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【聚焦】碳纤维复合汽车车轮的注塑成型

时间：2019-02-20 04:02:50

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目前，提高燃油效率成为汽车行业面临的重要问题。而轻质部件的应用，例如复合材料车轮，将是减轻整车重量，提升燃油经济性的重要手段。近年来，纤维增强复合材料车轮已有研究，但采用注塑成型工艺的研究尚少。

注射成型是聚合物零件大规模时兼顾成本和时间的有效加工方法。与其他方法相比，其使用热塑性树脂，且在密闭的环境中进行加工，具有环境友好性。此外，该工艺还可生产形状复杂、尺寸较小（如微米级甚至纳米级）的零件。通过对注塑成型过程的数值建模，可以更好地了解整个工艺步骤，包括注塑、保压、冷却和顶出等阶段。通过优化加工条件，数值模拟将节省设计和制造聚合物零件的成本和时间。

本研究对碳纤维复合材料车轮进行了数值模拟分析，预测了填充过程中树脂的流动以及零件在顶出时的变形。还设计了采用嵌件注塑成型来减少零件的变形并改善机械性能。根据压力、纤维取向、变形、弹性模量和残余应力分布评估嵌件注塑件。

有限元模拟

本研究针对碳纤维复合材料车轮的注塑成型工艺，使用有限元法（FEM）Moldex3D®模拟，对整个工艺步骤（注塑、保压、冷却和顶出）进行了建模。模具中的树脂流动受以下方程式如下：

复合材料车轮的形状如图1（a），CAD和有限元模型如图1（b）-（d）。流道和浇口如图2（a），具有螺旋结构九条冷却线如图2（b），整个模具的尺寸为1200 mm×1200 mm×1200 mm，如图2（c）。

对于数值模拟，考虑了两种情况：没有嵌件和带有金属嵌件。如图3（b）所示，金属嵌件位于汽车车轮的上部和下部。模拟中采用40wt%碳纤维填充聚酰胺6（PA6）（Akro-plastic Corporation（AKROMID B3 ICF 40））和铝嵌件。用于数值分析的材料属性是从Moldex3D获得的，处理条件见表1。

结果与讨论

填充型腔所需的浇口压力与填充时间的函数如图4所示。高聚物熔体需要较高的注射压力才能填充模具型腔，并且需要较高的浇道压力才能缩短填充时间。最佳填充时间是浇口压力相对于填充时间在图中的最低点，由图可分析得，带嵌件的最佳时间为1.5s，不带嵌件的最佳时间为7s。通过模拟还可以预测浇口处的冻结时间。不带嵌件和带嵌件的保压时间分别为70s和55s（图5）。铝嵌件的初始温度设置为80℃，冷却时间为900s。

图6示出了熔体在型腔中相对于时间的位移情况。树脂首先填充圆形流道，然后注入腔中。案例1的填充时间为7.077s，案例2的填充时间为1.514s。案例2需要更高的压力，因为其填充时间比案例1的短。因此，案例2的压力场高于案例1。案例2的总重量高于案例1（图7（c）），因为铝的密度（2.7×103kg/m3）高于聚合物的密度（1.31×103kg/m3）。

图8预测了纤维的取向。由于树脂主要沿垂直方向流动，因此在两种情况下纤维都沿该方向。并且带和不带金属嵌件的两种方案纤维取向非常相似。图9示出了模型部件在x、y和z方向上的弹性模量。图中给出了每个方向上的平均模量，带铝嵌件的部件在各个方向上均显示出较高的值。铝的模量为68GPa，碳纤维的弹性模量在纵向为38.2GPa，横向为10.3GPa。对于这两种情况，由于纤维取向的原因，z方向的模量均高于x和y方向的模量。

成型零件的总变形和热残余应力如图10所示。对于案例1，随着与浇口的距离变大，变形增加（图10（a））。在案例2中发现，在嵌件的插入部分所在的上部和下部位置，变形明显减小了（图10（b）），但是中间的变形增加到2mm。另一方面，案例2的残余应力高于案例1，特别是在中部地区。因此，带有嵌件的轮辋在变形方面获得了显着的改善。

小结

本研究对汽车车轮进行了3D注塑成型的数值模拟。研究了树脂流动情况和翘曲；优化型腔中的填充时间并确定浇口冻结时间；评估了金属嵌件对注塑的影响，发现当使用金属嵌件时，零件的变形显着减小。本研究将为通过注塑成型工艺制造汽车车轮提供有意义的指导。

作者：Zheng Min Huang, Hyung Min Kim, Jae Ryoun Youn, and Young Seok Song

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