林建兵

LIN Jian-bing

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣元 628017）

0 引言

工程塑料在汽車(chē)制造領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，尤其汽車(chē)內(nèi)飾件中采用塑料的比例更高，汽車(chē)內(nèi)飾件采用塑料制品不僅能滿(mǎn)足乘坐舒適性與安全性的要求，同時(shí)可減輕汽車(chē)重量，節(jié)省燃油，還可降低制造成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝等，本文選取典型汽車(chē)內(nèi)飾件塑料儀表板組件為例，運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)產(chǎn)品注塑成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值化模擬分析，通過(guò)分析數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)優(yōu)化模具方案，提升產(chǎn)品質(zhì)量，控制產(chǎn)品缺陷。

1 內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

內(nèi)飾件是汽車(chē)結(jié)構(gòu)重要的組成部分，具有功能多、零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)外觀面質(zhì)量要求高，并且方便裝配與拆卸，基于這些要素下現(xiàn)內(nèi)飾件多由塑料原料制成，且多采用熱塑料性塑料注塑而成，汽車(chē)儀表板、車(chē)門(mén)內(nèi)飾板等均屬典型的內(nèi)飾件，在現(xiàn)代家用轎車(chē)的開(kāi)發(fā)中多采用ABS、PPO等常用工程塑料為主要成分的原料制成，ABS、PPO等材料為通用工程塑料，使用性能方面具有剛性大、耐熱性高、阻燃性好、機(jī)械強(qiáng)度高；同時(shí)還具有耐磨、無(wú)毒、耐污染等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)正迎合了汽車(chē)內(nèi)飾件的使用要求；物理性能方面它密度小，對(duì)減輕汽車(chē)重量有積極促進(jìn)意義，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度均較高；成型性能方面，屬熱塑性塑料，材料塑性較好，可一次性成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的塑件，在成型工藝方面多采用國(guó)內(nèi)較為成熟的注塑工藝直接成型。

2 注塑成型模擬分析

圖1為某品牌汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)飾板，產(chǎn)品尺寸大，形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)上孔位和扣位較多，背部分布有多個(gè)凸臺(tái)、內(nèi)筋等結(jié)構(gòu)，同時(shí)產(chǎn)品除少數(shù)裝配部位外其余外觀面要求作腐蝕紋理處理，質(zhì)量要求較高，產(chǎn)品由ABS為主要成分的共混塑料制成，制造工藝上采用傳統(tǒng)的注塑生產(chǎn)工藝。

圖1 產(chǎn)品三維圖

2.1 設(shè)計(jì)模具澆注方案

產(chǎn)品采用注塑成型工藝，產(chǎn)品最大外輪廓尺寸為1180×880×185mm，基礎(chǔ)壁厚為3mm，基于產(chǎn)品尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較小，因此在注塑填充過(guò)程中難度較大，如何設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)就顯得尤為重要，不能只憑單一的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可融合CAE技術(shù)來(lái)進(jìn)行指導(dǎo)性設(shè)計(jì)，我們選用Moldflow軟件對(duì)澆口位置進(jìn)行分析，需要首先對(duì)三維模型進(jìn)行處理，在UG軟件里將.prt文件格式轉(zhuǎn)換為.stl格式，然后導(dǎo)入軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Moldflow軟件提供3種網(wǎng)格類(lèi)型：實(shí)體網(wǎng)格（solid）、表面網(wǎng)格（fusion）和中層面網(wǎng)格（midplane），考慮到產(chǎn)品尺寸大，壁厚小，為提高網(wǎng)格質(zhì)量和減小計(jì)算量，選擇中層面網(wǎng)格（midplane），并通過(guò)網(wǎng)格處理工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，最終獲得滿(mǎn)足分析要求的網(wǎng)格模型[1]，網(wǎng)格模型的各項(xiàng)主要指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 midplane 網(wǎng)格數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 澆口位置分析

考慮到產(chǎn)品為大型薄壁件，普通冷流道注射系統(tǒng)難以滿(mǎn)足填充要求，且冷卻時(shí)間更長(zhǎng)，取料方式較復(fù)雜，注塑冷料多，流道廢料多，因此在澆注方案上優(yōu)先采用熱流道澆注系統(tǒng)，同時(shí)產(chǎn)品尺寸跨度大，結(jié)合Moldflow軟件澆口位置分析結(jié)果，確定在產(chǎn)品四個(gè)角落位置及產(chǎn)品中部方孔邊沿處各設(shè)置一個(gè)進(jìn)澆口，同時(shí)遵循澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不同澆口位置的下游料流量都近似相等的原則[2]， 合理布局澆口位置和調(diào)整澆口尺寸，具體結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品澆注方案

2.2 注塑工藝參數(shù)設(shè)置

優(yōu)異的模具澆注方案還需配置合理的成型工藝，才能獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，在運(yùn)用軟件正式分析之前，必須對(duì)成型工藝進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)置過(guò)程中應(yīng)充分考慮到產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)和尺寸，讓成型工藝參數(shù)盡量貼近生產(chǎn)實(shí)際，這就需要設(shè)計(jì)者具有相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，或者在CAE分析過(guò)程中應(yīng)有模具工程師的參與或指導(dǎo)。結(jié)合該產(chǎn)品實(shí)際，模具溫度和熔體溫度選用Moldflow軟件推薦工藝參數(shù)，模具溫度設(shè)定為50℃；熔體溫度為250℃；保壓方式由恒壓保壓改為分段恒壓式，具體為：第一保壓階段由于產(chǎn)品變形量大，采取高保壓，設(shè)定為注射壓力100%，時(shí)間約為0~4s；第二段保壓壓力略為減小，但仍處于高壓狀態(tài)，設(shè)定為注射壓力的80%，時(shí)間為填充末端壓力最大時(shí)間與壓力為零時(shí)間的平均值，時(shí)間約為4s～18.45s；第三段保壓值取注射壓力50%，時(shí)間為第二段保壓結(jié)束到澆口凝固的總時(shí)間[3]，時(shí)間約為19s～78.80s ，相應(yīng)的保壓曲線(xiàn)如圖4所示，同時(shí)模流分析過(guò)程選擇考慮澆口面及冷流道，考慮模具的熱膨脹系數(shù)與角效應(yīng)，然后進(jìn)行模擬分析。

圖4 保壓曲線(xiàn)

2.3 數(shù)值化模擬分析及評(píng)價(jià)

通過(guò)選擇Moldflow的流動(dòng)+翹曲分析功能對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行數(shù)值化模擬分析，通過(guò)對(duì)分析數(shù)據(jù)的讀取與查詢(xún)，對(duì)注塑成型的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)。首先通過(guò)充填時(shí)間與充填區(qū)域動(dòng)態(tài)圖可知，塑件在5個(gè)澆口的共同充填，型腔在3.327s被充滿(mǎn)，澆口1填充區(qū)域面積最大，澆口5填充區(qū)域面積最小，并可初步判斷熔體的壓力降與溫度降不大，V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)壓力分布圖顯示了填充結(jié)束后型腔及流道內(nèi)的壓力分布情況，型腔內(nèi)壓力分布較均勻，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)不良影響，填充分析各主要指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示，通過(guò)總結(jié)分析可見(jiàn)該方案滿(mǎn)足填充要求。

圖5 填充時(shí)間與填充區(qū)域分析

表2 注塑工藝各項(xiàng)主要指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 缺陷分析及解決方案

產(chǎn)品在澆注時(shí)為五澆口同時(shí)進(jìn)澆，有效地減小了熔體的溫度降和壓力降，同時(shí)縮短了熔體的充模流程，避免產(chǎn)品表面產(chǎn)生虎皮紋，一定程度提高了表面質(zhì)量，但產(chǎn)品因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)澆口較多，無(wú)法避免會(huì)產(chǎn)生一些產(chǎn)品缺陷，下面對(duì)該產(chǎn)品所產(chǎn)生的一些注塑件常見(jiàn)缺陷進(jìn)行分析總結(jié)。

3.1 熔接痕

圖6 熔接痕與溫度分布疊加圖

熔接痕是塑料件中常見(jiàn)缺陷之一，在型腔中的兩股熔體相遇時(shí)就會(huì)形成熔接痕[5]，該產(chǎn)品方案中澆口較多，因此在型腔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)位置熔體相遇的情況，熔接痕數(shù)量較多，通過(guò)查看分析結(jié)果，可知圖6左圖中所示位置均會(huì)產(chǎn)生熔接痕，同時(shí)把熔接痕分析圖與溫度分析圖疊加分析，各熔接痕的熔接溫度250℃~252℃之間，熔接溫度均接近熔體最大前沿溫度，因此熔接強(qiáng)度較高，對(duì)產(chǎn)品使用不會(huì)造成明顯影響，但這些熔接痕始終會(huì)降低產(chǎn)品外觀面的質(zhì)量，較明顯的熔接痕在要求較高的汽車(chē)內(nèi)飾件中是不允許出現(xiàn)的，為了解決這一問(wèn)題，我們可在模具結(jié)構(gòu)方案中進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在原來(lái)的澆注方案的基礎(chǔ)上采用順序閥熱流道來(lái)進(jìn)行填充，讓位于產(chǎn)品中部的澆口5針閥先打開(kāi)，然后結(jié)合熔體流動(dòng)過(guò)程依次打開(kāi)其他針閥的形式來(lái)進(jìn)行填充，可有效控制熔接痕的產(chǎn)生，同時(shí)為了避免產(chǎn)生困氣現(xiàn)象，可在模具型腔對(duì)應(yīng)位置增加專(zhuān)門(mén)的排氣槽結(jié)構(gòu)，這樣也會(huì)對(duì)熔接痕的控制帶來(lái)積極的影響。

3.2 翹曲變形

產(chǎn)品為車(chē)門(mén)內(nèi)飾板，結(jié)構(gòu)上屬薄壁板類(lèi)零件，使用上要求易裝配易拆卸，因此需嚴(yán)格控制翹曲變形量，控制翹曲變形可先從產(chǎn)品設(shè)計(jì)入手，在產(chǎn)品背面增設(shè)凸臺(tái)，加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，本產(chǎn)品已作此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選擇適合的工藝參數(shù)，在工藝設(shè)置時(shí)把默認(rèn)的恒壓保壓方式調(diào)整為分段恒壓的保壓方式，同時(shí)考慮模具的熱膨脹系數(shù)，角效應(yīng)等因素對(duì)翹曲變形的影響，同時(shí)還可適當(dāng)調(diào)節(jié)注射壓力大小，具體設(shè)置上文已有闡述，設(shè)置后使成型方案更貼近生產(chǎn)實(shí)際，便于模具調(diào)試操作，按照此方案運(yùn)用軟件進(jìn)行翹曲變形模擬分析（如圖7所示），由分析數(shù)據(jù)可得：模具收縮與角效應(yīng)因素對(duì)翹曲變形影響最大，具體的變形量如表3所示，產(chǎn)品最大綜合總變形量為3.695mm，對(duì)產(chǎn)品使用無(wú)明顯影響，證明此方案符合生產(chǎn)要求。

圖7 翹曲變形分析

表3 翹曲變形量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)產(chǎn)品注塑過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值化模擬分析，進(jìn)而對(duì)成型方案作出了有效地檢驗(yàn)與改進(jìn)，通過(guò)對(duì)分析結(jié)果的比較、總結(jié)，獲得了可行性較好的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為后序的模具方案設(shè)計(jì)及成型工藝調(diào)節(jié)提供了指導(dǎo)性意見(jiàn)，為汽車(chē)內(nèi)飾件的制造提供了有力的技術(shù)支持和理論依據(jù)，同時(shí)促進(jìn)汽車(chē)工業(yè)與模具工業(yè)的共同發(fā)展。

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