Moldflow软件对轿车水箱盖注射成型模具温度的优化
2015-07-28牛家腾张惠敏
牛家腾，张惠敏，唐 跃
（青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266100）
Moldflow软件可以缩短模具设计周期，优化橡胶和塑料制品的生产工艺，提高产品质量。但Moldflow软件在塑料注射成型工艺和模具设计中的应用广泛，而在橡胶注射成型中的应用还很少。本工作应用Moldflow软件，对轿车水箱盖的注射成型工艺进行分析，研究模具温度对胶料的充模时间、充模结束时的体积固化率和充模后的体积固化率的影响，选择最优的模具温度。
1 有限元模型的建立
本工作以轿车水箱盖为研究对象，首先用UG格式创建水箱盖的实体模型，然后将模型以IGS格式导入Moldflow软件中，并划分网格。Moldflow软件可以提供3种网格划分方法：中性面、双层面以及3D网格[1]。轿车水箱盖是一个薄壁橡胶制品，因此采用双层面来划分网格，以保证网格质量，并节省计算机内存。轿车水箱盖注射成型模具设计为1模4腔，流道形状设计为H型。用Moldflow软件设计的轿车水箱盖注射成型模具的有限元模型如图1所示。
图1 轿车水箱盖注射成型模具的有限元模型
2 模具温度方案设计
与塑料制品不同，橡胶制品在注射成型过程中发生了复杂的硫化反应。橡胶制品的硫化是在高温、高压下完成的，硫化期间橡胶线性大分子交联成立体网状结构大分子，从而改善胶料的物理性能[2]。
本工作胶料在模具中的熔体温度为90 ℃。模具温度对成型非常重要，在不同温度下，胶料在充模阶段分子链交联反应情况各不相同。适宜的模具温度可以保证胶料顺利充满模腔，缩短固化时间，优化产品质量，提高生产效率。
根据工作经验，薄壁橡胶制品的模具温度一般不超过190 ℃，也不低于160 ℃。本工作模具温度分别取165 ℃，170 ℃，175 ℃，180 ℃。
3 模具温度对成型工艺的影响
3.1 充模时间
胶料的充模时间反映了胶料流动性的优劣。模具温度直接影响胶料的粘度[3]，而胶料粘度与其流动性密切相关，胶料粘度越小，流动性越好，充模时间越短；胶料粘度越大，流动性越差，充模时间越长。Moldflow软件模拟不同模具温度下胶料充模时间见图2，模具温度对胶料充模时间的影响见图3。
图2 Moldflow软件模拟不同模具温度下胶料充模时间
图3 模具温度对胶料充模时间的影响
从图2和3可以看出：模具温度越高，胶料的流动性越好，充模时间越短；模具温度越低，胶料的流动性越差，充模时间越长。充模时间超过5 s，胶料可能不能充满模腔，导致制品出现缺陷，因此模具温度不应低于170 ℃。
3.2 充模结束时的体积固化率
体积固化率是指在胶料硫化过程中固化胶料体积占模腔体积的比例。最理想的状态是胶料能快速充满模腔而不产生交联反应，不易发生焦烧，因此充模结束时胶料的体积固化率越小越有利[4]。Moldflow软件模拟不同模具温度下胶料充模结束时的体积固化率见图4，模具温度对胶料充模结束时的体积固化率的影响见图5。
图4 Moldflow软件模拟不同模具温度下胶料充模结束时的体积固化率
图5 模具温度对胶料充模结束时的体积固化率的影响
从图4和5可以看出：模具温度越低，胶料充模结束时的体积固化率越小；模具温度越高，胶料充模结束时的体积固化率越大，这是由于模具温度越高，胶料的硫化速度越快，越容易产生交联反应，阻碍胶料流动，从而导致胶料不能充满模腔。胶料充模结束时的体积固化率大于0.75%，胶料可能不能充满模腔，影响制品外观和质量，因此模具温度应不大于180 ℃。
3.3 充模后的体积固化率
橡胶属于热固性材料，当熔融的胶料注入模腔以后，借助模腔的高温，橡胶分子之间产生剧烈的交联反应。胶料充模后某一时间点的体积固化率越大，说明橡胶制品成型所需的时间越短，生产效率越高；充模后某一时间点的体积固化率越小，说明橡胶制品成型所需的时间越长，生产效率越低。Moldflow软件模拟不同模具温度下胶料充模后35 s时的体积固化率见图6，模具温度对胶料充模后35 s时的体积固化率的影响如图7所示。
图6 Moldflow软件模拟不同模具温度下胶料充模后35 s时的体积固化率
图7 模具温度对胶料充模后35 s时的体积固化率的影响
从图6和7可以看出，随着模具温度升高，胶料充模后35 s时的体积固化率逐渐增大。胶料体积固化率大，说明硫化速度快，成型时间短，生产效率高。总的来看，模具温度高对胶料充模后的成型有利。
3.4 优选模具温度
综合来看，对于90 ℃的橡胶熔体，模具温度在175 ℃时，胶料充模时间短，能快速充满整个模腔；充模结束时的体积固化率小，充模过程中不易产生焦烧；充模后35 s时的体积固化率大，胶料交联反应速度快，成型时间短，能在保证产品质量的前提下提高生产效率。因此优选的模具温度为175 ℃。
4 结语
轿车水箱盖是一种广泛使用的汽车配件，具有密封和承压作用，品种较多，产品质量不易控制。采用Moldflow软件可以对轿车水箱盖等橡胶制品的注射成型工艺进行优化，缩短工艺和模具设计周期，提高生产效率和产品质量。Moldflow软件作为一款优秀橡胶、塑料流动分析仿真软件，应在橡胶制品的注射成型研究中推广使用。
