劉朝福，程彬彬

（桂林信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

高光無(wú)痕注塑成型又稱為急熱—急冷注塑成型，其基本原理是采用高溫的過(guò)熱水對(duì)模具進(jìn)行快速加熱，使模具的型腔溫度迅速接近甚至達(dá)到塑料的熔融溫度，然后將塑料熔體迅速注射到模具的型腔內(nèi)；等塑料熔體注射、保壓完成后，再用較低溫度的冷卻水對(duì)模具型腔進(jìn)行快速冷卻，讓模具的型腔溫度在極短的時(shí)間內(nèi)就降低到合適的溫度，從而使型腔內(nèi)的塑料熔體在極短的時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)冷卻和定型，得到表面質(zhì)量非常光潔的塑料制品[1]。

高光無(wú)痕注塑成型的模具在工作時(shí)需進(jìn)行反復(fù)的快速加熱和冷卻，因此模具的鋼材必須能經(jīng)受住冷熱交變的疲勞考驗(yàn)，工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)模具的鋼材進(jìn)行精確的熱力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，以避免造成模具型腔的開裂[2]。同時(shí)，采用過(guò)熱水對(duì)模具型腔進(jìn)行快速加熱的過(guò)程中，過(guò)熱水的流速、入口溫度以及加熱時(shí)間等參數(shù)是模具型腔溫度控制的關(guān)鍵點(diǎn)。以某款轎車的車燈面罩為研究對(duì)象，需要保證其表面質(zhì)量達(dá)到“高光無(wú)痕”的質(zhì)量要求，同時(shí)力求縮短模具型腔的加熱時(shí)間以縮短成型周期、提高生產(chǎn)效率。

1 研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何模型

本研究對(duì)象為某款式轎車的車燈外罩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。車燈外罩又稱大燈配光鏡，是轎車的重要功能與裝飾零件，用戶對(duì)其外觀質(zhì)量有特別嚴(yán)格的要求，要求成型后的燈罩不得有肉眼可見的流紋、熔接痕、氣泡等缺陷。該車燈外罩外形尺寸為325.6 mm×120 mm×55 mm，平均壁厚為2.2 mm，材料為高透光率熱塑性塑料—聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）。

圖1 車燈外罩的三維模型

車燈外罩的注塑模具采用一模一腔的形式，型腔的外形尺寸為500mm×260 mm×117.5mm，通過(guò)機(jī)械鉆孔，在型腔直接上加工出8個(gè)直徑為?10 mm水孔，水孔布局如圖2所示；8個(gè)水孔首尾依次連接，形成一條管路，加熱和冷卻介質(zhì)均通過(guò)此管路進(jìn)行。由于大燈外罩的內(nèi)、外表面質(zhì)量要求均非常高，但對(duì)應(yīng)的型腔仁、型芯所用鋼材完全一樣，且兩者的加熱和冷卻參數(shù)也完全相同，因此，只需對(duì)其中之一進(jìn)行加熱溫度場(chǎng)分析即可。本研究選擇型腔進(jìn)行分析。

圖2 型腔的幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)專門的雙工模溫機(jī)提供過(guò)熱水和冷卻水對(duì)型腔進(jìn)行快速加熱和冷卻，過(guò)熱水的溫度可在120～180℃之間任意設(shè)定，冷卻水溫度可以在8～15℃之間任意設(shè)定。

通過(guò)上述措施，確保了進(jìn)入型腔的水流為湍流狀態(tài)，因此過(guò)熱水的數(shù)學(xué)流動(dòng)模型可以采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型[3]。其中，k運(yùn)輸方程為：

ε運(yùn)輸方程為：

式中：ε為湍流脈動(dòng)耗散率，m2/s3；Gk為單位體積流體的湍流脈動(dòng)產(chǎn)生能量，kJ/m3；σk= 1；σε=1. 3；Gε1=1. 44；Gε2=1. 92；t為時(shí)間，s；k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，m2/s3；u為動(dòng)力黏度，Pa·s；μt湍流黏度，Pa·s；μi為流體在i方向上的分速度，m/s；ρ為密度，kg/m3。

2 邊界條件設(shè)定與數(shù)值計(jì)算

確定計(jì)算域。計(jì)算域包含水孔和型腔整體，型腔的材料為日本大同公司的高鏡面塑料模具鋼NAK80。水孔與模具型腔兩者之間的接觸面可以設(shè)定為流體域和固體域的交界面，流體區(qū)域與固體區(qū)域之間的熱量傳輸模型均為能量傳熱模型。過(guò)熱水和模具型腔鋼材的熱力學(xué)參數(shù)見表1[4]。

表1 材料熱力學(xué)性能參數(shù)

實(shí)際注塑生產(chǎn)中，為了防止模具與空氣之間的熱量交換，模具往往進(jìn)行保溫處理，因此對(duì)模具進(jìn)行快速加熱時(shí)，假設(shè)模具的固體區(qū)域的壁面與外界沒(méi)有進(jìn)行熱量交換，即設(shè)置為絕熱狀態(tài)。

模型的數(shù)值計(jì)算方式采用隱式定常的方式進(jìn)行求解，采用k-ε湍流模型的封閉運(yùn)動(dòng)方程，選取Scalabe壁面函數(shù)，目的是提高模擬計(jì)算過(guò)程中的收斂性和準(zhǔn)確性[5]；固體的壁面采用無(wú)滑移邊界條件?？刂剖諗康姆椒ㄊ牵涸O(shè)定迭代的步數(shù)為200次，均方根的殘差值為1×10-4。考慮到流體域的收斂時(shí)間一般較短，而固體域的收斂時(shí)間一般相對(duì)較長(zhǎng)，因此固體域的時(shí)間尺度設(shè)定為100 s，而流體域的物理時(shí)間尺度設(shè)定為10 s。

根據(jù)以上簡(jiǎn)化，首先在ANSYS中建立型腔的簡(jiǎn)化二維模型，然后設(shè)置加熱工藝參數(shù)，導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算公式對(duì)型腔加熱過(guò)程進(jìn)行分析求解，得到型腔各個(gè)參數(shù)條件下的溫度場(chǎng)的分布。

3 試驗(yàn)與最佳方案確定

確定的3個(gè)因數(shù)是：過(guò)熱水的溫度、過(guò)熱水的流速及過(guò)熱水的加熱時(shí)間，其中過(guò)熱水的溫度為型腔入水口處的溫度，過(guò)熱水的流速為模具入水口處的瞬時(shí)流動(dòng)速率，加熱時(shí)間為過(guò)熱水泵從啟動(dòng)到停止之間的時(shí)間。

3.1 過(guò)熱水的溫度對(duì)型腔溫度的影響

過(guò)熱水的流速設(shè)置為3 m/s，加熱時(shí)間設(shè)置為6 s，考慮注塑車間正常生產(chǎn)時(shí)的情況，將型腔的初始溫度設(shè)置為65℃。過(guò)熱水的溫度分別設(shè)定為140℃、150℃、160℃、170℃，因而形成的4個(gè)不同的技術(shù)方案，現(xiàn)對(duì)這4個(gè)技術(shù)方案的模具型腔溫度場(chǎng)分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同過(guò)熱水溫度下模具型腔的溫度

過(guò)熱水的溫度不同，模具型腔的溫度則不同。當(dāng)過(guò)熱水的溫度為140℃時(shí)，計(jì)算出來(lái)的型腔的最高溫度為137℃，其中少量區(qū)域還不到137℃，這種情況下，模具型腔會(huì)對(duì)流經(jīng)該區(qū)域的熔體造成較大的流動(dòng)阻力，因?yàn)镻C塑料從熔融態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度為131℃左右，因此過(guò)熱水的溫度設(shè)置為140℃對(duì)車燈外罩的成型質(zhì)量是不利的。而設(shè)置為比140℃高的150℃、160℃、170℃時(shí)，模具型腔的最高溫度都遠(yuǎn)高于PC塑料的熔融態(tài)—高彈態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，分別達(dá)到了144℃、152℃、153℃，這對(duì)車燈外罩的成型有利。

但是，當(dāng)過(guò)熱水溫度設(shè)置為170℃時(shí)，需要消耗模溫機(jī)極大的功耗，并且當(dāng)模具型腔的溫度太高時(shí)，雖然熔體在注射時(shí)流動(dòng)得非常順暢，但注射完成后，冷卻該模具型腔所需要的時(shí)間將會(huì)大幅度地增加，從而導(dǎo)致整個(gè)成型周期變長(zhǎng)，從而影響生產(chǎn)效率，而且極端條件下，過(guò)高的型腔溫度還可能導(dǎo)致熔體出現(xiàn)溢邊的不良現(xiàn)象[6]。

綜合以上分析，在考慮注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量、模溫機(jī)的功耗和生產(chǎn)效率的情況下，過(guò)熱水溫度設(shè)定為150℃左右是可行的，即方案2的參數(shù)是比較合理的。

3.2 過(guò)熱水的流速對(duì)型腔溫度的影響

過(guò)熱水流速設(shè)定為型腔入口處的速率，其值分別設(shè)置為2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s，此時(shí)，設(shè)定過(guò)熱水的溫度和加熱時(shí)間數(shù)值不變，即過(guò)熱水的溫度設(shè)定為150℃、加熱時(shí)間設(shè)定為6 s，模具初始溫度仍設(shè)定為65℃，在此條件下，分別對(duì)過(guò)熱水4個(gè)不同流速方案下的模具型腔溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同過(guò)熱水流速下模具型腔的平均溫度

由表3可知，在型腔初始溫度、過(guò)熱水的溫度、加熱時(shí)間等參數(shù)相同的條件下，過(guò)熱水的流速越高，模具型腔的溫度就越高。但是，當(dāng)過(guò)熱水的流速達(dá)到3m/s時(shí)，雖然過(guò)熱水的流速繼續(xù)增加，但模具型腔的最高溫度上升并不再明顯。考慮到在實(shí)際的注塑生產(chǎn)中，過(guò)熱水的流速越高，水泵消耗的功耗就越大，生產(chǎn)成本就越高，因此過(guò)熱水的流速并不能設(shè)定得太高。但當(dāng)流速低至2 m/s時(shí)，型腔最高溫度卻只有135℃，在此較低的溫度下，PC塑料熔體的流動(dòng)狀態(tài)將大幅度降低，車燈面罩的表面質(zhì)量獎(jiǎng)可能出現(xiàn)流紋缺陷[7]。綜合以上分析，方案6較為合理。

3.3 加熱時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)模具型腔溫度的影響

加熱時(shí)間是指過(guò)熱水進(jìn)入模具型腔開始熱量交換至關(guān)閉水泵、水流停止之間的時(shí)間差。過(guò)熱水的溫度和流速不變，過(guò)熱水的溫度設(shè)定為150℃，過(guò)熱水的流速設(shè)定為2 m/s，模具初始溫度仍設(shè)定為65℃，加熱時(shí)間分別設(shè)定為4 s、6 s、8 s、10 s，對(duì)形成的這個(gè)技術(shù)方案的型腔溫度場(chǎng)分別導(dǎo)入前述的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 不同加熱時(shí)間下模具型腔的最大溫度

從表4可以看出，隨著加熱時(shí)間的變長(zhǎng)，模具型腔的溫度總體是逐漸升高的，但是當(dāng)加熱時(shí)間超過(guò)6 s時(shí)，模具型腔的最高溫度并沒(méi)有隨加熱時(shí)間的增加而線性增加。事實(shí)上，過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間將非常不利于縮短燈罩的成型周期，并導(dǎo)致降低生產(chǎn)效率；當(dāng)加熱時(shí)間為4 s時(shí)，型腔的最高溫度只有132℃，此溫度已經(jīng)低至接近PC塑料熔體的熔融態(tài)—高彈態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，從而存在因流體流動(dòng)緩慢而在塑件表面出現(xiàn)流紋、花紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)加熱時(shí)間為6 s時(shí)，既可滿足模具型腔的溫度要求，保證了燈罩的成型質(zhì)量，也能提高生產(chǎn)效率。因此，方案10是較為理想的方案。

3.4 方案結(jié)果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)上述計(jì)算和分析所得到的最佳工藝參數(shù)的正確性，需要再次進(jìn)行模具型腔溫度場(chǎng)的計(jì)算。將上述3組計(jì)算得到結(jié)果組合為一組最佳參數(shù)值，即設(shè)置過(guò)熱水的溫度為150℃、過(guò)熱水的流速為3 m/s、加熱時(shí)間為6 s。將該組參數(shù)導(dǎo)入溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的如圖3所示。從中可以看出，型腔成型區(qū)域的溫度總體比較均勻，并且該區(qū)域大部分區(qū)域的溫度都處于140～144℃之間，沒(méi)有特別高溫的區(qū)域和溫度突變區(qū)域。由此可見，可見經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析而優(yōu)化后加熱參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了水孔和型腔之間的良好的熱交換。

圖3 最佳參數(shù)值下的型腔溫度場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)材質(zhì)為NAK80鋼的車燈面罩模具，以過(guò)熱水作為加熱介質(zhì)，以過(guò)熱水的溫度、流速和加熱時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)為研究因素，共設(shè)計(jì)了12個(gè)技術(shù)方案，采用數(shù)值計(jì)算方法，分別對(duì)擬定的12個(gè)技術(shù)方案下的型腔溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和分析，最終確定了最佳的工藝參數(shù)值為過(guò)熱水溫度150℃、流動(dòng)速率3 m/s，加熱時(shí)間6 s。在此基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證所確定的參數(shù)值的正確性，將所確定的參數(shù)組導(dǎo)入溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算與，計(jì)算結(jié)果顯示水孔和型腔之間的熱量傳遞良好，型腔的溫度場(chǎng)總體比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部溫度特別過(guò)高和溫度明顯突變的現(xiàn)象，并且加熱時(shí)間較短，符合縮短成型周期、提高生產(chǎn)效率的生產(chǎn)實(shí)際要求。