化学发泡成型改善塑胶空滤壳体缩痕问题的仿真分析_毛益飞.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n化学发泡成型改善塑胶空滤壳体缩痕问题的仿真分析毛益飞(同济大学,上海 2 0 1 8 0 4)摘 要:随着我国汽车工业“节能减排”规划的不断推进,汽车轻量化是实施该规划的重要手段。而化学发泡工艺在成型过程中,使得熔融塑胶发泡,然后成型,这不仅有助于改善汽车零部件的外观质量,同时也使得汽车零部件的重量得到减轻,从而实现轻量化目标。因此,化学发泡工艺在汽车行业,从内饰到外饰,都有广泛的应用。本文通过对化学发泡机理的解析,对于空滤壳体发生的缩痕缺陷,提出了化学发泡工艺来改善的措施,并且通过仿真和实际的验证,说明应用M o l d f l o w软件来模拟化学发泡的成型过程、预测其改善缩痕缺陷是可行的、有效的。关键词:缩痕;化学发泡;M o l d f l o w;仿真分析 中图分类号:U 4 6 2.2+4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 2 1-0 4S i m u l a t i o nA n a l y s i so fC h e m i c a lF o r m i n g t oI m p r o v eS i n kM a r kI s s u eo fP l a s t i cA i rC l e a n e rM a oY i-f e i(T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ec o n t i n u o u sp r o m o t i o no f t h e E n e r g yc o n s e r v a t i o na n dE m i s s i o nr e d u c t i o n p l a no fC h i n a s a u t o m o b i l e i n d u s t r y,a u t o m o b i l e l i g h t w e i g h t i s a n i m p o r t a n tm e t h o d t o i m p l e m e n t t h i sp l a n.T h e c h e m i c a l f o a-m i n gp r o c e s sm a k e s t h em e l t p l a s t i c f o a md u r i n g t h em o l d i n gp r o c e s s,a n d t h e n f i n i s h t h em o l d i n g.i tw i l l n o t o n-l y i m p r o v e t h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ea u t op a r t s,b u ta l s or e d u c et h ep a r tw e i g h t,s oa st oa c h i e v et h eg o a lo fl i g h t w e i g h t.T h e r e f o r e,t h ec h e m i c a l f o a m i n gp r o c e s s i sw i d e l yu s e d i nt h ea u t o m o t i v e i n d u s t r y,f r o mi n t e r i o r t oe x t e r i o r.B a s e do nt h ec h e m i c a l f o a m i n gt h e o r y,t h i sp a p e rp r o p o s e dan e w m e t h o d“c h e m i c a l f o a m i n g”t oi m-p r o v e t h e s i n km a r k i s s u eo f t h eA i rC l e a n e r.M o r e o v e r,s i m u l a t i o n i su s e d i n t h i s c a s e a n dc o m p a r e dw i t h t h e r e-a lm o l d i n gt r i a l.I t i sv a l i d a t e dt h a t i t i sf e a s i b l ea n dr e l i a b l et ou s eM o l d f l o wa n a l y s i st os i m u l a t et h ec h e m i c a lf o a m i n ga n dp r e d i c t i t s i m p r o v e m e n t f o r t h es i n km a r ki s s u e.K e yw o r d s:S i n km a r k;C h e m i c a l f o a m i n g;M o l d f l o w;S i m u l a t i o n作者简介:毛益飞(1 9 7 9),男,江苏省宜兴市人,汉族,高级仿真工程师,本科,研究方向:车辆工程。1 引言随着我国汽车工业的发展,以及“节能减排”和“汽车轻量化”的不断推进,“以塑代钢”广泛应用在汽车的许多零部件上,例如仪表板、保险杆、进气歧管、空滤等等。塑胶制品有着良好的可成型性,但在成型过程中也容易出现一些缺陷,比如缩痕,该缺陷使得产品外观面出现凹陷,不仅影响其外观,而且还影响其尺寸、装配和相应功能的实现。为解决这一缺陷,许多专家、学者做了大量的研究,主要在产品设计、模具设计和成型工艺参数等方面进行改善。文献1从模具设计的角度对汽车外饰高光件的缩痕原因进行了分析。文献2从注射时间、保压时间、保压压力、冷却时间等参数,评估了成型工艺参数对塑件外观缩痕的影响。文献3从产品的结构设计等方面对车灯中塑胶制品外观面的缩痕进行改善。但对于产品局部厚度较厚,而且又无法更改设计,从而产生缩痕的情况,没有相应的改善措施。本文对空滤产品局部厚度较厚产生的缩痕问题,提出了化学发泡工艺的改善措施,同时应用M o l d-f l o w进行仿真分析,并通过实际试模,验证该措施的可行性和仿真分析的有效性。2 缩痕的产生机理及改善措施2.1 缩痕产生的机理塑胶产品在注塑成型的过程中,因熔融塑胶的收缩不均和补偿不足,在产品表面出现呈酒窝状的凹陷或凹坑,称为缩痕,见图1。缩痕是一种外观质量缺陷,它使产品外观出现的凹陷不平,虽然其凹陷的尺寸很小,但由于凹陷处和产品其他表面对光线的反射不一致,造成视觉上出现明显的凹坑,就算产品表面进行喷漆处理也无法遮盖掉,有时甚至能放大该缺陷,大大影响产品的品牌形象。此外,缩痕还会影响该缺陷处的尺寸,导致其装配困难,所以在生产时应避免缩痕的出现。图1 缩痕的外观表现缩痕的产生主要在注塑成型的冷却阶段,这时塑胶产品的表层因为模具温度较低而发生凝固,而芯层的塑胶才12DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0322 0 2 3年第9期刚开始冷却。如果产品的厚度均匀,其各个区域的表层和芯层的冷却和收缩是均匀的;但如果产品的厚度不均匀,如图2所示,有筋位的地方厚度较厚,其芯层冷却较慢,还在继续收缩,但又没有得到足够的收缩补偿,因此产生拉应力,使得表层的塑胶被拉向芯层,出现内凹,从而在其表面形成缩痕,如图3所示。图2 产品几何厚度不均图3 厚的区域产生缩痕2.2 缩痕的改善措施塑胶产品的开发制造,一般经历了产品设计、模具设计和注塑成型的阶段,因此,分别在这三个阶段去具体分析其缩痕产生的原因,然后提出相应的改善措施。2.2.1 产品设计阶段在产品的设计开发阶段,产生缩痕的原因主要是产品的壁厚不均匀,例如:1,局部区域的厚度差异较大;2,加强筋的厚度相对产品的壁厚较厚;3,B O S S柱壁厚相对其所在壁的厚度太厚;等等。对于这些厚度不均引起的缩痕问题,其相应的改善措施主要为优化产品的结构设计,使其壁厚尽可能的均匀,例如:1,尽量避免局部区域的壁厚突然变化,可采用渐变的方式从厚的区域到薄的区域进行缓慢过渡;2,按照加强筋壁厚相对其所在壁厚的比例规则来设计加强筋,以减少加强筋根部的应力产生;3,在B O S S柱根部做“火山口”的减胶处理,以减少B O S S柱根部的厚度差异。2.2.2 模具设计阶段在产品的模具设计阶段,容易产生缩痕的情况主要有:1,浇口没有设置在壁厚较厚的区域,因为浇口处的壁厚较薄,在填充时浇口处的熔胶容易冷却,从而比其他区域较快凝固,导致在填充和保压时熔胶无法通过浇口对其他区域(尤其是较厚区域)进行收缩补偿;2,浇口尺寸太小,导致浇口处的熔胶冷却较快,凝固较早,熔胶无法通过浇口对产品进行有效填充和保压;3,模具的冷却水路设计不合理,对于产品较厚的区域和复杂的结构,没有加强该区域的冷却,导致该区域冷却不足,引起收缩不均,对表面产生拉应力;等等。其相应的改善措施为:1,浇口应尽量设置在壁厚较厚的位置,但也尽量避免设置在外观面,以免出现外观问题;2,合理设计浇口尺寸,使得熔胶能够通过浇口对产品进行有效的填充和保压,以补偿产品在冷却过程中的收缩;3,优化水路设计,对复杂的结构加强水路冷却,必要时需根据产品结构设计随形水路,使得产品能够均匀冷却、均匀收缩。2.2.3 注塑成型阶段在注塑成型阶段,容易发生缩痕的情况是:1,保压压力太小,保压时间太短,导致发生缩痕的区域得到不足够的收缩补偿;2,模具温度太低,导致前沿熔胶温度降低,从而流动性降低,熔胶无法有效对缩痕区域进行收缩补偿。其相应的改善措施为:1,增大保压压力,增加保压时间,以确保有足够的收缩补偿;2,提高模温,从而增加前沿熔胶的流动性。3 化学发泡工艺改善缩痕3.1 化学发泡工艺改善缩痕的机理在实际的产品中,基于结构强度或应用的考虑,往往会出现外观面局部厚度较厚的情况,并且没有厚度渐变处理的设计空间。这样的结构设计,由于无法在该区域设置浇口,因此在成型过程中往往会产生缩痕,并且,无论是模具设计还是注塑工艺的调整都很难改善该缩痕问题。针对这种情况,本文提出化学发泡的注塑成型工艺,来解决该问题。化学发泡成型,是在塑胶原料颗粒中加入化学发泡剂,成型时,塑胶颗粒和发泡剂经过螺杆的加热、剪切,形成熔融的塑胶,在注塑到模具型腔里后,受热的发泡剂发生化学反应产生气体,从而使熔融塑胶进行发泡成型,最终冷却后形成产品,如图4所示。图4 化学发泡成型工艺示意图化学发泡工艺改善缩痕的机理是,在成型过程中,发泡剂在模具型腔里因受热分解,在熔融塑胶里生成急剧膨胀的气体,从而使熔融塑胶产生由里向外的压力,该压力不仅抵抗了壁厚区域因收缩不均而产生的由表面向内的拉力,而且补偿了熔融塑胶的收缩,使得缩痕得到改善甚至解决。尤其对于在注塑成型过程中保压压力无法到达的区域,发泡剂气体膨胀产生的压力是保压压力的有效补充,如图5所示。图5 化学发泡成型中气泡膨胀补偿收缩22内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n3.2 化学发泡的M o l d f l o w仿真分析近十几年来,随着C A E仿真技术的快速发展,越来越多的产品开发,都会应用C A E仿真技术来模拟产品在使用工况下是否满足要求,以便在生产制造前就可以发现可能存在的问题,然后进行产品设计优化,从而降低缺陷风险,缩短产品的开发周期,提升产品品质。对于注塑成型,应用仿真工具,主要是预测产品在成型过程中可能出现的问题或缺陷。M o l d f l o w是一款常用来模拟注塑成型的软件,可以帮助工程师分析缺陷产生的原因,该软件也可以应用于化学发泡成型的模拟,例如,对于缩痕,主要通过其分析结果中的“体积收缩(v o l u m e t r i cs