王 鳳，周 濱，卜繼玲，劉廣華

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

汽車A柱下飾板注射成型工藝仿真分析

王 鳳，周 濱，卜繼玲，劉廣華

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

采用正交試驗(yàn)和Moldflow數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)汽車A柱下飾板的注射成型過(guò)程進(jìn)行了分析，研究了模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間和保壓壓力等工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力和翹曲變形的影響。通過(guò)極差分析得到，熔體溫度對(duì)翹曲變形影響最大，保壓壓力對(duì)殘余應(yīng)力影響最大，最佳工藝參數(shù)組合為模具溫度40℃，熔體溫度205℃，注射時(shí)間5s，保壓壓力45MPa；通過(guò)仿真分析與實(shí)際成型方案進(jìn)行比較，汽車A柱下飾板的翹曲變形由3.847mm降為3.121mm，殘余應(yīng)力由66.95MPa降為65.21MPa。

Moldflow；A柱下飾板；注射成型；仿真分析；殘余應(yīng)力

0 前言

隨著中國(guó)汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)汽車內(nèi)飾塑料構(gòu)件提出了越來(lái)越高的要求。注射成型是制造復(fù)雜形狀塑料制品最常用的方法之一，具有形狀尺寸精確、生產(chǎn)效率高、可加工塑料種類多、適合批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，因而在汽車內(nèi)飾塑料構(gòu)件生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。在注射成型過(guò)程中，殘余應(yīng)力和收縮變形是影響注塑制品外觀和性能的最關(guān)鍵因素之一。收縮變形與殘余應(yīng)力的產(chǎn)生有著直接的聯(lián)系，主要受成型過(guò)程中溫度和壓力的歷史影響[1]。

本研究以汽車內(nèi)飾件A柱下飾板為例，運(yùn)用CAE軟件Moldflow和正交實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合的方法進(jìn)行多指標(biāo)仿真實(shí)驗(yàn)，研究不同成型工藝參數(shù)對(duì)制件最終殘余應(yīng)力和翹曲變形的影響程度，尋求最優(yōu)的成型方案，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考意見。

1 模流分析前處理

1.1 塑件的結(jié)構(gòu)工藝性分析

汽車A柱下飾板外觀要求嚴(yán)格，壁薄，易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和翹曲變形等產(chǎn)品缺陷。其在轎車內(nèi)飾件中為左右對(duì)稱件，常采用一模兩腔的模具注射成型。塑件主體厚度為2.5mm，加強(qiáng)筋厚度為1.5mm，外形尺寸338.4mm×290.0mm×132.4mm（左），338.4mm×288.5mm×132.5mm（右），其三維實(shí)體模型如圖1所示。實(shí)際注塑過(guò)程中采用的材料為聚丙烯/20%滑石粉。仿真分析過(guò)程中選用Moldflow材料數(shù)據(jù)庫(kù)自帶材料 ME232U（聚丙烯/20%滑石粉，制造商：Borealis），其物理性能參數(shù)如表1所示。

圖1 汽車A柱下飾板三維實(shí)體模型Fig.1 Geometric model for lower plaque for A－pillar of vehicle

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模型前處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接決定分析結(jié)果的精度。首先將A柱下飾板3D數(shù)模導(dǎo)入CAD doctor中進(jìn)行模型修復(fù)與簡(jiǎn)化，以便在劃分網(wǎng)格時(shí)得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，將修復(fù)后的模型以＊.udm格式導(dǎo)入到 Moldflow，為提高分析的精度，選擇網(wǎng)格類型為Fusion。設(shè)置澆注系統(tǒng)和流道系統(tǒng)，選擇柱體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)自動(dòng)劃分后的網(wǎng)格運(yùn)用Moldflow軟件系統(tǒng)修改工具進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)。最終制件網(wǎng)格數(shù)目為50898，節(jié)點(diǎn)數(shù)為26897，網(wǎng)格匹配率為92%，此網(wǎng)格構(gòu)造良好，完全滿足分析要求。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

表1 材料物理性能參數(shù)Tab.1 Physical parameters for the materials

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Mesh results

2 正交試驗(yàn)

2.1 正交表的選用

應(yīng)力集中和翹曲變形是汽車A柱下飾板常見的產(chǎn)品缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的外觀和性能，本研究選定殘余應(yīng)力和翹曲變形量作為主要實(shí)驗(yàn)指標(biāo)來(lái)評(píng)估試驗(yàn)方案的優(yōu)劣。以模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間和保壓壓力4個(gè)成型工藝參數(shù)作為正交試驗(yàn)因素，分別用A、B、C、D表示。假設(shè)各因素之間不存在交互作用，根據(jù)Moldflow系統(tǒng)推薦的成型工藝參數(shù)范圍，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，選用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[2－4]。選取的因素水平如表2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Moldflow軟件進(jìn)行模流分析，根據(jù)正交試驗(yàn)法，共需進(jìn)行9組分析，正交實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平Tab.2 Factors and level of orthogonal experiment

2.3 極差分析

為獲取各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。差值R越大，說(shuō)明該值對(duì)指標(biāo)的影響程度越大，各因素的極差分析結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，對(duì)制品翹曲量影響最大的因素為熔體溫度，其他因素依次為注射時(shí)間、模具溫度和保壓壓力。對(duì)制品殘余應(yīng)力影響最大的因素為保壓壓力，其次為熔體溫度、模具溫度和注射時(shí)間。根據(jù)成型要求，翹曲變形量越小越好，選定的優(yōu)化組合為A2B1C3D2。殘余應(yīng)力越小越好，選定的優(yōu)化組合為A3B3C2D1。

表3 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Data for simulations

表4 極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results

綜合考慮，由于保壓壓力對(duì)殘余應(yīng)力的影響顯著，對(duì)翹曲變形量影響不明顯，減小保壓壓力，可以極大地降低制品殘余應(yīng)力。熔體溫度對(duì)翹曲變形量影響顯著，但是對(duì)殘余應(yīng)力影響不明顯，通過(guò)分析比較，選定的最優(yōu)組合為A2B1C3D1，即模具溫度為40℃，熔體溫度為205℃，注射時(shí)間為5s，保壓壓力為45MPa。選定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，運(yùn)用Moldflow軟件再次進(jìn)行仿真分析。

3 最優(yōu)參數(shù)組合仿真結(jié)果分析與探討

3.1 殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力主要來(lái)源于兩個(gè)方面：首先，在充模和保壓階段，熔體的黏性流動(dòng)產(chǎn)生流動(dòng)殘余應(yīng)力與材料的分子取向有關(guān)；其次，成型過(guò)程中制品的各個(gè)部分的溫度和壓力歷史均不相同，這種不均衡的冷卻產(chǎn)生溫度殘余應(yīng)力。其中，溫度殘余應(yīng)力一般比流動(dòng)殘余應(yīng)力大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，是殘余應(yīng)力的主要來(lái)源[5－7]。

由圖3分析可知，殘余應(yīng)力峰值51.78MPa出現(xiàn)在澆口附近，覆蓋范圍小。塑件絕大部分應(yīng)力值集中在25～30MPa之間，充填末端區(qū)域峰值分布在35～40MPa之間。適當(dāng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間，可將殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置控制在充填末端區(qū)域，但是會(huì)擴(kuò)大峰值出現(xiàn)的范圍，本文不做進(jìn)一步的探討。

圖3 殘余應(yīng)力分析Fig.3 Residual stress analysis

3.2 翹曲分析

翹曲是指不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的制件缺陷。導(dǎo)致翹曲變形量過(guò)大的原因有收縮不均勻、冷卻不均勻和取向不均勻。圖4和圖5所示為制件的翹曲分析結(jié)果，將變形量放大10倍，可以看到塑件產(chǎn)生了明顯變形，其中線框?yàn)槲醋冃尾糠?，影像為已產(chǎn)生翹曲變形部分。

從圖4可以看出，由各種因素引起的翹曲變形綜合結(jié)果最大為3.1208mm，其中由于不均勻冷卻引起的最大翹曲變形為0.8183mm，由于不均勻收縮引起的最大翹曲變形為3.4758mm，由于塑料分子取向不均引起的翹曲變形為0。由此可知，引起塑件翹曲變形的主要原因是材料的收縮不均引起的。由圖5進(jìn)一步分析材料在不同方向上對(duì)塑件翹曲變形的貢獻(xiàn)度，比X方向最大變形為4.651mm，Y方向最大為3.525mm，Z方向最大為4.265mm。由于各方向最大變形出現(xiàn)位置不相同，總變形量有一定程度的降低。

3.3 方案對(duì)比

A柱下飾板現(xiàn)在采用的工藝方案為：模具溫度55℃，熔料溫度225℃，注射時(shí)間4s，保壓壓力55MPa，與最優(yōu)方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，殘余應(yīng)力由66.95MPa降為65.21MPa，翹曲變形量由3.847mm降為3.121mm。因?yàn)樗芰喜牧显诔尚瓦^(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生體積收縮，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和實(shí)際成型工藝的影響，容易造成殘余應(yīng)力和翹曲變形等產(chǎn)品缺陷。借助正交試驗(yàn)法和Moldflow仿真模擬相結(jié)合的方法，可以使得制品的性能和外觀品質(zhì)有明顯的改善，從而證明了改進(jìn)方案的優(yōu)越性，對(duì)比結(jié)果如表5所示。

圖4 不同因素對(duì)翹曲變形的影響Fig.4 Influence of different factors on warp deformation

圖5 不同方向的翹曲變形量Fig.5 Warp deformation along different directions

表5 改進(jìn)方案與原有方案對(duì)比Tab.5 Contrast of improvement program and original program

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用正交試驗(yàn)法和Moldflow仿真模擬相結(jié)合的方法，有效的解決了以往成型工藝參數(shù)設(shè)置不合理的現(xiàn)象，避免了各因素單獨(dú)分析的片面性，可減少傳統(tǒng)試模修模的次數(shù)，降低模具成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)；

（2）在所選工藝參數(shù)范圍內(nèi)，熔體溫度對(duì)制件翹曲變形量的影響最大，熔體溫度越高，制件翹曲變形越大；模具溫度、注射時(shí)間和保壓壓力影響相對(duì)較??；

（3）在所選工藝參數(shù)范圍內(nèi)，保壓壓力大小對(duì)制件的殘余應(yīng)力影響最大，模具溫度、熔體溫度和注射時(shí)間影響相對(duì)較??；保壓時(shí)間長(zhǎng)短直接影響殘余壓力峰值出現(xiàn)的位置，保壓時(shí)間短，峰值出現(xiàn)在澆口位置，保壓時(shí)間長(zhǎng)，峰值出現(xiàn)在充填末端區(qū)域。

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Injection Molding Simulation of Lower Plaques for A－pillars of Vehicles

WANG Feng，ZHOU Bin，BU Jiling，LIU Guanghua
（Zhuzhou Times New Material Technology Co，Ltd，Zhuzhou 412007，China）

Using orthogonal experiments and Moldflow simulation，the process in the injection molding of lower plaques for A－pillars of vehicles was simulated.The influences of different molding process parameters such as mold temperature，melt temperature，injection time，and packing pressure on the warp deformation and residual stress were studied.It was found that the melt temperature constituted the most influential factor to warp deformation，packing pressure was the most influential factor to the residual stress.A set of optimal process parameters was found to be mold temperature 40℃，melt temperature 205℃，injection time 5s，the packing pressure 45MPa.Compared with regular processing parameters，warp deformation decreased from 3.847mm to 3.121mm，residual stress decreased from 66.95MPa to 65.21MPa.

Moldflow；lower plaque for A－pillar；injection molding；simulation；residual stress

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）08－0085－05

2012－03－13

聯(lián)系人，wangfeng4＠teg.cn