基于MoldFlow對注射壓力的研究

趙鑫星，李士明

（精誠工科汽車系統有限公司模具技術分公司，河北保定071000）

1 引言

汽車前照燈既是汽車重要功能組件，又是重要外觀面。如圖1所示，前照燈由前燈燈罩、飾框、燈殼、電氣元件等組成。本文以前燈燈罩為例，應用流變理論及MoldFlow軟件實現注射壓力準確預估。前燈燈罩一般采用PC材料，澆注系統多采用熱轉冷的形式，定模側單點進膠，如圖2所示。

圖1 前照燈組成

圖2 前燈燈罩澆注系統

2 注射壓力理論推導及MoldFlow驗證

2.1 流動模型

塑膠材料是典型的非牛頓流體，即流體的剪切應力與剪切速率呈非線性曲線關系。本文以牛頓狹縫線性粘性流動模型定性推導影響注射壓力的關鍵因子[1]。

模型假設：流體在長l，高度h和寬度w的狹縫中流動，流動方式為穩定的簡單剪切流動，如圖3所示。在w/h＞20的條件下，忽略側向的黏性和壁面阻力。

圖3 狹縫流動模型

狹縫中薄片微單元，受到驅動力△Pw2y，上下面流動阻力τxy2lw，二者平衡即可得到：

式中 ΔP——壓力降，即注射壓力

μ——材料黏度

l——流動長度

w——塑件寬度

h——塑件壁厚

qv——體積流量，qv=vwh，v——注射速度

由以上流動模型可知注射壓力的影響因子：材料黏度μ、注射速度v、流動長度l、塑件壁厚h。

2.2 材料粘度（MoldFlow驗證）

材料黏度是對聚合物在外加壓力下流動能力的衡量，其受聚合物結構、溫度、剪切、壓力因素影響，前燈燈罩材料固定PC，因此材料、剪切、壓力不做考慮，只分析模具溫度及熔體溫度對注射壓力的影響。

驗證對象1（small）：尺寸：100×50×30mm，壁厚：2.0mm，體積：21.6cm3。

驗證對象2（big）：尺寸：520×190×100mm，壁厚2.5/2.8mm，體積577.5cm3。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗證條件：前燈燈罩推薦模溫80℃~120℃，料溫280℃~320℃，采用單一變量原則，以5℃為間隔進行注射壓力測定。

驗證結果：注射壓力與模具溫度關系如圖4所示，注射壓力與熔體溫度關系如圖5所示。

圖4 注射壓力與模具溫度關系

圖5 注射壓力與熔體溫度關系

曲線解讀：注射壓力隨溫度升高而降低，基本呈正比關系。塑件大小不同溫度對注射壓力的影響也不同，大塑件梯度較大；熔體溫度相對模具溫度對注射壓力影響更大。

驗證結論：提高成型溫度對注射壓力有改善，考慮現狀，溫度調整量5℃~15℃左右，對于模具溫度注射壓力降低2.5~7.5MPa，占比2%~6%；對于熔體溫度，壓力降低5.7~17MPa，占比4.5%~13.5%。

2.3 注射速度（MoldFlow驗證）

驗證對象：尺寸：520×190×100mm，壁厚2.5/2.8mm，體積577.5cm3。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗證條件：注射速度以10cm3/s為間隔進行注射壓力測定。

驗證結果：注射壓力與注射速度關系如圖6所示。

圖6 注射壓力與注射速度關系

曲線解讀：低注射速度時，材料與模具接觸時間長，熱量散失較大，凍結層厚度增加，流動阻力增大，導致成型壓力升高。高注射速度時，隨速度增大，材料剪切熱升高，黏度降低，成型壓力下降，但速度顯著提升后，需較大的壓力來保持高射速。前燈燈罩注射速度一般在20~35mm/s，對應流動速率157~275cm3/s，比對關系曲線壓力無顯著變化（PC材料的黏度對剪切不敏感。驗證結論：前燈燈罩在工藝范圍內，注射壓力幾乎與注射速度無關，因此不考慮注射速度影響。

2.4 流動長度（MoldFlow驗證）

驗證對象：尺寸：寬度50mm，高度30mm，壁厚：2.0mm。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗證條件：塑件長度以25mm為間隔進行注射壓力測定。

驗證結果：注射壓力與流動長度關系如圖7所示。

圖7 注射壓力與流動長度關系

曲線解讀：注射壓力隨流動長度增加注射壓力增大，基本呈線性關系。

驗證結論：前燈燈罩注射壓力隨塑件長度增加而加大，一般情況下，前燈塑件形狀不會變化，因此流動長度僅作為不同塑件相同壁厚下壓力比較。

2.5 塑件壁厚（MoldFlow驗證）

驗證對象1（small）：尺寸：100×50×30mm。

驗證對象2（big）：尺寸：200×100×30mm。

選用材料：Makrolon AL2447。

驗證條件：采用單一變量原則，壁厚以0.5mm為間隔進行注射壓力測定。

驗證結果：注射壓力與壁厚關系如圖8所示。

圖8 注射壓力與壁厚關系

曲線解讀：注射壓力隨壁厚增大，呈現指數降低，壁厚增大至一定數值時，壓力趨于平衡一般情況下前燈燈罩壁厚2.0~3.5mm，壁厚增加可顯著降低注射壓力。

2.6 總結

通過對影響前燈燈罩注射壓力的4因素分析驗證，得到了相應的關系曲線，進而得出影響注射壓力各因子排名：塑件壁厚＞流動長度＞熔體溫度＞模具溫度＞注射速度。

3 注射壓力精準預測

3.1 注塑機與MoldFlow對應關系

注塑機面板顯示壓力為注射液壓壓力，指液壓油作用在注射油缸上的壓力，即Ph。

MoldFlow軟件計算注射壓力為注塑機螺桿作用在熔體上的壓力，即Pm，可通過換算公式將注塑機面板壓力Ph轉換至注射壓力Pm，以便于理論對比。

3.2 壓力補償因子

收集不同注塑機號碼面板壓力并根據增強比將其轉換為注射壓力，然后再與MoldFlow軟件測試壓力進行比較，將多組數據得到的平均比值作為壓力補償因子，壓力補償因子可精準注射壓力，準確率90%以上，具體如表1所示。

表1 壓力補償因子（平均比值）

4 總結

本文通過經驗公式近似推導影響注射壓力的關鍵因子，并應用MoldFlow軟件驗證，得到影響注射壓力因子排序：塑件壁厚＞流動長度＞熔體溫度＞模具溫度＞注射速度。通過引入補償因子，實現前燈燈罩注射壓力的精準預測。