塑參數,可以控制塑料從鋼質模具上的脫落時間,以及與玻璃的包緊狀況。進一步研究發現,這二者是相互矛盾的,當模腔內的壓力下降較快時,有利于包邊塑件的脫模,但PVC與玻璃的結合力下降。根據試驗,保壓時間一般不低于12s,冷卻時間不低于44s。

在模具設計中,型腔的傳熱系數也是直接影響包邊效果的因素,故應選用優質高熱導率的預硬鋼。同時,由式(2)和圖8知,根據包邊塑件形狀,合理地布置冷卻水道,控制冷卻介質的流動,有利于提高包邊效果和順利脫模。

4 結語

包邊過程是熔融塑料的成形固化過程,同時也是塑件脫離鋼質模具前與玻璃結合的過程。本文建立了帶有嵌件的注射成形模型,并通過試驗得到了塑料、模具、玻璃表面的溫度變化曲線。由于塑件脫離動模瞬間保壓壓力下降,故出現一定的溫升,該溫升的時間與塑件固化過程中的焓變密切相關。因此,通過合理選用合適導熱性能的模具鋼,控制熔體溫度、保壓壓力、保壓時間,可以有效地改變包邊成形過程中的能量傳輸情況。與現有研究注塑成形傳熱模型的文獻相比,本文側重于建立包含玻璃嵌件以及玻璃雙側的塑料熔體的傳熱模型,并對傳熱方程增加模具與玻璃之間的導熱項,利用方程和試驗的方法研究玻璃和塑料這兩種材料相互結合時的影響因素。

另一方面,由于本試驗中采用了一種注射成形冷卻系統的布局,未對多種布局方法進行比較,故如何進一步改進冷卻系統并控制成形過程中的傳熱,從而改善塑件質量和包邊質量,是下一步需要研究的工作。

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