新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 注塑工艺对增强尼龙进气歧管纤维分布的影响

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发表于 2012-10-6 23:19:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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竞争日趋激烈的市场对汽车生产成本及轻量化提出了越来越高的要求,增加塑料及其复合材料(即纤维增强塑料, FRP)零部件的用量不失为解决问题的有效途径之一。然而FRP在成型过程中增强纤维的取向要发生变化,致使复合材料呈现局部各向异性特性[1]。因此对FRP熔体流动及增强纤维的取向进行分析,预测最终制件中的纤维取向分布具有重要的意义。运用注射成型CAE技术可有效地在制造模具之前预测制件设计中潜在的缺陷,为设计人员修改设计提供科学的依据。

    笔者现应用MPI软件对增强尼龙汽车进气歧管的纤维分布进行有限元模拟,得出较为合理的纤维分布和最佳工艺参数值,以期为生产工艺改进提供可靠的技术保障。

    1 注射过程模拟  

    利用UG软件获得3D模型,转换成STL格式,导入Moldflow,划分网格如图1所示。

    68014.jpg

    图1 网格划分

    1. 1 模拟分析的前提  

    作为汽车发动机重要组成部分的进气歧管,要求具有足够的强度、弹性模量和冲击韧性,并尽量保证所成型的进气歧管的底部纤维分布较多且合理,能承受外力的冲击而不发生断裂。

    实验材料选用法国Rhodia工程塑料公司生产的牌号为Technyl A218V35的玻璃纤维增强尼龙66(GFRPA66) ,其中玻璃纤维的质量分数为35%。

    1. 2 浇口位置分析[ 2 ]  

    图2为浇口位置分析结果。由图2可见,浇口最佳位置应在进气歧管的4个长支管的上半部分,选此位置虽然可保证制件的表面质量和力学性能良好,但是不利于放置浇口、设置分型面和切除浇口尾料,给模具设计带来一定的困难,因此最终将浇口试选在制件的一端,如图3所示。模拟结果表明浇口正好处于最佳区域,说明所选位置较为合理。故确定采用4浇口且将其设置在制件的一端。

    68015.jpg

    图2 浇口位置分析结果

    68016.jpg

    图3 浇口分析印证

    2 注塑工艺参数的选择

    2. 1 工艺参数的初步设定  

    利用模塑窗口(MoldingW indow)对汽车进气歧管的模拟流动分析表明,进气歧管的注塑工艺参数可调范围较小。得出的初步工艺参数为:模具温度80.00℃,注射温度288. 33℃,充填时间2. 33 s。

    2. 2 注射温度的影响  

    选取Moldflow软件模塑窗口分析推荐的模具温度,确定冷却时间为20 s,将注射温度分别设定为285、290、295℃,模拟结果如表1所示。

表1 3种不同注射温度下的模拟结果

    68017.jpg

    由表1可见,注射温度的提高会使纤维取向程度降低, GFRPA66的各向异性减弱,使得GFRPA66进气歧管在各个方向上具有近似相等的强度。图4、图5分别示出在注射温度290℃时的纤维取向和纤维分布。由图4、图5可见,在290℃时纤维取向均匀,制件的纤维分布大致与熔体流动方向一致,因此在流动方向有较高的强度和弹性模量[ 3 ] 。进气歧管的4个长支管壁纤维取向程度较高,稳定性一致,提高了制件沿受力方向的力学性能。

    68018.jpg

    图4 注射温度290℃时的纤维取向

    68019.jpg

    图5 注射温度290℃时填充过程的纤维分布  

    图6为注射温度290℃时GFRPA66 的剪切弹性模量。由图6可以看出,当注射温度为90℃时,制件各部分的剪切弹性模量值相差较小,这有利于熔体的流动填充,能制得力学性能较好的制件,故确定290℃的注射温度较为合理。

    68020.jpg

    图6 注射温度290℃时GFRPA66的剪切弹性模量

    2. 3 模具温度的影响  

    选取注射温度为290℃,冷却时间为20 s,分别将模具温度设定为70、80、90℃,在该条件下的模拟结果如表2所示。

表2 3种不同模具温度下的模拟结果

    68021.jpg


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