MOLDFLOW在气辅注塑成形中的应用

作者:王瑞歌 孙振杰 文章来源:青岛海泰科模具有限公司 上海通用东岳汽车有限公司 发布时间:2012-08-13
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图1  把手产品造型和壁厚布局

本文介绍了MOLDFLOW在分析气辅注塑制品的基本思路,通过对汽车把手完整的分析优化过程,证明了气辅注塑成形可在设计前进行分析优化,CAE技术在预测制品缺陷和提高制品成形质量方面,可为设计人员提供有效的技术支持。

气体辅助注射成形是在传统注射成形基础上发展起来的一种新型注射成形技术,该工艺具有注射压力低、塑件翘曲变形小、表面质量好、节省用料量、缩短成形周期以及可成形壁厚差异比较大的塑件等优点。自20世纪90年代开始,GAIM技术已广泛应用到汽车、家电以及家具等行业,在激烈的市场竞争中,为客户提供低成本、高品质的产品。
气辅成形技术经过不断发展和创新,在实际生产中出现了多种不同的工艺类型,按工艺特性可分为欠料注射和满料注射。欠料注射工艺是首先将熔融塑料注入模具型腔,再经过气体延迟时间将高压惰性气体(一般为高压N2)注入熔体内部,继续向前流动充满整个型腔,保压开模顶出。满料注射工艺常用的是溢料成形法,溢料成形工艺是在模具型腔外设置一个与主型腔连通的副型腔,型腔与主型腔通过阀门控制两者的连通。首先将副型腔关闭,熔体注满主型腔后打开副型腔,同时开始向主型腔注入高压气体,在高压气体作用下将多余的熔体进入到副型腔,此时关闭副型腔进入保压阶段,对型腔中得熔体进行保压补缩开模顶出制品。


图2  材料属性分析

传统的MOLDFLOW分析采用单层面添加气道分析,由于气道等效无法真实模拟复杂制品,本文采用3D模拟分析,消除了传统的分析弊端。

案例介绍

外门把手为汽车重要的外观件,表面质量要求较高,同时要保证制品装配尺寸。制品结构及壁厚分布如图1所示,最大外形尺寸为257mm×86mm×94mm(长×宽×高),产品基本壁厚2.5mm,制品最厚处壁厚是30mm。为避免表面缩痕及控制制品重量,需采用气辅成形工艺,厚壁处设计为气道。


图3  网格模型

CAE分析

1.制品分析说明

分析采用与实际相同的塑胶材料Techno Polymer公司生产的ABS,牌号为Techno ABS F5270,具体属性如图2所示。

由于把手结构复杂、壁厚差异较大,不利于抽取中形面和设定气道,因此采用3D网格进行气辅成形分析,网格数量为43万个,网格模型如图3所示。


图4  制品浇注系统和熔接痕

2.浇注系统确定及充填结果

综合考虑制品成形质量及将浇口放置在非外观面等要求,浇口位置如图4所示;同时为避免气体倒灌进入热流道,采用热流道阀式浇口的进胶方案。热流道直径为12mm,阀浇口直径为4mm,冷流道直径为8mm,浇口尺寸为4mm×1.5mm(宽×厚)。


图5  制品填充

制品填充时间为1.5s,充填短射图如图5所示;制品成形压力为45MPa,锁模力26.4t;外观面没有熔接痕。


图6  气辅系统

3.气针位置和气压曲线确定

根据浇口位置可确定气针即进气位置,按照气辅成形设计原则,熔体最后充填位置通常为气体充填末端即气道末端。这样熔体和气体充填方向一致,可以保证气体充填顺畅及保压补缩效果,同时避免气辅成形缺陷,如手指效应等。此案例由于采用溢料注射法,可以通过阀针的开关控制溢料井为最后充填处,因此气针及溢料井的设置可以有两种方式。这样就增加了设计的自由度,可根据产品结构或质量要求进行选择设计。方案A为进气点靠近浇口,溢料井设置在远离浇口的位置;方案B为进气点远离浇口,溢料井设置在靠近浇口一侧,具体结构如图6所示。


图7  气体填充示意

MOLDFLOW气辅成形分析可以通过比较气体充填和气道穿透等结果分析比较气辅成形方案,进而不断优化气道尺寸及气辅压力曲线。通常情况下,气压越大,气体穿透越充分,但是手指效应越明显,需要设定合适压力值,满足成形质量的要求。两种气辅方案在不同气体压力条件下,制品气体填充如图7所示,采用高压气体注射时两种方案的气体均可在气道内填充完全。由于方案A进气位置处于外观面,进气时在气针位置容易产生气痕,影响制品外观质量,因此优选方案B。


图8  气道分析后换算结果

4.溢料井尺寸分析确定

溢料井的体积按照气辅设计要求为制品厚壁部分体积的一半作为初始设计,初始设计采用长方体形状。但是由于长方体溢料井较厚难以冷却,会影响制品的成形周期。因此根据MOLDFLOW分析得出最佳溢料井体积换算成相应的U形流道,然后再进行气辅优化分析,分析结果如图8所示。U形溢料井方案满足气辅成形质量要求,并且可以提高制品成形效率。


图9  制品缺陷预算

5.制品缺陷预算

通过MOLDFLOW充填分析结果,预测到注塑成形过程产生的短射和流痕等注塑成形缺陷,因此进一步优化制品结构。调整局部筋位壁厚以避免短射;在厚壁气道区域为避免壁厚突变设计为渐变壁厚,以消除流动速度差异引起的流痕。分析结果如图9所示。


图10  制品流痕缺陷

实际试模和修模分析

实际试模总结如下:

1. 制品筋位难成形影响制品吹气,建议客户加胶,客户同意后加胶到1.3mm,基本优化了制品筋位填充。

2. 由于大面壁厚和流道尺寸落差比较大易产生流痕,具体如图10所示。由于大面壁厚更改比较大,修模时移动浇口位置优化流痕问题如图11所示。


图11  优化浇注系统后,制品的滞流现象得到改善

3. 制品柱位防缩易产生滞流,需取消柱位防缩。

结语

相对于普通注射成形工艺而言,气辅成形工艺更加复杂,成形质量难以控制。因为关注制品设计、模具设计的同时还要关注气辅成形设计相关因素,遵循气辅成形设计相关原则,否则更容易出现注射成形缺陷。本文借助MOLDFLOW软件气辅成形分析,针对气辅成形汽车把手案例,应用3D模型优化设计浇口位置,确定进气点及溢料井位置,优化气辅成形工艺,预测注射成形缺陷,为一次试模成功提供强有力的保障。

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