王云宗

（廣汽三菱汽車有限公司， 湖南 長沙 410100）

隨著樹脂行業(yè)不斷的創(chuàng)新和發(fā)展， 塑料產(chǎn)品在當代社會非常普及。 為實現(xiàn)車輛減重和燃油排放要求， 對于汽車的用材， 各汽車生產(chǎn)廠商有意用樹脂材料替代金屬材料。從上世紀90年代開始， CAE技術(shù)的運用日趨成熟， 目前汽車行業(yè)使用Moldflow軟件進行保險杠的成型性能分析， 從而識別潛在風險并迅速制定對策， 有效降低開發(fā)費用和縮短開發(fā)周期。

1 保險杠產(chǎn)品分析

1.1 材料物理性能

根據(jù)成本、 開發(fā)周期和交貨周期確認基本的備用材料，然后再根據(jù)此保險杠造型特點， 選擇收縮率較低、 流動性較好的聚丙烯 （PP）， 為保證有良好柔韌性， 加入適量的橡膠體 （EPDM） 和滑石粉 （TD20）。 考慮到高分子聚合物的合成、 加工及使用過程中， 其壓力（P）-體積（V）-溫度（T）關(guān)系對高分子材料加工條件和性能有很大影響， 所以需要對材料的粘度 （圖1） 和PVT屬性 （圖2） 進行確認。

圖1 粘度曲線

圖2 PVT曲線

1.2 厚度

因保險杠為汽車產(chǎn)品的外觀面， 既要滿足整車造型的要求， 又要求產(chǎn)品有優(yōu)質(zhì)的外觀品質(zhì)， 產(chǎn)品的表面不得有劃傷、 縮痕、 飛邊、 翹曲變形等不良缺陷。 保險杠的厚度不僅關(guān)乎外觀品質(zhì)問題， 還影響到保險杠的成本。 保險杠的材料成本往往占總成本的40%， 使用薄壁塑件能大大降低塑件的用料成本， 同時還能縮短注塑成型時的冷卻時間，降低生產(chǎn)工時， 提高生產(chǎn)效率。 為實現(xiàn)上述要求， 選擇保險杠基本厚度為2.2mm。

1.3 工藝分析

因保險杠尺寸較大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 注塑成型時采用一模一出結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。 為保證車輛整體造型的統(tǒng)一， 通常會對保險杠進行涂裝、 涂裝加蝕紋相結(jié)合的表面處理工藝。 為保證外觀品質(zhì)， 需要保險杠有良好的注塑成型品質(zhì)和涂裝品質(zhì)， 尤其是注塑成形中的隱性不良缺陷會因涂裝時的高溫烘烤而顯現(xiàn)。

2 模流分析模型的建立

2.1 前處理

在利用Moldflow進行分析之前， 對產(chǎn)品進行網(wǎng)格劃分，因網(wǎng)格劃分的品質(zhì)將會影響到后續(xù)分析的準確度， 因此需要進行多次的反復(fù)修改。 本次保險杠采用雙層面創(chuàng)建模型，網(wǎng)格數(shù)量為461042， 平均縱橫比為2.32， 單元匹配率為89.2%， 保證分析數(shù)據(jù)的準確度。 前處理模型如圖3所示。

圖3 前處理模型

2.2 澆口和流道的選擇

對于注塑產(chǎn)品而言， 澆口和流道的選擇是獲得合格產(chǎn)品的關(guān)鍵。 保險杠尺寸大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 為保證產(chǎn)品有良好的外觀品質(zhì)， 實現(xiàn)進膠順暢， 減少模具內(nèi)應(yīng)力， 采用15個點進膠， 6 道順序閥進行填充 （G1-G2G3-G4G5G6G7-G8G9-G10G11-G12G12G14G15）， 采用形狀為T型， 膠口位置放側(cè)方的方式澆注塑膠。 大寬邊為15mm， 高度為1.2mm；短寬邊為8mm， 高度為8mm。 熱流道管ψ6mm。 流道和澆口如圖4所示。

圖4 流道和澆口

2.3 工藝參數(shù)的設(shè)置

模具表面溫度設(shè)置為40℃±2℃， 熔體溫度設(shè)置為220℃±3℃， 注塑溫度為117℃。 保壓時間和冷卻時間根據(jù)Moldflow系統(tǒng)默認設(shè)定。

3 模流填充分析

填充分析主要確認材料能否在注塑過程中填充滿型腔，填充過程中能否保證模具內(nèi)部的平衡， 并根據(jù)填充的狀態(tài)判定模具的結(jié)構(gòu)、 注塑設(shè)備及成型工藝參數(shù)是否合理。

3.1 填流時間分析

填流時間指材料注滿模具型腔所需時間。 通過Moldflow的分析， 產(chǎn)品的注塑時間為7.2s， 產(chǎn)品在成型過程中沒有堵塞。 平衡充模， 保險杠的各個遠端亦在同一時刻充滿。填流時間模型如圖5所示。

圖5 填流時間模型

3.2 壓力分析

由于壓力會影響到模具內(nèi)部的穩(wěn)定， 一般都會要求各型腔壓力盡可能均勻。 從圖6可見， 保險杠在填充時， 注塑及型腔最大壓力分別為60.13MPa和57.74MPa， 壓力分布較均勻。 保險杠結(jié)束填充時， 壓力分布是均勻的， 沒有突變壓力現(xiàn)象。 如圖7所示。

圖6 注塑壓力

圖7 型腔壓力

3.3 流動前沿溫度分析

流動前沿溫度指的是前鋒流溫度， 因前鋒溫度與產(chǎn)品品質(zhì)有較大關(guān)系， 因此合理的前沿溫度應(yīng)該是均勻分布的。還有前鋒溫度和剪切速率， 從圖8可分析出流動前沿到達位于有限元中心的指定點時聚合物的溫度200℃， 流動前沿主體溫度在材料允許范圍內(nèi) （134.0~211.5℃）。

圖8 流動前沿溫度

3.4 剪切速率分析

因剪切速率與表觀粘度的關(guān)系對注塑時間有較大影響，所以需要分析剪切速率。 從分析結(jié)果顯示最大剪切速率值89942 1/s （圖9澆口處） 在材料允許范圍 （最大剪切速率為100000 1/s） 內(nèi)， 對產(chǎn)品品質(zhì)不會有影響。

圖9 剪切速率

3.5 注塑設(shè)備分析

為確認注塑設(shè)備能夠滿足要求， 確認其注塑壓力和鎖模力， 通過分析可知在5.75s時達到最大68MPa。 壓力小于注塑設(shè)備壓力的70% （140MPa×70%=98MPa）， 見圖10。 鎖模力最大為2800T， 小于注塑設(shè)備鎖模力 （3000T）， 見圖11。

圖10 注塑壓力

圖11 鎖模力

3.6 產(chǎn)品品質(zhì)分析

凍結(jié)層因子反映的是產(chǎn)品的凝固順序， 從分析結(jié)果（圖12） 上看， 產(chǎn)品基本依次凍結(jié)。 熔接線指的是兩股料流匯聚區(qū)域因材料熱量損失， 融合處所產(chǎn)生的痕跡。 從分析結(jié)果 （圖13） 可看出熔接線形成時的熔體溫度高于料溫的最低溫， 可保證保險杠形成品質(zhì)較好的熔接線。

圖12 凍結(jié)層因子

圖13 熔接線

3.7 氣穴分析

因材料從各個方向流向同一個節(jié)點時就會形成氣穴。從分析結(jié)果 （圖14） 可看出， 氣穴都位于分型面時， 氣體可以排出， 產(chǎn)品不會有氣穴發(fā)生的地方。

圖14 氣穴分析

3.8 體積收縮率分析

體積收縮率指的是過渡區(qū)域的體積收縮差值， 此產(chǎn)品的差異小于5%， 表示該產(chǎn)品收縮均勻。 如圖15所示。

圖15 體積收縮率分析

3.9 變形分析

根據(jù)分析的結(jié)果 （圖16~圖19）， 確認產(chǎn)品的整體變形最大為13.11mm， X方向的變形為6.325mm， Y方向的變形為10.51mm， Z方向的變形為6.912mm， 保險杠產(chǎn)品的總體變形符合生產(chǎn)的要求。

圖16 整體變形分析

圖17 X方向分析

圖18 Y方向分析

圖19 Z方向分析

4 結(jié)束語

本文基于注塑的流動理論， 通過Moldflow軟件完成了對保險杠產(chǎn)品的注塑成型有限元分析， 建立保險杠有限元分析的基本流程。

從模流分析結(jié)果確認了產(chǎn)品的成型條件、 注塑設(shè)備，為獲得最優(yōu)的注塑壓力、 保壓時間、 填充時間等工藝參數(shù)提供了重要的理論依據(jù)。

確認了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、 模具設(shè)計的合理性。 降低了產(chǎn)品設(shè)計的潛在失效并大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和開發(fā)成本。