玩具汽车由于较好的趣味性和益智性受到广泛的关注[1]。注塑成型是玩具汽车加工的重要方法,其工艺参数决定了塑料玩具汽车的性能优劣[2]。汽车转向器壳体是玩具汽车的重要组成部分,具有导向作用和保护作用。因此,玩具汽车转向器不仅需要保证良好的工艺性,还需要较高的强度,满足抗磨损、长寿命、高刚度以及耐摔性强。此外,玩具汽车转向器属于中型件,装配需要非常精确。若注塑过程中导致不均匀的变形,转向器壳体装配时会产生错位或者无法装配[3]。玩具汽车转向器的加工质量主要取决于模具的设计与加工、塑料材料的性能以及注塑成型工艺[4]。注塑成型的工艺参数优化一直是很多学者研究的热点。注塑过程中需要控制的工艺参数主要有浇道设计、注射温度、保压时间和背压压力等[5]。目前,注塑工艺参数的优化设计方法包括反复试错法、Taguchi法、神经网络法和遗传算法等[6]。反复试错法指工程师根据以往成功的经验进行调试,但是这种方法只能对同类型的案例进行优化,而对于塑料种类繁多和形状结构复杂的案例无法实现。Taguchi法是基于反复试错法,结合专家系统和计算机系统给出相应的优化建议,但此方法需要全面和完整的数据[7]。神经网络法是一种人工智能算法,能够自组织和自学习进行注塑工艺参数的优化,具有非常复杂的逻辑运算和模拟的能力,优化效果较好[8]。但神经网络法的建模特别复杂,需要大量的测试数据来训练模型。遗传算法能对低要求的注塑模具工艺参数进行优化,在局部最优解的问题上具有很好的效果,但是在全局最优解的位置求解上比较困难[9]。因此,针对玩具汽车转向器注塑工艺参数优化困难的问题,采用CAE分析法研究工艺参数对玩具汽车转向器质量的影响,通过Pro/E软件建立玩具汽车转向器的三维模型,利用Plastic Advisor进行注塑过程的模流分析。1玩具汽车转向器的三维模型建立考虑玩具汽车的流线型设计,转向器具有比较复杂的曲面结构。图1为采用Pro/E软件绘制的玩具汽车转向器,尺寸为300 mm×60 mm×20 mm,壳体厚度为3 mm。从图1可以看出,玩具汽车转向器壳体是一个左右对称结构,其中,A处是与车体连接的铰链,B处和C处是玩具汽车的导向轮安装位置。该结构的曲面过度较多,结构比较复杂,并且没有镶件和抽芯结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F001图1玩具汽车转向器三维模型Fig.1Three-dimensional model of toy car steering gear2转向器注塑仿真2.1仿真条件设置玩具汽车转向器壳体选用性能较好的聚丙烯材料(PP),牌号HG168,密度为0.9~0.91 g/cm3,材料的耐疲劳强度和刚度都较好。PP材料的推荐模具温度为20~60 ℃,熔体温度为220~260 ℃,最大绝对熔体温度为280 ℃,注射温度为101 ℃,最大剪切应力为0.25 MPa。因此,本次仿真中选取的初始模具温度为40 ℃,熔体温度为240 ℃,最大注射压力为180 MPa。此外,设置转向器壳体的开模方向为y方向坐标。2.2注射位置分析图2为是转向器注射位置优化图。由于转向器是对称结构,注射位置的性能也呈对称分布。从图2可以看出,转向器两侧B处和C处的注射位置最差,而中间铰链A处的注射效果最好。因而,当注射位置的个数为1时,A处是注射位置的最佳选项。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F002图2玩具汽车转向器的注射位置优化Fig.2Optimization of injection position of toy car steering gear2.3转向器的仿真结果图3为具体网格划分结果。从图3可以看出,本次网格划分纵横比为1.08,网格匹配率为97.32%,一般网格划分匹配率大于90%表明网格划分较好,可以用于仿真模拟。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F003图3网格划分图Fig.3Grid graph图4为玩具汽车转向器的注塑时间分析图。塑料熔体从注射位置向两侧逐渐扩散,最终达到最外侧导向轮安装位置。从图4可以看出,汽车转向器的总体注射时间为1.98 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F004图4玩具汽车转向器的注射时间Fig.4Injection time of toy car steering gear图5为玩具汽车转向器的注射压力分布。从图5可以看出,在接近注射位置的注射压力最大,为75.97 MPa;在远离注射位置的注射压力最小,为0。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F005图5玩具汽车转向器的注射压力分布Fig.5Injection pressure distribution of toy car steering gear图6为玩具汽车转向器的注射温度分布图。从图6可以看出,玩具汽车转向器各处的温度范围变化较小,基本保持在240 ℃左右。其中,汽车转向器较高温度分布在最开始注射的部位,而较低温度分布在较远的部位。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F006图6玩具汽车转向器的注射温度分布Fig.6Injection temperature distribution of toy car steering gear图7为玩具汽车转向器冷却后缩痕阴影图和缩痕云图。从图7可以看出,汽车转向器的缩痕主要集中在中间铰链附近处,而在转向器外侧基本没有缩痕。此外,转向器的缩痕最大处位于结构曲面过渡的位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F007图7玩具汽车转向器的缩痕分布Fig.7Shrink mark distribution of toy car steering gear2.4不同熔体温度对汽车转向器的影响图8为注射时间随熔体温度的变化关系。从图8可以看出,当塑料熔体温度设置为220 ℃时,汽车转向器的注射时间为2.3 s。随着熔体温度逐渐增加,注塑过程中需要的注射时间越来越短。当塑料熔体温度设置为260 ℃时,汽车转向器的注射时间为1.75 s。从整体变化趋势来看,随着注射时间的增加,熔体温度逐渐变小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F008图8注射时间随熔体温度的变化Fig.8Injection time changes with melt temperature图9为缩痕随熔体温度的变化关系。从图9可以看出,玩具汽车转向器的缩痕随熔体温度增加基本保持不变,始终保持在0.085 mm,熔体温度对于制件的缩痕影响很小,几乎忽略不计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F009图9缩痕随熔体温度的变化Fig.9Shrink mark changes with melt temperature2.5不同模具温度对汽车转向器的影响图10为得到的注射时间随模具温度的变化关系。从图10可以看出,当塑料模具温度设置为20 ℃时,玩具汽车转向器的注射时间为1.76 s。随着模具温度逐渐增加,注塑过程中需要的注射时间越来越长。当塑料模具温度设置为60 ℃时,汽车转向器的注射时间为2.18 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F010图10注射时间随模具温度的变化Fig.10Injection time changes with mold temperature图11为汽车转向器的缩痕随模具温度的变化关系。从图11可以看出,汽车转向器的缩痕随模具温度基本保持不变,始终保持在0.085 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F011图11缩痕随模具温度的变化Fig.11Change of shrink mark with mold temperature3生产验证通过研究分析,对制件进行实际的生产验证,在注射时间为1.98 s,注射压力为75.97 MPa,最高温度为240 ℃的成型工艺条件下,图12为玩具汽车转向器制件成品图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F012图12制件成品Fig.12Finished product drawing4结论(1)玩具汽车转向器的最佳注射位置位于结构中心附近,总体注射时间为1.98 s,注射压力为75.97 MPa,最高温度为240 ℃,最大缩痕为0.085 mm。(2)注射时间随熔体温度的增加而减小,缩痕随熔体温度基本保持不变。(3)注射时间随模具温度的增加而增加,缩痕随模具温度基本保持不变。(4)当注射位置在结构中心时注射时间短,注射位置越接近结构外侧时注射时间越长。

使用Chrome浏览器效果最佳,继续浏览,你可能不会看到最佳的展示效果,

确定继续浏览么?

复制成功,请在其他浏览器进行阅读