基于MPI的汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫麗麗，蘇學(xué)滿

(安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

在注塑件的模具設(shè)計(jì)與制造過程中，為了降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，總是希望能夠在有限的時(shí)間內(nèi)盡可能少地修模和試模。Moldflow作為一款功能強(qiáng)大的模流分析軟件，可以預(yù)測(cè)注塑過程中的最佳澆口位置、制件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間、表面縮痕和翹曲變形等。為此，在注塑模具設(shè)計(jì)初期，可以通過Moldflow[1-4]軟件進(jìn)行輔助分析，對(duì)注射成型過程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷，并在此基礎(chǔ)上對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和優(yōu)化，避免實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)類似的缺陷。

作為汽車內(nèi)部空間的儲(chǔ)物零件，汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒通常采用優(yōu)質(zhì)丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)進(jìn)行注射成型的方法來(lái)生產(chǎn)，加工后的成品制件要求具有較好的強(qiáng)度、剛度和綜合力學(xué)性能。本文利用Moldflow軟件對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒進(jìn)行模流分析，針對(duì)其在注射成型過程中出現(xiàn)的表面凹陷現(xiàn)象嚴(yán)重、冷卻效果較差和翹曲變形較大等諸多缺陷，結(jié)合流道平衡理論，對(duì)澆口數(shù)量和澆道直徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對(duì)冷卻水管與制件各個(gè)部位之間的距離和冷卻水管直徑進(jìn)行重新調(diào)整。在此基礎(chǔ)上再次對(duì)儲(chǔ)物盒進(jìn)行充填、流動(dòng)和冷卻等模流分析后發(fā)現(xiàn)，初始方案中出現(xiàn)的一系列缺陷得到明顯改善或消失，制件成型性能得到提高。并進(jìn)行了汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模具的設(shè)計(jì)，試模加工出了合格的制件，也進(jìn)一步驗(yàn)證了Moldflow軟件模流分析對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。

1 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒初始方案

1.1 儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)分析

圖1 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒Fig.1 The cars ’ built-in storage box

汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒總體尺寸為250 mm×456 mm×138 mm，主要由托盤部分和側(cè)面的兩翼部分組成。托盤部分的表面上分布有縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋和凸起，其一端的下沉區(qū)域類似于矩形凹槽，長(zhǎng)度、寬度和深度分別為76.7、363.07、45 mm。兩翼部分呈扇形，扇面半徑為147.5 mm，其上分布著許多半徑不等、圓心相同的圓弧形凸起，并有多個(gè)大小不等、形狀各異的圓孔和方孔，結(jié)構(gòu)如圖1所示。此外，儲(chǔ)物盒不同部位的壁厚也不相同，其壁厚分布圖如圖2所示。加工時(shí)采用UMG ABS Ltd公司的ABS材料，牌號(hào)為UMG ABS GSM。加工后的塑件要求外觀質(zhì)量良好，表面不能有縮痕凹坑和熔接痕等缺陷，滿足尺寸公差要求。

1.2 注塑機(jī)選擇和型腔數(shù)目確定

汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒體積(V)為727 cm3，密度(ρ)為1.05 g/cm3，質(zhì)量(m)為763.35 g。根據(jù)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的體積測(cè)算出最大注射壓力，并初選注塑機(jī)型號(hào)為海天HTF300XA，注射壓力為213 MPa，注射行程為257 mm。考慮到汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒零件的托盤部分和兩翼部分的復(fù)雜性，而且需要大批量生產(chǎn)，故型腔結(jié)構(gòu)采用1模1腔進(jìn)行排布，并布置在模具中心位置。

1.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的澆注系統(tǒng)主要由主流道、分流道、澆口等組成。澆口套外加定位環(huán)固定，以便于澆口套與噴嘴對(duì)中定位。為防止冷料進(jìn)入型腔，主流道下方開設(shè)有冷料穴[5]。主流道截面設(shè)計(jì)為圓錐形，進(jìn)口端的球面半徑為11 mm，主流道的長(zhǎng)度為62 mm。分流道的截面形狀采用梯形，澆注時(shí)采用點(diǎn)澆口在儲(chǔ)物盒托盤的前后左右兩側(cè)分別進(jìn)澆。冷卻時(shí)采用4組冷卻水管，水管直徑為8 mm，與塑件間的距離為18 mm。儲(chǔ)物盒的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)如圖3所示。

此外，考慮到儲(chǔ)物盒塑件的兩翼部分有許多不規(guī)則的側(cè)斜孔和較淺側(cè)凹，所以還需要進(jìn)行側(cè)向分型與抽芯。由于斜滑塊機(jī)構(gòu)比較適合用于帶側(cè)孔但成型面積較大的塑件，能承受較大的抽芯力，而且所需的抽芯距也較小，因此采用斜滑塊抽芯機(jī)構(gòu)來(lái)完成抽芯動(dòng)作。

圖2 儲(chǔ)物盒壁厚分布圖Fig.2 Wall thickness distribution of the cars ’built-in storage box

圖3 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒有限元模型Fig.3 FEM model of the cars ’ built-in storage box

(a)縮痕指數(shù) (b)零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間 (c)總翹曲量圖4 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒初始方案分析Fig.4 The original program analysis of the cars ’ built-in car storage box

2 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒模流分析與結(jié)果

2.1 有限元模型的建立

首先在UG NX8.5中建立汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的三維實(shí)體模型，并以.igs格式文件導(dǎo)入到Moldflow中。并用Fusion網(wǎng)格形式對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最后劃分的網(wǎng)格數(shù)為45 468個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 450個(gè)，平均縱橫比為2.33，如圖3所示。網(wǎng)格的單元匹配率為90.1 %，符合分析計(jì)算的要求。主要進(jìn)行充填、流動(dòng)、冷卻和翹曲四方面的模流分析，并考慮注塑過程中的模具熱膨脹，查找翹曲產(chǎn)生的原因。

2.2 模流分析結(jié)果

2.2.1縮痕缺陷

從圖4(a)的縮痕指數(shù)等值線圖可以看出，儲(chǔ)物盒的縮痕缺陷在不同部位也不盡相同，在托盤部分四周的縮痕指數(shù)較小，約為0.638 2 %～2.005 %左右，在托盤部分的下沉盒體表面加強(qiáng)筋處縮痕指數(shù)最大，其值達(dá)到了4.009 %。由于縮痕指數(shù)反映了儲(chǔ)物盒某位置的縮痕深度與該位置壁厚的比值[6]，所以按照此定義計(jì)算時(shí)，儲(chǔ)物盒最大的縮痕深度達(dá)到了0.120 2 mm，該處的凹陷程度清晰可見。這說明該加強(qiáng)筋處的缺陷較為嚴(yán)重，勢(shì)必影響儲(chǔ)物盒制件的表面質(zhì)量。造成縮痕較大的原因主要有：(1)儲(chǔ)物盒自身表面壁厚不均勻(圖2)，在熔融塑料充填的過程中容易造成流動(dòng)不均衡現(xiàn)象；(2)在澆口方案初始設(shè)計(jì)時(shí)，4個(gè)點(diǎn)澆口在儲(chǔ)物盒托盤的前后左右兩側(cè)分別進(jìn)澆，使得儲(chǔ)物盒的中間區(qū)域成為充填流動(dòng)的末端，也會(huì)造成補(bǔ)縮困難，所以在此位置需要增加澆口來(lái)解決此問題。

2.2.2 制件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

從圖4(b)的零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間等值線圖可以看出，汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒各處達(dá)到頂出溫度的時(shí)間差異很大，左右兩翼部分區(qū)域需要的時(shí)間為54.02～70.13 s，托盤邊緣四周區(qū)域需要的時(shí)間為37.92～44.36 s，托盤邊緣前端中部區(qū)域需要的時(shí)間為63.69～70.13 s，托盤邊緣后端中部區(qū)域需要的時(shí)間竟高達(dá)83.02～92.68 s，這說明制件需要很長(zhǎng)時(shí)間的冷卻才能達(dá)到頂出的要求。也反映出在熔融塑料在經(jīng)過各個(gè)流道的過程中，熱量不能及時(shí)地散發(fā)出去，冷卻系統(tǒng)并未能起到很好的冷卻降溫作用，使得制件的成型周期大大延長(zhǎng)。為此，應(yīng)該對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的冷卻效果。

2.2.3 翹曲變形

從圖4(c)的翹曲變形云圖可以看出，汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒托盤部分的前后左右四角各節(jié)點(diǎn)處的總翹曲量在1.166～1.500 mm之間，兩翼部分左、右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)處總翹曲量分別是1.643 mm和1.566 mm，而兩翼部分連接處的總翹曲量最大，達(dá)到了1.782 mm。過大的翹曲量會(huì)直接導(dǎo)致變形量的增大，對(duì)成型制件的尺寸也會(huì)產(chǎn)生很大影響。

從表1所示的影響翹曲變形的各因素情況可以看出，冷卻引起的翹曲變形量為1.388 mm，收縮引起的翹曲變形量為1.297 mm，而取向和角效應(yīng)引起的翹曲變形量分別為僅為1.455×10-8mm和0.467 3 mm。這說明引起翹曲的主要因素是冷卻和收縮，而取向和角效應(yīng)引起的翹曲變形量很小。因此，為了較大程度地減小塑件的翹曲變形，需要改善熔體的流動(dòng)性和熱收縮變形，也需要合理設(shè)計(jì)澆口的位置和形狀。

表1 影響翹曲變形的各因素Tab.1 Various factors affecting the warpage

3 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒工藝方案調(diào)整策略

由以上分析可知，汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒利用上述方案進(jìn)行注射成型時(shí)，造成了儲(chǔ)物盒表面出現(xiàn)縮痕凹陷、無(wú)法快速冷卻、翹曲量大等缺陷，需要重新設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)(如調(diào)整澆口的位置、進(jìn)澆方式和各級(jí)分流道的尺寸等)和冷卻系統(tǒng)(如減小水管與塑件之間的距離、增大冷卻水管直徑等)。此外，此方案還造成制件的體積收縮率過大、翹曲變形量過大等諸多問題，也需要對(duì)其他工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 澆注系統(tǒng)優(yōu)化

利用Moldflow中的“最佳澆口位置分析”，確定最佳澆口位置。由于儲(chǔ)物盒的托盤表面布滿各種加強(qiáng)筋和凸起結(jié)構(gòu)，在成型時(shí)出現(xiàn)了縮痕缺陷，所以，為了提高汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒塑件的成型質(zhì)量，在初始方案的基礎(chǔ)上，在托盤的底部和布滿加強(qiáng)筋、凸起的前方各增加一個(gè)澆口。即采用6個(gè)點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注，其中4個(gè)點(diǎn)澆口位于儲(chǔ)物盒的兩側(cè)，2個(gè)點(diǎn)澆口位于儲(chǔ)物盒的中部，如圖5所示。重新創(chuàng)建的澆注系統(tǒng)采用1個(gè)主流道、6個(gè)對(duì)稱分布的一級(jí)分流道和二級(jí)分流道(截面形狀為圓形)。

圖5 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的澆注系統(tǒng)(優(yōu)化后)Fig.5 Gating system of the cars ’ built-instorage box (after optimization)

3.2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，冷卻水管與制件表面的距離通常為10～20 mm，而且必須根據(jù)制件的大小不同進(jìn)行合理選擇[7]。由于儲(chǔ)物盒制件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間較長(zhǎng)，存在冷卻不均等缺陷，所以將靠近托盤表面的冷卻水管與制件之間的距離減小，由原來(lái)的18 mm減小到10 mm，以加強(qiáng)對(duì)托盤表面和流道部分的快速冷卻，將積聚在各流道內(nèi)的熱量快速散發(fā)出去。此外，由于儲(chǔ)物盒的兩翼部分需要側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)，為了避免冷卻水管與此結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉現(xiàn)象，將遠(yuǎn)離托盤表面的冷卻水管設(shè)計(jì)成在上下型腔中對(duì)稱分布的結(jié)構(gòu)，但與制件之間的距離稍遠(yuǎn)一些，由原來(lái)的18 mm增大到20 mm，如圖6所示。此外，冷卻水管的直徑為10 mm，冷卻水的平均流速為2.42 m/s。

圖6 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的冷卻系統(tǒng)(優(yōu)化后)Fig.6 Cooling system of the cars ’ built-instorage box (after optimization)

3.3 側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)優(yōu)化

(a) 縮痕指數(shù) (b)零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間 (c)總翹曲量圖8 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒分析結(jié)果(優(yōu)化后)Fig.8 The original program analysis of the cars ’ built-in storage box (after optimization)

初始方案中采用了斜滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，但由于儲(chǔ)物盒塑件表面出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量缺陷，而且考慮到斜滑塊磨損后很難修整，容易出現(xiàn)溢料現(xiàn)象，所以改用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)向分型與抽芯。為節(jié)約加工成本，滑塊后的鍥塊和前模模架一體設(shè)計(jì)。各斜導(dǎo)柱直徑為14.26 mm，斜導(dǎo)柱長(zhǎng)度為98.18 mm，傾斜角取15 °，如圖7所示。

圖7 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)(優(yōu)化后)Fig.7 Lateral parting and core pulling mechanism ofthe cars ’ built-in storage box (after optimization)

4 優(yōu)化后的模流結(jié)果分析

將汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等在Moldflow中重新設(shè)置，并進(jìn)行充填+流動(dòng)+冷卻+翹曲分析，得到縮痕指數(shù)、零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間和總翹曲量的變形規(guī)律如圖8所示。

從圖8(a)的縮痕指數(shù)云圖可以看出，當(dāng)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的澆注系統(tǒng)調(diào)整之后，整個(gè)儲(chǔ)物盒的縮痕指數(shù)減小到零。這說明在托盤處增設(shè)的2個(gè)澆口促進(jìn)了熔融塑料的充填和流動(dòng)，使得整個(gè)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨于平衡。而且托盤表面的加強(qiáng)筋和凸起也能夠得到很好的充填，未出現(xiàn)明顯的凹陷和裂紋現(xiàn)象。

從圖8(b)的零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間等值線圖可以看出，整個(gè)儲(chǔ)物盒達(dá)到頂出溫度的時(shí)間差異不大，無(wú)論是托盤表面還是兩翼部分，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間都為19.87 s；在托盤表面與兩翼的連接部位，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為21.40 s，這與優(yōu)化前所需的時(shí)間值37.92～92.68 s相比，有了十分明顯的降低。也說明當(dāng)冷卻系統(tǒng)經(jīng)過一系列的調(diào)整之后，冷卻水管的冷卻能力大大加強(qiáng)，儲(chǔ)物盒的成型周期大為縮短。

從圖8(c)的總翹曲量云圖可以看出，總翹曲量最小值出現(xiàn)在儲(chǔ)物盒托盤部分的中心區(qū)域，其值約為0.024 0 mm。總翹曲量最大值出現(xiàn)在儲(chǔ)物盒兩翼部分，其值約為0.430 8 mm，這與優(yōu)化前該處的總翹曲量值1.782 mm相比，其值降低了75 %左右?？梢娊?jīng)過有效的優(yōu)化措施，對(duì)翹曲缺陷的消除十分有效，從而提高企業(yè)大批量生產(chǎn)儲(chǔ)物盒制件時(shí)的成型質(zhì)量。

1—內(nèi)六角螺釘(A) 2—滑塊(A) 3—斜導(dǎo)柱(A) 4—內(nèi)六角螺釘(B) 5—定位環(huán) 6—澆口襯套 7—導(dǎo)套 8—導(dǎo)柱9—快速接頭 10—墊塊 11—內(nèi)六角螺釘(C) 12—彈簧 13—復(fù)位桿 14—滑塊(B) 15—斜導(dǎo)柱(B)16—定模板 17—頂板 18—斜導(dǎo)柱(C) 19—型腔 20—滑塊(C) 21—型芯 22—型芯固定板23—頂針 24—推桿固定板 25—推板 26—內(nèi)六角螺釘(D) 27—?jiǎng)幽０鍒D9 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模具裝配圖Fig.9 Injection mold assembly drawing of the cars ’ built-in storage box

優(yōu)化前后各個(gè)指標(biāo)對(duì)比如表2所示，從表2中可以看出，在Moldflow軟件對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注射成型模流分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)儲(chǔ)物盒澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，無(wú)論是在充填、流動(dòng)方面，還是在冷卻方面，儲(chǔ)物盒塑件的各個(gè)目標(biāo)評(píng)價(jià)值都得到了很大程度的改善。在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒的注塑模具進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

表2 優(yōu)化前后各個(gè)指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of various indicators beforeand after optimization

5 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模具設(shè)計(jì)

根據(jù)優(yōu)化后的工藝方案，對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，并繪制裝配圖如圖9所示。該模具的外形尺寸為800 mm×800 mm×611 mm，其工作過程為：首先將注塑模具安裝在注塑機(jī)上，并通過定位環(huán)5進(jìn)行定位，然后熔融塑料從注塑機(jī)的噴嘴經(jīng)澆口襯套6流入澆注系統(tǒng)內(nèi)。經(jīng)過注射、保壓、冷卻等一系列的動(dòng)作之后，模具的上、下分型面開模，型芯固定板22帶動(dòng)型芯21與型腔19開始分離，主流道凝料從澆襯口套6中拉出。當(dāng)分型面完成分型后，在開模力的作用下，斜導(dǎo)柱(A)3、斜導(dǎo)柱(B)15和斜導(dǎo)柱(C)18帶動(dòng)滑塊(A)2、滑塊(B)14和滑塊(C) 20沿著型芯固定板22上表面分別向兩側(cè)抽芯，直至與制件完全脫開，完成側(cè)向抽芯動(dòng)作。隨后，固定在推桿固定板24上的頂針23穿過頂針孔，進(jìn)行儲(chǔ)物盒制件的頂出動(dòng)作。當(dāng)制件脫模并取出后，作用在頂出機(jī)構(gòu)上的外力撤除，在彈簧12的回復(fù)力作用下，復(fù)位桿13帶動(dòng)模具的頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位，然后各個(gè)斜導(dǎo)柱插入滑塊的斜導(dǎo)柱孔中使滑塊復(fù)位，動(dòng)定模重新合模，準(zhǔn)備下一次注塑過程。

通過模具機(jī)加工、安裝和調(diào)試，在相關(guān)企業(yè)進(jìn)行制件試生產(chǎn)。經(jīng)過注塑成型后的儲(chǔ)物盒制件如圖10所示,試模件表面質(zhì)量良好，托盤表面部分各處加強(qiáng)筋充填完整，托盤盒內(nèi)無(wú)明顯凹陷、縮痕和翹曲變形等缺陷，滿足尺寸公差等方面的要求。

圖10 汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒試模制件Fig.10 Test parts of the cars ’ built-in storage box

6 結(jié)論

(1)結(jié)合塑料加工流變學(xué)的基本理論，建立了汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注射成型過程的有限元模型，并利用Moldflow軟件進(jìn)行了充填、流動(dòng)、冷卻等模流分析；

(2)針對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒在注塑成型過程中出現(xiàn)的表面凹陷多、冷卻效果差和翹曲變形大等缺陷，對(duì)其澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(3)對(duì)汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模型重新進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后儲(chǔ)物盒的表面凹陷消失，達(dá)到頂出溫度

的時(shí)間大大縮短，翹曲變形明顯減小，制件的外觀品質(zhì)得到提高；

(4)通過進(jìn)行汽車內(nèi)置儲(chǔ)物盒注塑模具設(shè)計(jì)和制件試生產(chǎn)，得到了表面質(zhì)量良好的儲(chǔ)物盒制件，這說明模具設(shè)計(jì)合理，也反映了MPI對(duì)注塑件的模具設(shè)計(jì)具有一定的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用，不僅提高了模具的試模率，也縮短了模具的設(shè)計(jì)周期。

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