注塑成型工藝參數(shù)對(duì)汽車保險(xiǎn)杠翹曲變形的影響研究

王妍婕

摘 要 汽車保險(xiǎn)杠作為大型的注塑件，受到大尺寸和薄壁的影響，常會(huì)出現(xiàn)翹曲變形問題，保險(xiǎn)杠生產(chǎn)依靠經(jīng)驗(yàn)，修模時(shí)間和生產(chǎn)成本都會(huì)增加。保險(xiǎn)杠翹曲變形的原因有三個(gè)參數(shù)，分別為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)以及注塑工藝。本文圍繞注塑成型工藝參數(shù)對(duì)汽車保險(xiǎn)杠翹曲變形影響展開討論，優(yōu)化模具以及工藝參數(shù)，既能提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本，還能避免預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中存在的缺陷。

關(guān)鍵詞 注塑成型工藝;參數(shù);汽車保險(xiǎn)杠;翹曲變形;研究

引言

工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)塑料制品應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，利用塑料制品輕重量、低成本、高耐腐蝕以及染色等優(yōu)勢(shì)，汽車的內(nèi)飾件、外裝件以及功能結(jié)構(gòu)件都應(yīng)用塑料制品，尤其是汽車保險(xiǎn)杠應(yīng)用塑料制品，成為減少汽車變形關(guān)鍵的部件。轎車前后保險(xiǎn)杠使用塑料制品，本文通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法利用Moldflow模擬分析計(jì)算出翹曲變形的影響因素，綜合比較各工藝參數(shù)下翹曲變形，確定注塑成型工藝參數(shù)，然后Moldflow模擬出參數(shù)實(shí)際效果，驗(yàn)證參數(shù)組合正確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 保險(xiǎn)杠模型

某品牌轎車前保險(xiǎn)杠作為模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，按照1/2等比例制作前保險(xiǎn)杠模型，模型規(guī)格為1688×688×513mm，厚度控制在2.8-3.0mm范圍內(nèi)。Moldflow軟件前期對(duì)有限元模型進(jìn)行分析，澆口、填充平衡性以及外觀熔接都是分析對(duì)象，對(duì)以上對(duì)象進(jìn)行綜合性分析，根據(jù)分析結(jié)果確定澆口設(shè)計(jì)方案。本文采用正交試驗(yàn)的方式，在不同注塑成型工藝參數(shù)交互作用下，以及按照不同工藝參數(shù)的配比，分析翹曲收縮變形對(duì)保險(xiǎn)杠模型的影響。

1.2 注塑機(jī)和原材料性能參數(shù)

選用型號(hào)HTFIOOOW2寧渡海天塑料注射成型機(jī)，該機(jī)型參數(shù)如下：鎖模力10000kN;注射容量4847cm3;螺桿直徑110mm;塑化能力104B;最大注射壓力174MPa;注射行程510N。該機(jī)型以上的機(jī)型參數(shù)輸入到Moldflow軟件，在Moldflow軟件注塑機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)準(zhǔn)備進(jìn)行模擬分析。保險(xiǎn)杠的材料選用揚(yáng)子石化生產(chǎn)的材料，材料為高抗沖聚丙烯（PP）1215C，材料的固體密度為8895g/cm3，熔體密度為7218g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)杠的注塑過程在溫度和壓力變化下，塑料制件體積和密度也會(huì)發(fā)生變化，直接影響到制件的翹曲變化。其中翹曲變形發(fā)生的變化，通常受到以下工藝參數(shù)影響：熔體溫度→模具溫度→注射時(shí)間。以上工藝參數(shù)雖然對(duì)翹曲變形的影響不同，但是每個(gè)參數(shù)間產(chǎn)生相互制約的關(guān)系。正交實(shí)驗(yàn)過程分析可知，相應(yīng)條件以及因素對(duì)試驗(yàn)最優(yōu)水平組合的影響，以及實(shí)驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響都會(huì)按照大小通過排列的方式展示出來。在列表中分析每個(gè)因素的影響作用，最終確定最佳參數(shù)水平組合，降低對(duì)翹曲變形的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)按照以下流程進(jìn)行：（1）確定模擬試驗(yàn)?zāi)康摹Ｒ蛩匾约耙蛩厮?（2）制作因素水平表、正交表;（3）確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ?（4）進(jìn)行Moldflow模擬分析;（5）計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，處理數(shù)據(jù);（6）確定最佳參數(shù)水平組合;（7）驗(yàn)證模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過分析可知，翹曲變形影響因素主要指標(biāo)包括以下幾種：（1）選擇熔體溫度（A）;（2）模具溫度（B）;（3）注射時(shí)間（C）;（4）保壓壓力（D）;（5）保壓時(shí)間（E）。

制件過程產(chǎn)生的翹曲變形因素有三種：（1）冷卻差異。在模腔內(nèi)分布差異性的溫度，引發(fā)不均勻熱收縮;（2）收縮差異。產(chǎn)品的不同位置由于不均勻體積收縮，導(dǎo)致塑料制品厚度出現(xiàn)收縮差異性，結(jié)晶度不同的薄壁以及厚壁位置，會(huì)出現(xiàn)不均勻收縮現(xiàn)象;（3）取向差異。平行方向和垂直方向分子排列，出現(xiàn)明顯的收縮差異現(xiàn)象。

制件在增高的溶體注射溫度下翹曲變形會(huì)減小，翹曲變形最小值通常出現(xiàn)在230℃，一段時(shí)間后會(huì)有所增加。溶體溫度的變化，會(huì)影響到制件成型翹曲收縮，包括熱收縮、結(jié)晶收縮、取向收縮以及補(bǔ)壓收縮。若升高溶體溫度，會(huì)減小溶體黏度，增強(qiáng)充模和保壓收縮能力，降低翹曲收縮變形。若增加料體的溫度，在保壓和冷卻定型階段的制件，都會(huì)出現(xiàn)明顯的熱收縮、結(jié)晶收縮以及取向收縮現(xiàn)象，即使溫度上升到230℃，翹曲變形上升情況仍然存在。模具溫度上升會(huì)導(dǎo)致制件出現(xiàn)明顯的翹曲變形，翹曲變形趨勢(shì)變化不是很明顯。在澆口凍結(jié)后制件脫模前，模具溫度對(duì)制件翹曲收縮的影響較為明顯。澆口凍結(jié)后對(duì)制件進(jìn)行填充和保壓，不會(huì)出現(xiàn)翹曲變形。升高橫溫后，會(huì)增加冷卻定型時(shí)間，制件完成脫模會(huì)增加翹曲變形。

影響保險(xiǎn)杠翹曲變形的參數(shù)，還包括不同時(shí)間的注射以及不同壓力的保壓。增加注射時(shí)間，制件的翹曲變形影響會(huì)降至最低，注射時(shí)間按照螺桿連續(xù)推進(jìn)壓縮熔體入模連續(xù)時(shí)間確定。若較短的注射時(shí)間，增加注射速度，熔體內(nèi)會(huì)受到較強(qiáng)的剪切力作用，導(dǎo)致結(jié)晶和取向間的作用力明顯增強(qiáng)，翹曲變形的趨勢(shì)不斷增加。

保壓壓力增加可以降低制件的翹曲變形，若壓力增至45MPa或者更高，制件翹曲變形會(huì)更加明顯。較高的保壓壓力會(huì)增加模腔內(nèi)制品的密實(shí)度，模腔彈性逐漸恢復(fù)，減少翹曲收縮現(xiàn)象的發(fā)生。若超高的保壓壓力，模具會(huì)發(fā)生溢料情況，出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的流動(dòng)參與應(yīng)力，翹曲變形仍會(huì)增加。

不同保壓時(shí)間對(duì)保險(xiǎn)杠的翹曲變形量影響較為特殊，若保壓時(shí)間增加之間的翹曲變形會(huì)降低，拖增加保壓時(shí)間，可以將溶體不斷引入到型腔內(nèi)，填充冷卻后產(chǎn)生的收縮縫隙，降低型腔內(nèi)的應(yīng)力，避免制件出現(xiàn)明顯的翹曲變形。

2.2 最佳工藝參數(shù)組合及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

翹曲變形的影響程度，會(huì)在同工藝參數(shù)下發(fā)生變化，按照重要程度大小進(jìn)行排列，分別為模具溫度為最大，保壓時(shí)間、注射時(shí)間、溶體溫度依次降低，最小為保壓壓力，最終得出最佳工藝參數(shù)組合為A4B1C5D2E5，按照最佳工藝參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果，輸入到Moldflow軟件分析模流，制件翹曲變形由最大降至7166mm，在該工藝參數(shù)下獲得的制件，受到翹曲變形的影響最小。

3 結(jié)論

綜上所述，利用Moldflow模擬分析技術(shù)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行保險(xiǎn)杠塑料制件注塑成型各影響因素進(jìn)行分析可知，制件發(fā)生翹曲變形與注塑成型工藝參數(shù)有直接關(guān)系。按照影響大小排列，分別為模具溫度為最大，保壓時(shí)間、注射時(shí)間、溶體溫度依次降低，最小為保壓壓力，在不同水平狀態(tài)下制品的翹曲變形影響趨勢(shì)和原因，確定最終的最佳工藝參數(shù)組合。最佳工藝參數(shù)組合輸入到Moldflow模擬進(jìn)行分析可知，制件的翹曲變形好于原有的狀態(tài)，證明注塑成型試驗(yàn)與Moldflow的驗(yàn)證結(jié)果相符。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉柳.汽車保險(xiǎn)杠專用塑料的研究[J].塑料制造.2010 （11）：142-143.

[2] 張憲輝.塑料汽車保險(xiǎn)杠常用材料及其性能分析[J].塑料科技.2016（05）：230.