Moldflow軟件對轎車水箱蓋注射成型模具溫度的優化

牛家騰，張惠敏，唐 躍

（青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266100）

Moldflow軟件可以縮短模具設計周期，優化橡膠和塑料制品的生產工藝，提高產品質量。但Moldflow軟件在塑料注射成型工藝和模具設計中的應用廣泛，而在橡膠注射成型中的應用還很少。本工作應用Moldflow軟件，對轎車水箱蓋的注射成型工藝進行分析，研究模具溫度對膠料的充模時間、充模結束時的體積固化率和充模后的體積固化率的影響，選擇最優的模具溫度。

1 有限元模型的建立

本工作以轎車水箱蓋為研究對象，首先用UG格式創建水箱蓋的實體模型，然后將模型以IGS格式導入Moldflow軟件中，并劃分網格。Moldflow軟件可以提供3種網格劃分方法：中性面、雙層面以及3D網格[1]。轎車水箱蓋是一個薄壁橡膠制品，因此采用雙層面來劃分網格，以保證網格質量，并節省計算機內存。轎車水箱蓋注射成型模具設計為1模4腔，流道形狀設計為H型。用Moldflow軟件設計的轎車水箱蓋注射成型模具的有限元模型如圖1所示。

圖1 轎車水箱蓋注射成型模具的有限元模型

2 模具溫度方案設計

與塑料制品不同，橡膠制品在注射成型過程中發生了復雜的硫化反應。橡膠制品的硫化是在高溫、高壓下完成的，硫化期間橡膠線性大分子交聯成立體網狀結構大分子，從而改善膠料的物理性能[2]。

本工作膠料在模具中的熔體溫度為90 ℃。模具溫度對成型非常重要，在不同溫度下，膠料在充模階段分子鏈交聯反應情況各不相同。適宜的模具溫度可以保證膠料順利充滿模腔，縮短固化時間，優化產品質量，提高生產效率。

根據工作經驗，薄壁橡膠制品的模具溫度一般不超過190 ℃，也不低于160 ℃。本工作模具溫度分別取165 ℃，170 ℃，175 ℃，180 ℃。

3 模具溫度對成型工藝的影響

3.1 充模時間

膠料的充模時間反映了膠料流動性的優劣。模具溫度直接影響膠料的粘度[3]，而膠料粘度與其流動性密切相關，膠料粘度越小，流動性越好，充模時間越短；膠料粘度越大，流動性越差，充模時間越長。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模時間見圖2，模具溫度對膠料充模時間的影響見圖3。

圖2 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模時間

圖3 模具溫度對膠料充模時間的影響

從圖2和3可以看出：模具溫度越高，膠料的流動性越好，充模時間越短；模具溫度越低，膠料的流動性越差，充模時間越長。充模時間超過5 s，膠料可能不能充滿模腔，導致制品出現缺陷，因此模具溫度不應低于170 ℃。

3.2 充模結束時的體積固化率

體積固化率是指在膠料硫化過程中固化膠料體積占模腔體積的比例。最理想的狀態是膠料能快速充滿模腔而不產生交聯反應，不易發生焦燒，因此充模結束時膠料的體積固化率越小越有利[4]。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模結束時的體積固化率見圖4，模具溫度對膠料充模結束時的體積固化率的影響見圖5。

圖4 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模結束時的體積固化率

圖5 模具溫度對膠料充模結束時的體積固化率的影響

從圖4和5可以看出：模具溫度越低，膠料充模結束時的體積固化率越小；模具溫度越高，膠料充模結束時的體積固化率越大，這是由于模具溫度越高，膠料的硫化速度越快，越容易產生交聯反應，阻礙膠料流動，從而導致膠料不能充滿模腔。膠料充模結束時的體積固化率大于0.75%，膠料可能不能充滿模腔，影響制品外觀和質量，因此模具溫度應不大于180 ℃。

3.3 充模后的體積固化率

橡膠屬于熱固性材料，當熔融的膠料注入模腔以后，借助模腔的高溫，橡膠分子之間產生劇烈的交聯反應。膠料充模后某一時間點的體積固化率越大，說明橡膠制品成型所需的時間越短，生產效率越高；充模后某一時間點的體積固化率越小，說明橡膠制品成型所需的時間越長，生產效率越低。Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模后35 s時的體積固化率見圖6，模具溫度對膠料充模后35 s時的體積固化率的影響如圖7所示。

圖6 Moldflow軟件模擬不同模具溫度下膠料充模后35 s時的體積固化率

圖7 模具溫度對膠料充模后35 s時的體積固化率的影響

從圖6和7可以看出，隨著模具溫度升高，膠料充模后35 s時的體積固化率逐漸增大。膠料體積固化率大，說明硫化速度快，成型時間短，生產效率高。總的來看，模具溫度高對膠料充模后的成型有利。

3.4 優選模具溫度

綜合來看，對于90 ℃的橡膠熔體，模具溫度在175 ℃時，膠料充模時間短，能快速充滿整個模腔；充模結束時的體積固化率小，充模過程中不易產生焦燒；充模后35 s時的體積固化率大，膠料交聯反應速度快，成型時間短，能在保證產品質量的前提下提高生產效率。因此優選的模具溫度為175 ℃。

4 結語

轎車水箱蓋是一種廣泛使用的汽車配件，具有密封和承壓作用，品種較多，產品質量不易控制。采用Moldflow軟件可以對轎車水箱蓋等橡膠制品的注射成型工藝進行優化，縮短工藝和模具設計周期，提高生產效率和產品質量。Moldflow軟件作為一款優秀橡膠、塑料流動分析仿真軟件，應在橡膠制品的注射成型研究中推廣使用。