汽车玻璃塑料包边注射成形中的传热建模与试验研究

王乾廷 陈文哲 黄永华 刘 一 刘贤平

1.福建工程学院,福州,350108 2.福建宏达模具塑料厂,福州,350019 3.福耀玻璃工业集团股份有限公司,福州,350301

0 引言

嵌件塑件在生产中应用广泛,它可以改进塑件性能或扩大塑件应用范围[1-2]。嵌件的材料类型有金属、塑料或无机非金属等[3-6]。在汽车安全玻璃中,有一类是塑料包边玻璃,它把玻璃这种脆性材料作为嵌件用于中高档轿车和客车车窗的密封,其作用是使玻璃与车体紧密结合,提高密封性,同时增加美观。其生产流程是：首先对普通退火玻璃进行切裁、磨边、清洗等预处理后,送入生产线进行钢化;然后在包边工序中,把玻璃作为嵌件,在其边缘注射熔化的塑料,固化后塑料紧包在玻璃边缘形成包边。经过修边和安装卡脚等后续工序的处理后,采用专用的检测仪器检验几何尺寸与原设计的误差,以及外观质量指标,判定合格后入库[7-9]。

包边工序是沿玻璃周边注射熔融塑料并冷却固化的过程,材料属性、工艺参数、模具结构等因素同时影响包边的质量[10]。玻璃属于硬脆材料,包边塑料材质柔软且具有弹性,结构复杂,生产中,容易出现塑料与玻璃结合不紧密甚至脱落导致达不到密封要求或产品报废的情况,此外,在包边塑件的外观面上还易出现气泡和缩孔两类缺陷。这些问题与注塑工艺特别是成形时的传热过程密切相关。

关于注塑成形过程的传热研究,基本思路是从黏性流体力学的质量、动量和能量方程出发,建立适合于充模分析的数学模型,通过控制方程求解压力场、温度场和流动前沿位置[4]。可借用有限元软件构建包含模具和塑件的传热模型,分别对注塑工艺的加热、冷却过程进行温度响应模拟,以减小成形周期和提高温度均匀性为目标,对模具设计方案进行优化分析[11-12]。

为了有效控制包边质量,我们利用理论和试验手段,考察了包边成形过程中的能量传输情况,目的是为制定注射工艺规程和冷却系统设计提供理论依据。采用的方法是：建立模具、塑料和玻璃三者之间的热量传输模型,从传输理论角度描述塑件与模具之间、塑件与玻璃之间的能量传输情况,通过包边成形温度测量试验,得到温度变化和焓变曲线并加以分析。

1 塑料包边玻璃及其成形模具的结构

包边玻璃安装在车身上的情况如图1所示。由于玻璃和包边塑件形成一体,故可直接装配于车身上,免去了分别安装并进行机械卡紧的过程。包边玻璃的结构如图2a所示,图2b所示是P处的局部剖面。包边塑料结构往往比较复杂,有较多的沟槽、凸起以及断面剧烈变化,故容易出现常见的注塑缺陷。包边模具的结构和普通的注塑模具大致相同,由于含有玻璃嵌件,故需采用立式注塑机,模具内含有玻璃定位和夹紧机构。模具的工作部分如图3所示。令x轴指向包边周边方向,y轴指向包边断面内部方向,z轴指向厚度方向,建立坐标系。

图1 包边玻璃安装在车身上的示意图

图2 包边玻璃示意图

图3 包边模具工作部分结构示意图

2 传热模型分析

塑料、玻璃和模具及其主要轮廓尺寸如图4所示。为简化分析,研究由模腔分别向玻璃与模壁之间的一维传热,并且只考虑充模阶段到浇口封闭后的冷却阶段的情况。模板、塑件和玻璃的传热简化模型如图5所示,图中,L为动模左侧到定模右侧的总长度。与传热相关的参数取值如表1所示[13]。下标s、p、g分别表示模具钢、塑料和玻璃,例如,cs表示模具钢的比热容,依此类推。

图4 包边模具尺寸和传感器安装示意图

图5 模板、塑件和玻璃的传热简化模型

表1 塑料、模具钢和玻璃的相关参数

模腔向模具工作表面和玻璃表面的传热方程分别为[14]

边界条件如下：

式中,Ts为模板温度;T0为动模板左侧的温度;H0、HL分别为动模板左侧和定模板右侧处的焓函数。

模腔的传热方程为

式中,p为塑料熔体的压力;ΔH为模腔内熔体的焓变;n为指数;G0为晶体生长速率;Kg为常数;N0为激活核子的初始数量;U*为激活能;Tinf为理论上无限长时间后熔体的温度;Tf为某指定时间后熔体的温度。

从充填完成后开始计时,此时t=0。在不同离散时间点上,塑件与模具和玻璃之间符合传热条件：

其中,Ri,i+1为热阻,当模腔内压力大于外界大气压时假定为常数;φi→i+1为模具向塑料以及塑料向玻璃传热过程中的热流密度。当低于大气压时,塑件就会收缩并脱模,这时热阻的变化函数为

式中,c(i0)、c(it)分别为模腔压力下降至常压和下降到一定量值时的PVC的比热容。

3 测温试验和结果分析

3.1 试验方法

在立式注塑机(注射量 463g,螺杆转速0.142r/min,合模力165k N)上装模,模具配有水冷系统,在包边塑件结构复杂易形成熔体过早冷却而填充不足的部分则配有局部油加热系统。在动模和定模上分别装上K形线径为1.2mm的热电偶进行测温,热电偶的安装如图4所示。该安装结构可以使热电偶沿着包边塑料的厚度方向进行小范围的调整,以便测量沿塑件不同厚度处的温度。为了进一步减小传感系统受到的干扰,采用耐热性较好的聚酰亚胺(PI)固装在热电偶的外侧。模腔内也安装了3个压力传感器。试验材料为：模具采用日本大同钢铁PX5预硬模具钢;玻璃采用福耀公司依据国家标准GB9656-2003生产的钢化玻璃;包边塑料采用台塑公司生产的密度为1.57g/cm3的PVC颗粒。试验用的主要参数为：模温 40℃,熔体温度 195℃,保压压力105k N,保压时间15～25s,冷却时间 50～65s,注射速度300mm/s。合模后,把热电偶导入模腔。这里还用到了一个多通道数据采集系统,用于采集模腔压力、表面模腔温度和注射压力等数据。

3.2 试验结果

首先计算得到离散时间点上塑件的温度。计算方法如下：利用Moldflow软件,依据“建模→网格划分→设置参数→设置边界条件→计算”的步骤得到曲线包边每一点的温度。在几何建模中,把玻璃假定为边界的一部分,在参数设置中,设定其密度、比热容和传热系数。然后与测量得到的温度曲线进行对比,如图6所示。结果显示,测量值与理论值的最大误差不超过4.7℃,多分布在±(1.2～3.2)℃范围内,表明理论分析与实测值较一致。

图6 包边塑件注射成形冷却温度曲线

图7 显示了测量得到的塑件分别靠近动模、玻璃和定模表面处的温度变化曲线。可以看出,塑件靠近动模表面处的温度在保压约9s左右时有明显的温度回升现象(曲线1),这表明随着模腔内压力的逐渐下降,热流密度有所减小,包边塑件开始脱离模腔。但是,在靠近玻璃的一侧,前一阶段温度梯度较小(曲线2),这表明二者之间的热传递不如塑件向模具传热明显。位于定模上的温升点比动模温升点要滞后(曲线3)。

根据式(2)并离散成形时间,计算得到包边塑件成形的焓变曲线,如图8所示。计算中取表2所示的参数[15]。定模温升时间与焓变值突变时间几乎发生在同一时间,即约13s左右。成形过程中,钢质模具和玻璃这两种材料在传热性质上有本质差异,使得包边过程中PVC易于从模具上脱落,同时包紧在玻璃上,且二者的传热系数差异越大,包边效果就越好。由于注射熔体是从定模方向进入的,故熔体与定模之间的传热速度低于熔体与动模之间的传热速度。这也是温升滞后的主要原因。

图7 保压时间为15s时的温度变化曲线

图8 包边注塑过程中的焓变曲线

表2 包边塑件成形焓变参数取值

3.3 讨论

根据以上分析得知,通过调整部分注塑参数,可以控制塑料从钢质模具上的脱落时间,以及与玻璃的包紧状况。进一步研究发现,这二者是相互矛盾的,当模腔内的压力下降较快时,有利于包边塑件的脱模,但PVC与玻璃的结合力下降。根据试验,保压时间一般不低于12s,冷却时间不低于44s。

在模具设计中,型腔的传热系数也是直接影响包边效果的因素,故应选用优质高热导率的预硬钢。同时,由式(2)和图8知,根据包边塑件形状,合理地布置冷却水道,控制冷却介质的流动,有利于提高包边效果和顺利脱模。

4 结语

包边过程是熔融塑料的成形固化过程,同时也是塑件脱离钢质模具前与玻璃结合的过程。本文建立了带有嵌件的注射成形模型,并通过试验得到了塑料、模具、玻璃表面的温度变化曲线。由于塑件脱离动模瞬间保压压力下降,故出现一定的温升,该温升的时间与塑件固化过程中的焓变密切相关。因此,通过合理选用合适导热性能的模具钢,控制熔体温度、保压压力、保压时间,可以有效地改变包边成形过程中的能量传输情况。与现有研究注塑成形传热模型的文献相比,本文侧重于建立包含玻璃嵌件以及玻璃双侧的塑料熔体的传热模型,并对传热方程增加模具与玻璃之间的导热项,利用方程和试验的方法研究玻璃和塑料这两种材料相互结合时的影响因素。

另一方面,由于本试验中采用了一种注射成形冷却系统的布局,未对多种布局方法进行比较,故如何进一步改进冷却系统并控制成形过程中的传热,从而改善塑件质量和包边质量,是下一步需要研究的工作。

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