U形提手氣輔注射成型分析與優化

張 斌，唐春華

(珠海城市職業技術學院 機電工程學院，廣東 珠海 519090)

0 引言

氣輔成型(gas-assisted injection moulding,GAIM) 技術是在傳統注射成型基礎上發展起來的一種新的注塑成型工藝，其基本工藝過程是先將一定量的熔融塑料注入模具，然后向熔體內部注入氮氣等氣體，氣體推動熔體充滿模具型腔。GAIM具有縮短生產周期、節省原材料、增加制件設計的靈活性、消除凹痕、減小塑件的內應力和變形等優點，在家電、汽車等生產領域使用越來越廣[1-4]。塑料提手壁厚太厚，采用常規注塑成型，縮水問題難以解決，采用GAIM不僅可成功解決縮水問題，還可以顯著減輕產品質量，減小塑件內應力與翹曲變形，縮短成型周期等。但由于GAIM參數多，各參數之間相互影響，塑件成型質量難控制。如果在成型調機之前，利用CAE分析軟件和正交試驗法對GAIM過程進行優化分析，確定成型調機主要方向和主要成型參數，則可大大減少試模次數，降低試模費用[5]。

1 提手氣輔注射成型CAE模型創建

U形提手3D結構如圖1所示，長寬高尺寸為130 mm×70 mm×20 mm，除前端2個小面外，均為外觀面，其中上表面和側面為主要外觀面，不允許出現縮水、飛邊、熔接線、氣道痕等成型不良。材料為ABS。

如圖1所示，提手膠位很厚，非常適合氣輔中空注射成型。CAE模型采用3D網格，無需作輔助氣道；為滿足產品外觀要求和氣輔成型需要，進澆采用細水口轉大水口，進氣口設在大水口流道下方。為防止氣體倒灌影響塑件品質，澆口要提前封閉。為保證氣體貫穿整個提手，消除遲滯痕，填充末端做溢料槽。提手澆注系統、進氣位置設計如圖2所示。

圖1 提手3D結構圖

考慮到產品外觀要求，氣針如果進產品上會嚴重影響產品的外觀，故將進氣口設置在流道上。進氣點設置在塑膠流動前端10 mm處(大水口流道下方)。

2 GAIM試驗方案設計

影響GAIM的主要因素有熔體溫度、熔體注射時間、熔體體積、氣體延遲時間、氣體注射時間及壓力等5個因素[6-7]。因提手壁厚太厚，冷卻困難，氣體注射延時時間需要設置長些。為保證中空，采用短射法，熔體注入體積不宜太大。GAIM參數多，參數之間相互影響，為找出各個因素對氣輔成型品質的影響大小，根據提手雙層面模型成型窗分析結果，如質量(成型窗口，XY圖)、區域(成型窗口，2D切片圖)，結合Moldflow材料庫材料推薦溫度及同類產品成型經驗，設計了五因素四水平的正交試驗表，5個因素均勻取4個水平，如表1所示。

表1 影響氣輔成型的主要因素

模溫等參數采用Moldflow默認值。提高氣體穿透及保壓效果，氣體注射、保壓可采用多段壓力，末段壓力衰減到0。本例為簡化問題，采用單段壓力。

塑件GAIM質量包含多個方面，如是否有氣指、吹穿、穿透不足等成型缺陷，表面是否有縮水等，很難進行定量描述，需從Moldflow “氣體型芯”“聚合物充填區域”“體積收縮率”“填充時間”等模擬分析結果中進行定性判斷。五因素四水平，正交試驗表設計及實驗結果如表2所示。

表2 正交試驗結果分析

每次正交試驗“氣體型芯”模擬結果如圖3所示。

圖3 提手GAIM“氣體型芯”模擬分析

3 GAIM模擬結果分析

從“氣體型芯”分析結果(圖3)可以看出：熔體體積分數小于60%，易發生短射、吹穿；熔體體積分數大于70%，氣體穿透不足，末端容易出現縮水。熔體體積對成型影響大。在保證充填的前提下，較高的熔體溫度與模溫有利于塑件填充，能提升塑件表面亮度。熔體溫度和氣體注入延遲時間相互影響，如熔體溫度高，需要相應延長氣體注入延遲時間和降低壓力，否則易發生吹穿。方案2和方案15均可保證塑件填充完全。對比兩種方案，Moldflow主要分析結果如圖4所示:方案2填充易出現遲滯痕；方案15流動前沿溫度高，塑件表面亮度好，體積收縮率分布均勻，但提手轉角處收縮率較大，有縮水風險。通過比較分析，方案15優于方案2。

圖4 方案2、方案15主要分析結果

從方案15分析日志中可看出，氣體一次穿透時間從5.366～6.651 s，約1.3 s，其余時間為保壓(二次穿透)時間。在方案15模擬分析的基礎上，對GAIM參數進行進一步優化，以解決提手轉角處可能出現的縮水問題。氣體采用分段壓力：0～1.3 s，保壓壓力仍為2 MPa；1.3～10 s，保壓壓力設置為8 MPa，再次進行GAIM分析，主要分析結果如圖5所示。

圖5 提手GAIM優化分析

從Moldflow分析結果看，氣體貫通整個制件，流動前沿溫度均勻，主要外觀面上無熔接線，塑件表面的體積收縮率減少至方案15的1/2(由0.611%減小到0.318%)，避免了塑件表面出現縮痕。由本研究結果，可建議客戶對提手結構進行優化設計，提手轉角處壓力損失大，且容易造成塑料堆積，應設計更大的圓角，以免縮水，增大調機難度。

采用優化后GAIM參數進行注塑成型的塑件如圖6所示：氣體完全穿透整個提手部位，零件表面光潔，無縮水、氣道痕、熔接線等明顯成型缺陷，滿足塑件的外觀及功能要求。

圖6 最終GAIM的把手零件

4 結論

GAIM參數眾多、調機困難，借助模流分析軟件對提手零件主要GAIM參數進行優化分析，避免了潛在的各種成型缺陷。分析結果表明：當熔體體積分數為65%時，填充效果好，無欠注、吹穿、氣體穿透不足等問題，通過分段保壓優化，塑件體積收縮率減少為原來的1/2；制品完全滿足塑件外觀和使用要求。