基于仿真分析的座椅護(hù)板模具優(yōu)化研究

楊 武

（珠海市技師學(xué)院，廣東珠海 519090）

0 引言

座椅護(hù)板是汽車(chē)座椅的關(guān)鍵部件之一，其外觀和尺寸對(duì)座椅的質(zhì)量影響較大，直接決定著汽車(chē)座椅的合格率。汽車(chē)護(hù)板采用了模具注塑成型方式，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中注射時(shí)的溫度、壓力、流道及合模線分布對(duì)產(chǎn)品的成型質(zhì)量影響巨大，僅依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具可靠性差，極大影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和合格率。

本文提出了一種新的基于Moldflow 流體仿真分析技術(shù)，對(duì)不同工況下的模具成型情況進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果有針對(duì)性地對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐證明，該項(xiàng)技術(shù)提升了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，顯著提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及建模

座椅護(hù)板是汽車(chē)的內(nèi)飾外觀件，為殼體結(jié)構(gòu)，外形尺寸為590 mm×159 mm×115 mm，壁厚為3 mm，使用PP 材料。該材料在熔融狀態(tài)下的流動(dòng)速率為3 g/min，密度為1.06 g/cm3，拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度是18 MPa，成型后的彎曲模量為1600 MPa，融合溫度為155 ℃。該材料的收縮率較高，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生毛刺、熔接痕明顯等異常，整體合格率僅89.4%，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)其模具設(shè)計(jì)過(guò)程中未充分考慮熔融態(tài)的材料在流動(dòng)過(guò)程中壓力、溫度及注射口布局的關(guān)系，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品一致性較差。

提出利用Moldflow 的流體仿真分析技術(shù)對(duì)產(chǎn)品注射成型的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析情況對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，提高模具設(shè)計(jì)精度。首先利用三維建模軟件建立其三維模型，選取六面體網(wǎng)格劃分方案劃分其立體網(wǎng)格，在產(chǎn)品的拐角位置和有加強(qiáng)特征的位置進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)量為69383 個(gè)，平均縱橫比為1.73，劃分網(wǎng)格后的產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 汽車(chē)座椅護(hù)板三維結(jié)構(gòu)

2 熔接痕結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熔接痕是注射成型過(guò)程中兩股熔融態(tài)的原料匯集而成的，因此料流匯集的越多，產(chǎn)品上的熔接痕就越多。通常來(lái)說(shuō)，兩股料流匯集時(shí)的角度越大，越不容易產(chǎn)生熔接痕。汽車(chē)護(hù)板上熔接痕最明顯的位置出現(xiàn)在中間位置的方孔周?chē)?，該孔為專用的特征孔，因此產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)無(wú)法改變。針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)模具流道進(jìn)行優(yōu)化，將原有的單膠口注射成型方案更該為雙膠口注射成型方案，從而減少兩股料流在匯集過(guò)程中的溫度差，進(jìn)而減少熔接痕的痕跡。利用Moldflow 流體仿真分析軟件，對(duì)兩種方案的成型效果進(jìn)行分析，熔接痕效果如圖2 所示。

圖2 不同成型方式熔接效果

由仿真分析結(jié)果可知，采用單膠口注射成型時(shí)熔接痕的長(zhǎng)度分別為20.93 mm、9.63 mm，而實(shí)際零件上熔接痕的長(zhǎng)度分別為21.2 mm、10.1 mm，仿真分析結(jié)果和實(shí)際表現(xiàn)基本一致，表明了該仿真分析方式的準(zhǔn)確性。當(dāng)采用優(yōu)化后的雙膠口注射成型方案后，熔接痕的長(zhǎng)度變?yōu)?5.77 mm 和8.49 mm，比優(yōu)化前降低了24.7%和11.8%。而且熔接痕的位置和單膠口注射成型相比均呈逆時(shí)針?lè)较蚱屏思s60°，使其轉(zhuǎn)移到了次外觀面，減少了對(duì)正外觀面的影響。

3 氣穴問(wèn)題優(yōu)化

氣穴是在注射成型過(guò)程中由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者模具排氣不暢而導(dǎo)致的在零件表面形成麻點(diǎn)狀凹坑，是導(dǎo)致產(chǎn)品外觀缺陷的重要因素。在汽車(chē)座椅支撐骨架的正面會(huì)存在麻點(diǎn)狀的凹坑，產(chǎn)生比例約為33.7%。利用Moldflow 流體仿真分析方法對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行模擬，得出零件表面的氣穴分布情況（圖3）。

圖3 零件表面氣穴分布

由仿真分析結(jié)果可知，氣穴位置主要出現(xiàn)在零件背部有加強(qiáng)筋的區(qū)域。通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)該處模具上的鑲塊為固定結(jié)構(gòu)，而零件上的筋條較多，阻擋了該處氣流的流動(dòng)，在注射成型過(guò)程中出現(xiàn)了排氣不暢的情況，進(jìn)而產(chǎn)生了困氣現(xiàn)象。

通過(guò)分析，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，在由加強(qiáng)筋的區(qū)域設(shè)計(jì)活動(dòng)鑲塊，便于氣流的快速排出，減少在注射填充過(guò)程中的困氣情況。同時(shí)，在活動(dòng)鑲塊上設(shè)置孔徑為0.02 mm 的排氣孔，排氣孔間排距為1 mm，以增加排氣量，確保在不同工況下注射成型的外觀質(zhì)量，徹底消除困氣情況。優(yōu)化后模具增加活動(dòng)鑲塊的位置如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后模具滑動(dòng)鑲塊位置

4 冷卻水路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化前，模具共設(shè)置有7 組水路，其中動(dòng)模4 組、定模3 組，各組水路的管徑均為15 mm。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)注塑件的表面溫差最高達(dá)到50 ℃，按傳統(tǒng)的40 s 冷卻時(shí)間完全無(wú)法冷卻，導(dǎo)致零件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，使零件扭曲變形。為了保證零件的成型質(zhì)量，將冷卻時(shí)間增加到120 s，但這樣不僅極大影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，而且沒(méi)有徹底解決零件表面溫差大的問(wèn)題，導(dǎo)致在不同工況下的生產(chǎn)一致性極差。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，確定了注射成型時(shí)零件表面的溫度分布狀態(tài)，并據(jù)此對(duì)冷卻水路進(jìn)行了有針對(duì)性的調(diào)整。將動(dòng)模水路調(diào)整為7 路，將定模冷卻水路調(diào)整為5路，各冷卻水管的直徑仍為15 mm，水路和零件表面的距離由50 mm 調(diào)整為30 mm，以提高零件的冷卻效果。

優(yōu)化后，零件生產(chǎn)過(guò)程中注塑件零件表面溫度均能保持在60 ℃以下，表面最大溫差為20 ℃，零件生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際冷卻時(shí)間保持在40 s。有效解決了零件表面因受熱不均而導(dǎo)致的變形、冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。

5 實(shí)際應(yīng)用效果分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化后，利用新的模具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。使用MA6000II 型注塑機(jī)，其工作時(shí)的合模力為6000 kN、螺桿直徑為70 mm。零件生產(chǎn)后利用三坐標(biāo)對(duì)零件尺寸進(jìn)行測(cè)量，并按實(shí)際檢驗(yàn)標(biāo)注對(duì)零件外觀進(jìn)行檢驗(yàn)。

對(duì)600 件實(shí)物進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后的零件最大變形量為±0.2 mm，滿足小于±0.5 mm 的變形要求，零件表面無(wú)麻點(diǎn)、縮水、毛刺等異常，熔接線表現(xiàn)較為輕微，可滿足外觀檢驗(yàn)要求。零件一次成型合格率達(dá)到99%，極大地提升了零件的合格率和品質(zhì)。

6 結(jié)論

本文利用仿真分析的方法對(duì)零件注射成型過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，并有針對(duì)性地對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①雙膠口注射成型方案能夠減少兩股料流在匯集過(guò)程中的溫度差，減少熔接痕的痕跡；②在易困氣的區(qū)域設(shè)置動(dòng)模鑲塊及排氣孔，提高導(dǎo)氣率，避免在注射成型過(guò)程中的困氣情況；③利用仿真分析的方法，能夠有效模擬在注射成型過(guò)程中的狀態(tài)變化，可以為模具優(yōu)化提供科學(xué)的優(yōu)化依據(jù)，提高模具設(shè)計(jì)的合理性。