汽車零件注塑模具流道系統設計及參數優化

近年來，隨著注塑成型制品在汽車工業的廣泛應用，汽車塑料化已成為衡量汽車工業發展水平的重要標志，與此同時，塑料質汽車零件已由汽車內飾件擴展到車身、外裝件和一些功能結構件，在這種形勢下，人們對注塑模具的研究越發深入，模具結構和注塑工藝的優化逐漸成為主要研究方向。注塑模具流道系統連接流道和型腔的熔體通道，對模具結構以及工藝參數都有重要影響，直接關系到制件質量，通常使用成型加工方法，因此，在模具設計初期就必須對流道尺寸和形狀進行綜合考慮。受多種需求影響，在給定的流道布局上，優化流道尺寸是多目標的，比如熔接線位置、翹曲量高低、用料量多少等，而這些目標往往會產生沖突，所以需要在這些目標中找到平衡以獲得最為滿意的流道系統設計方案，切實提高加工品質和效率。

一、汽車零件注塑模具流道系統組成

汽車零件注塑模具流道系統設計包括流道設計和澆口設計兩個部分，現對流道系統組成及在設計時應遵循的原則進行簡要介紹。

1.主流道

主流道為材料進出通道，主要包括直澆口式、橫澆口式和斜澆口式三種結構形式。在設計時，應注意以下幾個方面：①主流道形狀應呈圓錐形，若設計材料流動性較好，錐角設計為2-4度，反之則可取6-10度，主流道長度控制在60mm以下。②主流道截面積大小影響塑料熔體流速和充模時間，結合具體情況，一般將主流道近端口截面直徑控制在4-8mm，若熔體流動性好且制件較小，可適當減小直徑。③錐孔內壁粗糙度控制在0.4-0.63μm，在圓錐孔大端處由直徑為1-3mm的圓角過渡，盡量降低熔料流動阻力。

2.分流道

分流道是材料進入通道，對充模保壓過程中的壓力影響很大。由于分流道要將具有高溫高壓特性的塑料熔體流向主流道然后轉換到模腔，因而在設計過程中，對分流道設計的基本要求是盡量使熔體通過分流道時的溫度有所下降，壓力損失盡可能降低，并保證熔體能均勻穩定地分配到模腔。這就需要在綜合考慮制品的體積、厚度、形狀的基礎上合理設計分流道形狀和尺寸。實際設計中，需要注意以下幾方面：①在滿足塑性設計和注塑成型工藝條件下，使分流道截面積盡量小。②合理設計分流道排放位置和排列方法，間距要合理，建議采取軸對稱或中心對稱方法緊湊排列，以控制分流道總面積。③長度盡可能短，多型腔模具中各型腔分流道長度盡可能相等。④粗糙度一般取1.6μm。⑤進行總體設計時，應留有足夠空間安置冷卻系統，并保證冷卻系統方式和布局合理。

3.澆口

澆口為熔體通道，連接流道和型腔，對熔體在模具型腔內的流動有很大影響，進而影響注塑件成型質量。一般來說，熔料的流動方向和平衡性由澆口位置決定，若澆口位置不合理，將不利于熔體的平衡充填，導致制品存在質量缺陷。對于澆口的設計要求，應開設在塑件截面最厚處；減少熔接痕，增加熔接長度；選擇的澆口位置應使塑料流程最短，料流變向最少，并應有利于排氣和補料。

二、汽車零件注塑模具流道系統設計及優化

1.澆口位置及數量的確定

本文以汽車儀表板為例，該汽車零件對外表面質量要求較高，澆口位置只能設置在制件上下兩側邊緣，這樣才能保證使用表面光潔度。若無法充滿型腔或是不能保證熔料平衡流動，制件將會出現質量缺陷。以確定合理的澆口位置和數量為設計思路，提出了三套澆口設計方案，通過對各方案澆口的平衡充填水平的分析，選擇出最優方案，確定最佳澆口數量和位置。筆者主要設計了三種澆筑方案，實驗結果見表1。最后決定選用方案b。

表1 不同澆筑方案實驗結果分析

2.主流道、分流道、點澆口的管徑計算

由聚合物流變學理論可知非牛頓流體真實剪切速率公式為：

式中，γ為塑料熔體流動剪切速率（s-1）；Q為塑料熔體體積流率（cm3/s）；n為熔體非牛頓指數；R為流道半徑。

大量研究表明，在主流道中，熔體的剪切速率為γ=5×103s-1，根據汽車儀表盤和流道系統總體積、充填時間、主流道體積流率、溫度、熔體非牛頓指數，帶入式可求出主流道直徑。

在分流道中，熔體的剪切速率為γ=5×102s-1，在熔體分流道體積速率、分流道直徑已知情況下，根據上式可計算出分流道直徑。

在點澆口處，熔體的剪切速率為γ=105s-1，帶入上式可得到點澆口直徑。

得出理論計算值后，利用相關計算機軟件進行數值模擬，當發現初步設計存在缺陷，比如存在熔接痕，可將澆口改為潛伏澆口。

3.流道系統設計合理性評估

評估汽車零件注塑模具流道系統設計合理性，應從以下幾方面綜合考慮：

第一，考慮充填時間。對改進前后的兩類塑件進行充填時間實驗，在實驗過程中，觀察型腔是否充滿、熔體流動是否平衡，評價充填時間合理性。

第二，考慮流動前沿處溫度。這是分析熔體流動情況的重要指標。流動前沿溫度變化應在10攝氏度以內。若溫度分布均勻性較差，且不能滿足流動前沿溫度變化要求，那么成型后的制件表面質量可能就得不到保證，需進行改進。

第三，考慮體積收縮率。將體積收縮率控制在一定范圍內對于成型后制件的使用不會帶來太大影響，這就要求確定合理的保壓壓力和保壓時間，深入分析保壓過程，并對保壓過程中型腔內的壓力、溫度、剪切應力的分布情況進行準確預測。通過模擬分析，當體積最大收縮率在要求范圍且在塑件左邊凸起，不會使體積收縮出現不均勻現象，其他地方體積收縮率也比較均勻，說明設計合理。

第四，考慮氣穴。氣穴是在熔體注塑過程中型腔內空氣、塑料自身蒸發出的水蒸氣等氣體未及時排出進而導致保壓不充分、填充不完全及欠壓的情況下產生的，其存在直接影響制件成型質量。氣穴主要存在于塑件孔和邊的邊緣，當塑件有眾多孔或柵格，氣穴產生就不可避免，在這樣的情況下，充填熔體時可設置排氣槽以使氣體充分排出，進而消除氣穴，保證產品質量。

第五，考慮熔接痕。在汽車零件注塑成型中，熔接痕是常見的質量缺陷之一，是由兩股塑料熔體匯集在一起或是一股流動前沿分開之后又匯合到一起產生的熔接線，這種現象往往是不可避免的。在對于表面質量要求較高的汽車儀表板中，一般不允許存在熔接痕，但是由于多孔的特征，若無法避免，應盡量控制熔接痕出現。經過改進后，若熔接痕數量減少，長度縮短，分布位置得以改善，說明設計合理，可有效降低制件斷裂風險。

三、結語

總之，汽車零件注塑模具流道對模具結構和相關工藝參數都有重要影響，直接影響制件的成型質量，因而對于機械模具設計來說，利用數值模擬技術并結合優化算法對注塑模具流道系統進行優化設計至關重要。本文通過一系列模擬實驗制定了一套優化流道系統的設計方案，并對該方案進行了詳細分析，結果表明，通過對注塑模具流道系統的優化設計，可限制體積和收縮率、熔接線等因素給汽車零件質量帶來的影響。以塑代鋼、以塑代木是當今世界發展趨勢，汽車塑料化是衡量汽車工業發展水平的重要標志，未來，我們應有針對性地對注塑模具設計進行改進和完善，致力于提高汽車零件的制造水平和成型工藝水平，這對汽車工業制造加工將具有重要現實意義。

參考文獻：

[1]郭英鵬.PPA+60%玻纖材料零件的注塑工藝及模具設計[D].山東大學,2013.

[2]李仕成,陳澤中,汪薇,趙俊華.汽車保險杠注塑模具熱流道系統熱平衡分析及設計[J].塑料工業,2013,07:47-50.

[3]賀卉.汽車零件注塑模具流道系統設計及優化研究[J].中國外資,2013,22:191.

[4]侯曉輝.汽車零件注塑模具的CAE分析與優化設計研究[D].鄭州大學,2012.

[5]王波,李鋼,劉向東.基于遺傳算法和AMI二次開發的注塑模具流道系統優化設計[J].機械制造與自動化,2011,01:99-101.

[6]燕杰春,李勇兵.注塑模具流道數控銑削加工編程方法研究[J].裝備制造技術,2011,06:94-95.

本文來源：http://www.007hgw.com/w/kj/826.html  《科技風》