高光无痕车灯外罩注塑成型模具温度场数值分析与加热参数设计

刘朝福，程彬彬

（桂林信息科技学院，广西 桂林 541004）

高光无痕注塑成型又称为急热—急冷注塑成型，其基本原理是采用高温的过热水对模具进行快速加热，使模具的型腔温度迅速接近甚至达到塑料的熔融温度，然后将塑料熔体迅速注射到模具的型腔内；等塑料熔体注射、保压完成后，再用较低温度的冷却水对模具型腔进行快速冷却，让模具的型腔温度在极短的时间内就降低到合适的温度，从而使型腔内的塑料熔体在极短的时间内就实现冷却和定型，得到表面质量非常光洁的塑料制品[1]。

高光无痕注塑成型的模具在工作时需进行反复的快速加热和冷却，因此模具的钢材必须能经受住冷热交变的疲劳考验，工艺设计时必须对模具的钢材进行精确的热力学分析和设计，以避免造成模具型腔的开裂[2]。同时，采用过热水对模具型腔进行快速加热的过程中，过热水的流速、入口温度以及加热时间等参数是模具型腔温度控制的关键点。以某款轿车的车灯面罩为研究对象，需要保证其表面质量达到“高光无痕”的质量要求，同时力求缩短模具型腔的加热时间以缩短成型周期、提高生产效率。

1 研究对象的数学模型

1.1 几何模型

本研究对象为某款式轿车的车灯外罩，其结构如图1所示。车灯外罩又称大灯配光镜，是轿车的重要功能与装饰零件，用户对其外观质量有特别严格的要求，要求成型后的灯罩不得有肉眼可见的流纹、熔接痕、气泡等缺陷。该车灯外罩外形尺寸为325.6 mm×120 mm×55 mm，平均壁厚为2.2 mm，材料为高透光率热塑性塑料—聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）。

图1 车灯外罩的三维模型

车灯外罩的注塑模具采用一模一腔的形式，型腔的外形尺寸为500mm×260 mm×117.5mm，通过机械钻孔，在型腔直接上加工出8个直径为ϕ10 mm水孔，水孔布局如图2所示；8个水孔首尾依次连接，形成一条管路，加热和冷却介质均通过此管路进行。由于大灯外罩的内、外表面质量要求均非常高，但对应的型腔仁、型芯所用钢材完全一样，且两者的加热和冷却参数也完全相同，因此，只需对其中之一进行加热温度场分析即可。本研究选择型腔进行分析。

图2 型腔的几何模型

1.2 数学模型

通过专门的双工模温机提供过热水和冷却水对型腔进行快速加热和冷却，过热水的温度可在120～180℃之间任意设定，冷却水温度可以在8～15℃之间任意设定。

通过上述措施，确保了进入型腔的水流为湍流状态，因此过热水的数学流动模型可以采用标准的湍流模型[3]。其中，k运输方程为：

ε运输方程为：

式中：ε为湍流脉动耗散率，m2/s3；Gk为单位体积流体的湍流脉动产生能量，kJ/m3；σk= 1；σε=1. 3；Gε1=1. 44；Gε2=1. 92；t为时间，s；k为湍流脉动动能，m2/s3；u为动力黏度，Pa·s；μt湍流黏度，Pa·s；μi为流体在i方向上的分速度，m/s；ρ为密度，kg/m3。

2 边界条件设定与数值计算

确定计算域。计算域包含水孔和型腔整体，型腔的材料为日本大同公司的高镜面塑料模具钢NAK80。水孔与模具型腔两者之间的接触面可以设定为流体域和固体域的交界面，流体区域与固体区域之间的热量传输模型均为能量传热模型。过热水和模具型腔钢材的热力学参数见表1[4]。

表1 材料热力学性能参数

实际注塑生产中，为了防止模具与空气之间的热量交换，模具往往进行保温处理，因此对模具进行快速加热时，假设模具的固体区域的壁面与外界没有进行热量交换，即设置为绝热状态。

模型的数值计算方式采用隐式定常的方式进行求解，采用k-ε湍流模型的封闭运动方程，选取Scalabe壁面函数，目的是提高模拟计算过程中的收敛性和准确性[5]；固体的壁面采用无滑移边界条件。控制收敛的方法是：设定迭代的步数为200次，均方根的残差值为1×10-4。考虑到流体域的收敛时间一般较短，而固体域的收敛时间一般相对较长，因此固体域的时间尺度设定为100 s，而流体域的物理时间尺度设定为10 s。

根据以上简化，首先在ANSYS中建立型腔的简化二维模型，然后设置加热工艺参数，导入数值计算公式对型腔加热过程进行分析求解，得到型腔各个参数条件下的温度场的分布。

3 试验与最佳方案确定

确定的3个因数是：过热水的温度、过热水的流速及过热水的加热时间，其中过热水的温度为型腔入水口处的温度，过热水的流速为模具入水口处的瞬时流动速率，加热时间为过热水泵从启动到停止之间的时间。

3.1 过热水的温度对型腔温度的影响

过热水的流速设置为3 m/s，加热时间设置为6 s，考虑注塑车间正常生产时的情况，将型腔的初始温度设置为65℃。过热水的温度分别设定为140℃、150℃、160℃、170℃，因而形成的4个不同的技术方案，现对这4个技术方案的模具型腔温度场分别进行计算，计算结果见表2。

表2 不同过热水温度下模具型腔的温度

过热水的温度不同，模具型腔的温度则不同。当过热水的温度为140℃时，计算出来的型腔的最高温度为137℃，其中少量区域还不到137℃，这种情况下，模具型腔会对流经该区域的熔体造成较大的流动阻力，因为PC塑料从熔融态向高弹态转变的温度为131℃左右，因此过热水的温度设置为140℃对车灯外罩的成型质量是不利的。而设置为比140℃高的150℃、160℃、170℃时，模具型腔的最高温度都远高于PC塑料的熔融态—高弹态转变温度，分别达到了144℃、152℃、153℃，这对车灯外罩的成型有利。

但是，当过热水温度设置为170℃时，需要消耗模温机极大的功耗，并且当模具型腔的温度太高时，虽然熔体在注射时流动得非常顺畅，但注射完成后，冷却该模具型腔所需要的时间将会大幅度地增加，从而导致整个成型周期变长，从而影响生产效率，而且极端条件下，过高的型腔温度还可能导致熔体出现溢边的不良现象[6]。

综合以上分析，在考虑注塑产品的表面质量、模温机的功耗和生产效率的情况下，过热水温度设定为150℃左右是可行的，即方案2的参数是比较合理的。

3.2 过热水的流速对型腔温度的影响

过热水流速设定为型腔入口处的速率，其值分别设置为2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s，此时，设定过热水的温度和加热时间数值不变，即过热水的温度设定为150℃、加热时间设定为6 s，模具初始温度仍设定为65℃，在此条件下，分别对过热水4个不同流速方案下的模具型腔温度场进行计算，计算结果见表3。

表3 不同过热水流速下模具型腔的平均温度

由表3可知，在型腔初始温度、过热水的温度、加热时间等参数相同的条件下，过热水的流速越高，模具型腔的温度就越高。但是，当过热水的流速达到3m/s时，虽然过热水的流速继续增加，但模具型腔的最高温度上升并不再明显。考虑到在实际的注塑生产中，过热水的流速越高，水泵消耗的功耗就越大，生产成本就越高，因此过热水的流速并不能设定得太高。但当流速低至2 m/s时，型腔最高温度却只有135℃，在此较低的温度下，PC塑料熔体的流动状态将大幅度降低，车灯面罩的表面质量奖可能出现流纹缺陷[7]。综合以上分析，方案6较为合理。

3.3 加热时间长短对模具型腔温度的影响

加热时间是指过热水进入模具型腔开始热量交换至关闭水泵、水流停止之间的时间差。过热水的温度和流速不变，过热水的温度设定为150℃，过热水的流速设定为2 m/s，模具初始温度仍设定为65℃，加热时间分别设定为4 s、6 s、8 s、10 s，对形成的这个技术方案的型腔温度场分别导入前述的数学模型进行计算，结果见表4。

表4 不同加热时间下模具型腔的最大温度

从表4可以看出，随着加热时间的变长，模具型腔的温度总体是逐渐升高的，但是当加热时间超过6 s时，模具型腔的最高温度并没有随加热时间的增加而线性增加。事实上，过长的加热时间将非常不利于缩短灯罩的成型周期，并导致降低生产效率；当加热时间为4 s时，型腔的最高温度只有132℃，此温度已经低至接近PC塑料熔体的熔融态—高弹态转变温度，从而存在因流体流动缓慢而在塑件表面出现流纹、花纹等缺陷的风险。而当加热时间为6 s时，既可满足模具型腔的温度要求，保证了灯罩的成型质量，也能提高生产效率。因此，方案10是较为理想的方案。

3.4 方案结果验证

为了检验上述计算和分析所得到的最佳工艺参数的正确性，需要再次进行模具型腔温度场的计算。将上述3组计算得到结果组合为一组最佳参数值，即设置过热水的温度为150℃、过热水的流速为3 m/s、加热时间为6 s。将该组参数导入温度场的仿真计算软件进行计算，计算结果的如图3所示。从中可以看出，型腔成型区域的温度总体比较均匀，并且该区域大部分区域的温度都处于140～144℃之间，没有特别高温的区域和温度突变区域。由此可见，可见经过计算和分析而优化后加热参数值，实现了水孔和型腔之间的良好的热交换。

图3 最佳参数值下的型腔温度场

4 结语

针对材质为NAK80钢的车灯面罩模具，以过热水作为加热介质，以过热水的温度、流速和加热时间等关键参数为研究因素，共设计了12个技术方案，采用数值计算方法，分别对拟定的12个技术方案下的型腔温度场进行了计算和分析，最终确定了最佳的工艺参数值为过热水温度150℃、流动速率3 m/s，加热时间6 s。在此基础上，为了验证所确定的参数值的正确性，将所确定的参数组导入温度场的仿真计算软件进行计算与，计算结果显示水孔和型腔之间的热量传递良好，型腔的温度场总体比较均匀，没有出现局部温度特别过高和温度明显突变的现象，并且加热时间较短，符合缩短成型周期、提高生产效率的生产实际要求。