后防擦条大流长比注塑参数优化及试验验证

张华龙，张二红，苏海洋，邹华杰，黄可

(1.廊坊职业技术学院，河北廊坊 065000；2.常州机电职业技术学院，江苏常州 213164)

注塑模具种类繁多，结构各异。沈忠良等[1]对某SUV 仪表台塑件，设计了一种多浇口两板热流道注塑模具；文献[2–5]对注塑参数进行了研究；刘成娟等[6]对制品翘曲量进行了研究。以上对制品注塑成型的研究，没有解决大流长比制品的注塑成型问题。

笔者以某型号客车的后防擦条外板为研究对象，通过制品模型分析，确定浇口数量，针对大流长比这一成型关键点，构建正交试验，得出最优工艺参数，最后通过试验验证，验证技术路线的正确性。

1 后防擦条外板的模具设计

1.1 后防擦条外板模型

图1 为某品牌客车的后防擦条外板模型。该塑件外形尺寸为720 mm×240 mm×60 mm，平均壁厚为3 mm。为了减少风阻，该塑料件的设计采用流线型。在NX1851 软件中，通过工具–材料–指派材料[7]，选择模型类别名称为聚丙烯(PP)材料，测得制品表面积为337 144.35 mm2；质量为623.9 g(密度为1.015 g／cm3)；体积为530 787.25 mm3。

图1 后防擦条外板模型

1.2 浇口数量及流长比

要求注塑后不能对制品进行表面喷涂等处理，去除浇口后直接交付使用。浇口数量增多，充填压力较低，熔体温度可以较低[8]，但多个浇口会导致熔接痕的产生，在相同工艺条件下，熔接痕区域的强度只有原始材料的10%～82%[9]，严重影响制品的正常使用及制品外观。通过分析后防擦条外板模型，制品整体呈流线型分布，单浇口效果最好，能够保证制品表面保留一定的流动纹理(哑光效果)[10]。

该制品长度方向尺寸为720 mm，平均壁厚为3 mm，流长比(流动路径与壁厚的比值)达到了240，超出了一般材料的允许值[11]。

1.3 材料确定

该制品为大批量生产，材料经济性为首要考察指标，选用中广核俊尔新材料有限公司生产的牌号为P1M6I–B02的复合材料。该材料母材PP 质量分数为50%，低黏度PP 质量分数为5%，矿物填充质量分数为30%，润滑剂质量分数为10%，弹性体质量分数为5%，具有低收缩，低线性膨胀系数，尺寸稳定性好等特点[12]。该材料的拉伸强度为17.4 MPa，弯曲强度为23.5 MPa，弯曲弹性模量为1535 MPa，悬臂梁缺口冲击强度为45 kJ／m2，–30℃悬臂梁缺口冲击强度为7.1 kJ／m2，熔体流动速率为23.2 g／10 min，皮纹面光泽度(60°)1.6[13]。

1.4 模具结构

模具动模结构如图2 所示。

图2 动模结构图

考虑水路加工工艺，不开设斜向水路，水路与水路之间呈平行或垂直状态，为了水路靠近制品，开设向下的单向水路管，在单向水路管中增加隔水板，使水流呈湍流状态，加速热量交换。动模上加设耐磨板，增加模具使用寿命。本模具为“一模两腔”结构，由单根主流道将熔体导入模腔，在定模仁上开设分流道，使熔体分流。不设置顶针板，在推板上直接安装顶针；设置推板导向柱，确保推板运行平稳。在模脚上安装行程开关，推板上对应设置挡块，能够检测推板所处的位置，判断推板是否推出到位，或复位到位。

2 单浇口方案论证

为了追求极致的表面纹理，选择单浇口方案，充填过程需要精确地把控，拟采用模温机将模具内表面温度控制在某一值，提高熔体的流动性，延缓熔体前锋的冷凝速率。

在CAD Doctor 2020 软件中，对制品三维造型进行修整，逐一修正干涉边、碎面、自由边、环路中的间隙、相交环路、自相交曲面等制品缺陷(多种软件间相互装换，必然导致缺陷)。将修正后的模型以UDM 格式(该格式能够准确传递)输入至Moldflow 2020 模流分析软件中[14]。

为了使分析结果更准确，选择“3D”网格类型，将曲面上的全局边长设置为19.98 mm；选用“匹配网络”；选用“在浇口附近应用额外细化”，设置“相对边长”为20.0%，得“3D 网格单元”239 614 个。运行网格统计，四面体数量为239 614 个；已连接的节点数量是43 996 个；型腔体积是1 055.02 cm3；最大纵横比为18.36；平均9.24；最小1.24。

设置分析序列为“填充+保压+翘曲”；在物料库中，选择与牌号P1M6I–B02 性能一致的材料，制造商为北美贝塞尔聚烯烃公司，牌号为Hostacom 65F5–2；设置单个浇口，浇口形状为方形浇口，尺寸为2.5 mm×7.5 mm；为了验证单浇口方案可行，将模具表面温度设置为较低的60℃，熔体温度设置为225℃，其它参数不作调整，选择默认。

采用以上工艺参数进行浇注，充填完成所需时间如图3 所示。

图3 充填完成所需时间

在以上工艺参数下，熔体充满时间为7.85 s。图4 为熔体路径线，图5 为熔体温度变化状况。

图4 熔体路径线

图5 熔体温度变化图

3 工艺参数优化及翘曲量监测

单浇口能够保证制品表面纹理一致，但该制品翘曲量也是重要检验指标，翘曲量超差，则安装后客车表面会有明显的凸起或凹陷。在43 996 个节点中选取最具代表性的N28258 点与N27632 点为监测点(见图6)。

图6 监测点具体位置图

此类大流长比制品，充填过程中，对熔体影响最大的因素为模具表面温度，模具初始温度能够直接影响熔体流动前锋的状态，模具初始温度高，熔体冷凝速率慢，成型效果好，但成型周期变长，不利于大量生产。在单浇口尺寸固定的情况下，注塑压力能够影响成型周期，但过大的充填压力，会致使熔体在通过浇口时，产生喷射现象，导致熔体烧焦，在制品表面留下颗粒状的斑点。对于保压压力，通常在型腔充满至90%～95%时，将注塑压力切换至60%～90%，继续保持一段时间。对于此类投影面积大的制品，保压压力过高，则所需锁模力较大，对曲柄式注塑机的使用寿命会有很大影响。该制品流长比为240，保压压力过低，熔体前锋在冷却过程中，熔体得不到补缩，导致制品翘曲严重。保压时间对成型周期影响最大，保压过程也是制品冷却的过程，制品已经凝结，过长的保压时间使保压还在继续，产生无效工时；保压时间过短，因冷却收缩的部分得不到补充，影响制品翘曲[15]。

综上分析，选取对后防擦条外板翘曲量影响最大的因素，模具表面温度、注塑压力、保压压力、保压时间为研究对象。模具表面温度(A)取90～150℃；注塑压力(B)取80～120 MPa；保压压力(C)为注塑压力的60%～90%；保压时间(D)取8～15 s。在Moldflow 2020 模流分析软件中，对4 种主要参数进行正交试验，分别模拟出N28258 点与N27632点处，所有效应下的翘曲量。正交试验的4 因素4水平分配情况见表1，各水平的取值遵循均衡分布的原则；表2 为正交试验方案。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验方案

不同工艺参数组合下，N28258 和N27632 点处的翘曲量，具体分布如图7 所示。N28258 点处翘曲量为0.569～1.856 mm，最小值出现在第4 组工艺参数下，最大值出现在第7 组工艺参数下；N27632点处翘曲量为0.689～1.892 mm，最小值出现在第6 组工艺参数下，最大值出现在第1 组工艺参数下，无法分辨出哪组参数影响下制品翘曲量最小。

图7 正交试验翘曲量统计图

将两点处的翘曲量相加得到第4 组工艺参数下两点处的翘曲量和最小。具体为，模具表面温度90℃，注塑压力106 MPa，保压压力为注塑压力的80%，保压时间12 s。由结果可知，模具表面温度相对较低，选择纯水模温机即可；注塑压力适中，熔体经浇口不会发生喷射现象；保压压力较低，所需锁模力较小，可以选择规格适中的注塑机型号；相对流长比为240的制品的保压时间可以接受。

第4 组工艺参数下的制品翘曲量如图8 所示。制品最大翘曲量为8.287 mm，产生在制品两端处，相对于720 mm的长度，翘曲率为1.15%[16]，模拟结果符合制品收缩特性。

图8 第4 组工艺参数下制品翘曲量

4 试验验证及制品检测

图9 为试验现场图片，模仁选用斯穆碧根柏(S+B)预硬钢，Formadur 400 ESR 牌号，保证模具使用寿命100 万次。模温机通过模温介质接口，将控温介质导入定模、动模。模具浇口严格按照模拟时预设值加工，浇口形状为方形浇口，尺寸为2.5 mm×7.5 mm。试验验证时，模具表面温度通过模温机设定为90℃，注塑压力设定为106 MPa，保压压力设定为注塑压力的80%，保压时间设定12 s，其余工艺参数与Moldflow 2020 模流分析预设值设定一致。

图9 试验现场图片

图10 为成型后的制品。由图10 可以看出，制品表面成型良好，N28258 点和N27632 点处没有明显翘曲现象，除去浇口凝料，即可交付使用。

图10 成型后制品

图11 为检测中的制品。制品在检具中通过外形尺寸定位，快动压钳固定，经检测卡规检测，卡规与制品间缝隙均匀，透光一致。验证了Moldflow 2020 模流分析软件，分析结果的准确性。制品表面光洁，显现了单浇口成型技术的优势。

图11 检测中的制品

5 结论

(1)通过对某品牌客车后防擦条外板模型进行分析，得到制品整体呈流线型分布，单浇口效果最好。

(2)针对该制品的流长比为240 这一问题进行论证，通过设定模具表面温度，提高了熔体的流动性，延缓了熔体前锋的冷凝速率，解决了大流长比的技术问题。

(3)选取对后防擦条外板翘曲量影响最大的因素——模具表面温度、注塑压力、保压压力、保压时间为研究对象。构建4 因素4 水平正交试验，得到最佳工艺参数：模具表面温度90℃、注塑压力106 MPa、保压压力为注塑压力的80%、保压时间12 s，此工艺参数下N28258 点和N27632 点处的翘曲量之和最小。

(4)通过试验验证，制品表面光洁，验证了Moldflow 2020 模流分析软件分析结果的准确性，显示了单浇口成型技术的优势。