張樹棟 高華亮 王海燕 孟松峰 王磊 武曉珂

海信冰箱有限公司 山東青島 266000

0 引言

抽屜是冰箱中的一種重要的儲(chǔ)存容器，其表面不能出現(xiàn)過多的污點(diǎn)、裂縫、變形等，否則將大大降低冰箱的質(zhì)量與使用壽命。然而，在低溫狀態(tài)下，抽屜產(chǎn)品成型以后較易出現(xiàn)局部脆弱、開縫、表面易溶、變形凹陷等質(zhì)量問題[1-3]。當(dāng)前市場主流的冰箱抽屜由塑料注塑而成，目前解決抽屜開裂的方法多集中在改善模具設(shè)計(jì)方面。主要通過現(xiàn)代化的CAE模流分析等技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)成型過程的動(dòng)態(tài)仿真分析，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)制品成型過程，減少抽屜開模試制后的缺陷[4-7]。

我司將生物質(zhì)材料作為填料與聚合物塑料HIPS共混制備出的生物質(zhì)復(fù)合抽屜，不僅具備獨(dú)特的浮點(diǎn)外觀形貌，還具備一定的抗菌功能，有效提升了用戶體驗(yàn)。然而，在該復(fù)合抽屜進(jìn)行涂油高低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)抽屜側(cè)邊導(dǎo)軌部位出現(xiàn)了裂紋（圖1）。隨后使用未添加生物質(zhì)填料的普通注塑抽屜進(jìn)行了對比試驗(yàn)，也出現(xiàn)了類似的裂紋，表明抽屜的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)存在一定的共性問題。

圖1 涂油高低溫測試后的抽屜

基于此，本文以開發(fā)的生物質(zhì)復(fù)合抽屜為例，從材料本身的應(yīng)力仿真分析和注塑工藝的CAE模流分析兩方面，對冰箱抽屜在涂油高低溫試驗(yàn)中的普遍開裂現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，并給出可能的改善方案，旨在建立更加科學(xué)的設(shè)計(jì)原則和測試方法，為后續(xù)新品開發(fā)項(xiàng)目提供一定的參考價(jià)值。

1 原因分析

1.1 涂油高低溫沖擊試驗(yàn)及材料應(yīng)力仿真分析

油脂會(huì)對塑料產(chǎn)生一定的腐蝕，從而導(dǎo)致塑料彈性體隨著時(shí)間的推移而膨脹或破裂。例如，PS、HIPS、ABS、PC聚碳酸酯等非結(jié)晶性塑料很容易與油脂產(chǎn)生滲透及吸收溶漲從而加快破裂。為了模擬在極端條件下抽屜的可靠性，筆者對該抽屜（大致尺寸為300 mm×400 mm×100 mm）進(jìn)行了涂油高低溫（-40℃～60℃）沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)測試結(jié)果（圖1）顯示，該抽屜在側(cè)面中間與底部的連接位置產(chǎn)生了裂紋（裂紋方向如圖中紅色箭頭方向所示），開裂位置處于側(cè)面豎向（此處豎向指的是垂直于抽屜底部的方向）支撐筋處，裂紋均是豎向且由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。隨后對該抽屜進(jìn)行了材料應(yīng)力仿真分析，結(jié)果顯示，抽屜側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋部位應(yīng)力較大（19.9 MPa，圖2紅色部分），存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，與涂油高低溫沖擊試驗(yàn)測試結(jié)果一致。

圖2 抽屜的應(yīng)力仿真分析圖

1.2 CAE模流分析

CAE（Computer Aided Engineering）是用計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算及優(yōu)化產(chǎn)品力學(xué)特性的近似數(shù)值分析方法[8-9]。模流分析是CAE分析技術(shù)的一種，它是通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬軟件模擬模具注塑過程中的狀態(tài)，預(yù)測制品注塑成型過程中可能出現(xiàn)的局部脆弱、開縫、表面易溶、變形凹陷等缺陷，提高注塑產(chǎn)品的成型質(zhì)量[10-11]。為分析抽屜在涂油高低溫試驗(yàn)過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的原因，本文首先對其進(jìn)行了CAE模流分析，軟件是Moldflow 2021版，按照六面體網(wǎng)格粗細(xì)迭代20%、結(jié)果誤差5%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所采用注塑原料的主要成分為HIPS，分析結(jié)果如下。

1.2.1 充模時(shí)間

充模時(shí)間是注塑過程中的重要參數(shù)指標(biāo)，它可以通過云紋圖顯示熔體流動(dòng)前沿的擴(kuò)展情況，從而反映注塑過程中的各種不良問題，如欠注現(xiàn)象、局部過保壓現(xiàn)象等。該抽屜的填充時(shí)間模擬結(jié)果（填充時(shí)間為2.1 s）如圖3所示，結(jié)果表明，該云紋圖的間距基本相同，等值線均勻，表明制品充模正常。

圖3 充模時(shí)間模擬結(jié)果

1.2.2 熔接痕

熔接痕是由于不同方向的兩股熔化塑料存在一定的流速差，在相遇時(shí)產(chǎn)生的表面缺陷，制品的熔接痕部位通常具有較低的力學(xué)強(qiáng)度，因而對制品的使用性能有一定的影響。熔接痕無法避免，但可以通過控制流速改變?nèi)劢雍鄣奈恢?，使其出現(xiàn)在應(yīng)力較小的位置。該抽屜的熔接痕模擬分析結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明，由于制件本身的孔洞結(jié)構(gòu)，該抽屜在側(cè)面導(dǎo)軌外圍部分出現(xiàn)了少量熔接痕。然而實(shí)際情況是在抽屜導(dǎo)軌豎向支撐筋位置出現(xiàn)了裂紋，表明熔接痕不是造成抽屜開裂的主要原因。

圖4 熔接痕模擬分析結(jié)果

1.2.3 流動(dòng)前沿溫度

流動(dòng)前沿溫度是聚合物熔體填充結(jié)點(diǎn)時(shí)的中間流溫度，代表的是截面中心的溫度。“前沿”指的是填充過程中每一時(shí)刻料流流動(dòng)的最前端，“中間”指的是模具前后模型型腔中心的位置。該抽屜的流動(dòng)前沿溫度模擬結(jié)果如圖5左圖所示，結(jié)果表明，該抽屜制品最后填充的熔體溫度約為231.1℃。所有區(qū)域的流動(dòng)前沿溫度都在材料成形溫度范圍內(nèi)，外觀區(qū)域產(chǎn)品溫度差異均在3℃以內(nèi)，非外觀區(qū)域沒有出現(xiàn)填充不滿的現(xiàn)象，表明填充過程良好。

圖5 流動(dòng)前沿溫度模擬結(jié)果（左）及充模切換壓力模擬結(jié)果（右）

1.2.4 充模切換壓力

充模切換壓力是衡量塑料填充成型過程是否達(dá)到平衡狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)槌涮顗毫χ破返氖湛s性有一定的影響，充填壓力分布不均勻，會(huì)使制品在各個(gè)方向發(fā)生不均勻的收縮，從而影響制品的尺寸。通常來講，最大切換壓力不應(yīng)該超過注塑機(jī)極限壓力的70%，PP材料應(yīng)小于70 MPa，ABS、HIPS材料應(yīng)小于90 MPa。圖5右圖展示了該抽屜的充模切換壓力模擬結(jié)果，該抽屜的切換壓力約為42.64 MPa＜90 MPa（由于該復(fù)合抽屜中生物質(zhì)材料的填充比例僅為千分之一，將其最大切換壓力近似看作90 MPa），且分布均勻，表明充模切換壓力符合要求。

1.2.5 氣穴

氣穴是指制品在充模時(shí)，由于模腔內(nèi)的氣體或蒸汽未能及時(shí)排出而滯留于制品中形成的氣孔。氣孔的存在會(huì)對制品的力學(xué)性能和外觀產(chǎn)生不利的影響，因此應(yīng)予以消除。如圖6所示，該抽屜的氣穴模擬結(jié)果表明，在抽屜側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋上出現(xiàn)了大量的氣穴（圖中紫圈圈示位置），可能是由于豎向支撐筋處多為料流末端交匯處，需進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)軌豎向支撐筋的結(jié)構(gòu)來改善氣穴狀態(tài)。

圖6 氣穴模擬結(jié)果

1.2.6 體積收縮率

為保證制品質(zhì)量，注塑頂出過程中的體積收縮應(yīng)盡可能均勻，與鄰近區(qū)域體積收縮差值應(yīng)小于3%，且不允許出現(xiàn)負(fù)值。由圖7左圖體積收縮率模擬結(jié)果可知，該抽屜底部及兩側(cè)體積收縮率均小于3%且相對較為均勻，抽屜后側(cè)個(gè)別位置的體積收縮率略大于3%，鄰近區(qū)域最大收縮率相差不足1%，基本不會(huì)造成制品的翹曲變形。

圖7 體積收縮率模擬結(jié)果（左）與模溫變化模擬結(jié)果（右）

1.2.7 模溫變化

模溫指的是注塑成型時(shí)，與產(chǎn)品發(fā)生接觸的型腔的表面溫度。因其與模具內(nèi)部的冷卻速率直接相關(guān)，因而模具溫度可以極大地影響產(chǎn)品的內(nèi)部性能和外觀品質(zhì)。例如，模溫可對產(chǎn)品的內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生顯著的影響。成型內(nèi)應(yīng)力主要是因?yàn)槔鋮s時(shí)的收縮率不同而引起的，由于制品在成型后，冷卻過程是從外表面逐漸向內(nèi)延伸的，材料的外表面首先收縮硬化，然后漸至內(nèi)部，收縮速度的差異導(dǎo)致了內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。圖7右圖是該抽屜的模溫變化，由圖可以看出，在注塑過程中抽屜側(cè)面導(dǎo)軌處豎向支撐筋與周邊區(qū)域的冷卻速率不同步，先冷卻的部分形成了支撐結(jié)構(gòu)，冷卻速度慢的部分在冷卻收縮時(shí)受到支撐結(jié)構(gòu)的約束，產(chǎn)生應(yīng)力集中，這可能是造成該抽屜在涂油高低溫試驗(yàn)中開裂的主要原因。

1.3 分析結(jié)論

材料應(yīng)力仿真分析結(jié)果表明，抽屜側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋部位應(yīng)力較大，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。CAE模流分析結(jié)果表明，該抽屜在注塑成型過程中制品填充平衡、熔接痕較少、流動(dòng)前沿溫度變化不大、沖模切換壓力符合要求、體積收縮率也相對均勻。然而，抽屜側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋與周圍區(qū)域冷卻速率不同步，且存在少量的氣穴，會(huì)對抽屜的結(jié)構(gòu)和性能造成一定的影響，需進(jìn)一步優(yōu)化側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋的結(jié)構(gòu)。

2 改進(jìn)方案

根據(jù)前述材料應(yīng)力仿真分析和CAE模流分析結(jié)果可知，抽屜出現(xiàn)裂紋的原因主要是抽屜側(cè)面豎向支撐筋與周圍區(qū)域冷卻速率不同步，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中開裂?？紤]到改模方案的簡便性，擬定改進(jìn)方案為去除抽屜導(dǎo)軌側(cè)面豎向支撐筋，以減少應(yīng)力集中。

2.1 應(yīng)力仿真分析結(jié)果

將該抽屜的導(dǎo)軌豎向支撐筋整體去除后的應(yīng)力仿真結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，去除豎向支撐筋后，抽屜的整體應(yīng)力變小，在抽屜后部處的應(yīng)力相對較大（14.5 MPa），但仍遠(yuǎn)小于原始方案（19.9 MPa）的應(yīng)力。表明去除豎向支撐筋后可顯著降低抽屜的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 抽屜去除導(dǎo)軌豎向支撐筋后的應(yīng)力仿真圖

2.2 CAE模流分析結(jié)果

經(jīng)過之前的討論可知，該抽屜側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋處多為料流末端交匯處，因而有較多的氣穴存在，從而對抽屜的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響。CAE模流分析結(jié)果表明（圖9左圖），將抽屜側(cè)面導(dǎo)軌的豎向支撐筋去除后，抽屜側(cè)面氣穴顯著減少。去除豎向支撐筋后抽屜的模溫變化進(jìn)一步證實(shí)了該改進(jìn)方案的有效性，由圖9右圖可以看出，改模后的抽屜由于沒有了側(cè)面導(dǎo)軌的豎向支撐筋，使得材料的冷卻速率基本相同，減小了應(yīng)力集中，降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 抽屜去除導(dǎo)軌豎向支撐筋后的氣穴狀態(tài)圖（左圖）與模溫變化圖（右圖）

2.3 涂油高低溫試驗(yàn)測試結(jié)果

上述應(yīng)力仿真分析和模流分析結(jié)果表明，去掉側(cè)面導(dǎo)軌豎向支撐筋可顯著降低抽屜兩側(cè)豎向支撐筋的應(yīng)力，為了保證改進(jìn)方案的實(shí)際可靠性，將去掉導(dǎo)軌豎向支撐筋后的抽屜重新進(jìn)行了涂油高低溫的沖擊試驗(yàn)測試，結(jié)果表明，抽屜并未出現(xiàn)裂紋（圖10），證明了改進(jìn)方案的有效性。

圖10 抽屜去除豎向支撐筋后的涂油高低溫測試結(jié)果

3 結(jié)論

針對冰箱抽屜在涂油高低溫測試過程中普遍出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，以開發(fā)的抽屜為例，從材料的應(yīng)力仿真分析及注塑工藝的CAE模流分析兩方面對抽屜的開裂原因進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，開裂的原因主要是注塑過程中抽屜兩側(cè)導(dǎo)軌中豎筋與周圍區(qū)域的冷卻速率不一致，先冷卻的部分形成了支撐結(jié)構(gòu)，冷卻速度慢的部分在冷卻收縮時(shí)受到支撐結(jié)構(gòu)的約束，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中開裂。針對此問題，選取去除導(dǎo)軌豎向支撐筋的方案對抽屜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。材料應(yīng)力仿真分析結(jié)果表明，將抽屜側(cè)面導(dǎo)軌去除豎向支撐筋后，整體應(yīng)力變小，開裂風(fēng)險(xiǎn)大大降低。CAE模流分析結(jié)果也顯示，優(yōu)化后的抽屜側(cè)面導(dǎo)軌處氣穴顯著減少，與周邊區(qū)域的冷卻速率也基本相同，減小了應(yīng)力集中，降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際的涂油高低溫試驗(yàn)中，優(yōu)化后的抽屜也未出現(xiàn)裂紋，證實(shí)了改進(jìn)方案的有效性。本文有效解決了冰箱抽屜開裂問題，同時(shí)其分析改善思路可為行業(yè)其他類似部件的問題改善、后續(xù)的新品開發(fā)項(xiàng)目提供一定的參考價(jià)值。