基于CAE的汽車水箱蓋注射成型工藝研究

劉世豪，郭志忠

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南海口570228）

注射成型方法是塑料產(chǎn)品加工成型的主要方法，可快速、高效地成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高的大批量塑料產(chǎn)品[1]。塑料注射成型CAE軟件的發(fā)展十分迅速，其全面提升模具設(shè)計水準(zhǔn)的顯著效果正逐漸為模具界所認(rèn)識[2-3]。注射模CAE技術(shù)可在模具制造前預(yù)測模具在一定的工藝條件下制品的質(zhì)量情況，與傳統(tǒng)模具設(shè)計相比，CAE技術(shù)無論在保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，還是在降低成本、減輕勞動強(qiáng)度等方面，都具有很大的優(yōu)越性[4]，因此在航空制造、汽車、摩托車、家用電器、儀器儀表等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

汽車的組成較為復(fù)雜，其零部件的成型制造技術(shù)一直是重要的研究課題。汽車水箱蓋是一種塑料件，起著密封和保護(hù)水箱的作用，其成型工藝與質(zhì)量是汽車制造領(lǐng)域所關(guān)注的難點和熱點。如：李昆[5]對一種汽車水箱蓋的成型過程進(jìn)行了計算機(jī)仿真分析，研究了主要成型工藝參數(shù)對翹曲變形的影響規(guī)律；張維和[6]針對某種汽車水箱蓋塑件側(cè)向凹凸結(jié)構(gòu)多的特點，設(shè)計了該塑件的注塑模，并采用了熱流道澆注系統(tǒng)；丁華[7]對汽車水箱蓋的塑件結(jié)構(gòu)特點及成形工藝的分析，介紹了多側(cè)孔復(fù)雜零件的模具設(shè)計方法，著重研究了多個側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與排位設(shè)計。綜上所述，對汽車水箱蓋注塑模及其成型工藝進(jìn)行研究是一項十分必要的研究工作，具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。對此，本文在對一種汽車水箱蓋殼件進(jìn)行工藝性分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用UG軟件進(jìn)設(shè)計了汽車水箱蓋殼件注射模，利用Moldflow軟件對所設(shè)計的注射模進(jìn)行仿真，并對注射成型過程進(jìn)行CAE分析，確定最佳澆口位置。根據(jù)CAE分析結(jié)果，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，得到合理的模具設(shè)計方案，可大大縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 塑件工藝性分析

如圖1所示的汽車水箱蓋，選用ABS 工程塑料為原材料，其外形尺寸為90 mm×80 mm×55 mm，塑件壁厚為3 mm。該塑件為殼體件，其內(nèi)表面精度要求一般，外表面的精度要求較高，要求外觀表面光澤，不允許存在飛邊、凹陷流痕等注射缺陷，在模具設(shè)計中要求有良好的加工工藝。ABS 材料的成型工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 汽車水箱蓋塑件

表1 ABS成型工藝參數(shù)設(shè)置

2 Moldflow模流分析

2.1 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行模流分析前，首先將UG軟件中創(chuàng)建的三維實體模型導(dǎo)出為.igs 格式的文件，然后導(dǎo)入到Moldflow軟件，再進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后通過網(wǎng)格統(tǒng)計進(jìn)行網(wǎng)格缺陷修改[8]，網(wǎng)格修改后如圖2所示，網(wǎng)格劃分的作用是便于對注射模具進(jìn)行CAE仿真分析、并兼顧分析求解的準(zhǔn)確性和效率。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 最佳澆口位置分析

澆口位置的合理選擇很重要，關(guān)系到熔體充填模具是否流動平衡，是否能同時充滿型腔，關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件部位是否會出現(xiàn)熔接線，因此合理選擇澆口位置是提高制品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。Moldflow軟件可以根據(jù)模型形狀及相關(guān)工藝參數(shù)、材料參數(shù)，得到最佳澆口位置區(qū)域，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置澆口位置，可避免由澆口位置設(shè)計不當(dāng)可能引起的各種制品缺陷，提高制品成型質(zhì)量[9]。

從圖3可看出，圈選區(qū)域是最佳澆口位置，此位置可作為澆口位置選擇的重要參考信息。

圖3 最佳澆口位置

2.3 澆口設(shè)置

根據(jù)塑件的最佳澆口位置區(qū)域，考慮到熔體的流動、注射塑件的外觀質(zhì)量、成型塑件的力學(xué)性能和模具設(shè)計制造等方面的因素，設(shè)置2種澆口方案，方案1 如圖4a所示，采用冷流道，2個點澆口，主流道為圓錐形，上端直徑為4mm，錐度為1∶1.5，長度為60 mm，橫流道采用圓形，直徑為6 mm。點澆口采用圓錐形，大端直徑為5 mm，小端直徑為2 mm，長度為4 mm。方案2 如圖4b所示，采用冷流道，一個點澆口，主流道為圓錐形，上端直徑為4 mm，下端直徑為8 mm，長度為60 mm，點澆口采用圓錐形，下端直徑為2.5mm。

圖4 澆注系統(tǒng)及填充時間

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 填充結(jié)果分析

填充分析是對塑料熔體從開始進(jìn)入型腔直至充滿型腔的整個過程進(jìn)行模擬，其結(jié)果可用于查看塑件的充填行為是否合理，充填是否平衡，能否完成對塑件的完全填充等，由塑料熔體在型腔中的充填行為來獲得最佳澆注系統(tǒng)設(shè)計。如圖4a所示的方案1的填充時間為0.7519s，填充完全，型腔填充的時間差為0.2066s，填充不平衡，會造成局部過飽壓而翹曲變形。如圖4b所示的方案2的填充時間為0.5931 s，充模完全，各方向的料流流程差較小，型腔填充的時間差為0.0643s，料流平衡。

2.4.2 注射位置處壓力

根據(jù)2種方案設(shè)置澆口的注射位置處壓力圖（圖5）可知，最大注射壓力在60 MPa 內(nèi)，注射處位置壓力相差不大。

圖5 注射位置處壓力圖

2.4.3 氣穴

氣穴指塑料熔體填充型腔時多股熔體前沿包裹形成的空腔致氣體無法排出，或熔料填充末端時因氣體無法從分型面、排氣槽或鑲件間隙排出而導(dǎo)致填充不足的現(xiàn)象。如圖6所示方案1的氣穴位置大部分處于位于制件的邊緣處，可以從分型面排出，小部分位于制件的內(nèi)表面，較難排出，產(chǎn)生困氣后影響制品質(zhì)量。方案2產(chǎn)生的氣穴位置和方案1大小差不多，基本集中在分型面上，氣體容易通過分型面的間隙排除，沒有困氣現(xiàn)象。

圖6 氣穴

綜上分析可知，方案2在塑件表明質(zhì)量、強(qiáng)度、變形等方面都要優(yōu)于方案1，采用方案2作為設(shè)計方案，其所得塑件質(zhì)量穩(wěn)定、性能均勻、基本滿足塑件成型的工藝要求和使用裝配要求。

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計及分析

冷卻系統(tǒng)直接影響制件的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，模溫的波動和分布不均勻，或者是模溫的不適合都會嚴(yán)重影響塑料產(chǎn)品的質(zhì)量。因此設(shè)計合理的冷卻系統(tǒng)顯得尤為重要。

該制件型腔較深，型芯處需加強(qiáng)冷卻，采用隔板式加強(qiáng)冷卻型芯。型腔的冷卻要考慮側(cè)抽芯及導(dǎo)柱的運(yùn)動，不產(chǎn)生干涉，在定模上開設(shè)2 道冷卻水路冷卻型腔，冷卻系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 冷卻水路

圖8 產(chǎn)品最高溫度

圖9 冷卻介質(zhì)溫度

進(jìn)行冷卻分析后，如圖8所示，分析結(jié)果顯示產(chǎn)品最高溫度為71.06℃，低于產(chǎn)品的頂出溫度。如圖9所示冷卻介質(zhì)升溫僅有0.20℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷卻介質(zhì)溫升應(yīng)小于3℃的要求，冷卻系統(tǒng)設(shè)計合理。

3 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

該模具的整體結(jié)構(gòu)如圖10所示，其工作過程為：開模推出塑件后，動模部分由導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)正、定位后向定模部分閉合，由注射機(jī)鎖緊。注射機(jī)注射時，塑料熔體經(jīng)過注射機(jī)噴嘴進(jìn)入澆注系統(tǒng)后充填型腔，待型腔充滿后經(jīng)過保壓壓力保壓、冷卻后開模。開模時，模具從分型面打開，圓管由定模角度滑塊實現(xiàn)管口型芯的抽芯，凹槽由側(cè)耳滑塊實現(xiàn)側(cè)抽芯，塑件包緊在型芯上隨動模部分一起移動。同時，拉料桿將澆注系統(tǒng)的主流道凝料從澆口套中拉出。當(dāng)動模部分移動到能夠推出塑件時，推出機(jī)構(gòu)工作將塑件及澆注系統(tǒng)冷凝料從型芯和冷料穴中推出，塑件與澆注系統(tǒng)凝料一起從模具中落下。合模時，復(fù)位桿使推出機(jī)構(gòu)復(fù)位。

圖10 模具裝配圖

4 結(jié)論

根據(jù)汽車水箱蓋的結(jié)構(gòu)特點與使用要求，設(shè)計采用側(cè)耳滑塊側(cè)抽機(jī)構(gòu)，運(yùn)用UG軟件對汽車水箱蓋及其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，這樣可以在設(shè)計階段將實際生產(chǎn)過程中遇到的問題解決，減少試模次數(shù)，縮短了設(shè)計周期。

利用Moldflow軟件對汽車水箱蓋塑件的澆口位置的優(yōu)化，可得到流動平穩(wěn)，填充時間較短，氣穴數(shù)目少且易排氣，表面質(zhì)量好的澆注系統(tǒng)方案，合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計能大幅減少塑件變形和翹曲現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)模流分析結(jié)果可對汽車水箱蓋注射模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，大大縮短了模具的設(shè)計周期、降低了成本，并提高了設(shè)計質(zhì)量。

[1]莊儉，周剛，李曉衛(wèi).基于Moldflow的注射成型與注壓成型對比研究[J].塑料工業(yè)，2013（8）：46-48.

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[8]屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2008：53-57.

[9]周桂云.基于MPI的注塑件澆口優(yōu)化設(shè)計[J].塑料，2012（5）：110-112.