陶俊，翟豪瑞，洪學(xué)浩，3

(1.鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051； 2.鹽城工學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051；3.臺(tái)灣科盛科技股份有限公司(蘇州)，江蘇蘇州 215008)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)輕量化，最為直接的就是以塑取鋼，所以現(xiàn)在越來(lái)越多的塑料件運(yùn)用到了汽車(chē)上。注射成型因其有著高生產(chǎn)率、產(chǎn)品復(fù)制性高、精度高、可進(jìn)行生產(chǎn)的材料種類(lèi)多等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在汽車(chē)產(chǎn)品制造上。而在傳統(tǒng)的加工過(guò)程中，模具以及產(chǎn)品的一些重要參數(shù)數(shù)據(jù)往往根據(jù)生產(chǎn)者的經(jīng)驗(yàn)所得。注塑模具只有等到全部生產(chǎn)完成進(jìn)行完整裝配，然后進(jìn)行實(shí)際試模生產(chǎn)才能夠驗(yàn)證整體工作是否成功。一套模具往往要經(jīng)過(guò)反復(fù)的試模、修模，才能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。這樣會(huì)對(duì)人力、物力造成極大的浪費(fèi)。而采用CAE技術(shù)便可以有效解決上述問(wèn)題，可有效提高生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本。因此在注塑行業(yè)受到了較為廣泛的運(yùn)用，并且在不斷地給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)變革。筆者以某車(chē)門(mén)內(nèi)飾板為研究對(duì)象，基于田口信噪比的正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合[1–2]。

1 運(yùn)用Moldex3D對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)飾板的分析

1.1 基于Designer對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行前處理

產(chǎn)品模型為車(chē)門(mén)內(nèi)飾板的門(mén)把手，尺寸為380 mm×320 mm×83 mm，主產(chǎn)品模型厚度為3 mm，塑件網(wǎng)格體積為214.8 mm3，產(chǎn)品模型如圖1所示，該產(chǎn)品有許多的卡扣、加強(qiáng)筋、倒圓角、孔洞等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)都不利于有限元網(wǎng)格的劃分。

圖1 注塑模型公母模面

具體的操作步驟如下：

(1)利用UG／NX軟件將繪制好的模型圖以.stp格式將其導(dǎo)出保存。

(2)打開(kāi)Moldex3D Designer并選擇BLM邊界層網(wǎng)格模式。

(3)匯入對(duì)應(yīng)的模型。

①匯入產(chǎn)品.stp格式的模型，將塑件屬性定義為模穴；

②利用CAD doctor對(duì)匯入的產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化及修復(fù)，將其檢查出來(lái)的一些中度以及重度錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)，然后再導(dǎo)出保存，這樣可有效降低網(wǎng)格錯(cuò)誤量，提高網(wǎng)格劃分成功率。

(4)建立流道系統(tǒng)。

如果流道系統(tǒng)全部采用冷流道設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致壓力損失過(guò)大，需要很大的注塑壓力，翹曲變形量會(huì)變大等多種對(duì)塑件質(zhì)量不利的因素，并且產(chǎn)品表面為外觀面，不可直接進(jìn)澆，所以選擇“熱流道+冷流道”結(jié)合的方式，澆口位置使用牛角進(jìn)澆。澆口尺寸為8 mm×1.2 mm，冷流道直徑大小為8 mm，熱流道直徑為10 mm，如圖2所示。

圖2 流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(5)建立冷卻系統(tǒng)。

射出成型制程中，冷卻時(shí)間占了最大的比重，在冷卻階段中有一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng)是至關(guān)重要的。如果冷卻結(jié)束后不能達(dá)到均勻的溫度分布而消除熱應(yīng)力殘留，會(huì)造成收縮不均的現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)冷卻水路時(shí)應(yīng)該改善產(chǎn)品的積熱部位，給定一個(gè)合適的溫度分布，采用母模側(cè)9條水路，公模側(cè)4條水路。并在一些結(jié)構(gòu)較深的部位采用隔板式水路來(lái)提高整體的冷卻效果。普通水路的直徑選用14.5 mm，隔板式水路直徑選用22 mm。具體公母模側(cè)水路如圖3所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(6)生成實(shí)體網(wǎng)格。

此處主要是產(chǎn)生塑件和流道的實(shí)體網(wǎng)格。選擇的是Moldex3D特有的BLM網(wǎng)格，它是由三棱柱網(wǎng)格以及四面體網(wǎng)格搭接而成，在邊界上利用三棱柱網(wǎng)格的高分析精度的特點(diǎn)模擬出固化層剪切生熱的效果，進(jìn)一步提高分析的準(zhǔn)確性。具體的網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖4所示。

圖4 有限元模型及網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)

1.2 田口分析法

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析只針對(duì)平均反應(yīng)做分析[3]，田口分析則同時(shí)強(qiáng)調(diào)平均反應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)差(變異)的分析，所以導(dǎo)入了信號(hào)／噪聲比的概念，最簡(jiǎn)單的信號(hào)噪聲比就是平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值，而田口方法中的S／N比與質(zhì)量損失函數(shù)直接相關(guān)，因此在不同的質(zhì)量特性下有不同的S／N比計(jì)算公式，基本上有三種標(biāo)準(zhǔn)狀況：一是望小，二是望大，三是望目?？紤]到所選質(zhì)量因子Z軸翹曲位移量越小，產(chǎn)品質(zhì)量越好，所以選擇信噪比的望小特征，即質(zhì)量特性之測(cè)量值愈小愈好，S／N為η= –10log(1／n∑y2)，其中n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，y為質(zhì)量特性，S為標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 水平設(shè)定與直交表配置

由于產(chǎn)品型腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及進(jìn)澆方式采用的是單澆口進(jìn)澆，要求選擇的材料具有較好的加工性，要有良好的流動(dòng)性能，而且容易冷卻成型，所以選擇聚丙烯(PP)，材料牌號(hào)為POLYFORT FPP 20T，該材料加工溫度范圍190～250℃，模溫范圍40～70℃，頂出溫度102.93℃，固化溫度122.93℃。

以L9(34)為試驗(yàn)矩陣條件，L9表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)9次，34表示4個(gè)因子3個(gè)水平的控制因子，選取對(duì)翹曲位移量影響較大的塑料溫度、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間為試驗(yàn)因素，再分別選取三個(gè)水平值[4]。具體的水平設(shè)定如表1所示，直交表配置見(jiàn)表2。

表1 水平設(shè)定表

表2 直交表配置

1.4 田口分析結(jié)果

采用Moldex3D專(zhuān)家組分析模式，設(shè)定直交表中不同參數(shù)組合，最后查看每一組的分析結(jié)果。由S／N因子反應(yīng)表可看出對(duì)于Z軸翹曲位移量在A1 (塑料溫度209℃)、B3 (保壓時(shí)間11.025 s)、C3 (冷卻時(shí)間17.85 s)較優(yōu)良，Z軸翹曲位移量S／N因子反應(yīng)表如圖6所示。

圖6 最終Z軸翹曲位移量S／N因子反應(yīng)表

圖7 為最終Z軸翹曲位移量變異數(shù)分析。由圖7變異數(shù)分析可看出各個(gè)因子貢獻(xiàn)度，其中塑料溫度的73%與冷卻時(shí)間的23%對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，保壓時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較小[5]。

圖7 最終Z軸翹曲位移量變異數(shù)分析

圖8 為原始和優(yōu)化分析后Z軸翹曲位移量。通過(guò)圖8發(fā)現(xiàn)原始參數(shù)分析Z軸的翹曲位移量為–0.53～1.11 mm，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后Z軸翹曲位移量為–0.31～0.73 mm，Z軸總體翹曲位移量從1.64 mm降低到了1.04 mm，整體改善了36.5%。通過(guò)圖10可以發(fā)現(xiàn)體積收縮率原始分析結(jié)果為5.731%，最佳參數(shù)組合優(yōu)化分析后結(jié)果為4.057%，整體改善了29%。整體的參數(shù)組合方案滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，接下來(lái)為模具設(shè)計(jì)可以提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖8 原始和優(yōu)化分析后Z軸翹曲位移量

圖9 原始和優(yōu)化分析后體積收縮率

2 模具設(shè)計(jì)的整體方案

2.1 注塑機(jī)的選取

通過(guò)Moldex3D進(jìn)行填充模擬[6]，其模穴體積為V1=214.86 mm3，冷流道體積為V2=4.84 mm3，熱流道體積為V3=20.73 mm3。選擇PP作為材料，因其流動(dòng)性好，其密度ρ為0.92 g／mm3。在不考慮注塑時(shí)冷凝在熱流道上的原料且由于塑件模腔是一模一穴，所以塑件注塑質(zhì)量M=(V1+V2)×ρ=219.7 cc×0.92 g／mm3=202 g。查表得出PP的充填壓力P1=140 MPa與保壓壓力P2=140 MPa，所以注射壓力P注≥140 MPa。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選取注塑機(jī)為海天HTF120型注塑機(jī)，螺桿直徑為40 cm，注塑壓力為200 MPa。

PP的注射壓力取P=140 MPa，注射壓力安全系數(shù)k=1.25～1.4，則1.4P=1.4×140 MPa=196 MPa≤P注=200 MPa，所以注射壓力合格。因此，該注塑機(jī)符合要求，能投入實(shí)際生產(chǎn)，符合該模具的生產(chǎn)需求。

2.2 模具三維模型構(gòu)建

模架一般可分為大水口，細(xì)水口以及簡(jiǎn)化水口三大類(lèi)。本次的模具設(shè)計(jì)，流道系統(tǒng)選擇冷熱流道搭接的方式并且采用的進(jìn)澆方式為潛伏式牛角進(jìn)澆，所以選擇細(xì)水口模架[7]。模具的相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示，內(nèi)飾板模具總裝圖如圖11所示。

圖10 模具相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖11 內(nèi)飾板模具總裝圖

模具材料選擇不僅關(guān)系到整個(gè)模具生產(chǎn)制造的成本，而且對(duì)于使用壽命也有不同影響，尤其像需要對(duì)零件進(jìn)行大批量生產(chǎn)的汽車(chē)模具，選材需要更加謹(jǐn)慎[8]。對(duì)模具關(guān)鍵部位材料做出如表4的選擇。

表4 模具關(guān)鍵部件的材料選擇

2.3 模具工作流程

設(shè)計(jì)的模具整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。模具工作流程為：模具的定模和動(dòng)模在導(dǎo)柱導(dǎo)向的作用下順利完成合模動(dòng)作，注塑機(jī)將熔融的塑料注射入模具型腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)注射、保壓、冷卻、開(kāi)模、合模等過(guò)程。塑料熔體通過(guò)注塑機(jī)噴嘴，依次通過(guò)熱流道澆口套4、熱流道分流板6、熱唧嘴2進(jìn)入模具分型面之間的普通冷流道，最后經(jīng)側(cè)澆口和潛伏式澆口進(jìn)入模具型腔；熔體充滿(mǎn)模具型腔后，經(jīng)保壓和冷卻，當(dāng)固化至足夠剛性后，注塑機(jī)開(kāi)模機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，拉動(dòng)模具從分型面處打開(kāi)。在A，B板打開(kāi)過(guò)程中，接著機(jī)械手取出塑件，最后液壓缸20推動(dòng)推件及其固定板復(fù)位，動(dòng)定模再次合模，為下一次注射成型做準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

圖12 模具整體結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)汽車(chē)內(nèi)飾板的注塑件進(jìn)行分析，用UG／NX三維設(shè)計(jì)軟件完成了零件的模型建立[9]。在田口信噪比下利用Moldex3D模流分析進(jìn)行塑件的注塑模擬，通過(guò)波前流動(dòng)、冷卻分析和翹曲分析，找出塑件注塑的最佳組合參數(shù)，及時(shí)改善模具結(jié)構(gòu)方面的缺陷。本次模具設(shè)計(jì)中采用“熱流道+冷流道”的流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，定位圈和澆口套一體式，澆口采用潛伏式澆口，型腔采用整體式結(jié)構(gòu)，塑件的材料選用PP，模具采用一模一穴結(jié)構(gòu)，分流道截面形狀為圓形，型芯采用組合式結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方法對(duì)汽車(chē)內(nèi)飾板類(lèi)注塑件的模具設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。