汽車零件注塑模具的CAE分析及設(shè)計(jì)研究

劉項(xiàng)來(lái) 徐偉 劉鵬

摘要：注重汽車零件注塑模具的CAE分析及設(shè)計(jì)研究，有利于保持這類模具應(yīng)用過(guò)程中良好的功能特性，確保汽車零件注塑模具的應(yīng)用有效性，從而為汽車制造行業(yè)生產(chǎn)效率提高提供保障。因此，需要結(jié)合汽車零件注塑模具的實(shí)際情況，在其分析中引入CAE并加以使用，促使汽車零件注塑模具實(shí)踐應(yīng)用中能夠達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：汽車零件；注塑模具；CAE分析；設(shè)計(jì)研究

1注塑成型的工藝過(guò)程

注塑工藝過(guò)程主要包括：成型前準(zhǔn)備、注塑成型過(guò)程和塑料制品的后處理。注塑成型過(guò)程主要包括塑化、填充、保壓和冷卻4個(gè)階段。注塑成型的工藝參數(shù)主要包括：溫度、壓力和時(shí)間。在4個(gè)階段中，起主要作用的溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)也隨著注塑過(guò)程的變化而變化。

（1）溫度：注塑成型過(guò)程中的溫度主要有塑料熔體溫度和模具溫度。塑料熔體溫度直接影響塑化和注塑充模，模具溫度則影響充模和冷卻定型。塑料熔體溫度的高低決定了塑料熔體流動(dòng)性的優(yōu)劣。熔體溫度高，則粘度小，流動(dòng)性就好，所需的注塑壓力就低，成型后塑件的表面光潔度好，出現(xiàn)熔接痕的可能性就小。模具溫度主要是指塑件接觸的模腔表面溫度。模具溫度直接影響塑料熔體的填充流動(dòng)、塑件的冷卻速度以及塑件的最終成型質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)提高模具溫度可以提高塑料熔體在模具里的流動(dòng)性，提高塑件的致密度和結(jié)晶度，同時(shí)減少注塑壓力和塑件中的壓力。但是提高模具溫度也會(huì)增加塑件的冷卻時(shí)間、增大了塑件的收縮率和脫模后的翹曲變形，同時(shí)塑件的成型周期也會(huì)因?yàn)槔鋮s時(shí)間的增加而變長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)效率。

（2）壓力：注塑成型中的壓力主要包括注塑壓力、保壓壓力和背壓（也稱塑化壓力）。注塑壓力是指在注塑過(guò)程中用以克服塑料熔體從注塑機(jī)料筒流入模具型腔的流動(dòng)阻力，提供填充速度和對(duì)熔體進(jìn)行壓實(shí)等。注塑壓力的大小和塑件的成型質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有直接的關(guān)系。在本項(xiàng)目研究中，也會(huì)重點(diǎn)采用Moldflow軟件對(duì)注塑壓力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。保壓壓力是指對(duì)模腔內(nèi)熔體進(jìn)行壓實(shí)和維持向模腔內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)料流所需要的壓力。保壓壓力和保壓時(shí)間的選擇直接影響注塑產(chǎn)品的質(zhì)量。背壓是指螺桿頂部熔料在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)后退時(shí)所收到的壓力。提高背壓可以提高熔體溫度并使溫度均勻，但會(huì)降低塑化的速度。背壓的大小與制件成型的原料品種、噴嘴類型以及加料方法有關(guān)。

（3）時(shí)間：完成一次注塑成型過(guò)程所需的時(shí)間稱為注塑成型周期。注塑成型周期主要是由注塑時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間和開(kāi)模時(shí)間組成。注塑時(shí)間主要是指注塑活塞在注塑油缸內(nèi)開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)到模腔被全部充滿為止所需要的時(shí)間。保壓時(shí)間是從模腔充滿后開(kāi)始，到保壓結(jié)束所需時(shí)間。冷卻時(shí)間是指保壓結(jié)束后到打開(kāi)模具所需的時(shí)間。開(kāi)模時(shí)間是模具打開(kāi)取出塑件到下一個(gè)成型周期開(kāi)始的時(shí)間。在保證塑件質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能縮短成型周期中的各段時(shí)間，以提高生產(chǎn)效率。

2注塑模CAE技術(shù)的研究發(fā)展?fàn)顩r

塑料的注塑成型過(guò)程主要包括充填、保壓、冷卻和脫模這幾個(gè)階段，其相應(yīng)的注塑CAE仿真過(guò)程包括流動(dòng)仿真、冷卻仿真、收縮和翹曲仿真等。注射成型CAE技術(shù)通常利用有限元法、邊界元法等數(shù)值計(jì)算方法，來(lái)模擬塑料注塑過(guò)程、預(yù)測(cè)翹曲，并分析材料、工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)對(duì)制品質(zhì)量的影響，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。如在模具制造之前，可以先通過(guò)注塑成型CAE軟件對(duì)制件注塑過(guò)程進(jìn)行分析，了解制品成型過(guò)程中填充、保壓、冷卻和翹曲等情況；然后根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，來(lái)調(diào)整成型工藝參數(shù)和修改模型，進(jìn)而進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造。另外，對(duì)塑制品進(jìn)行CAE仿真分析可方便地對(duì)成型過(guò)程中各個(gè)不同狀態(tài)量的變化規(guī)律、制品的宏觀結(jié)構(gòu)及微觀性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，為研究人員進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和成形過(guò)程的控制提供科學(xué)依據(jù)，也使得工藝設(shè)計(jì)人員的工作量有所減少。注塑模CAE作為一種先進(jìn)的仿真工具，改變了傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計(jì)和制造方法，同時(shí)也為生產(chǎn)實(shí)用化提供了可行性依據(jù)。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通訊及汽車行業(yè)等生產(chǎn)朝著輕量、薄殼化發(fā)展，塑件的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成型難度不斷增加，這也使得對(duì)塑料制品等進(jìn)行注塑CAE分析研究顯得尤為重要。注塑模CAE技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)給企業(yè)乃至整個(gè)塑料行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3汽車零件注塑模具的CAE設(shè)計(jì)

3.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

澆注系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上要保證產(chǎn)品的質(zhì)量、性能不會(huì)受到外觀等的影響。對(duì)于注塑模具的設(shè)計(jì)要強(qiáng)化澆注系統(tǒng)的研究工作。根據(jù)特點(diǎn)在模具設(shè)計(jì)上主要采用試差法進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，經(jīng)過(guò)計(jì)算公式對(duì)流道尺寸等進(jìn)行調(diào)整，直到符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為止。但是這個(gè)過(guò)程需要的費(fèi)用較高，要嚴(yán)格進(jìn)行成本控制，并且在一定程度上將會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。但是隨著CAE技術(shù)的不斷完善利用算法對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于提升注塑模具質(zhì)量有著重要的意義。注塑模澆注系統(tǒng)組成澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、繞口和冷料井組成，下面對(duì)流道和繞口在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則作簡(jiǎn)要介紹。分流道是連接主流道和饒口的進(jìn)料通道，是多澆口模具澆注系統(tǒng)的重要組成部分，其對(duì)充模保壓過(guò)程影響很大。普通澆注系統(tǒng)的分流道一般開(kāi)設(shè)在分型面上，以便開(kāi)模時(shí)脫出澆道凝料。由于分流道要將高溫高壓的塑料熔體流向從主流道轉(zhuǎn)換到模腔，所以設(shè)計(jì)時(shí)不僅要求熔體通過(guò)分流道時(shí)的溫度下降和壓力損失都應(yīng)盡可能小，而且還要求分流道能夠平穩(wěn)均衡地將熔體分配到各個(gè)模腔。保證分流道尺寸形狀更加的合理，使產(chǎn)品的質(zhì)量能夠符合系統(tǒng)的要求，對(duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，需要在多角度對(duì)CAE技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行綜合分析。

3.2實(shí)踐中的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1實(shí)踐中的冷卻分析作用

（1）結(jié)合冷熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在CAE的支持下進(jìn)行冷卻分析，能夠在專業(yè)軟件的作用下對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行傳熱模擬分析，從而為設(shè)計(jì)人員的具體工作開(kāi)展提供參考信息；（2）通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的有效分析，能夠?qū)@類系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并在CAE分析方式的配合作用下，得到所需的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，促使該系統(tǒng)應(yīng)用中能夠處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，避免對(duì)汽車零件注塑模具成型質(zhì)量造成影響：（3）基于CAE的冷卻系統(tǒng)分析，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的數(shù)值進(jìn)行模擬，使得冷卻系統(tǒng)布局過(guò)程中能夠得到所需的工藝參數(shù)，滿足系統(tǒng)布局不斷優(yōu)化要求，使得冷卻系統(tǒng)注塑更加均衡。同時(shí)，CAE作用下的冷卻系統(tǒng)分析，也有利于實(shí)現(xiàn)冷卻回路的科學(xué)設(shè)置，縮短其設(shè)計(jì)周期。

4.2冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）為了避免對(duì)汽車零件注塑模具質(zhì)量造成影響，并保持冷卻系統(tǒng)運(yùn)行中良好的冷卻效果，則需要在其設(shè)計(jì)中注重冷卻管道的合理布局，并在CAE的支持下，確定最佳的管道路徑。同時(shí)，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視規(guī)格相同的管使用，并確保水孔型腔距離相同，使得冷卻系統(tǒng)運(yùn)行中能夠在澆口附近進(jìn)行冷卻，進(jìn)而保持注塑模具良好的設(shè)計(jì)質(zhì)量。（2）基于CAE的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要在Moldflow軟件的支持下，完善該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)對(duì)傳熱學(xué)方面對(duì)冷卻系統(tǒng)規(guī)定要求的考慮，控制好該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。同時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中也應(yīng)考慮塑件翹曲變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零件注塑模具質(zhì)量的科學(xué)評(píng)估，保持這類模具良好的設(shè)計(jì)狀況。

5結(jié)束語(yǔ)

總之，CAE，能夠?yàn)槠嚵慵⑺苣＞咝阅軆?yōu)化提供保障，并為其設(shè)計(jì)方案的形成提供所需的參考信息。因此，在未來(lái)汽車零件注塑模具實(shí)踐過(guò)程中相關(guān)人員應(yīng)在了解其功能特性的基礎(chǔ)上，重視 CAE的合理使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這類模具的科學(xué)分析。

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心）