熔接线数值模拟在汽车保险杠注射模具设计中的应用

王 伟, 盛 丹， 蔡嘉盛， 周应国

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 扬州分院, 江苏 扬州 225003) (2.江苏科技大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212003) (3.江苏科技大学 苏州理工学院镇江校区, 江苏 镇江 212003)

由于质轻、造型美观、易于成型、耐腐蚀、成本低等特点,聚合物在汽车工业中的应用越来越广泛,其中,在轿车和一些轻型车中,塑料保险杠有取代金属保险杠的趋势,它主要能起到安全和装饰两方面的作用．随着汽车工业的发展,对车辆外观质量的要求越来越高,因此塑料保险杠的装饰性作用更加突出,不允许产生诸如凹陷、熔接线、翘曲等质量缺陷,这就对其生产过程提出更高的要求．塑料保险杠外观尺寸及注射量均较大,在其成型过程中浇注系统设计是否合理将直接影响到聚合物熔体压力和温度的变化,进而影响材料的填充以及之后的保压补缩,最终导致产品残余内应力及熔接线等质量问题的产生．数值模拟技术可以在注射模具设计过程中起到试模的作用[1-2],其应用越来越广泛[3-5]．文中针对某款家用轿车的前保险杠注射模具开展数值模拟工作,从聚合物熔接线的产生机理出发,对其浇注系统设计提出建议,从而解决保险杠加工过程中可能出现的问题．

1 理论基础

在注射成型过程中,当采用多浇口或型腔中存在孔洞、嵌件、以及制品厚度变化较大时,聚合物熔体在模具内会发生两个方向以上的流动,当两股熔体相遇时,就会在制品中形成熔接线(weld line)．熔接线在注射成型、吹塑、反应注射以及压铸等成型加工过程中均可能会出现．熔接线是聚合物制品的主要质量问题之一,熔接线的存在不仅影响制品的力学性能,而且也影响到制品的外观质量,特别对于保险杠要求外观质量的制品更为明显,因此,对熔接线的分析是保险杠注射成型数值模拟中很重要的部分．

对熔接线的有效预测是基于注射成型过程的CAE基础之上的．注射成型CAE是根据连续介质力学、塑料加工流变学和传热学基本理论,建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的数学模型,利用数值计算理论构造求解方法以定量求出成型过程压力场、温度场、速度场等的分布,再利用计算机图形学在计算机屏幕上形象、直观的显示出实际成型中熔体的动态充填冷却过程[1]．该技术的核心是建立可靠的数学模型及与之相应的数值计算方法．

目前注射成型CAE普遍采用基于广义Hele-Shaw流动模型之上的控制方程,在此重点关注熔接线数值模拟的边界条件．由于熔接线是由两股不同方向或平行方向熔体交汇而成,所以在熔接线上熔体的压力和法向速度应保持连续,即满足:

pl=pr

(1)

(2)

式中：p为压力,l和r分别表示熔接线的两侧,S为流通率,n为法向方向．

控制方程加上上述的边界条件可选用有限元/有限差分混合法[6]同时结合流动分析网络FAN法[1,6]求解,该方法在流动平面内采用有限元近似,厚度方向和时间导数采用有限差分近似,这样可充分发挥有限元和有限差分各自的优点,能适用于平面任意形状型腔模拟．同时,由于模具充填过程是一个瞬态过程,熔体前沿会随实时向前推进,故需要根据控制方程确定每一时刻充模熔体的流动前沿及其自由界面．对运动界面实时跟踪的同时就可以预测熔接线的产生．具体的计算过程可采用现有的CAE模拟软件实现并最终对结果进行分析．

2 分析与比较

2.1 制品及模具特点

图1为某款汽车的前保险杠实体模型,其外形尺寸约为:长2 400 mm,宽450 mm,高810 mm,制品平均壁厚约为4.5 mm,对其外形尺寸精度并没有过高要求,但对制件表面质量要求较高．保险杠材料要求在较宽的温度范围内刚性好,耐冲击性能好,尺寸稳定性好,耐溶剂性好,涂装性能好,故选用改性聚丙烯作为保险杠材料．在保险杠左右边各有椭圆形灯孔,中间部位为通风栅格,内侧有若干加强筋．尾部有内侧卷曲,因此,模具需要采用内侧抽芯．保险杠模具的特点为模具结构复杂;制品尺寸大,浇注系统采用热流道;型腔、型芯冷却系统复杂;制品顶出系统复杂,常用液压、机械联合顶出,并采用机械手自动取出制品．这其中浇注系统尤其重要,关系到制品的可成型性和最终性能．

图1 汽车前保险杠三维实体模型Fig.1 3D model of the front car bumper

根据以上特点,分别设计如下3种浇注系统:中心浇口(图2),四浇口浇注系统(图3)和六浇口浇注系统(图4)．

图2 中心浇注系统示意Fig.2 Schematic diagram of central feeding system

图3 四浇口浇注系统示意Fig.3 Schematic diagram of four-gate feeding system

图4 六浇口浇注系统示意Fig.4 Schematic diagram of six-gate feeding system

2.2 结果与讨论

在制品形状确定之后,熔接线的位置受浇注系统的影响较大．采用中心浇注系统之后,由于为单浇口进料,其熔接线数量相对较少(图5)．但分析同时显示,采用中心浇注系统后聚合物在模具型腔内的流动行程较长,在充填后期容易出现欠注现象,同时,该方案对注射机器的锁模力要求高达6 172 t．

图5 中心浇注系统熔接线位置示意Fig.5 Schematic diagram of location of weld lines for central feeding system

改用常规的四浇口浇注系统后,其熔接线将大量增加,特别熔料从左右两边浇口进入后在保险杠前部正中间的部位相遇后,会形成较明显的熔接线(图6),这将明显影响到制品的外观．

图6 常规四浇口浇注系统熔接线位置示意Fig.6 Schematic diagram of location of weld lines for conventional four-gate feeding system

对于多浇口来说,顺序控制技术的应用越来越广泛[7-8],现对该四浇口浇注系统也采用顺序浇注系统．其中通过模拟后,将阀浇口的开启时间正好设定与熔料流到该浇口处的时刻,其各阀的开启时间见表1,得到的熔接线位置如图7．该结果明显优于图6所示的熔接线位置,但采用四浇口,对注射机的锁模力仍然要求较高,其最大锁模力超过5 108 t．

采用常规的六浇口浇注系统之后,注射机的锁模力要求有所降低,最大锁模力为4 329 t,但由于同时进料后,六浇口处的聚合物熔体相遇后形成的熔接线较多(图8),对产品的外观将有明显影响．

表1 四浇口动态进料系统时间参数Table 1 Parameter of time in four gates sequence feeding system

图7 四浇口顺序浇注系统熔接线位置示意Fig.7 Schematic diagram of location of weld lines for sequence four-gate feeding system

图8 常规六浇口浇注系统熔接线位置示意Fig.8 Schematic diagram of location of weld lines for conventional six-gate feeding system

同样采用顺序浇注系统,在未经过优化的情况下,设定的各浇口的开启闭合时间见表2,得到制品的熔接线位置(图9)．

表2 六浇口动态进料系统时间参数Table 2 Parameter of time in six gates sequence feeding system

图9 六浇口顺序浇注系统熔接线位置示意Fig.9 Schematic diagram of location of weld lines for sequence six-gate feeding system

对比图8,9可知,采用顺序控制技术有效减少了熔接线,同时,注射机的锁模力更为减少,最大锁模力仅需要3 450 t．但是,图9中仍然有较多的熔接线,尤其是在保险杠的中部有一条横向熔接线可能会影响到制品的外观,需要对其继续优化．通过调查制品各部分材料从各浇口处流入分布可以发现,在保险杠左上浇口和中部上面的浇口处进入的材料会相遇(图10)．

图10 六浇口顺序浇注系统模具内制品各部分材料的流径分布Fig.10 Schematic diagram of distribution of flow track for sequence four-gate feeding system

图11 经过优化后的六浇口顺序浇注系统熔接线位置示意Fig.11 Schematic diagram of location of weld lines for optimized sequence four-gate feeding system

将图9中的各浇口进料顺序进行调整,同时,调整各阀浇口的开启与关闭时间,其时间参数见表3,最终得到如图11的熔接线位置．该熔接线均处于保险杠的侧部及边角处,不会影响到其外观．其制品各部分材料流经的浇口位置分布如图12,对比图10,中部未出现熔接线的原因在于中部均在同一浇口处进料．

表3 优化后的六浇口动态进料系统时间参数Table 3 Parameter of time in six gates sequence feeding system after optimization

图12 优化后的六浇口顺序浇注系统制品各部分材料的流径分布Fig.12 Schematic diagram of distribution of flow track for optimized sequence four-gate feeding system

从聚合物熔体在模具开腔内流动时形成的取向情况来分析熔接线的情况．图13为常规六浇口浇注系统熔接线的形成,其中a)图圆圈内为易出现熔接线的部位,熔体的表层取向发生不一致的现象,b)图方框内为不易出现熔接线的部位,熔体在表层的取向平行一致．该结果和图8，11所示的熔接线位置对应,说明熔接线的形成与熔体流动时形成的表层取向之间联系密切．

图13 熔体在六浇口浇注系统模具中流动时形成的表层取向Fig.13 Orientation of melt skin for six-gate feeding system

综合以上对制品熔接线结果的分析,设计与制造出该制品的注射模具,并进行实际注射成型,得到如图14所示的合格制品．

图14 最终的制品Fig.14 Final part

3 结论

1) 顺序浇注系统在减少熔接线的形成方面较有成效,通过本文的对比,采用六浇口顺序浇注系统可顺利生产出保险杠,并且其熔接线较少,表观质量较佳．

2) 数值模拟能够提前预测较多成型加工过程可能遇到的问题,通过对成型过程数值模拟来有效预测熔接线位置,可在模具设计中发挥着作用．另外,对使用顺序浇注系统来说,数值模拟可预测浇口的合理开启与闭合时间．

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