CAE技術(shù)在汽車發(fā)動機罩模具設(shè)計中的應(yīng)用

余 玲，夏秉梅，彭必友

（1．西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610039；2．天津華濤汽車塑料飾件有限公司，天津300000）

CAE技術(shù)在汽車發(fā)動機罩模具設(shè)計中的應(yīng)用

余 玲1，夏秉梅2，彭必友1

（1．西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610039；2．天津華濤汽車塑料飾件有限公司，天津300000）

以汽車發(fā)動機罩的模具開發(fā)為例，采用計算機輔助工程（CAE）技術(shù)和流變學(xué)理論相結(jié)合的方法，設(shè)計其熱流道澆注系統(tǒng)，模擬該汽車發(fā)動機罩的整個注塑過程，對比分析原始設(shè)計方案和優(yōu)化設(shè)計方案，通過實際生產(chǎn)，驗證其可行性，成功獲得合格的產(chǎn)品。

汽車發(fā)動機罩；模具；澆注系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

0 前言

汽車部件塑料化是當(dāng)今汽車制造業(yè)的一大發(fā)展趨勢，越來越多的大型塑件被用于其零部件生產(chǎn)，而如何高效進行模具設(shè)計，從而有效地縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本，已成為零部件廠商關(guān)注的重點。本文以某汽車發(fā)動機罩的模具開發(fā)為例，采用CAE技術(shù)和流變學(xué)理論相結(jié)合的辦法，系統(tǒng)地計算出澆注系統(tǒng)的尺寸，并對原始設(shè)計方案和優(yōu)化設(shè)計方案進行分析對比研究。

1 產(chǎn)品介紹

汽車發(fā)動機罩模型如圖1所示，外形尺寸為591mm×437mm×113mm，主料厚2．5mm。相對主尺寸而言屬于薄殼件，產(chǎn)品反面有螺釘和裝配卡扣，正面表面為黑色細沙紋外觀面，不允許有外觀缺陷和澆口痕跡。由于產(chǎn)品整體尺寸偏大，且有較高的外觀品質(zhì)要求，將模具型腔數(shù)目定為一模一腔。

圖1 汽車發(fā)動機罩模型Fig．1 Model of the car engine hoods

產(chǎn)品材料采用的是質(zhì)量分數(shù)為30%的玻璃纖維增強聚酰胺6（PA6／30%GF），由Rhodia公司生產(chǎn)，牌號為Technyl Star S 218V30Black。材料的主要性能參數(shù)：最大切應(yīng)力0．5MPa，最大剪應(yīng)速率60000s－1，頂出溫度174℃，熔體溫度推薦范圍240～280℃，模具溫度推薦范圍60～100℃。

根據(jù)材料的性能特點，將產(chǎn)品的工藝參數(shù)設(shè)置為：模溫80℃；熔體溫度260℃；速度／壓力控制（V／P）轉(zhuǎn)換98%；保壓壓力分為3段：80%P—80%P—50% P（P為填充的最大注射壓力），保壓時間分別為0、8、12s。

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

由于汽車發(fā)動機罩是屬于中大型制品，從生產(chǎn)成本和品質(zhì)要求等方面綜合考慮，主要采用熱流道澆注系統(tǒng)，根據(jù)流變學(xué)理論初步估算其熱流道尺寸。

2．1 理論基礎(chǔ)

以非牛頓流體在圓形流道中流動時的力學(xué)平衡模型為基礎(chǔ)，采用冪律方程，進行非牛頓校正，推導(dǎo)出式（1）：

式中 γ·——剪切速率，s－1

n——非牛頓指數(shù)

Q——體積流速，cm3／s

d——圓形流道直徑，cm

顯然，只要γ·、n、Q已知，即可求出d。

（1）γ·的取值

通過查閱資料［1－3］，發(fā)現(xiàn)注射過程中熔融塑料流經(jīng)熱主流道的剪切速率為5×103s－1，流經(jīng)熱分流道的剪切速率可取5×102s－1。

（2）Q值的計算對于主流道：

式中 t——填充時間，s

V——填充體積，cm3

對于分流道：

式中 Qi——第i級分流道的體積流速，cm3／s

Qi－1——第i－1級分流道的體積流速，cm3／s

mi——下一級分流道的分支數(shù)

（3）n值的研究

n對于不同的原料具有不同的取值，而且n的取值隨溫度和γ·的不同而不同，因而n的值一般由實驗來確定。

2．2 估算流道尺寸

首先在CAE軟件中按照流動平衡的原則，初步設(shè)置6個進澆點同時注塑進行模擬分析，獲取初始填充時間2．5s，填充體積707．76cm3，進而進行估算熱流道的尺寸。

（1）熱主流道直徑（dS）

將上面的分析結(jié)果代入式（2）得主流道中塑料熔體體積流速Q(mào)S為：

QS＝707．76／2．5≈283．10cm3／s （4）

根據(jù)材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，查得材料在熔體溫度260℃，剪切速率5×103s－1時，非牛頓指數(shù)n＝0．59，將QS代入流變學(xué)公式（1），得

（2）熱分流道直徑（dR）

初步設(shè)置6個熱分流道，根據(jù)式（3）得到分流道中熔體的體積流率（QR）為：

QR＝283．104／6≈47．18cm3／s （6）

根據(jù)材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，查得材料在熔體溫度260℃，剪切速率5×102s－1時，非牛頓指數(shù)n＝0．64，代入相應(yīng)流變學(xué)公式（1），得

以上面的計算結(jié)果作為基礎(chǔ)，為方便制造，采用熱流道廠商的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，將澆注系統(tǒng)尺寸確定為：主流道尺寸D10mm～D12mm；分流道尺寸D12mm。

確定熱流道的尺寸后，再根據(jù)熔體性能、塑件結(jié)構(gòu)、外觀和裝配要求等，將冷流道設(shè)計為D8mm，采用長度10mm的搭接扇形澆口，其尺寸為：20mm× 1．5mm（大端）；8mm×6mm（小端）。

圖2 澆注系統(tǒng)設(shè)計方案Fig．2 Design schemes of two runner systems

2．3 設(shè)計方案

原始設(shè)計方案是根據(jù)客戶建議的澆注系統(tǒng)，如圖2（a）所示，采用6點針閥式熱流道（圖中序號1～6），7點搭接扇形側(cè)澆口。圖2（b）是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)驗和成本要求，按照流動平衡的原則，利用CAE軟件反復(fù)優(yōu)化設(shè)計驗證后得到的澆注系統(tǒng)，采用5點針閥式熱流道（圖中序號1～5），8點搭接扇形側(cè)澆口。

通過反復(fù)的模擬調(diào)整，最終確定了2種方案熱流道針閥的開啟時間，如表1所示。

表1 兩種方案熱流道針閥的開啟時間 sTab．1 Needle valve open time of two hot runner systems s

3 兩種方案的對比模擬分析

針對汽車發(fā)動機裝飾罩的品質(zhì)要求，采用Moldflow軟件的流動分析模塊對2種設(shè)計方案的整個注塑過程進行模擬分析，為正確評估澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案的可行性，下面就根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)考察的重點內(nèi)容，對比分析2種設(shè)計方案的主要模擬結(jié)果。

圖3是2種設(shè)計方案的流動填充狀態(tài)圖，主要通過填充時間來顯示熔體在整個型腔中流動情況。從圖中可以看出，由于產(chǎn)品采用的是順序控制，最先填充的位置都剛好是閥式澆口開啟時間為零的位置，原始設(shè)計方案的熔體是從上向下流動，流程比較長，對于大型批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，容易造成模具局部閉合力不均的問題，而優(yōu)化設(shè)計方案的熔體是由中心向四周擴散，流程比均衡較短，保證模具整體的鎖模力均衡，填充時間也分配均勻，時間相對減少了0．35s左右，縮短了成型周期。

圖3 流動填充狀態(tài)圖Fig．3 Diagram of flow fill state

圖4 速度／壓力控制轉(zhuǎn)換時的壓力分布圖Fig．4 Diagram of pressure at V／Pswitchover

圖4為熔體注射由速度控制轉(zhuǎn)換成壓力控制時的壓力分布圖。從模擬結(jié)果看出，原始設(shè)計方案的最大壓力約為48．68MPa，優(yōu)化設(shè)計方案的最大壓力約為37．13MPa，前者比后者高出12MPa左右，意味著原始設(shè)計方案的熔體在流動路徑上所受阻力較大，必須施加更大的注射壓力才能保證熔體順利充模。而過大的注射壓力容易使塑件產(chǎn)生飛邊和變形，批量生產(chǎn)時還會影響模具的使用壽命。

圖5是熔接痕、氣穴和填充云紋線疊加圖，其中粗的黑色線條顯示的是熔接痕，小圓球是困氣點，細的云紋線條表示填充時熔體流動前沿的擴展情況。從圖中可以看出，雖然合理的調(diào)整了熱流道針閥開啟的時間，避免了由于針閥的提前開啟而造成的熔接痕，但原始方案由于澆口設(shè)置的原因，還是在2個澆口的熔體匯聚處形成了黑色圓圈標(biāo)示的熔接痕，此處的料流匯合呈對流狀態(tài)，角度小于理論的120°，熔接痕長，伴有困氣點，這類熔接痕一般都不容易消除，困氣也會產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，強度較低，會影響塑件的的力學(xué)性能和表面品質(zhì)。優(yōu)化設(shè)計方案沒有在塑件表面形成明顯熔接痕，料流也是由中心向四周流動，有利于推動氣體排出，不會產(chǎn)生困氣，品質(zhì)明顯優(yōu)于原始設(shè)計。

圖5 熔接痕、氣穴和填充云紋線疊加圖Fig．5 Superposed graph of weld lines，air traps and filling cloud line

作為影響塑件裝配的主要考察因素，翹曲變形也是分析研究的重點，圖6中所示的就是產(chǎn)品總體變形量，產(chǎn)品的總變形量顯示的是模型上每一點空間的變形量，以所有變形前的節(jié)點為參照，顯示模型變形后的形態(tài)［4］。原始設(shè)計方案的最大變形量約為10．33mm，最大變形位置在標(biāo)示的產(chǎn)品右上角，優(yōu)化設(shè)計方案由于設(shè)計合理，實現(xiàn)了壓力降的均勻分布，極大地降低了不均勻收縮引起的翹曲變形。最大變形量僅為5．98mm，比原始方案減少了50%左右，最大變形位置在標(biāo)示的產(chǎn)品左邊邊緣部位。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，旁邊設(shè)計有一個固定卡子，在裝配時可以更有效地減少變形，不會影響裝配效果。

圖6 翹曲總變形量Fig．6 Total warping deformation

通過以上的對比分析，優(yōu)化設(shè)計方案無論從成型周期、壓力分布、外觀品質(zhì)和裝配要求等方面來看，都明顯優(yōu)于原始設(shè)計方案。因此，最終將優(yōu)化設(shè)計方案用于汽車發(fā)動機裝飾罩的模具設(shè)計和試模過程中。結(jié)果表明，產(chǎn)品的外觀品質(zhì)和裝配結(jié)果與CAE模擬分析結(jié)果十分吻合，均優(yōu)于客戶要求。圖7是實際生產(chǎn)得到的產(chǎn)品圖。

圖7 產(chǎn)品實物圖Fig．7 Product figure

4 結(jié)論

（1）采用CAE技術(shù)和流變學(xué)理論相結(jié)合的方法，系統(tǒng)的計算出澆注系統(tǒng)主、分流道的尺寸，為此類大型復(fù)雜模具的設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)，提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性和實用性；

（2）利用數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計汽車發(fā)動機裝飾罩的澆注系統(tǒng)，合理控制針閥的開關(guān)時間，優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，解決潛在的缺陷，有效提高產(chǎn)品品質(zhì)，極大地縮短模具開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益。

［1］唐志玉 ． 塑料模流變學(xué)設(shè)計［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1991：49－79．

［2］李伊熙，駱秀云．汽車塑料應(yīng)用手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1989：90－92．

［3］董祥忠．超大型塑料注射模的設(shè)計［J］．塑料工業(yè)，1995，25（3）：26－30．Dong Xiangzhong，The Design of Super－large－scale Injection Mold［J］．China Plastics Industry，1995，25（3）：26－30．

［4］湯小東．基于Moldflow的汽車格柵零件澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［J］．塑料科技，2012，40（9）：68－70．Tang Xiaodong．Optimal Design of Gating System for Car Grille Parts Based on Moldflow［J］．Plastics Technology，2012，40（9）：68－70．

《泡沫塑料——機理與材料》簡介

發(fā)泡本身是一種動態(tài)而且復(fù)雜的過程，涉及到科學(xué)原理和控制加工工藝的工程參數(shù)。本書的主要目的之一是要透徹理解泡沫塑料的基本機理和材料性能。第1章介紹了泡沫塑料的機理和所用材料?；緳C理似乎對所有泡沫塑料都適用，因為泡沫塑料都是通過發(fā)泡制得的，其中涉及到泡孔成核、長大和穩(wěn)定等機理。第3章和第5章專門討論了上述機理。

盡管發(fā)泡是一種不穩(wěn)定的、具有動態(tài)復(fù)雜性的相分離過程，但材料強度對決定泡沫塑料的發(fā)泡程度和泡孔結(jié)構(gòu)起著決定性的作用。第2章專門討論了材料強度，因為材料強度對熱塑性塑料的擠出發(fā)泡非常重要。第4章、第6章和第7章深入討論了不同泡沫塑料的制備工藝，其中包括熱塑性泡沫塑料、熱固性軟質(zhì)和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。我們希望本書能深入全面地分析泡沫塑料的機理、材料性能及其之間的相互關(guān)系。

本書對正在進行基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家、化學(xué)家和工程師們透徹理解發(fā)泡機理和材料性能有所幫助，促使其取得更大成績。本書也可以用作碩士研究生的教科書和大學(xué)泡沫塑料課程的參考書。

該書是Polymeric Foams：Mechanisms and Materials的中譯本，由北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所張玉霞、王向東翻譯，由化學(xué)工業(yè)出版社出版。

《泡沫塑料——法規(guī)、工藝和產(chǎn)品技術(shù)與發(fā)展》簡介

自20世紀(jì)60年代以來，聚合物泡沫塑料技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項穩(wěn)固的產(chǎn)業(yè)，幾乎影響了現(xiàn)代生活的各個方面。泡沫塑料行業(yè)已經(jīng)渡過了70年代的能源危機，解決了80年代的臭氧問題和90年代的回收／再利用問題。但是，發(fā)展和社會環(huán)境前進的步伐又在迅速變化，將關(guān)注點更加堅定地聚焦在性能、可持續(xù)發(fā)展資源和能源安全上?！杜菽芰稀ㄒ?guī)、工藝和產(chǎn)品技術(shù)與發(fā)展》一書不僅探索了這一領(lǐng)域新的理念、創(chuàng)新和發(fā)展，還提出了有關(guān)泡沫技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展方向的全球性觀點。

特點：（1）討論了新的工藝，包括泡沫注射成型的分析；（2）探索發(fā)泡注射成型領(lǐng)域的創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)和新技術(shù)；（3）涵蓋了納米可生物降解泡沫、其他新型泡沫、能源安全泡沫和可持續(xù)發(fā)展泡沫的開發(fā)與應(yīng)用；（4）提出了泡沫塑料從20世紀(jì)50年代發(fā)展到21世紀(jì)的全球性生產(chǎn)的歷史性觀點。

與今天其他大多數(shù)領(lǐng)域一樣，人們朝著環(huán)境友好、滿足特殊應(yīng)用而提高性能方向所進行的努力推動著研究和開發(fā)。本書不僅提供了一幅開發(fā)過程的圖畫，還涵蓋了泡沫行業(yè)新的發(fā)展方向及其對現(xiàn)在和未來發(fā)展的影響。該書是Polymeric Foams：Technology and Developments in Regulation，Process and Products（作者：Shau－Tang Lee，Dieter Scholz）的中譯本，由北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所張玉霞、王向東翻譯，由化學(xué)工業(yè)出版社于2011年8月出版。

Application of CAE Technology in Mold Design of Car Engine Hood

YU Ling1，XIA Bingmei2，PENG Biyou1
（1．School of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2．Tianjin Huatao Automobile Plastic Accessories Co，Ltd，Tianjin 300000，China）

This article reported a case study on the application of CAE technology for mold design of car engine hood．The hot runner system was first designed by combination of CAE technology and rheological theory．The projects derived from the original design and optimized design was analyzed and compared through simulating the whole injection molding process of a car engine hood．The feasibility of the optimized design project was confirmed by the practical production，and the qualified products were also manufactured successfully．

car engine hood；mould；hot runner system；optimized mold design

TQ320．66＋2

B

1001－9278（2017）07－0132－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．022

2017－03－20

聯(lián)系人，yuling1906＠126．com