带金属嵌件的汽车接插件注塑成型工艺分析

黄 勇，蔡丹云，丁明明

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

汽车接插件是以铜片为嵌件的注塑件，区别于将铜片组装于塑件上的传统方法，该类产品结构独特新颖，铜片紧密结合在塑件里而不易松动脱落，简化生产工艺流程，大大提高汽车电器的稳定性和可靠性，因而广泛应用现代汽车电子线路中.

某型号汽车接插件产品外观(见图1)，接插件结构复杂，且含三根铜片嵌件.金属嵌件在注射模注射成型过程中，首先[1]要解决的是嵌件的定位问题，因受到高压熔体流的冲击，嵌件可能发生位移或变形，同时塑料还可能挤入嵌件在上面预留，影响嵌件使用，因此嵌件必须可靠定位；其次还要考虑金属嵌件的安放和塑件的取出是否方便.作为车用接插件产品，为保证汽车电器性能可靠，需要有效保证插入的金属端子在一定的拔脱力下不易从塑件中拔出，气穴和熔接线不应该出现在嵌件附近的部位[2].金属嵌件材料为铜，由于塑件-铜的收缩率不同，制件成型后变形很大，容易造成开发失败.鉴于汽车接插件在生产中存在的难度，为了得到最好的注塑工艺参数，以某型号汽车接插件为对象，利用MOLDFLOW软件中的分析模块——MPI对其成型过程进行模拟分析.

图1 汽车接插件产品三维图

1 产品工艺性分析

接插件塑件部分体积为5.332 8 cm3，塑件材料为Ultradur B 4300 G6(PBT+GF30)，强度高、耐疲劳性、尺寸稳定、蠕变也小，绝缘性能优良，由于结晶速度快，流动性好，模具温度也比其他工程塑料要求低，该材料的物理参数如下：热传导率：0.22 W/m·c(260面礼℃时)；顶出温度180 ℃；推荐熔体温度260℃(250 ℃～275 ℃)；绝对最大熔体温度280 ℃；最大剪切应力0.4 MPa；推荐模具温度80℃(60 ℃～100 ℃)；许可剪切速率50 000 1/s.

2 产品注塑成型模拟与工艺方案优化

2.1 充填充满

由于接插件结构复杂，数据量大，计算机运行较慢，为了节省模流分析时间，可以采用一模一腔进行分析.首先选用材料推荐的工艺参数进行分析(如方案a1)，并使充填控制设为自动，模拟结果显示未充填满，充填时间为1.055 s，充填速度5.314 cm3/s.为增大熔体的流动性，将熔体温度提高为280 ℃，模具温度提高为100 ℃，充填时间增大为2 s(如方案a2)，模拟结果显示仍然未充填满，虽然充填时间加长，但充填速度却因此而下降为充填速度2.642 cm3/s，发现未充填满的原因可能为充填速度太慢.最后提高充填速度为10 cm3/s(如方案a3)，此时模拟结果显示已充填满，充填时间为0.55 s.

2.2 注塑工艺参数优化

在采用正交试验法优化工艺参数过程中,设计变量的取值范围相当重要,这不仅关系到所选范围是否包含最优解或次优解,也影响到优化过程的搜索效率[3].参考MPI材料库中推荐的成型工艺参数，该材料的工艺范围设置为:模具温度为60 ℃～100 ℃,熔体温度为250 ℃～275 ℃，充填速度为8～12 cm3/s，速度压力转换点(由充填体积的)为99.8%～100%，保压压力为充填压力的65%～95%，保压时间为10 s.

表1 充填工艺参数模拟分析

图2 充填模拟结果

2.2 注塑工艺参数优化

在采用正交试验法优化工艺参数过程中,设计变量的取值范围相当重要,这不仅关系到所选范围是否包含最优解或次优解,也影响到优化过程的搜索效率[3].参考MPI材料库中推荐的成型工艺参数，该材料的工艺范围设置为:模具温度为60 ℃～100 ℃,熔体温度为250 ℃～275 ℃，充填速度为8～12 cm3/s，速度压力转换点(由充填体积的)为99.8%～100%，保压压力为充填压力的65%～95%，保压时间为10 s.

为更详细考察工艺参数对制件质量的影响，特从以下六个方面分别进行探讨，利用Moldflow/MPI DOE进行分析[4]：

(1)对注射压力的影响：根据分析日志评估速度/压力切换时的注射压力.目标是将压力将至最小.注射压力越小，质量越好.

(2)对缩痕深度的影响：在保压阶段评估缩痕估算结果.缩痕深度越浅，零件质量越好.

(3)对最大流动前沿温度的影响：在填充阶段评估流动前沿温度结果.目标是将温度变化降至最小.温度变化越小，零件质量越好(仅评估零件，不包括流道).

(1)对冷却时间的影响：评估达到顶出温度的时间，时间变化越小，质量越好(仅评估零件，不包括流道).

(2)对顶出时的体积收缩率的影响：在上一时间评估体积收缩率结果.目标是将体积收缩率变化降至最小，收缩率变化越小，质量越好.

(3)对零件质量(重量)的影响：根据分析日志评估总质量.目标是将零件质量降至最小.质量(重量)越小，质量(品质)越好.

各工艺因素对制件质量的影响(见表2),从中可以看出,工艺参数对制品质量的影响程度如下:熔体温度>速度/压力切换点>模具温度>保压控制>充填速度.对于汽车接插件而言，降低体积收缩率，减小最大流动前沿温度的变化率，可大大减少零件的变形，使接插件能顺利与其它接头装配.减小缩痕深度，可大大提高零件的强度，使嵌件不易从塑件中脱落.而熔体温度和速度/压力切换点对这几个质量指标的影响最为显著,在注塑条件允许的前提下,提高熔体温度,提高速度/压力切换时的充填体积百分比,可以大大提高制件质量.

表2 工艺参数变量对制件质量的影响

2.3 制件翘曲合格

根据第二阶段模拟分析的成果，选取最优的工艺参数进行翘曲分析[5]，以判断零件翘曲量是否在允许的范围内：模具温度为100 ℃,熔体温度为275 ℃.充填速度为10 cm3/s，速度压力转换(由充填体积的)为100%，保压压力为充填压力的80%，保压时间为10 s.模拟分析的结果如下:汽车接插件总的最大翘曲量为0.274 5 mm，X方向的最大翘曲量为0.22 mm，Y方向的最大翘曲量为0.19 mm,Z方向的最大翘曲量为0.22 mm,嵌件总的最大翘曲量为0.119 mm，X方向的最大翘曲量为0.047 mm,Y方向的最大翘曲量为0.024 mmZ方向的最大翘曲量为0.087 mm.经与客户沟通，该翘曲量满足产品要求.

图4 汽车接插件翘曲分析结果

3 结 论

(1)工艺参数对带金属嵌件汽车接插件质量的影响程度如下:熔体温度>速度/压力切换点>模具温度>保压控制>充填速度.

(2)注塑成型质量最优的工艺参数组合为：模具温度为100 ℃,熔体温度为275 ℃.充填速度为10 cm3/s，速度压力转换点为充填体积的100%，保压压力为充填压力的80%，保压时间为10 s.

(3)以最优工艺参数组合模拟分析制件的变形在允许的范围内.

参考文献：

[1] 黄春辉．注塑机电气控制改进在汽车接插塑件生产中的应用[J]．机电技术，2011(8)：89-91.

[2] 桑玉红，王明荣．机电一体化在塑料模注射生产中的应用[J]．模具制造，2011(9)：54-57.

[3] 李 峰，申屠宝卿．模流分析在含嵌件制品优化设计中的应用[J]．塑料工业，2007(9)：35-37.

[4] 董 娇，王雷刚．U盘上盖的翘曲变形分析与工艺参数优化[J]．模具技术，2010(2)：8-11.

[5] 贺灿辉，刘 斌，邹仕放．带金属嵌件的手机外壳注塑成型翘曲变形分析[J]．工程塑料应用，2011(11)：29-32.