朱曉東

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南通分院，江蘇南通 226011）

1 引言

方向盤上蓋用于汽車方向盤上面板，如圖1所示，該塑件具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)困難，連接處筋多壁薄，塑件在注射成型過(guò)程中易造成流動(dòng)不勻等缺陷，本塑件安裝于汽車方向盤上蓋，塑件通過(guò)設(shè)計(jì)的塑料卡扣固嵌在方向盤上，本塑料具有較強(qiáng)的塑性與韌性，在不同溫度、不同強(qiáng)度工作條件下，不易變形與開裂，具有較佳的環(huán)保性，人體接觸感舒適等特點(diǎn)。本文運(yùn)用MoldFlow模流分析軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬注射成型分析，結(jié)合分析數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行工藝調(diào)整，最終選擇更加切實(shí)可行的注射工藝，注射過(guò)程中按照填充、冷卻、變形、翹曲進(jìn)行分析調(diào)整，確定分析數(shù)據(jù)，通過(guò)分析研究，能夠?qū)λ芗畛溥^(guò)程中容易產(chǎn)生的填充缺陷提前預(yù)知，為注射模設(shè)計(jì)提供良好的理論支撐，減少塑件設(shè)計(jì)周期，減少企業(yè)設(shè)計(jì)成本。

圖1 汽車方向盤上蓋

2 前期準(zhǔn)備

2.1 分型面的確定

分型面設(shè)計(jì)如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中，需要設(shè)計(jì)外側(cè)抽芯方式，在確定分型面時(shí)，需要擬定側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，外側(cè)采用斜導(dǎo)拄側(cè)抽芯[1]。

圖2 分型面位置

2.2 拔模分析

通過(guò)拔模結(jié)果分析，塑件在四周邊緣設(shè)計(jì)有卡扣，給塑件的脫模造成不便，方向盤中間部分，塑件側(cè)壁向內(nèi)傾斜，不容易脫模，在凸模設(shè)計(jì)過(guò)程中，需設(shè)計(jì)鑲件，方便塑件脫模。

2.3 模型簡(jiǎn)化及錯(cuò)誤修復(fù)

將UG軟件設(shè)計(jì)好的模型以Parasolid文件格式導(dǎo)出，輸出格式為“*.X_T”至CAD Doctor軟件中，對(duì)塑件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除小圓角、小倒角,去除細(xì)小成型特征的目的是因?yàn)樗芗吘壖?xì)小結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格劃分時(shí)，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，出錯(cuò)率高，網(wǎng)格劃分區(qū)域小數(shù)量多，影響分析效率，在模流分析中小區(qū)域?qū)Ψ治鼋Y(jié)果影響甚微，固對(duì)其進(jìn)行去除[2],移除所有1.2mm以下圓角及倒角，將所有的錯(cuò)誤修復(fù)至0，輸出為*.udm格式文件。啟動(dòng)“Autodesk Simulation Moldflow Synergy 2015”軟件，以雙層面形式導(dǎo)入“MoldFlow CAD Doctor”修復(fù)完成的塑件，對(duì)塑件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入網(wǎng)格劃分全局邊長(zhǎng)為3mm，合并公差為0.1mm，生成網(wǎng)格如圖3所示[3]。

圖3 網(wǎng)格劃分

采用Moldflow Dorctor軟件設(shè)置不同的分析參數(shù)進(jìn)行嘗試與優(yōu)化，最終將模型配向不正確的單元個(gè)數(shù)、多重邊數(shù)量、網(wǎng)格自由邊格數(shù)、完全重復(fù)單元全部修復(fù)為0，通過(guò)對(duì)雙層面網(wǎng)格匹配診斷，網(wǎng)格匹配數(shù)為72,198，非匹配數(shù)為15,484，邊99,446，匹配百分比為88.2%，接近90%，相互百分比為85.5%，平均縱橫比為2.28，對(duì)模型每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察，劃分的網(wǎng)格模型清晰完整，無(wú)任何明顯的瑕疵，網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，基本滿足冷卻、填充、保壓、翹曲分析要求[4]。

圖4 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 澆口位置分析

澆口位置的選擇對(duì)塑件注射成型至關(guān)重要，該塑件因壁薄且體積大，宜采用多澆口進(jìn)行注射，采用單澆口易造成注射壓力過(guò)大，保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，塑料流動(dòng)困難等缺陷，通過(guò)軟件分析與實(shí)驗(yàn)比較最終澆口數(shù)量設(shè)為4個(gè)，材料選擇ABS，分析得出最佳澆口位置，如圖5所示，然后進(jìn)行快速充填分析。

圖5 澆口位置

由分析信息可以看出，充填過(guò)程中檢測(cè)到短射，在充填塑件之前，流動(dòng)前沿已凝固，通過(guò)觀察結(jié)果，填充時(shí)間如圖6所示，3個(gè)邊緣處充填時(shí)間不平衡，左端比右端、上端先到達(dá)，容易產(chǎn)生過(guò)保壓，通過(guò)對(duì)澆口位置多次進(jìn)行手工調(diào)整，最終確定方案如圖7所示[5]。

圖6 填充時(shí)間

圖7 調(diào)整后的澆口位置

4 填充、冷卻、變形、翹曲分析及優(yōu)化

分析序列切換成型窗口，對(duì)工件進(jìn)行成型窗口分析，求得最佳的工藝條件[6]。根據(jù)軟件分析結(jié)果可得，注射過(guò)程中模具表面溫度控制50℃左右，熔體溫度220℃附近。分析得出成型質(zhì)量（成型窗口）：成型質(zhì)量曲線如圖8所示，找出成型質(zhì)量最高的點(diǎn)為0.2553s,然后估算流道體積，將總的充填時(shí)間設(shè)為1s，速度/壓力切換設(shè)為自動(dòng)，保壓控制設(shè)為自動(dòng)，做一次充填分析。通過(guò)分析得出充填時(shí)間為1.091s，速度/壓力切換時(shí)的壓力為25.21MPa，流動(dòng)前沿溫度為240.4℃。當(dāng)注射時(shí)間為1.091s時(shí)，總體溫度為245.4℃，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為81.34s，填充末端總體溫度為244.5℃，柱體時(shí)間為1.091s時(shí)，流動(dòng)速率為282.7cm3/s，填充末端凍結(jié)層因子為0.8184，最大鎖模力約為40～50t。

圖8 質(zhì)量（成型窗口）：XY圖

根據(jù)設(shè)定的分析參數(shù)，采用MoldFlow軟件對(duì)方向盤上蓋注射模型進(jìn)行填充、冷卻、變形、翹曲進(jìn)行模擬注射成型分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝調(diào)整[7]，通過(guò)不斷分析與數(shù)據(jù)對(duì)比，擬定適合的注射工藝參數(shù)，對(duì)塑件注射過(guò)程中的出現(xiàn)的填充不當(dāng)、冷卻不勻、變形過(guò)大、翹曲嚴(yán)重等缺陷進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。由分析軟件計(jì)算出最佳參數(shù)，確定回路冷卻溫度為25.01℃～29.37℃，回路流動(dòng)速率控制在4.234[lit/min]，回路管壁溫度最高為25.37℃～35.44℃，塑件達(dá)到規(guī)定溫度的時(shí)間為36.65s，塑件在注射過(guò)程中產(chǎn)生的最高溫度為174.3℃，模具最高溫度為173.9℃，塑件注射最大鎖模力為350t，在30s時(shí)，最大注射壓力為158M Pa，速度/壓力切換時(shí)的壓力為158M Pa，塑件頂出時(shí)的體積收縮率為6.65%，填充時(shí)間為1.523s，流動(dòng)前沿溫度為252.5℃，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為48s，塑件中心處的流動(dòng)前沿速度為11,329cm/s，塑件所有變形效應(yīng)如圖9所示， 所有效應(yīng)變形主要集中在X方向的變形，由冷卻不均引起的變形范圍控在0.0009～0.2531mm，由收縮不均引起的變形范圍控制在0.0953～1.272mm。通過(guò)模流分析軟件正確模擬塑料在注射過(guò)程中高溫流動(dòng)溶體的動(dòng)態(tài)填充過(guò)程，避免傳統(tǒng)注模過(guò)程中因塑件注射填充缺陷導(dǎo)致再次返工現(xiàn)象。采用模流分析軟件可以根據(jù)模擬仿真動(dòng)畫提前預(yù)知填充缺陷，結(jié)果更加直觀，有效縮短塑件制造生命周期，提高注射成功概率。采用理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)企業(yè)實(shí)踐結(jié)果反饋該分析方案切實(shí)可行，得到同行的普遍認(rèn)可。

圖9 所有變形效應(yīng)分析

5 模具設(shè)計(jì)

汽車方向盤上蓋模流分析完后，采用UG軟件對(duì)其進(jìn)行注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)建分型面，根據(jù)MoldFlow軟件分析結(jié)果合理設(shè)計(jì)主流道、分流道、澆口等注射模結(jié)構(gòu)[8]，設(shè)計(jì)側(cè)抽芯及導(dǎo)柱、導(dǎo)套，模具結(jié)構(gòu)如圖10所示，模具型腔結(jié)構(gòu)如圖11所示，二維結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖10 模具結(jié)構(gòu)圖

圖11 模具型腔結(jié)構(gòu)圖

圖12 模具二維結(jié)構(gòu)圖