黃力，許傲

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，貴州凱里 556000）

用Moldflow設(shè)計(jì)汽車后保險(xiǎn)杠支架注塑模具*

黃力，許傲

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，貴州凱里 556000）

介紹了一種汽車后保險(xiǎn)杠左右支架塑料件的模具設(shè)計(jì)，首先分析了汽車后保險(xiǎn)杠左右支架的形狀結(jié)構(gòu)和成型工藝難點(diǎn)問題，而后運(yùn)用Moldflow進(jìn)行了澆注系統(tǒng)有效性驗(yàn)證分析；CAE分析結(jié)果中，針對(duì)性地分析了充填時(shí)間、壓力、平均溫度、熔接痕、氣穴位置等與注塑生產(chǎn)難點(diǎn)問題直接相關(guān)的結(jié)果，并給出了最終的注塑機(jī)試模參數(shù)，為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了精確的設(shè)計(jì)依據(jù)；最后著重闡述了基于UG-HB_Mould6.6外掛的模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)方法綜合運(yùn)用模具CAD/CAE技術(shù)，將生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和有限元分析技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將模具試模前的潛在技術(shù)難題集中在設(shè)計(jì)階段解決，提高了模具的生產(chǎn)效率。

保險(xiǎn)杠支架；模流分析；Moldflow；外掛；注塑模具

Moldflow在汽車大型注塑模具領(lǐng)域有著重要作用，隨著汽車行業(yè)新車更新的速度加快，汽車模具企業(yè)通過輔助手段，在保證塑料件品質(zhì)的前提下，降低模具的非合理性成本，提高塑料件的一次性試模成功率顯得非常重要。汽車后保險(xiǎn)杠左右支架是汽車尾部吸能防撞的一對(duì)左右對(duì)稱的重要零件，其不但承擔(dān)后保險(xiǎn)杠的安裝扣接功能和吸能避沖擊保護(hù)功能，還是尾部其它功能塑料件的中間扣接聯(lián)結(jié)件，塑料件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際模塑成型時(shí)塑料件缺陷問題也比較多［1-4］，基于憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、模具制造完成后驗(yàn)證性成本高，且難以保證質(zhì)量。

筆者采用UG軟件及其外掛HB：Mould6.6與模流分析軟件Moldflow2015相結(jié)合，進(jìn)行汽車后保險(xiǎn)杠塑料件的模塑成型結(jié)構(gòu)性分析以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1　塑料件結(jié)構(gòu)及模塑工藝分析

1.1塑料件結(jié)構(gòu)

圖1為汽車后保險(xiǎn)杠支架結(jié)構(gòu)圖。尺寸為?309.9 mm×84.6 mm×58 mm，平 均 壁 厚2.8 mm，主體壁厚3 mm，筋位及延伸位平均2 mm。塑料件為左右對(duì)稱件，一套包括2個(gè)鏡像對(duì)稱塑料件。塑料件主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是形狀不規(guī)則，俯視圖正面有兩個(gè)尺寸分別為?50 mm×15 mm，?47 mm ×16 mm的圓凹，圓凹剖面壁厚尺寸變化大；前側(cè)邊鋸齒狀卡口特征多，背面仰視圖側(cè)交叉筋位多且較深，上述特征在塑料件注塑時(shí)，將影響料流的充填流動(dòng)性；并且邊沿高低不平鋸齒狀特征影響模腔的分型設(shè)計(jì)、后續(xù)加工及分型面的修配。

圖1　塑料件結(jié)構(gòu)圖

1.2模塑工藝分析

圖2為分型設(shè)計(jì)圖。塑料件材料選用聚丙烯（PP）-T20，該塑料件不能出現(xiàn)缺料欠注、局部變脆、滯留斑及熔接裂紋等。由于塑料件眾多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致其實(shí)際注塑時(shí)料流截面變化大、流動(dòng)拐角地方比較多及側(cè)邊尖小末端多，易導(dǎo)致料流跑動(dòng)紊亂，特別是側(cè)邊尖末端特征Ⅰ、圓心散射狀特征Ⅱ和Ⅲ、末端窄平臺(tái)特征Ⅳ、交叉多向筋位特征Ⅴ，如圖2a所示。因而塑料件成型的最大難點(diǎn)是注塑平衡性和充填飽滿性，需借助CAE分析來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？紤]到塑料件為雙件對(duì)稱成套塑料件，如果澆口位置的選擇采用中央進(jìn)料的點(diǎn)澆口，則模具結(jié)構(gòu)要選用三板模，其尺寸加大，流道廢料增多，生產(chǎn)成本將直線上升。所以，該塑料件的模具結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)采用一模兩板側(cè)邊進(jìn)澆口比較合適。另外，考慮到塑料件的特點(diǎn)，采用了熱流道+冷流道+潛伏式澆口澆注方式［5-6］，如圖2b所示。

圖2　分型設(shè)計(jì)

1.3分型及澆注設(shè)計(jì)

分型位置的選用以塑料件底部周圍最大輪廓邊沿為分型線其位置如圖2b所示。為降低分型面上流道的加工難度及配模難度，中央糅合面上流道位置設(shè)計(jì)成圓臺(tái)型流道平臺(tái)。澆注位置的選取則結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及綜合考慮模具結(jié)構(gòu)設(shè)置要求得到［7-10］，澆注系統(tǒng)采用熱流道+冷流道+潛伏式澆口方式如圖3所示。

圖3　澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2　基于Moldflow的模流分析

2.1FEM模型

通過Moldflow2015軟件可知，F(xiàn)EM模型最大縱橫比為12.37，平均1.81，最小1.13，節(jié)點(diǎn)數(shù)84 072，單元數(shù)量42 088，網(wǎng)格匹配率為92.3%，模型如圖4所示。初始分析類型依次為“澆口位置”、“成型窗口”、“快速充填”，從“快速充填”色帶圖可以得出，依照前述經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的模型中部?jī)?nèi)邊沿處即圖4模型中設(shè)置的澆口為較理想位置。從理論上講，這個(gè)初步分析結(jié)論是合理的，但還不能作為最終分析結(jié)果，需要在此基礎(chǔ)上結(jié)合流動(dòng)分析方式做進(jìn)一步分析。

圖4　FEM模型

2.2流動(dòng)分析

對(duì)上述快速填充分析結(jié)果做進(jìn)一步流動(dòng)分析，分析方式選用“填充+保壓+翹曲”方式，進(jìn)一步了解圖2a中特征Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ等處的充填情況，以及確定注塑機(jī)實(shí)際注塑成型工藝參數(shù)。

（1）充填時(shí)間及壓力。

圖5為填充結(jié)果。從圖5a的時(shí)間分布看，左右兩個(gè)塑料件對(duì)應(yīng)的對(duì)稱位置上料流達(dá)到的時(shí)間一致，左右兩個(gè)模腔澆注平衡；同模腔內(nèi)前后末端位置充填都為2.733 s，這說明兩端料流到位的時(shí)間也是同步的，但所需壓力不相同，前端Ⅳ特征區(qū)域末端壓力已降低至0.2 MPa左右，下端末端壓力3.2 MPa左右，這說明同模腔內(nèi)充填終端存在壓力不平衡，壓差為3 MPa左右，低于10 MPa，理論上此壓差可以接受，各特征末端欠注的可能性排除，模具設(shè)計(jì)時(shí)，特征Ⅳ末端應(yīng)增加排氣措施；同時(shí)，從另外的剪切速率分析，最大剪切速率在澆口位置，其值為22 142 s-1，小于材料限值24 000 s-1，因而注塑燒焦問題可能性小。

圖5　填充結(jié)果

（2）平均溫度。

圖6為溫度分析結(jié)果。從圖6a可以看出，左右兩模腔中的中央部位熔體平均溫度較高，在特征Ⅰ～Ⅳ末端熔體平均溫度下降很快，但區(qū)域很小，說明末端區(qū)域存在微弱的滯流或流動(dòng)。熱斑區(qū)溫度為235℃，雖高于設(shè)定的推薦溫度230℃，但還是低于聚合物的降解溫度280℃，說明模腔內(nèi)剪切熱不高，材料無(wú)降解，不會(huì)導(dǎo)致塑料件變脆、黑斑等成型缺陷。同時(shí)，由圖6b可見，特征Ⅰ～Ⅳ末端冷凝層厚度因子基本小于0.25，表明塑料件末端不會(huì)提前完全冷凝，不會(huì)出現(xiàn)凝固熔體被推向塑料件表面而在表面形成滯流斑。

圖6　溫度分析結(jié)果

（3）熔接痕及氣穴。

圖7為熔接痕及氣穴分析結(jié)果。比較長(zhǎng)的熔接痕出現(xiàn)在圖7a中所示K1，K2，K3區(qū)域，最長(zhǎng)的為6.8 mm左右，夾角均在102°以下，適當(dāng)提高模具溫度2～5℃可以消除。空穴結(jié)果如圖7b所示。大部分氣穴出現(xiàn)在塑料件的邊緣和分模線處，空氣可由模具分型面間隙排出，特征Ⅱ，Ⅲ處由于筋位影響，出現(xiàn)了跑道效應(yīng)，在底部形成了氣穴，必須在氣穴處增加排氣，模具設(shè)計(jì)須設(shè)置頂針排氣方式，以避免氣穴出現(xiàn)在塑料件內(nèi)部。

圖7　熔接痕及氣穴分析結(jié)果

2.3注塑機(jī)試模工藝參數(shù)

注塑機(jī)的基本性能參數(shù)如圖8所示。

塑料件質(zhì)量為116.23 g，流道質(zhì)量3.29 g，推薦螺桿曲線如圖8a所示［11-12］，結(jié)合注塑機(jī)參數(shù)， 塑 料件所需注塑螺桿推進(jìn)長(zhǎng)度為32.8 mm，所需推薦螺桿曲線立刻轉(zhuǎn)變成實(shí)際注塑機(jī)能輸人的體積參數(shù)后，如圖8c所示，注塑機(jī)控制所需的螺桿位置設(shè)置如圖8b所示。保壓起始位置為6.6 mm。

圖8　實(shí)際注塑螺桿位置設(shè)置

對(duì)上述螺桿位置的設(shè)置做進(jìn)一步驗(yàn)證，將分析結(jié)果匹配應(yīng)用于實(shí)際注塑過程，以控制和確保塑料件注塑質(zhì)量，保證實(shí)際注塑效果。最終獲得的注塑機(jī)工藝參數(shù)如表1所示。

表1　注塑機(jī)操作工藝

3　模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1模芯布局、分型設(shè)計(jì)

模芯的上模芯271 mm ×411 mm×130 mm，下模芯271 mm×411 mm×115 mm，模芯內(nèi)塑料件布局為一腔二模，分型設(shè)計(jì)如圖2所示，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示，為保證注塑時(shí)注塑壓力對(duì)上、下模芯擠壓而造成上、下模芯配合誤差，在模芯前后設(shè)計(jì)有D3，D4 2個(gè)楔緊臺(tái)，左右兩側(cè)設(shè)計(jì)有D1，D2 4個(gè)楔緊臺(tái)，如圖9所示。

圖9　模芯設(shè)計(jì)

產(chǎn)品在4個(gè)方向特別是Y方向高低不對(duì)稱，注塑時(shí)容易跑偏，而且模具工作一段時(shí)間后，型腔、型芯比較容易出現(xiàn)錯(cuò)位問題，因此在整體式模板上設(shè)計(jì)了楔緊臺(tái)進(jìn)行成型件定位，通過楔緊臺(tái)斜度塊進(jìn)行定位設(shè)計(jì)，保證了工作狀態(tài)下成型件配合的同步性，提高了模具使用壽命。

3.2模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示。模具為兩板式模具，模架選用龍記兩板模模架，模具總高度561 mm［10-14］。

圖10　模具結(jié)構(gòu)圖

（1）模具澆注系統(tǒng)零件包括定位圈1、熱流道嘴2、拉料桿18以及安裝螺釘，拉料桿直徑?8 mm，頂端采用“Z”字形設(shè)計(jì)。冷卻系統(tǒng)中主型腔、主型芯冷卻水管道直徑?12 mm，上、下模水路采用隨形水路方式，上模冷卻水為In1～I(xiàn)n3 3條水路，下模為In4～I(xiàn)n6 3條水路，如圖11所示。

（2）排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模腔的排氣依靠排氣槽和型芯上的頂針孔間隙來(lái)完成；型腔側(cè)排氣槽的設(shè)計(jì)為距分型線5 mm寬度，深度為0.02 mm，引氣槽寬度12 mm，深度0.3 mm；型芯側(cè)頂針孔排氣其間隙值不能大于材料的飛邊值，設(shè)計(jì)為0.015 mm。

（3）定位及導(dǎo)向件。定位組件包括上模芯定位楔緊塊6、鎖模片8、下模芯定位楔緊塊10等。為保證上下模芯配模時(shí)的定位一致性，上下模芯分別以同一邊為基準(zhǔn)，由上模芯定位楔緊塊6、下模芯定位楔緊塊10分別楔緊安裝。模具的導(dǎo)向由四角四副?42 mm導(dǎo)柱/導(dǎo)套完成。

（4）模具頂出機(jī)構(gòu)配件包括復(fù)位桿耐磨塊9、頂針17、支撐柱20、限位塊21，塑料件頂出高度45 mm，頂出限位由限位塊21實(shí)現(xiàn)，頂針由28根?8 mm、14根?5 mm頂針組成，頂針底部削邊定位；為增強(qiáng)下模板強(qiáng)度，下模板11的強(qiáng)度支撐由4根?50 mm支撐柱20來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖11　冷卻水路設(shè)計(jì)

4　結(jié)語(yǔ)

（1）在綜合分析塑料件的成型工藝難點(diǎn)問題的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了非傳統(tǒng)的熱流道+冷流道+潛伏式澆口澆注方式，給出了能滿足實(shí)際注塑機(jī)使用的合理的注塑機(jī)試模工藝參數(shù)。

（2） CAE分析中，突破Moldflow軟件網(wǎng)格劃分設(shè)計(jì)的局限性，協(xié)同運(yùn)用hypermesh完成高質(zhì)量網(wǎng)格的設(shè)計(jì)，CAE分析精度和質(zhì)量得到有效的提升。

（3）結(jié)合模流CAE分析結(jié)果，完成了塑料件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用二維AutoCAD Yanxiu—Box外掛、UG-HB_Mould6.6外掛進(jìn)行模具協(xié)同設(shè)計(jì)，可有效保證模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

（4）針對(duì)產(chǎn)品4個(gè)方向特別是在Y方向高低不對(duì)稱，注塑時(shí)容易跑偏和模具工作一段時(shí)間后，型腔、型芯易錯(cuò)位的問題，進(jìn)行成型件定位創(chuàng)新，保證了工作狀態(tài)下成型件配合的同步性，提高了模具使用壽命，為同類塑料件的模具設(shè)計(jì)提供了有益借鑒。

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Injection Mould Design for Car Rear Bumper Bracket Using Moldflow

Huang Li， Xu Ao
（Department of Electrical Engineering ， Guizhou Electronic Information Career Technical College， Kaili 556000， China）

A mould design was introduced which for car rear bumper’left and right bracket. First of all，the automobile rear bumper’shape structure and forming technological difficult problems were analyzed，then the gating system validation was analysised using Moldflow. Fill time，pressure，average temperature，weld line，cavitation position directly related to difficult problems in the injection molding production were analyzed， in CAE analysis results， and also， the final of mould testing parameters injection molding machine were given，and CAE results provide the accurate basis data for the mould structure design. At last，the last design of the overall structure based on UG-HB_Mould6.6 plug were focused. This comprehensively use of CAD/ CAE technology，produce experience and finite element analysis technology was organically combined，potential technical problems before molding were solved focusing on the design stage， the mould production efficiency was improved.

bumper bracket； die flow analysis； Moldflow； plug in； injection mould

TP319

A

1001-3539（2016）10-0076-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.016

*貴州省信息產(chǎn)業(yè)廳科研項(xiàng)目（12jxw12336-04）

聯(lián)系人：黃力，副教授，主要從事模具設(shè)計(jì)與制造及教學(xué)、科研工作

2016-07-15