注塑成型工藝對包塑成型嵌件變形的影響*

祝璐琨，廖秋慧，常凈芳，蔣霆

（1.上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620； 2.蘇州倍維爾精密工業(yè)有限公司，江蘇蘇州 215126）

注塑成型工藝對包塑成型嵌件變形的影響*

祝璐琨1，廖秋慧1，常凈芳1，蔣霆2

（1.上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620； 2.蘇州倍維爾精密工業(yè)有限公司，江蘇蘇州 215126）

利用ANSYS Workbench軟件對汽車接插件成型過程中嵌件受力變形進行分析，分析細針狀嵌件在注塑成型過程中的變形情況。采用包塑成型的優(yōu)化工藝方案，先設計一個工藝過渡件，對細針狀嵌件進行定位，再將工藝過渡件以嵌件的形式進行注塑成型，并對其嵌件受力進行分析。實際生產表明，應用包塑成型重疊注塑工藝可以提高產品質量，使其滿足使用要求。

ANSYS Workbench軟件；汽車接插件；嵌件；包塑成型

汽車接插件是汽車電器設備中常用的零件之一，用于連接兩個有源器件，傳輸電流或信號。接插件產品含有不同形狀的金屬嵌件，其一般采用嵌件一次成型的注塑工藝，對于一些結構復雜或精度要求較高的產品可以采用包塑（二次）成型的注塑工藝。汽車接插件的成型質量對其力學性能和電氣性能有著重要的影響。因此，提高接插件產品的成型質量至關重要。借助于計算機輔助工程技術（CAE）軟件來分析成型過程中嵌件的變形情況可以提高產品的尺寸精度。近年來，CAE獲得了巨大的發(fā)展，設計者可以通過Moldflow、ANSYS等相應的CAE軟件或利用ANSYS和Moldflow軟件耦合的辦法對產品進行有效的模擬分析，從而判斷產品設計的合理性，縮短產品的開發(fā)周期，提高生產效率。

由于在注塑過程中型腔內嵌件上各點所受的注射壓力無法準確獲得，塑料在流動過程中受到時刻變化的阻力影響，不同的點有不同的壓力，相同點在不同時刻有不同的壓力值［1］。這給利用ANSYS Workbench軟件分析嵌件變形帶來了困難。Moldflow軟件可以模擬整個注塑過程，得到型腔內各個節(jié)點的壓力與時間的關系。將得到的壓力數據傳遞到ANSYS Workbench中，從而對嵌件在注塑成型過程中的變形情況進行分析。以此判斷在塑料件成型過程中嵌件的變形是否滿足質量要求。在嵌件變形量分析的基礎上，改進包塑成型重疊注塑工藝方案。

筆者利用ANSYS Workbench軟件對汽車接插件成型過程中嵌件受力變形進行分析，分析細針狀嵌件在注塑成型過程中的變形情況。

1　 一次成型過程中嵌件受力變形分析

嵌件成型是指在模具內裝入預先準備的異材質嵌件后注入樹脂，熔融的材料與嵌件接合固化，制成一體化產品的成型方法［2］。

1.1 汽車接插件的結構分析

汽車接插件的三維結構如圖1所示。該產品存在一組細針狀純鋁嵌件（嵌件1），針腳間距較小，嵌件2、3為片狀。在注塑成型過程中鋁針嵌件在高壓熔體的沖擊作用下易發(fā)生位置偏移，使鋁針的中心距和平行度發(fā)生變化，導致鋁針處無法正確裝配，嚴重時還可能產生導線斷路。所以，注塑生產前需先進行CAE分析，了解鋁針嵌件在塑料中的變形情況，從而確定合理的注塑成型工藝。

圖1　 汽車接插件三維結構圖

1.2 一次成型的塑料流動分析

（1）產品材料的選擇。

根據產品的使用要求，接插件的材料選用SABIC Innovative Plastics US，LLC公司生產的聚對苯二甲酸丁二脂（PBT），牌號為Valox 360。該材料具有力學性能優(yōu)良、耐摩擦和耐磨耗等特性，并且材料熔體流動性好，易注塑成型，主要用于電子電器、汽車、機械配件制造等領域。嵌件的材料為純鋁，它的熱膨脹系數比較大，在膨脹和收縮時具有彈性，并具有良好的導電性能。

（2） Moldflow模擬壓力分析。

首先導入三維造型，利用Moldflow CAD Doctor軟件對曲面和邊界進行修復和簡化，再利用Moldflow軟件的“熱塑性塑料重疊注塑”模塊進行模擬仿真。網格劃分采用3D實體網格類型（四面體單元數為1 215 563，已連接的節(jié)點數為231 204）。工藝設置的熔體溫度為252℃，模具表面溫度為55℃。

圖2為Moldflow分析的接插件充模過程，利用這些三維立體網格進行有限元計算，可以獲得制品各個位置的壓力數據。根據壓力分析，注射澆口處的壓力最大，隨著料流往前推進，壓力逐漸減小，不同節(jié)點的壓力隨注塑時間的變化各不相同［3］。鋁針嵌件上不同節(jié)點的壓力隨時間的變化情況如圖3 所示。由于存在這些壓力差值，使鋁針嵌件各部分在型腔內受力不同，最終發(fā)生變形。

圖2　 Moldflow 3D網格模式的填充效果圖

圖3　 嵌件上不同節(jié)點的壓力隨時間變化

1.3 ANSYS Workbench嵌件受力變形分析

（1）建立三維模型。

利用ANSYS Wor=kbench軟件進行變形分析之前，先簡化嵌件模型，根據嵌件的結構以及Moldflow模擬的熔體充填過程，可知嵌件規(guī)則排列的10根細針狀部分最容易發(fā)生較大變形。因為鋁針是規(guī)則排列的，且形狀相同，僅長度不同，所以選擇其中最先被充填的3根鋁針進行分析，如圖4所示。對模型上的面進行分割，以便施加載荷條件。將模型保存IGES格式文件，在ANSYS Workbench軟件中導入保存的模型。

圖4　 選定的3根鋁針嵌件

（2）建立鋁針嵌件有限元模型。

首先定義鋁針嵌件的材料屬性，嵌件采用純鋁制造，彈性模量（楊氏模量）為6.7×104MPa，泊松比0.345，密度為2 698.9 kg /m3。

其次對鋁針嵌件進行網格劃分［4］。利用ANSYS Workbench軟件對網格進行劃分，鋁針嵌件采用正六面體占優(yōu)的網格類型，劃分后的網格如圖5所示。

圖5　 網格劃分結果

（3）靜力學分析。

由于塑料熔體在注射過程中擴散不規(guī)則，獲得的壓力數據隨時間的變化有一定波動，根據分析結果，選取體積/壓力控制轉換（V/P轉換）瞬時的充模情況進行分析，此時型腔內壓力在整個注射成形周期中是最高的，因此對嵌件進行靜力學分析，求得嵌件的變形極值。

在靜態(tài)應力分析前根據嵌件的使用條件，對嵌件兩端施加固定約束，依次輸入各面的壓力值，分析過程中所施加的約束和所施加的應力，如圖6的應力簡圖所示，然后對嵌件的總變形和應力進行求解。

圖6　 應力簡圖

總變形求解結果如圖7所示。最大變形量為0.090 mm。汽車接插件作為相對精密的汽車零部件，對產品的精度要求比較高，嵌件的最大公差為±0.05 mm，嵌件的最大變形量已超過嵌件的公差范圍，影響產品的安全性和可靠性。因此，該產品使用一次注塑成型的工藝方案不可行。

圖7　 總變形模擬圖

2 包塑成型過程中嵌件受力變形分析

為解決嵌件在注塑過程中變形過大問題，采用了包塑成型工藝方案：先設計一個工藝過渡件，成型定位10根鋁針；再將工藝過渡件以嵌件的形式放入二次成型模具中注射成型塑料件。為保證兩次注塑材料界面之間有較大的黏合力，選取兩次注塑的材料都為PBT。

2.1 包塑成型技術

包塑成型的方式有多種，嵌入成型也可歸結為特殊的包塑成型方式。嵌入成型與包塑成型的不同主要在于內核材質的不同，嵌入成型的內核一般為金屬件，而包塑成型的內核多為塑料件或是一次成型階段材料成型的過渡件［5］。覆蓋材料與基體材料的結合強度直接影響產品的插拔次數即力學性能，擬通過設計合理的過渡塑料件結構，實現兩次成型階段材料的有效結合。

2.2 包塑成型過渡件的設計

（1）過渡件的初始設計。

根據前述的一次成型過程中的Moldflow充模過程和嵌件變形可知，鋁針在填充過程中彎角處受到的沖擊比較大，鋁針的變形主要集中在中間偏上部分，故包塑嵌件（過渡件）的結構設計主要考慮鋁針彎角處至變形最大位置區(qū)域的變形情況。圖8為工藝過渡件初始模型。其中，過渡件初始設計如圖8a所示，注塑后添加鋁針的嵌件效果如圖8b所示。

圖8　 工藝過渡件初始模型

過渡件形狀比較簡單，呈階梯狀，把兩層鋁針固定成一個整體，避免鋁針受到沖擊后發(fā)生相互偏移。過渡件上鋁針四周壁厚比較均勻，可使鋁針周圍有均勻的收縮率，減小內應力和變形，從而減少鋁針之間由于收縮不均造成的誤差。并且過渡件上面有兩個凸臺，能在合模時將過渡件牢牢壓緊，實現對嵌件的精確定位，避免嵌件發(fā)生整體偏移。

利用Moldflow軟件對過渡件的包塑成型進行模擬仿真。定義過渡件成型為第一次注射，包塑成型為第二次注射，工藝設置的熔體溫度為252℃，模具表面溫度為55℃。

圖9中標識區(qū)域為包塑成型界面重新熔化區(qū)域，該區(qū)域主要分布在過渡件的邊界棱角部分，且面積比較小，不足以形成良好的界面結合過渡層［6-7］。所以初始設計的過渡件不能夠形成足夠的結合強度來保證產品質量。

圖9　 包塑成型界面重新熔化區(qū)域

（2）過渡件結構優(yōu)化設計。

為了提高覆蓋材料與基體材料的結合強度，防止嵌件受力時在制品內轉動或脫出，在過渡件結構上面設計一些特征來加強連接［8］。過渡件優(yōu)化設計如圖10a所示，注塑后添加鋁針的嵌件效果圖如10b所示。

圖10 工藝過渡件結構優(yōu)化模型

從圖10可以看出，結構優(yōu)化后的過渡件長度明顯增加，加強了過渡件對鋁針的定位，且過渡件設計有較多的凸狀或凹狀結構特征，甚至部分區(qū)域采用鏤空設計，這種機械鎖定的設計方法可以形成牢固的結合，提高材料的結合強度。過渡件邊角部分采用倒圓和倒角，這樣有助于降低應力集中，還可為聚合物熔體提供流暢的流道，使部件易于脫膜［9］。

圖11中紅色區(qū)域為結構優(yōu)化后包塑成型界面重新熔化區(qū)域。

圖11　 結構優(yōu)化后界面重新熔化區(qū)域

從圖11可見，該區(qū)域分布更廣，仍然主要分布在邊界棱角部分，但結構優(yōu)化后過渡件設計有凸狀或凹狀結構特征，這樣可以提高覆蓋材料與基體材料的結合強度，保障產品質量。

2.3 在注塑過程中嵌件的變形

與前述一次成型嵌件受力變形分析過程一致，先通過Moldflow軟件對包塑成型注塑過程進行模擬分析，以獲取所需的壓力數據。再利用ANSYS Workbench軟件對嵌件進行變形分析。

由于在填充過程中鋁針彎角處受到的沖擊比較大，且過渡件體積較大，上面有兩個凸臺用于定位，所以只對鋁針嵌件的彎角處進行變形分析。最終所獲得的簡化三維模型如圖12所示。

圖12 　包塑成型嵌件三維模型

定義材料屬性，鋁針材料為純鋁。過渡塑料件材料為PBT，彈性模量為2.6×103MPa，泊松比0.4，密度為1 258.5 kg /m3。對模型進行網格劃分。在嵌件兩端和過渡件的兩個凸臺施加固定約束。依次輸入各面的壓力值。然后對嵌件的總變形和應力進行求解?？傋冃吻蠼饨Y果如圖13所示。嵌件的最大變形量為0.015 mm。變形值在產品的控制范圍內，滿足產品的精度要求。所以認為包塑成型重疊注塑工藝可以解決一次成型過程中嵌件變形的問題，使產品滿足使用要求。

圖13 　嵌件總變形

3 　結論

ANSYS Workbench和Moldflow軟件耦合是一種分析嵌件在注塑過程中變形的有效方法。該方法可以判斷產品設計的合理性，優(yōu)化產品工藝，提高產品質量。

對于含有多嵌件的接插件類零部件，由于一次成型的注塑成型工藝可能使嵌件發(fā)生變形，可以采用包塑成型的嵌件定位技術，實現嵌件之間的精確定位，提高產品的成型質量。

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Effect of Injection Molding Process on Insert Deformation of Package Molding

Zhu Lukun1， Liao Qiuhui1， Chang Jingfang1， Jiang Ting2
（1. College of Materials Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China；2. Suzhou Beiweier Precision Industry Co.， Ltd.， Suzhou 215126， China）

The insert stress deformation during car connector molding process was analysed by using ANSYS Workbench software，the deformation of fine needle-like insert was studied during injection molding process. The optimized solution of package molding process was adopted with intention to design a piece of process transition，positioning fine needle-like insert，molding the insert injection by using craft transition piece and analysing the stress deformation of insert during package molding process. Actual production show that the package molding overlap injection process scheme can improve the quality of product to meet the requirements.

ANSYS Workbench software；car connectors；inserts；package molding

TQ320.66

A

1001-3539（2016）09-0057-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.012

*國家自然科學基金項目（51275283），上海工程技術大學研究生科研創(chuàng)新項目（16KY0514）

聯系人：祝璐琨，碩士研究生，主要從事塑料成型工藝研究

2016-07-02