CAE分析在帶有金屬嵌件扶手骨架注射模中的應(yīng)用

毛梅玲， 馬恒祥， 唐洪榮

（青島海瑞德模塑有限公司， 山東 青島 266000）

0 引 言

隨著汽車工業(yè)逐漸朝輕量化的方向發(fā)展，金屬嵌件注射成型技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，將塑料和金屬的優(yōu)點相結(jié)合，既提高了承載結(jié)構(gòu)的機械強度和耐磨性，又滿足了塑件的力學(xué)性能。

汽車座椅扶手是車輛不可或缺的部件，其內(nèi)部的扶手骨架必須滿足強度和力學(xué)要求，可采用金屬嵌件注射成型。實際生產(chǎn)中一般采用尼龍+玻纖的高分子材料+金屬嵌件成型，尼龍材料彈性好，抗沖擊強度高，耐磨性強，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)部件，添加纖維材料增強劑后，可增加材料的耐磨性和強度。但在金屬嵌件注射成型中，塑料高分子和金屬嵌件的線性收縮量不同，使成型塑件在冷卻過程中產(chǎn)生翹曲變形，導(dǎo)致后期裝配出現(xiàn)改模、修模等問題，造成制造成本浪費?，F(xiàn)利用Moldflow軟件對帶金屬嵌件的塑件進行仿真模擬分析，預(yù)測在注射過程中可能出現(xiàn)的問題，并在模具制造前期對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，減少后期的改模，節(jié)省制造成本。

1 Moldflow前處理

扶手骨架如圖1所示，總長580 mm，寬200 mm，壁厚2.5 mm，材料為PA6+30%GF，圖2所示為金屬嵌件，長540 mm，寬37 mm，壁厚1.5 mm，共有5件。由于成型塑件對變形要求較高，塑件設(shè)計了較多的筋位，通過增加塑件的剛性來減小變形。塑件數(shù)模經(jīng)過Moldflow CADdoctor處理過濾，去除小的圓角、倒角等特征，將修理好的模型導(dǎo)入Moldflow syner?gy，劃分雙層面網(wǎng)格并進行網(wǎng)格修復(fù)，再應(yīng)用網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計工具，統(tǒng)計網(wǎng)格質(zhì)量如圖3所示，網(wǎng)格匹配百分比和相互百分比都達到90%，網(wǎng)格匹配率達到分析標準，然后將金屬嵌件模型一起劃分，使邊界網(wǎng)格精確匹配，增加分析的精確度。注射成型時必須保證金屬嵌件不能移動，由于金屬嵌件壁厚較薄，假設(shè)金屬嵌件不收縮，僅隨成型塑件在寬度方向有位置移動，且金屬嵌件與塑件長度基本相同，其嵌入成型塑件后會使塑件在長度方向收縮受限，但塑件寬度方向收縮不受限制，如果X軸和Y軸方向采用相同的收縮率，可能造成成型塑件尺寸不合格，需要對塑件在X軸和Y軸方向分別設(shè)計收縮率，要去除金屬嵌件對塑件支撐的影響。由于X軸方向的塑件受到金屬嵌件的約束，無法收縮，X軸不設(shè)計收縮率，僅對Y軸設(shè)計收縮率，收縮率為0.4%。在模流分析時，需要對金屬嵌件進行固定，采用金屬嵌件的節(jié)點約束來模擬金屬嵌件對塑件變形的影響，如圖4所示。

圖1 扶手骨架

圖2 金屬嵌件

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量

圖4 嵌件約束

2 澆口位置確立

塑件相當(dāng)于中心對稱，左右邊緣兩側(cè)均存在一條長的金屬嵌件，現(xiàn)考慮盡量使金屬嵌件受力均衡，在兩側(cè)金屬嵌件附近均設(shè)計澆口，防止初始進料導(dǎo)致金屬嵌件兩側(cè)受力不均發(fā)生移動。塑件大面無外觀要求，可以設(shè)置澆口，考慮塑件材料較硬，應(yīng)省去澆口凝料修剪，可以采用針閥式澆口。如果充填末端距離澆口較遠，澆口區(qū)域和充填末端區(qū)域易產(chǎn)生區(qū)域收縮不均，造成塑件變形。在待成型塑件的末端也設(shè)計澆口以增加保壓達到減小收縮差異的目的，改善翹曲變形。考慮塑件材料中含有纖維，塑件容易受玻纖取向不均而變形，采用針閥式澆口順時充填來改善玻纖的纖維取向，減小成型塑件變形。塑件采用4點針閥式順序注射成型，有2種澆口位置可選擇。圖5（a）所示為澆口位置一，澆口開放順序為G1→G2→G3、G4，Moldflow模擬分析的注射壓力如圖5（b）所示，流動過程分析如圖5（c）所示，在不考慮模具結(jié)構(gòu)的情況下，壓力較小，充填方案較好。但在澆口G2處需設(shè)計鑲拼結(jié)構(gòu)，圖6所示為模具定模鑲拼位置，澆口G2處附近小的碰穿孔較多，考慮靠近澆口位置壓力較大，小孔邊緣容易出現(xiàn)飛邊，最終放棄此澆口位置。圖7（a）所示為澆口位置二，由于澆口G1和G2相距較遠，順序開放后注射壓力較大，理論分析注射壓力如圖7（b）所示，注射壓力偏大，不適合注射成型。開設(shè)的澆口位置均已避開模具零件的鑲拼位置，澆口開放順序為G1→G2→G3、G4，流動過程分析如圖7（c）所示?？紤]同時開放澆口G1和G2，可以降低第一段的注射壓力，流動過程如圖8（a）所示，通過軟件模擬后注射壓力如圖8（b）所示，可以正常注射成型。最終選擇澆口位置二的方案并同時開放澆口G1和G2注射熔體。

圖5 澆口位置一及分析

圖6 定模鑲件位置

圖7 澆口位置二及分析

圖8 同時開放澆口G1和G2的分析

3 材料選擇和塑件變形

客戶提供了2種材料，一種材料牌號為B6，另一種材料牌號為B10。分別對這2種材料采用相同的成型工藝經(jīng)過Moldflow軟件模擬分析，得到的注射壓力結(jié)果如圖9所示。材料B6的注射壓力約為92 MPa，材料B10的注射壓力約為41 MPa，材料B10的注射壓力低于材料B6。注射壓力越小，金屬嵌件受沖擊力越小，移動風(fēng)險越小，越容易滿足金屬嵌件的成型要求。注射壓力越小，模具型腔的受力越小，成型后的塑件變形量也相對較小，且材料性能滿足產(chǎn)品需求，所以最終選擇材料B10成型塑件。

圖9 注射壓力對比

扶手骨架為非外觀件，但受功能影響，對塑件的變形要求較嚴格，主要為塑件小孔的形狀和位置尺寸。塑件材料中含有玻纖，塑件變形一般受玻纖的取向影響，現(xiàn)按最大注射壓力的80%作為保壓壓力，保壓時間設(shè)定10 s，針閥在30 s后自動關(guān)閉。經(jīng)過翹曲分析得到的結(jié)果如圖10所示，所有效應(yīng)下的總變形量為1.34 mm，塑件在X方向變形量為1.0 mm，在Y方向的變形量為1.3 mm，在Z方向的變形量為1.8 mm。成型塑件變形量較小，滿足客戶要求，實際塑件成型后，主要檢測塑件小孔的形狀和位置公差，生產(chǎn)首件后局部小孔公差存在超差問題，根據(jù)超差值調(diào)整小孔鑲件，經(jīng)過再次試模驗證良好，最終成型塑件的尺寸合格。

圖10 翹曲變形分析

4 模具設(shè)計

塑件成型材料中含有玻纖，且要求實際裝配時對塑件的形變量較小，為了預(yù)防后期改模工作量過大導(dǎo)致制造費用過高，模具采用鑲拼設(shè)計，后期可更換鑲件以調(diào)整成型塑件的變形。對于有定位要求的孔均設(shè)計小鑲件，由圖1可見塑件兩側(cè)均存在較多孔位，這些孔結(jié)構(gòu)在脫模方向?qū)儆诘箍郏＞邇蓚?cè)設(shè)計整體大滑塊，如圖11所示。需要注意的是模具合模前要將金屬嵌件放在模具中，且必須保證金屬嵌件在型腔中定位穩(wěn)定，若金屬嵌件浮動或脫落，將導(dǎo)致最終成型的塑件無法正常使用，甚至造成模具損壞。為防止金屬嵌件在型腔中移動，模具在定模和動模分別設(shè)計較多插穿定位，并且在兩側(cè)大滑塊內(nèi)部分別增加小鑲件，如圖12所示。最終設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)如圖13所示，經(jīng)試模驗證，模具零件運動順暢，金屬嵌件無移動。模具工作過程：合模后，注塑機將熔融的塑料B10注入型腔，經(jīng)注射、保壓、補縮和冷卻后成型；模具開模，動、定模沿分型面打開，成型塑件被滑塊壓住留在動模，然后滑塊在液壓缸提供的壓力下后退，且退出量大于塑件上的倒扣量約5 mm，最后推出機構(gòu)開始作用將成型塑件推出模具，機械手將塑件取出，實際成型的塑件如圖14所示。

圖11 兩側(cè)滑塊結(jié)構(gòu)

圖12 插穿定位

圖13 模具結(jié)構(gòu)

圖14 實際成型的塑件

5 結(jié)束語

帶金屬嵌件的扶手骨架成型有2個關(guān)鍵點：一是確保金屬嵌件在型腔中不移動；二是要保證塑件成型后的變形量在合理的公差內(nèi)。模具設(shè)計時采用動、定模配合較多定位結(jié)構(gòu)，保證金屬嵌件不移動，且通過CAE模流分析，確定了成型的最佳材料。模具經(jīng)試模驗證，成型的塑件達到使用要求，對類似帶有金屬嵌件的塑件成型具有一定的參考作用。