基于Moldflow的車燈裝飾框拐角氣痕成因分析與對(duì)策

姚 震， 李金國(guó)*， 謝海波

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具研究所， 浙江 臺(tái)州 318000； 2.浙江大豪車業(yè)有限公司， 浙江 臺(tái)州 318000)

車燈被喻為汽車的眼睛，其配件對(duì)汽車的外觀質(zhì)量和照明性能都有重要影響。氣痕是車燈制品常見(jiàn)的外觀注塑成型缺陷之一，表現(xiàn)形式為表面易出現(xiàn)勾形紋和淚珠形紋，并且缺陷消除難度大。氣痕影響了國(guó)產(chǎn)車燈在高端汽車上的應(yīng)用，企業(yè)常采用油漆涂層來(lái)處理缺陷，但效果不佳。

對(duì)于車燈配件的成型問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)一系列研究。李金國(guó)等[1]借助Moldflow軟件研究了成型工藝對(duì)車燈導(dǎo)光條注塑成型的流痕和氣穴等缺陷問(wèn)題，提出了采用熱流道時(shí)序技術(shù)，實(shí)施低速高壓注射，能夠有效解決透明、厚壁塑件的流痕和困氣。鐘健靈等[2]通過(guò)改變澆口的位置和結(jié)構(gòu)，解決了聚光片熔接痕缺陷問(wèn)題。吳榮佳等[3]研究了注塑制品表面流痕的成因以及影響其產(chǎn)生的過(guò)程參數(shù)。陳先立[4]研究了燈罩的殘余應(yīng)力問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)提高模具溫度，減小保壓壓力和保壓時(shí)間，可以有效降低模內(nèi)殘余應(yīng)力。課題組借助Moldflow軟件分析車燈配件成型表面產(chǎn)生氣痕的成因，探究解決此類問(wèn)題的有效方法，以期為車燈配件的注塑成型提供參考。

1 產(chǎn)品分析

研究對(duì)象為某車燈裝飾框，要求表面光滑無(wú)痕，耐高溫。塑件外部尺寸為540 mm×270 mm×110 mm，最大壁厚為3 mm，最小壁厚2 mm，中間開(kāi)有3個(gè)孔，用來(lái)放置照明燈，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車燈裝飾框Figure 1 Car lamp decoration frame

根據(jù)制品使用工況和性能要求，選用聚碳酸酯(PC)材料，牌號(hào)為Makrolon 2405，其相關(guān)材料特性如表1所示。

表1 PC塑料特性Table 1 Characteristics of PC

2 熔體流動(dòng)前沿自由表面形態(tài)

車燈裝飾框拐角氣流痕的出現(xiàn)主要是因?yàn)槟?nèi)的噴流泉現(xiàn)象。從數(shù)學(xué)模型上分析，塑料熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)可以看成是黏性不可壓縮流體的流動(dòng)，由于車燈裝飾框的橫截面厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度2個(gè)方向的尺寸，可采用廣義Hele-Shaw流動(dòng)描述[5-6]。假設(shè)流體不可壓縮，根據(jù)流變學(xué)基礎(chǔ)方程可以得到：

·v=0;

(1)

(2)

(3)

式中：u,v分別表示x,y方向的速度分量;P為壓力;η為黏度系數(shù)。

黏度模型采用Cross模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

式中：γ為剪切速率；η0由材料常數(shù)確定；τ*為牛頓流體和冪律流體轉(zhuǎn)變點(diǎn)切應(yīng)力。

根據(jù)邊界條件，即z=±b處，u=0，可得：

(5)

式中：b為壁厚T的1/2，即b=T/2;μ為動(dòng)力黏度。

則u在z向作拋物線分布如圖2 所示，其中τ為黏性阻力。

圖2 熔體截面速度分布Figure 2 Velocity distribution of melt section

熔體中央處速度最快，2側(cè)速度較慢。熔體前進(jìn)至最前端時(shí)，由于表面張力的作用，熔體減速并向模壁運(yùn)動(dòng)形成噴泉形狀的流動(dòng)波。自由表面的形狀變得接近于半圓形[7]。熔體充填過(guò)程如圖3所示[8-9]。

圖3 熔體充填過(guò)程Figure 3 Fusant filling process

3 車燈配件方案對(duì)比

3.1 初始方案

將裝飾框的幾何模型以STL格式導(dǎo)入到MoldFlow軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Fusion雙層面型網(wǎng)格。網(wǎng)格邊長(zhǎng)2.5 mm，網(wǎng)格厚度均勻，網(wǎng)格總數(shù)為151 124，節(jié)點(diǎn)數(shù)為75 544，網(wǎng)格匹配率達(dá)到90%，符合成型分析要求。分析類型設(shè)定為“冷卻+填充+保壓+翹曲分析”。車燈配件網(wǎng)格模型如圖4所示。根據(jù)其結(jié)構(gòu)并結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，模具型腔布局采用“一模兩穴”的方式。澆注和冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用扇形澆口，熱流道進(jìn)料，隨行水路冷卻。

圖4 雙層面網(wǎng)格模型Figure 4 Fusion model

圖5 澆注和冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 5 Running system and cooling system structure

注塑初始工藝參數(shù)如表2所示。

表2 注塑工藝參數(shù)Table 2 Technological parameters

根據(jù)模流分析結(jié)果可以得到如圖6(a)所示塑料流動(dòng)等值線圖，在橢圓圈出區(qū)域等值線呈V字型，熔體流經(jīng)該區(qū)域時(shí)左右2邊先流過(guò)臺(tái)階。為準(zhǔn)確模擬該區(qū)域熔體流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行等效處理，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并采用3D網(wǎng)格，得到云圖放大區(qū)域。通過(guò)剖面圖6(b)可以直觀看到此處存在空隙，其成因是由于熔體流經(jīng)該區(qū)域時(shí)，由于拐角半徑過(guò)小，熔體前沿自由表面與模腔壁之間形成了微小封閉空間，加上左右2邊熔體包裹，模腔內(nèi)空氣匯集在此處無(wú)法排出。在壓力進(jìn)一步增強(qiáng)和流動(dòng)趨勢(shì)帶動(dòng)下，氣體沿流動(dòng)方向遷移，在表面形成氣痕。這與實(shí)物樣件表面氣痕所處位置基本一致。實(shí)物表面氣痕如圖7所示。

圖6 氣痕區(qū)域熔體流動(dòng)狀態(tài)Figure 6 Fusant flow state in gas marks area

圖7 實(shí)物表面氣痕Figure 7 Gas marks of physical surface

3.2 改進(jìn)措施

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)模內(nèi)因困氣產(chǎn)生的氣痕問(wèn)題，可以使用以下幾種方法：

1) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)把拐角做大，使模內(nèi)氣體在熔體前沿自由表面推動(dòng)下向前移動(dòng)，避免氣體困在該區(qū)域；

2) 改變?nèi)垠w流動(dòng)方向；

3) 特種工藝驟冷驟熱；

4) 型腔內(nèi)抽真空。

針對(duì)該裝飾框產(chǎn)品，考慮成本及效率。最適合的應(yīng)該是加大拐角，但由于翻料痕處于A面，即外觀面，拐角不允許更改，并且加大拐角需要對(duì)模具進(jìn)行燒焊，定模是淬火處理，燒焊影響其性能，故以上方法均不適用。

根據(jù)熔體前沿噴泉流動(dòng)原理，其自由表面接近半圓形，通過(guò)改變拐角前端(熔體來(lái)料方向)壁厚，即可改變自由表面曲率半徑。在初始方案中，熔體自由表面曲率半徑相對(duì)于拐角過(guò)大，如圖8所示，致深色區(qū)域形成微小封閉空間。故可通過(guò)減小熔體表面曲率半徑，即減小拐角前端熔體來(lái)料方向壁厚(如圖9所示，深色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)原始方案減少部分)，使得熔體前沿流經(jīng)該區(qū)域時(shí)能貼合拐角內(nèi)表面，模內(nèi)氣體則順著料流向前推進(jìn)。為避免產(chǎn)生封閉空間，則有

圖8 初始方案熔體自由表面相對(duì)拐角曲率半徑Figure 8 Curvature radius of fusant free surface in corner region

圖9 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)橫截面示意圖Figure 9 Schematic diagram of cross section of structure

R>1/2T。

式中：R為拐角曲率半徑；T為拐角前端熔體來(lái)料方向壁厚。

對(duì)車燈裝飾框減小拐角前端熔體來(lái)料方向壁厚，不改變成型工藝參數(shù)，重新通過(guò)Moldflow數(shù)值模擬，得到如圖10所示塑料熔體流動(dòng)狀態(tài)。由圖10可知，在拐角區(qū)域不再有空隙產(chǎn)生，塑料熔體可平順地流過(guò)該區(qū)域，困氣現(xiàn)象已得到了消除。

圖10 改進(jìn)后塑料熔體流動(dòng)狀態(tài)Figure 10 Plastic Fusant flow state after improvement

4 實(shí)際驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)方案壁厚要求，對(duì)模具動(dòng)模側(cè)進(jìn)行了燒焊處理，如圖11所示。試模的工藝參數(shù)為MoldFlow軟件的數(shù)值模擬結(jié)果參數(shù)，經(jīng)試模生產(chǎn)，獲得的塑件如圖12所示，符合要求。

圖11 模具燒焊Figure 11 Mold welding

圖12 裝飾框合格產(chǎn)品實(shí)物Figure 12 Qualified decoration frames

5 結(jié)語(yǔ)

由于車燈裝飾框拐角半徑過(guò)小，容易導(dǎo)致塑料熔體流經(jīng)該區(qū)域時(shí)產(chǎn)生困氣現(xiàn)象，導(dǎo)致表面出現(xiàn)氣痕，影響產(chǎn)品外觀。為了降低修模成本，減少對(duì)模具的修補(bǔ)損壞，課題組提出通過(guò)減小局部壁厚，即減小塑料熔體前沿自由表面曲率半徑，使自由表面曲率半徑小于塑件轉(zhuǎn)角半徑，即R>T/2，有效避免了困氣現(xiàn)象產(chǎn)生。經(jīng)修模后注射成型測(cè)試，塑件脫模后放置一段時(shí)間，未發(fā)現(xiàn)氣痕成型缺陷，塑件達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量要求。