CAD/CAE技術(shù)在汽車方向盤上蓋注射模設(shè)計中的應(yīng)用＊

朱曉東

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南通分院，江蘇南通 226011）

1 引言

方向盤上蓋用于汽車方向盤上面板，如圖1所示，該塑件具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具設(shè)計困難，連接處筋多壁薄，塑件在注射成型過程中易造成流動不勻等缺陷，本塑件安裝于汽車方向盤上蓋，塑件通過設(shè)計的塑料卡扣固嵌在方向盤上，本塑料具有較強的塑性與韌性，在不同溫度、不同強度工作條件下，不易變形與開裂，具有較佳的環(huán)保性，人體接觸感舒適等特點。本文運用MoldFlow模流分析軟件進行計算機模擬注射成型分析，結(jié)合分析數(shù)據(jù)不斷進行工藝調(diào)整，最終選擇更加切實可行的注射工藝，注射過程中按照填充、冷卻、變形、翹曲進行分析調(diào)整，確定分析數(shù)據(jù)，通過分析研究，能夠?qū)λ芗畛溥^程中容易產(chǎn)生的填充缺陷提前預(yù)知，為注射模設(shè)計提供良好的理論支撐，減少塑件設(shè)計周期，減少企業(yè)設(shè)計成本。

圖1 汽車方向盤上蓋

2 前期準備

2.1 分型面的確定

分型面設(shè)計如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中，需要設(shè)計外側(cè)抽芯方式，在確定分型面時，需要擬定側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，外側(cè)采用斜導拄側(cè)抽芯[1]。

圖2 分型面位置

2.2 拔模分析

通過拔模結(jié)果分析，塑件在四周邊緣設(shè)計有卡扣，給塑件的脫模造成不便，方向盤中間部分，塑件側(cè)壁向內(nèi)傾斜，不容易脫模，在凸模設(shè)計過程中，需設(shè)計鑲件，方便塑件脫模。

2.3 模型簡化及錯誤修復(fù)

將UG軟件設(shè)計好的模型以Parasolid文件格式導出，輸出格式為“*.X_T”至CAD Doctor軟件中，對塑件進行簡化處理，去除小圓角、小倒角,去除細小成型特征的目的是因為塑件邊緣細小結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格劃分時，計算時間長，出錯率高，網(wǎng)格劃分區(qū)域小數(shù)量多，影響分析效率，在模流分析中小區(qū)域?qū)Ψ治鼋Y(jié)果影響甚微，固對其進行去除[2],移除所有1.2mm以下圓角及倒角，將所有的錯誤修復(fù)至0，輸出為*.udm格式文件。啟動“Autodesk Simulation Moldflow Synergy 2015”軟件，以雙層面形式導入“MoldFlow CAD Doctor”修復(fù)完成的塑件，對塑件進行網(wǎng)格劃分，輸入網(wǎng)格劃分全局邊長為3mm，合并公差為0.1mm，生成網(wǎng)格如圖3所示[3]。

圖3 網(wǎng)格劃分

采用Moldflow Dorctor軟件設(shè)置不同的分析參數(shù)進行嘗試與優(yōu)化，最終將模型配向不正確的單元個數(shù)、多重邊數(shù)量、網(wǎng)格自由邊格數(shù)、完全重復(fù)單元全部修復(fù)為0，通過對雙層面網(wǎng)格匹配診斷，網(wǎng)格匹配數(shù)為72,198，非匹配數(shù)為15,484，邊99,446，匹配百分比為88.2%，接近90%，相互百分比為85.5%，平均縱橫比為2.28，對模型每個細節(jié)進行觀察，劃分的網(wǎng)格模型清晰完整，無任何明顯的瑕疵，網(wǎng)格統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，基本滿足冷卻、填充、保壓、翹曲分析要求[4]。

圖4 網(wǎng)格統(tǒng)計結(jié)果

3 澆口位置分析

澆口位置的選擇對塑件注射成型至關(guān)重要，該塑件因壁薄且體積大，宜采用多澆口進行注射，采用單澆口易造成注射壓力過大，保壓時間過長，塑料流動困難等缺陷，通過軟件分析與實驗比較最終澆口數(shù)量設(shè)為4個，材料選擇ABS，分析得出最佳澆口位置，如圖5所示，然后進行快速充填分析。

圖5 澆口位置

由分析信息可以看出，充填過程中檢測到短射，在充填塑件之前，流動前沿已凝固，通過觀察結(jié)果，填充時間如圖6所示，3個邊緣處充填時間不平衡，左端比右端、上端先到達，容易產(chǎn)生過保壓，通過對澆口位置多次進行手工調(diào)整，最終確定方案如圖7所示[5]。

圖6 填充時間

圖7 調(diào)整后的澆口位置

4 填充、冷卻、變形、翹曲分析及優(yōu)化

分析序列切換成型窗口，對工件進行成型窗口分析，求得最佳的工藝條件[6]。根據(jù)軟件分析結(jié)果可得，注射過程中模具表面溫度控制50℃左右，熔體溫度220℃附近。分析得出成型質(zhì)量（成型窗口）：成型質(zhì)量曲線如圖8所示，找出成型質(zhì)量最高的點為0.2553s,然后估算流道體積，將總的充填時間設(shè)為1s，速度/壓力切換設(shè)為自動，保壓控制設(shè)為自動，做一次充填分析。通過分析得出充填時間為1.091s，速度/壓力切換時的壓力為25.21MPa，流動前沿溫度為240.4℃。當注射時間為1.091s時，總體溫度為245.4℃，達到頂出溫度的時間為81.34s，填充末端總體溫度為244.5℃，柱體時間為1.091s時，流動速率為282.7cm3/s，填充末端凍結(jié)層因子為0.8184，最大鎖模力約為40～50t。

圖8 質(zhì)量（成型窗口）：XY圖

根據(jù)設(shè)定的分析參數(shù)，采用MoldFlow軟件對方向盤上蓋注射模型進行填充、冷卻、變形、翹曲進行模擬注射成型分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)進行工藝調(diào)整[7]，通過不斷分析與數(shù)據(jù)對比，擬定適合的注射工藝參數(shù)，對塑件注射過程中的出現(xiàn)的填充不當、冷卻不勻、變形過大、翹曲嚴重等缺陷進行參數(shù)調(diào)整。由分析軟件計算出最佳參數(shù)，確定回路冷卻溫度為25.01℃～29.37℃，回路流動速率控制在4.234[lit/min]，回路管壁溫度最高為25.37℃～35.44℃，塑件達到規(guī)定溫度的時間為36.65s，塑件在注射過程中產(chǎn)生的最高溫度為174.3℃，模具最高溫度為173.9℃，塑件注射最大鎖模力為350t，在30s時，最大注射壓力為158M Pa，速度/壓力切換時的壓力為158M Pa，塑件頂出時的體積收縮率為6.65%，填充時間為1.523s，流動前沿溫度為252.5℃，達到頂出溫度的時間為48s，塑件中心處的流動前沿速度為11,329cm/s，塑件所有變形效應(yīng)如圖9所示， 所有效應(yīng)變形主要集中在X方向的變形，由冷卻不均引起的變形范圍控在0.0009～0.2531mm，由收縮不均引起的變形范圍控制在0.0953～1.272mm。通過模流分析軟件正確模擬塑料在注射過程中高溫流動溶體的動態(tài)填充過程，避免傳統(tǒng)注模過程中因塑件注射填充缺陷導致再次返工現(xiàn)象。采用模流分析軟件可以根據(jù)模擬仿真動畫提前預(yù)知填充缺陷，結(jié)果更加直觀，有效縮短塑件制造生命周期，提高注射成功概率。采用理論與實踐相結(jié)合，通過企業(yè)實踐結(jié)果反饋該分析方案切實可行，得到同行的普遍認可。

圖9 所有變形效應(yīng)分析

5 模具設(shè)計

汽車方向盤上蓋模流分析完后，采用UG軟件對其進行注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)建分型面，根據(jù)MoldFlow軟件分析結(jié)果合理設(shè)計主流道、分流道、澆口等注射模結(jié)構(gòu)[8]，設(shè)計側(cè)抽芯及導柱、導套，模具結(jié)構(gòu)如圖10所示，模具型腔結(jié)構(gòu)如圖11所示，二維結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖10 模具結(jié)構(gòu)圖

圖11 模具型腔結(jié)構(gòu)圖

圖12 模具二維結(jié)構(gòu)圖