气辅成型制品气道优化设计研究

付庆兴,程晓锋,李 义,梁继才

(1.吉林大学计算机科学与技术学院,吉林长春130025;2.一汽-大众公司,吉林长春130011)

气辅成型制品气道优化设计研究

付庆兴1,程晓锋2,李 义1,梁继才1

(1.吉林大学计算机科学与技术学院,吉林长春130025;2.一汽-大众公司,吉林长春130011)

采用数值模拟技术对气辅成型制品设计中带有半圆形气道和矩形气道的2种基本气道类型的聚苯乙烯板类件进行了模拟分析和物理模拟实验。根据气体穿透长度、气腔形状、残余壁厚及气道缺陷等主要参数,建立了气道质量评价标准。结果表明,对于半圆形气道,当气道半径为制品壁厚的2倍左右时气腔质量最佳;对于矩形气道,在气道宽度和壁厚相同的情况下,随着气道高度和气道宽度的增加,气体穿透后形成的气腔质量逐渐提高,当气道高度和气道宽度的比值达到2.0时,且气道宽度对制品壁厚的比值也达到2.0时,气腔质量最好,气道最优。

气辅成型;气道;数值模拟;优化设计

0 前言

气辅成型技术利用高压惰性气体在注射件内部产生中空截面,推动熔体完成填充过程,实现气体均匀保压,是一项消除制品成型缺陷的塑料成型新技术,于20世纪90年代在发达国家开始进入实用阶段[1]。气辅成型制品气道设计是成功应用气辅成型技术的关键。在气辅成型过程中,引导气体流动使之到达预期的位置是气道设计的关键,而气道尺寸是引导气体流动的重要因素之一[2]。在以往的研究中对于气道设计都是给出了经验性的设计准则,气道设计的数量化标准分析还未见研究成果报道。本文采用数值模拟和交叉实验方法,对气辅成型中的2种基本气道类型,即带有半圆形气道和矩形气道的聚苯乙烯板类件,进行了系统的模拟研究,得出了气道设计的数量化标准。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚苯乙烯(PS),Asahi-ps666,等级代码为 GP101,视觉特征为透明,Asahi化学公司。

1.2 实验条件

基于材料和设备供应商推荐的工艺范围,选择如下工艺参数:模具温度40℃,熔体温度230℃,预注射量85%,气体注射延迟时间0.1 s。

1.3 气道结构

实验设计气道为半圆形气道和矩形气道。制品长度为200 mm,宽度为30 mm,厚度为2.5 mm,如图 1所示。

图1 矩形和半圆形气道示意图Fig.1 The schematic drawing of semi-circle and rectangular gas channel

1.4 气道质量评价标准

根据气辅成型的特点和对气辅成型制品的性能要求,气道的质量应该从以下2个方面来评价:气体穿透长度和气腔形状及残余壁厚。

在实际分析过程中要综合这2个方面对气道质量进行评价。一般要求气体穿透长度应该超过气道长度的80%,气体渗透小于1 mm时[3],气道的残余壁厚比较均匀,厚度接近制品整体厚度,且有较少的缺陷如指形区域、气泡等。

2 气辅成型制品气道设计模拟研究

2.1 半圆形气道设计模拟研究

在半圆形气道的分析过程中,半圆形气道的半径尺寸分别选择平板厚度的1、1.5、2和3倍取值,如表1所示。平板厚度为2.5 mm,长度为100 mm,宽度为30 mm。

表1 各种半圆形气道的截面半径Tab.1 The radius of semi-circle gas channel

2.2 矩形气道设计模拟研究

在矩形气道的分析过程中,存在3个参数即矩形截面的宽度(W)、高度(H)和平板厚度(T),数量化标准是要得到W、H与 T之间的最优数量关系,使气道质量最优。本文采用交叉实验方法[4],即首先分析得到W和 H之间的最优比值,然后确定此值,再分析气道W和 T的比值,得到确定气道结构的两组比值,即W、H的最优比值和W、T的最优比值。

3 结果与讨论

3.1 模拟结果

半圆形气道模拟结果如图2所示,得到的气道参数如表2和图3所示。

图2 半圆形气道气腔形态Fig.2 The gas bubble of the semi-circle gas channels

图3 气体穿透长度和薄壁穿透最大距离随气道半径变化的曲线Fig.3 The curves for gas penetration length and maximum penetration range in thin wall section versus gas channel radius

首先选定矩形截面的气道宽度为5 mm,取气道高度为其宽度1、1.5、2、2.5和3倍进行模拟分析,结果如图4所示。得到的气道参数如表3和图5所示。

表2 半圆形气道制品的气道参数Tab.2 Gas channel parameter for semi-circle gas channel

图4 不同气道高度与宽度比值下矩形气道气腔形态Fig.4 The gas bubble of the rectangular gas channel with different ratios of height over width

表3 不同气道高度与宽度比值下矩形气道制品的气道参数Tab.3 Gas channel parameter for the rectangular gas channel with different ratios of height over width

图5 气体穿透长度和薄壁穿透最大距离随气道高度与宽度比值变化的曲线Fig.5 The curves for gas penetration length and maximum penetration range in thin wall section versus the ratios of height over width

根据以上模拟结果,选定 H/W=2.0,分别取宽度为壁厚的1.0倍、1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍进行模拟对比分析,分析结果如图6所示。得到的气道参数如表4和图7所示。

图6 不同气道宽度与壁厚比值下矩形气道气腔形态Fig.6 The gas bubble of the rectangular gas channel with different ratios of width over wall thickness

3.2 结果分析

从表2及图3可以看出,气道半径与制品壁厚的比值2.0是个转折点,当比值<2.0时薄壁穿透距离随着比值的减小急剧增加,比值≥2.0时薄壁穿透极小但气体穿透长度减小较为明显。虽然半圆形截面是气道设计中最优的截面形状[5],从图2的分析结果可以看出当气道半径小于壁厚的1.5倍时,气体穿透后很难形成较好的气腔,在成型过程中出现较为严重的薄壁穿透缺陷。当半径达到或超过壁厚的2倍时所形成的气腔轮廓清晰,无明显缺陷,残余壁厚均匀。当半径等于壁厚的2倍时,气道质量最好。当气道半径过小时,气体穿透阻力增加,因此很难形成良好的气腔,易出现薄壁穿透缺陷。从图2可以明显看出,当半径大于壁厚2倍后,随着半径的增加气体穿透长度逐渐变短,这是由于在相同的加工条件下,当半径增加时注入熔体中的高压气体需要推动更多的熔体向前同时也向两侧扩展,因此形成的气腔较半径小时短。综合以上分析,当气道半径为壁厚的2倍时,气道质量最好。

表4 不同气道宽度与壁厚比值下矩形气道制品的气道参数Tab.4 Gas channel parameter for the rectangular gas channel with different ratios of width over wall thickness

图7 气体穿透长度和薄壁穿透最大距离随气道宽度与壁厚比值变化的曲线Fig.7 The curves for gas penetration length and maximum penetration range in thin wall section versus the ratios of width over wall thickness

从表3及图5可以看出,当气道高度与宽度的比值在2.0附近时,薄壁穿透距离达到最小值,且随着比值的增加或减小都有明显增加,成为较为严重的缺陷。气体穿透长度在比值为1.5左右达到峰值,且其随着比值的增加有明显减小。同时从图4也可以明显看出,当气道高度小于等于1.5倍的气道宽度时出现严重的薄壁穿透缺陷,而且随着比值的减小,缺陷情况越严重,很难形成良好的气腔形态。当气道高度为气道宽度的2倍时,气体穿透长度可达制件长度的87.4%,气腔轮廓清晰,残余壁厚均匀,气道质量优良。当气道高度大于宽度的2倍时,也能形成较好的气腔,随着高度与宽度比值增加,气体穿透长度减小,且在气体入口处出现越来越严重的局部薄壁穿透现象。因此,当高度和宽度的比值为2.0时,气腔质量最好,气道最优。

从表4及图7可以看出,当气道宽度与制品壁厚的比值在2.0附近时薄壁穿透距离达到最小,随比值的减小,此距离增加明显。气体穿透长度在比值为1.5左右时达到峰值,比值1.5与2.0之间时穿透长度变化较小。同时从图6可以明显看出,在选定气道高度为宽度2.0倍的情况下,当气道宽度小于1.5的壁厚时,气体没有清晰的穿透路径,形成严重的壁厚穿透缺陷,制品难以成型。当气道宽度是壁厚的2.0倍时,气体穿透形成的气道轮廓清晰,气体穿透长度可以达到制件长度的87.4%,残余壁厚比较均匀,气腔质量较好。当气道高度和宽度的比值大于2.0时,也能形成较好的气腔,气体穿透长度较比值为2.0时逐渐减小,且在气体入口处形成局部轻微薄壁穿透缺陷。

从以上的模拟分析可以看出,对于矩形气道而言,气道宽度与制品壁厚的比值和气道高度与气道宽度的比值在决定气体穿透过程中起着非常重要的作用。对于壁厚一定的平板类制件,在气道宽度一定的情况下,随着气道高度与气道宽度比值的增加,气体穿透后形成气腔质量逐渐提高,当比值达到2.0时,气腔质量较好,气道最优。在最优的气道高度和宽度的比值情况下,气道宽度对制品壁厚的比值也对气道质量起着决定性的作用,随着气道宽度与制品壁厚比值的增加,气体穿透后形成的气腔质量逐渐增加,比值达到2.0时,气腔质量较好。

3.3 物理模拟实验

采用自行开发的气辅装置和模具对分析得出的最优气道结构进行了物理模拟实验。为方便实验,制品选择板类制品上面设置交叉形气道,如图8所示。

选择半圆形气道半径为制品厚度的2.0倍,矩形气道高度为宽度的2.0倍,宽度为制品厚度的2.0倍,制品厚度为2.5 mm,气道长度为100 mm。

从表5可以看出,数值模拟分析结果合理,分析所得的气道质量优良。

图8 气辅成型薄板件Fig.8 Gas-assisted injection molded thin plate part

表5 物理模拟与数值模拟结果对比Tab.5 The comparison of numerical simulation with experimental data

4 结论

(1)提出了气道质量评价标准,根据气辅成型的特点和对气辅成型制品的性能要求,气道的质量应该从以下几个方面来评价:气体穿透长度、气腔形状、残余壁厚、缺陷情况等;

(2)对于半圆形气道,当气道半径小于壁厚的1.5倍时,气体穿透后很难形成较好的气腔,在成型过程中出现较为严重的薄壁穿透缺陷。当半径达到或超过壁厚的2倍时所形成的气腔轮廓清晰,无明显缺陷,残余壁厚均匀。当半径等于壁厚的2倍时,气道质量较好。当半径大于壁厚2倍后,随着半径的增加气体穿透长度逐渐变短;

(3)对于矩形气道,气道宽度与制品壁厚的比值和气道高度与气道宽度的比值在决定气体穿透过程中起着非常重要的作用。对于壁厚一定的平板类制件,在气道宽度一定的情况下,随着气道高度与气道宽度比值的增加,气体穿透后形成气腔质量逐渐提高,当气道高度和气道宽度的比值达到2.0时,且气道宽度与制品壁厚的比值达到2.0时,气腔质量较优。

[1] 梁瑞凤.气体辅助注射成型技术——一项向传统注射成型工艺挑战的未来技术[J].高分子通报,1996(4):226-233.

[2] Chien R D,Chen S C,Lin M C,et al.Effect of Channel Design on the Molding Window of Gas Assisted Injection Molded Polystyrene Parts[J].Journal of Applied Polymer Science,2003,90:2979-2986.

[3] Chien R D,Chen C S,Chen S C,et al.Correlation of Gas Penetration and Permeation to the Structural Performance of Gas Assisted Injection Molded Parts[J].Advances in Polymer Technology,1999,18(4):303-313.

[4] 刘传银.化学实验误差分析及其优化设计[J].郧阳师范高等专科学校学报,2004,24(6):21-23.

[5] Jack Avery.气体辅助注塑成型原理[M].杨卫民,丁玉梅,译.北京:化学工业出版社,2003:75.

Study on Optimal Design of G as Channel in G as-assisted Injection Molding

FU Qingxing1,CHEN G Xiaofeng2,LI Yi1,LIAN GJicai1
(1.College of Computer Scienec and Technology,Jilin University,Changchun 130025,China;2.FAW-Volkswagen Automobile Co,Ltd,Changchun 130011,China)

Numerical simulation and laboratory experiments were carried out to analyze two kinds of polystyrene plates with either semi-circle or rectangular gas channel.Based on the main processing parameters such as gas penetration length,gas channel shape,residue thickness,and gas channel defects,the evaluating standard of the quality of gas channel was established.For semi-circle gas channel,the radius was 2 times that of the plate wall thickness,and the quality of gas channel was the best.For rectangular gas channel,when the width of gas channel and the wall thickness kept constant,the quality of gas channel would improve with increase of the height and width of gas channel;when the height of gas channel was 2 times of the width of gas channel,and the width of gas channel was 2 times of the plate wall thickness,the quality of gas channel was the best.

gas-assisted injection molding;gas channel;numerical simulation;optimal design

TQ320.66+2

B

1001-9278(2010)07-0055-05

2010-04-02

联系人,mig2k@163.com