汽车门把手的气体辅助注塑模具改进及工艺优化

潘俊宇，匡唐清*，赖德炜，陈碧龙

(1.华东交通大学机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013；2. 圣万提注塑工业(苏州)有限公司，江苏 苏州 215000)

机械与模具

汽车门把手的气体辅助注塑模具改进及工艺优化

潘俊宇1，匡唐清1*，赖德炜1，陈碧龙2

(1.华东交通大学机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013；2. 圣万提注塑工业(苏州)有限公司，江苏 苏州 215000)

通过计算机辅助工程(CAE)技术分析了某汽车门把手的气体辅助注塑模具试模时的气体穿透偏心、掏空不足及表面缺陷等问题，发现了问题产生的根源。对模具的注气位置、浇口位置和溢料口位置做了相应的调整，消除了气体穿透偏心及表面缺陷问题。并采用CAE技术对其成型工艺参数，包括熔体注射量、注气压力、注气延迟时间和模温、料温进行优化，实现了良好的气体穿透效果。

气体辅助注射成型；汽车车门把手；模具；工艺参数；优化

0 前言

气体辅助注射成型(GAIM)是一种利用高压惰性气体来辅助充填与保压补缩的注塑工艺。由于压力气体的注入，GAIM工艺不仅可以获得普通注塑工艺无法保证的高品质表面，还具有节省原材料、缩短成型周期、提高生产效率和延长模具寿命等优点，现在汽车、家电和日用品等塑料加工领域得到广泛地应用[1]。

GAIM比传统工艺多了注气这一阶段，其进气口位置、气体延迟时间、气体压力、熔体预注量等都直接影响到气体在熔体内的穿透效果及最终产品品质，GAIM塑件的品质控制相对就更加复杂和困难[2]。GAIM CAE技术则能高效且可靠地实现GAIM模具及工艺的优化，以保证GAIM产品的品质。本文针对一套汽车门把手的GAIM模具在试模中出现的问题，借助GAIM CAE技术来分析问题的产生原因，并提出模具和工艺参数的优化方案。

1 产品结构分析

1.1 产品信息

图1为该汽车门把手的三维(3D)模型，中间截面直径为27 mm，弧长约400 mm。产品材料为Rhodia Engineering Plastics公司生产的聚酰胺66(PA66)。

(a)视角1 (b)视角2图1 车门把手模型Fig.1 3D model of a car-door handle

1.2 现有模具方案

如图2所示，现有模具的进胶口和溢料口分别在塑件两端，同侧，进气口位置如图2箭头部分所示。

(a)浇注系统和溢流道 (b)注气位置图2 现有模具方案Fig.2 The current mold

1.3 存在问题

现有模具试模存在如图3所示的问题：

(1)气体充填不足，穿透长度不充分；

(2)进气端气体掏空不足，存在严重的熔料堆积；

(3)浇口端有少量熔接痕。

(a)表面纹路缺陷 (b)进气端充气不足图3 试模发现的缺陷Fig.3 Flaws of mold testing

2 现有模具方案的模拟分析

为分析这些问题的产生原因，采用GAIM CAE技术对现有模具方案进行模拟分析。

2.1 模型预处理

将产品3D模型经过必要的简化与修复后，并按现模具的流道系统及溢料腔方案进行建模并划分网格，网格模型如图4所示。材料选用Rhodia Engineering Plastics公司的PA66，其推荐工艺为：模具温度80 ℃，熔体温度280 ℃。初始模拟分析采用的工艺参数如表1所示。

图4 现模具方案的网格模型Fig.4 Mesh model of the current mold

参数数值模具温度/℃80熔体温度/℃280注射时间/s15预注量/%85冷却时间/s30注气压力/MPa10注气延迟/s0.1注气时间/s20

2.2 模拟结果分析

模拟主要结果如图5、图6、图7所示。图5显示整个熔体充填与注气及保压过程共用时约45 s，且溢料腔并未填满。从图6可以看到，气体充填不足，气体只穿透了塑件2/3左右的区域。同时在进气端，气体掏空不足，气体型芯只占据了塑件内侧区域，而外侧壁厚很大。这些与试模结果基本吻合。图7则显示了熔接痕主要出现在塑件进气端外表面。熔接痕不仅可能影响该部位强度，还可能形成明显的纹路缺陷。

图5 充填时间模拟结果Fig.5 Simulation result of the filling time

图6 现模具气体型芯模拟结果Fig.6 Simulation result of the gas core of the current mold

图7 现模具熔接线模拟结果Fig.7 Simulation result of weld lines of the current mold

以上模拟结果与试模结果基本吻合，验证了CAE模拟的准确性和可靠性。因而可以借助CAE技术来实现模具设计及工艺参数设置的优化。

模拟结果可直观展现成型过程，通过查看熔体和气体充填过程模拟结果发现：

(1)现模具的进气口位置靠近内侧，而气体穿透时又是趋近弯曲内侧，因此导致注气口外侧掏空不足，熔料堆积较严重，壁厚过厚；

(2)现模具的浇口和溢料口不在塑件纵对称面处，造成型腔中压力分布不对称，进而导致气体偏离塑件中心穿透，存在偏心(模具温度不均匀也能造成气体穿透过程中偏心，水路对称布置可消除此因素)；

(3)浇口位置不当造成熔接痕出现在塑件外部可见表面，形成表面缺陷；

(4)工艺参数设定不当也导致气体穿透结果不理想。

上述原因导致了试模时出现的问题。因此，针对这些原因，本文从模具设计(注气口、浇口和溢料口位置)及工艺参数2个方面进行优化改进。

3 方案改进优化

3.1 模具设计的改进

再次审视该车门把手，其对称面剖视图如图8所示。塑件左右两端内部结构是不同的：左端存在“尖顶”，而右端则是“平顶”。现模具中注气口在右端“平顶”处。这样设计的问题是：当高压气体从右往左穿透时，左端“尖顶”部分对气体穿透有“分流”作用，使高压气体进入分岔靠内侧的薄壁区，这会影响塑件品质，如图9(a)所示。因此考虑将注气口调整到左端“尖顶”处，如图9(b)所示，气体分流得到很好改善。相应地进胶口也调整到的左端，溢料口调整到右端。

图8 塑件剖视图Fig.8 Section view

结合对现模具方案的分析，将注气口设置在左端近外侧，进胶口和溢料口设置在对称面上以确保熔体在型腔中流动时压力平衡。由于进胶口调整后流道有一定程度增长，所以将浇口和流道截面尺寸都适当增大以保证熔体能顺利进入型腔。调整后的模具方案如图10所示。

(a)“分叉” (b) “分叉”不明显图9 气体“分叉”Fig.9 Gas-bifurcating

(a)浇注系统和溢流道 (b)注气位置图10 调整后的模具方案Fig.10 The adjusted mould

基于初始工艺参数设置对调整后的模具方案进行模拟分析。气体穿透及熔接痕的模拟结果分别如图11和图12所示。

图11 改进后的气体时间Fig.11 The gas time after adjustment

图12 改进后的熔接线Fig.12 Weld lines after adjustment

图11表明进气端气体掏空不足的现象已不存在，但整体气体充填不充分，只穿透了塑件2/3左右的区域。图12则显示了由于浇口的优化，熔接线主要集中在不易察觉的塑件内表面，从而可以消除表面熔接痕引起的表面纹路缺陷。

3.2 工艺参数优化

模具方案调整后按初始工艺参数进行模拟分析的结果表明气体仅穿透了2/3左右的区域，气辅效果严重不足。为实现较理想的气体穿透，还需对工艺参数进行优化。在GAIM工艺中，影响气体穿透的几个重要因素有：熔体预注量、延迟时间、充气压力和熔体温度[3]。

原始方案模拟结果显示，首要问题是气体充填不足。为此首先应减小预注射量。根据模具方案调整后的气体穿透状况，将预注射量调整为68 %。同时为提高实际生产效率，在保证成型品质的前提下将熔体注射实际由15 s缩短到5 s，其他工艺参数不变。气体穿透结果如图13所示，穿透效果得到明显改善。

图13 预注量为68 %时的气体时间Fig.13 The gas time with 68 % pre-injection

图14 进气压力减小到6 MPa时的气体时间Fig.14 The gas time while the gas pressure is 6 MPa

虽然减小预注量后充气效果得到明显改善，但浇口远端仍充气不足，需要进一步优化工艺参数。预注量确定后气体体积是一定的，穿透截面越小则穿透长度越长。为降低气体穿透截面，可降低注气压力。为此，将注气压力从10 MPa降至6 MPa，其他工艺参数不变，结果如图14所示，可见气体穿透到了型腔远端，实现了有效地穿透与保压。

在减小熔体预注量和进气压力后气体已经能比较完整充型了，但在进气端气体由于压力过大穿透进入外侧的薄壁区域，出现“薄壁穿透”现象，这会影响到这部分区域塑件的强度。为避免出现“薄壁穿透”，可降低气体压力或增加延迟时间，让薄壁区得到充分冷却从而增大薄壁穿透阻力。在此将进气压力减小到4 MPa，延迟时间增加至8 s。结果如图15所示，进气端已经能达到较好的充填效果结果，但浇口远端却出现气体进入薄壁区的现象。这是因为注气之前浇口远端没有熔体，因此增加注气延迟时间不能影响浇口远端的壁厚。这是气体穿透过头的表现，可以适当增加熔体预注量和气体压力以减小穿透长度。为此将熔体预注量从68 %调整为69 %，气体压力调整到7 MPa，结果如图16所示，薄壁区进气现象得到明显改善。

图15 延迟时间为8 s、进气压力为4 MPa时的气体时间Fig.15 The gas time while the gas pressure is 4 MPa and the delay time is 8s

图16 预注量为69 %、进气压力为7 MPa时的气体时间Fig.16 The gas time while the gas pressure is 7 MPa and the pre-injection is 69 %

图17 模具温度为60 ℃、熔体温度为295 ℃时的气体时间Fig.17 The gas time while the melt temperature is 295 ℃ and the mold temperature is 60 ℃

熔体温度和模具温度本质都是影响熔体黏度。熔体温度、模具温度越低熔体黏度越高，流动性越差，在其他工艺参数相同的情况下气体能推动更小截面积熔体前进，因而穿透长度越长，残余壁厚越小。同时熔体冷却越快，气体越不容易进入薄壁区域。因此要进一步改善图17中气体进入薄壁区域的情况可以适当降低模具温度，提高熔体温度。本文中设定模具温度为60 ℃，熔体温度为295 ℃，结果如图17所示，可以看到情况有一定程度改善。

对调整后的车门把手气体辅助注塑模具方案，通过CAE技术优化得到的工艺参数如表2所示。

表2 优化后的工艺参数

4 结论

(1)针对某汽车门把手气体辅助注塑模具试模出现的问题，通过CAE技术模拟了整个气体辅助注塑过程，发现模拟结果与实际试模结果基本相符，并且通过分析找到了问题根源所在，并结合相关理论知识通过改进模具设计和优化工艺参数使问题得以解决；

(2)根据产品结构特点调整了注气口位置、浇口位置和溢料口位置解决了表面品质问题和气体穿透偏心的问题；应用CAE技术结合相关理论知识对预熔体注射量、注气压力、注气延迟时间等工艺参数进行针对性优化，获得了良好的气体穿透效果。

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关于盛禧奥

盛禧奥是全球领先的材料解决方案供应商，生产塑料、胶粘剂和橡胶。我们致力提供创新和可持续的解决方案，协助客户制造出与我们息息相关的产品。盛禧奥产品跨越众多终端巿场，被广泛应用于各个领域，包括汽车、消费电子、家电、医疗、照明、电器、地毯、纸和纸板、建材和轮胎等。2015年，盛禧奥的收入约为40亿美元，在世界各地拥有15个制造基地，员工超过2200名。如需更多资讯，请浏览www.trinseo.com。

Improvement of Gas-assisted Injection Molds and Process Optimization for Car Door Handles

PAN Junyu1, KUANG Tangqing1*, LAI Dewei1, CHEN Bilong2

(1.School of Mechatronics &Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China; 2.Synventive Molding Solutions (Suzhou) Co, Ltd，Suzhou 215000, China)

Eccentric penetration, inadequate empty, and surface defects were found in a car door handle produced by a gas-assisted injection mold during the tooling test. CAE technology was adopted to discover the causes of these problems. The adjustment of gate location, gas injection location and overflow port location were adjusted, which could effectively eliminate the eccentric gas penetration and surface defect. CAE technology was also used to optimize the processing parameters including the shot size of the melt, gas pressure, gas-injection delay time, mold temperature and melt temperature. As a result, a good gas penetration was achieved. This study confirmed that the CAE technology was a necessary means that can ensure a reasonable design for the gas-assisted injection mold as well as optimizes the processing parameters.

gas-assisted injection molding; car door handle; mould; technological parameter; improvement

2016-10-11

江西省教育厅科技项目资助(201501)

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)04-0091-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.017

*联系人，tkuang@ecjtu.edu.cn