基于Moldflow分析的汽車左/右支撐托架注射模設(shè)計(jì)

陳 兵，胡銀芬

（惠州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 惠州 516025）

0 引言

隨著中國模具技術(shù)的發(fā)展，越來越多的汽車模具在中國設(shè)計(jì)與制造。由于汽車塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)模具時(shí)存在難度較大、周期較長的問題。汽車塑件表面精度及尺寸精度要求較高，對模具結(jié)構(gòu)及加工制造的要求嚴(yán)格。為確保模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理及降低后續(xù)修模與配模的難度，一般復(fù)雜的汽車塑件在設(shè)計(jì)模具時(shí)可利用Moldflow 進(jìn)行相應(yīng)的模流分析，根據(jù)分析結(jié)果確定合理的模具結(jié)構(gòu)。

1 汽車左/右支撐托架結(jié)構(gòu)分析

汽車塑件一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且表面粗糙度、尺寸精度等均要求較高，某汽車左/右支撐托架如圖1所示，經(jīng)UG 軟件查詢可知，支撐托架的外形尺寸為171.93 mm×117.34 mm×127.79 mm，整體壁厚為3.5 mm，左支撐托架體積為130 039 mm3，右支撐托架體積為133 307 mm3，成型材料為PP+30%GF。左/右支撐托架尺寸較大且整體形狀復(fù)雜，特征結(jié)構(gòu)較多且?guī)в袀?cè)孔、側(cè)凹等，左支撐托架在結(jié)構(gòu)上比右支撐托架多2個(gè)側(cè)孔，其他結(jié)構(gòu)對稱。塑件分型難度大，成型困難。

圖1 汽車左/右支撐托架

2 Moldflow模流分析

為了縮短模具設(shè)計(jì)周期，首先利用Moldflow 進(jìn)行模流分析。Moldflow 可以對左/右支撐托架的填充時(shí)間、總體溫度、轉(zhuǎn)保壓壓力、熔接痕、翹曲變形等進(jìn)行模擬，以提高模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

（1）Moldflow 分析前的設(shè)置。在進(jìn)行Moldflow分析前，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中設(shè)置模具表面溫度45 ℃，熔體溫度245 ℃，注射時(shí)間1.6 s，轉(zhuǎn)保壓壓力為注射壓力的80%，根據(jù)圖2、表1 所示設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行分析。

表1 成型參數(shù)設(shè)置

圖2 分析參數(shù)設(shè)置

（2）材料設(shè)置與厚度分析。根據(jù)客戶要求，左/右支撐托架成型材料均為PP+30%GF，通過Moldflow 軟件對支撐托架的厚度分析，塑件大部分厚度為3.5 mm，如圖3所示。塑件壁厚太厚，注射成型后會因?yàn)槭湛s不均導(dǎo)致塑件變形、縮孔、凹陷或填充不足等缺陷，所以須確保塑件厚度均勻。為避免塑件局部太厚，需要對厚度超過3.5 mm 的部位進(jìn)行修改，一般熱塑性材料厚度常取2～4 mm。根據(jù)圖3 的分析結(jié)果，對5.532 mm 的部位進(jìn)行適當(dāng)減薄，同時(shí)對2.8 mm 處進(jìn)行適當(dāng)加厚。其中1.597 mm 處為加強(qiáng)筋部位，作用是對塑件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，所以不需要增減厚度。

圖3 厚度分析

（3）流道與澆口設(shè)置。因左/右支撐托架是汽車左右兩邊對稱的塑件，且支撐托架整體形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)較多，為了簡化模具結(jié)構(gòu)，便于塑件成型，采用1 模2 件的成型方式，左/右支撐托架對稱布局。根據(jù)客戶要求，塑件表面不能有澆口痕跡，所以澆注系統(tǒng)采用熱流道為主流道加潛伏式澆口的形式，具體尺寸如圖4 所示，其中主流道直徑為φ12 mm，分流道直徑為φ6 mm，潛伏式澆口尺寸為φ2 mm，根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置分析條件。

圖4 型腔布局及流道設(shè)置

（4）網(wǎng)格劃分。Moldflow 采用的是有限元分析方法，在分析前需要對塑件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，將左/右支撐托架進(jìn)行雙層面網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格質(zhì)量較好，網(wǎng)格劃分縱橫比平均為1.74，最小為1.16，匹配百分比及相互百分比超過91%以上，網(wǎng)格劃分匹配率及網(wǎng)格情況，如圖5所示。

（5）Moldflow 分析。設(shè)置流道和劃分網(wǎng)格后即可對左/右支撐托架進(jìn)行Moldflow 模擬分析。主要針對左/右支撐托架填充階段、推出階段及翹曲變形等進(jìn)行分析，為模具設(shè)計(jì)提供參考。首先分析動(dòng)態(tài)流動(dòng)，Moldflow 分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，塑料熔體可均衡填充型腔，整個(gè)注射填充過程的時(shí)間約為1.54 s，左/右支撐托架熔體填充均衡，在模具中沒有明顯的阻滯現(xiàn)象。

注射壓力分布結(jié)果如圖7 所示，注射壓力最大值為16.3 MPa，轉(zhuǎn)保壓壓力為13.1 MPa，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)分析，注射壓力在Moldflow推薦范圍內(nèi)。

圖7 注射壓力曲線

圖8 所示是填充末端壓力的結(jié)果分布，在左/右支撐托架填充的末端，填充結(jié)束時(shí)V/P轉(zhuǎn)換的壓力為16.34 MPa，型腔末端壓力為13.07 MPa，以上壓力均小于60 MPa（60 MPa 為注射壓力的中位數(shù)，分析的壓力比中位數(shù)小，即分析結(jié)果合適），末端壓力符合要求。

圖8 填充結(jié)束壓力

翹曲是由于注射成型后塑件內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷，翹曲產(chǎn)生的原因是塑件冷卻后的收縮不均勻。為了避免塑件的翹曲變形，通過Moldflow 分析檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的流道及澆口是否合理，在后續(xù)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上預(yù)防塑件的翹曲變形或?qū)⒆冃慰刂圃诤侠淼姆秶鷥?nèi)。經(jīng)Moldflow 分析，左/右支撐托架的翹曲變形如圖9 所示，圖9（a）分析結(jié)果顯示塑件整體最大變形量為1.138 mm。同時(shí)左/右支撐托架在X、Y、Z方向均有較大的不均勻收縮，并由體積收縮導(dǎo)致塑件的整體翹曲，左/右支撐托架在Z方向的變形量如圖9（b）所示，左/右支撐托架頂部收縮及變形量約-0.48 mm，最大收縮及變形量約0.92 mm，整體變形量在塑件變形公差許可范圍內(nèi)。

圖9 左/右支撐托架的翹曲變形分析結(jié)果

熔接痕的分析結(jié)果如圖10所示，所形成的熔接痕小于75°，熔接痕會影響塑件的表面質(zhì)量，因塑件的熔接痕無法避免，為了盡量減少熔接痕的影響，需在產(chǎn)生熔接痕的區(qū)域設(shè)置排氣結(jié)構(gòu)。

圖10 熔接痕位置

根據(jù)以上分析結(jié)果及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可得出：①注射填充壓力合理，該模具不會出現(xiàn)填充問題；②熔接痕無法避免，需在產(chǎn)生熔接痕的位置設(shè)置排氣結(jié)構(gòu)；③塑件在X、Y、Z方向具有較大的不均勻收縮，整體收縮變形量在塑件的變形公差范圍內(nèi)。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)的分流道及澆口形狀、參數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求，按Moldflow 分析結(jié)果進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，同時(shí)增加保壓時(shí)間，避免塑件翹曲及收縮變形。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 塑件布局與型腔數(shù)確定

模具設(shè)計(jì)時(shí)確定型腔數(shù)目通?？紤]4 種因素：①經(jīng)濟(jì)性能；②注塑機(jī)的額定鎖模力；③注塑機(jī)的最大注射量；④塑件精度。為簡化模具結(jié)構(gòu)，兼顧生產(chǎn)效率，確保塑料熔體能通過分流道同時(shí)到達(dá)澆口進(jìn)入型腔，并綜合考慮Moldflow 分析結(jié)果，確定采用1模2件的平衡布局（見圖1（a））。

3.2 主分型面及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)注射模時(shí)必須根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)、形狀，確定待成型塑件在模具中的位置，即確定分型面。設(shè)計(jì)分型面的基本原則：應(yīng)選擇在塑件斷面輪廓最大的位置，以便順利脫模，同時(shí)還要兼顧簡化模具結(jié)構(gòu)和有利于模具零件加工、排氣等。左/右支撐托架的主分型面設(shè)計(jì)如圖11所示。

確定主分型面后進(jìn)行型芯、型腔板的設(shè)計(jì)，為保證模具的合模精度，在分出型芯、型腔板后，分別在型芯、型腔板上設(shè)計(jì)錐面凸臺定位，最終設(shè)計(jì)的型芯、型腔板如圖12所示。

圖12 型芯和型腔板

3.3 抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）斜導(dǎo)柱滑塊抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因左/右支撐托架有側(cè)孔與側(cè)凹結(jié)構(gòu)，成型時(shí)需設(shè)計(jì)側(cè)向分型。側(cè)孔的深度為6.07 mm，側(cè)凹的深度為2.74 mm，采用斜導(dǎo)柱滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，為便于加工和成型，側(cè)向型芯采用整體式型芯，斜導(dǎo)柱直徑設(shè)計(jì)為φ24 mm，角度設(shè)計(jì)為12°，如圖13所示。

圖13 斜導(dǎo)柱滑塊抽芯結(jié)構(gòu)

（2）斜推塊內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。左/右支撐托架有4 個(gè)孔結(jié)構(gòu)，如圖14 所示，左支撐托架有3 個(gè)孔，右支撐托架有1 個(gè)孔，因位置與斜導(dǎo)柱抽芯結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，如果采用斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)成型，抽芯距離較長，無法與側(cè)孔側(cè)凹結(jié)構(gòu)一起抽芯，如再設(shè)計(jì)一個(gè)斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)則會與圖13 的斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)產(chǎn)生干涉。為避免干涉及簡化模具結(jié)構(gòu)，采用斜推塊內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)成型4 個(gè)孔，如圖15 所示，斜推塊既起到內(nèi)側(cè)型芯的作用，又起到推出塑件的作用。因塑件厚度約3.5 mm，內(nèi)側(cè)抽芯距較短，設(shè)計(jì)斜推塊的傾斜角度為4°，推板行程為75 mm，抽芯行程最大為75×tan4°≈5.244 mm＞3.5 mm，抽芯行程足夠。

圖14 左/右支撐托架4個(gè)孔結(jié)構(gòu)

圖15 斜推塊內(nèi)側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)

3.4 冷卻水道與推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）冷卻水道設(shè)計(jì)。模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對生產(chǎn)效率的影響主要由冷卻時(shí)間體現(xiàn)，塑料熔體溫度一般為200 ℃左右，塑件從模具中取出的溫度在60 ℃以下，塑料熔體在成型時(shí)釋放的熱量約5%以輻射、對流的形式散發(fā)到空氣中，其余95%由冷卻系統(tǒng)將熱量帶走。因左/右支撐托架的模具整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，除型芯、型腔板需要開設(shè)冷卻水道外，側(cè)向分型的側(cè)型芯體積較大也需要開設(shè)冷卻水道，模具整體的冷卻水道直徑為φ10 mm，均勻分布在型芯、型腔板和側(cè)型芯中，因塑件形狀復(fù)雜，冷卻水道也較復(fù)雜，整體的冷卻水道如圖16所示。

圖16 模具整體的冷卻水道

（2）推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于左/右支撐托架外表面質(zhì)量要求較高，內(nèi)側(cè)面要求相對較低，采用推桿推出機(jī)構(gòu)，可以簡化模具結(jié)構(gòu)。雖然模具中已設(shè)計(jì)了4 個(gè)斜推塊，但是推力不均勻，為使推力更均勻，在塑件底部均勻設(shè)置推桿，推桿的直徑根據(jù)部位不同選取了4 種規(guī)格，直徑分別為φ10、φ8、φ6、φ4 mm，推桿布置如圖17所示。

圖17 推桿布置

設(shè)計(jì)完成后，最終的模具結(jié)構(gòu)如圖18 所示，模具為熱流道進(jìn)澆，工作過程較簡單，首先模具從分型面打開，楔緊塊5 帶動(dòng)斜導(dǎo)柱將滑塊6 向外側(cè)抽芯，抽芯完成后頂桿13 推動(dòng)推桿固定板11，通過斜推桿18 將塑件推出。加工后裝配的模具經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，注射成型的塑件符合客戶要求，已交付客戶生產(chǎn)使用。

圖18 模具結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

通過利用Moldflow 對左/右支撐托架進(jìn)行模流分析并設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)可參考Moldflow 的分析結(jié)果，避免模具設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的問題，減少后續(xù)修模的成本，提高設(shè)計(jì)效率。模具試模后，塑件精度達(dá)到客戶的要求，該設(shè)計(jì)思路及方法可為其他復(fù)雜的汽車零部件注射模設(shè)計(jì)提供參考。