汽車A柱下飾板注射成型工藝仿真分析

王 鳳，周 濱，卜繼玲，劉廣華

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

汽車A柱下飾板注射成型工藝仿真分析

王 鳳，周 濱，卜繼玲，劉廣華

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

采用正交試驗和Moldflow數值模擬相結合的方法，對汽車A柱下飾板的注射成型過程進行了分析，研究了模具溫度、熔體溫度、注射時間和保壓壓力等工藝參數對殘余應力和翹曲變形的影響。通過極差分析得到，熔體溫度對翹曲變形影響最大，保壓壓力對殘余應力影響最大，最佳工藝參數組合為模具溫度40℃，熔體溫度205℃，注射時間5s，保壓壓力45MPa；通過仿真分析與實際成型方案進行比較，汽車A柱下飾板的翹曲變形由3.847mm降為3.121mm，殘余應力由66.95MPa降為65.21MPa。

Moldflow；A柱下飾板；注射成型；仿真分析；殘余應力

0 前言

隨著中國汽車行業的迅速發展，人們對汽車內飾塑料構件提出了越來越高的要求。注射成型是制造復雜形狀塑料制品最常用的方法之一，具有形狀尺寸精確、生產效率高、可加工塑料種類多、適合批量生產等特點，因而在汽車內飾塑料構件生產中得到廣泛的應用。在注射成型過程中，殘余應力和收縮變形是影響注塑制品外觀和性能的最關鍵因素之一。收縮變形與殘余應力的產生有著直接的聯系，主要受成型過程中溫度和壓力的歷史影響[1]。

本研究以汽車內飾件A柱下飾板為例，運用CAE軟件Moldflow和正交實驗法相結合的方法進行多指標仿真實驗，研究不同成型工藝參數對制件最終殘余應力和翹曲變形的影響程度，尋求最優的成型方案，為產品設計開發提供參考意見。

1 模流分析前處理

1.1 塑件的結構工藝性分析

汽車A柱下飾板外觀要求嚴格，壁薄，易產生殘余應力和翹曲變形等產品缺陷。其在轎車內飾件中為左右對稱件，常采用一模兩腔的模具注射成型。塑件主體厚度為2.5mm，加強筋厚度為1.5mm，外形尺寸338.4mm×290.0mm×132.4mm（左），338.4mm×288.5mm×132.5mm（右），其三維實體模型如圖1所示。實際注塑過程中采用的材料為聚丙烯/20%滑石粉。仿真分析過程中選用Moldflow材料數據庫自帶材料 ME232U（聚丙烯/20%滑石粉，制造商：Borealis），其物理性能參數如表1所示。

圖1 汽車A柱下飾板三維實體模型Fig.1 Geometric model for lower plaque for A－pillar of vehicle

1.2 網格劃分

網格劃分是模型前處理的一個重要環節，網格質量的好壞直接決定分析結果的精度。首先將A柱下飾板3D數模導入CAD doctor中進行模型修復與簡化，以便在劃分網格時得到高質量的網格，將修復后的模型以＊.udm格式導入到 Moldflow，為提高分析的精度，選擇網格類型為Fusion。設置澆注系統和流道系統，選擇柱體單元進行網格劃分。對自動劃分后的網格運用Moldflow軟件系統修改工具進行網格修復。最終制件網格數目為50898，節點數為26897，網格匹配率為92%，此網格構造良好，完全滿足分析要求。網格劃分結果如圖2所示。

表1 材料物理性能參數Tab.1 Physical parameters for the materials

圖2 網格劃分結果Fig.2 Mesh results

2 正交試驗

2.1 正交表的選用

應力集中和翹曲變形是汽車A柱下飾板常見的產品缺陷，嚴重影響了產品的外觀和性能，本研究選定殘余應力和翹曲變形量作為主要實驗指標來評估試驗方案的優劣。以模具溫度、熔體溫度、注射時間和保壓壓力4個成型工藝參數作為正交試驗因素，分別用A、B、C、D表示。假設各因素之間不存在交互作用，根據Moldflow系統推薦的成型工藝參數范圍，每個因素設置3個水平，選用L9（34）正交表進行試驗設計[2－4]。選取的因素水平如表2所示。

2.2 實驗數據分析

運用Moldflow軟件進行模流分析，根據正交試驗法，共需進行9組分析，正交實驗方案及實驗結果見表3。

表2 正交試驗的因素及水平Tab.2 Factors and level of orthogonal experiment

2.3 極差分析

為獲取各因素對實驗指標的影響程度，對正交實驗結果進行極差分析。差值R越大，說明該值對指標的影響程度越大，各因素的極差分析結果如表4所示。

從表4可以看出，對制品翹曲量影響最大的因素為熔體溫度，其他因素依次為注射時間、模具溫度和保壓壓力。對制品殘余應力影響最大的因素為保壓壓力，其次為熔體溫度、模具溫度和注射時間。根據成型要求，翹曲變形量越小越好，選定的優化組合為A2B1C3D2。殘余應力越小越好，選定的優化組合為A3B3C2D1。

表3 仿真試驗數據Tab.3 Data for simulations

表4 極差分析結果Tab.4 Range analysis results

綜合考慮，由于保壓壓力對殘余應力的影響顯著，對翹曲變形量影響不明顯，減小保壓壓力，可以極大地降低制品殘余應力。熔體溫度對翹曲變形量影響顯著，但是對殘余應力影響不明顯，通過分析比較，選定的最優組合為A2B1C3D1，即模具溫度為40℃，熔體溫度為205℃，注射時間為5s，保壓壓力為45MPa。選定最優工藝參數組合，運用Moldflow軟件再次進行仿真分析。

3 最優參數組合仿真結果分析與探討

3.1 殘余應力分析

殘余應力主要來源于兩個方面：首先，在充模和保壓階段，熔體的黏性流動產生流動殘余應力與材料的分子取向有關；其次，成型過程中制品的各個部分的溫度和壓力歷史均不相同，這種不均衡的冷卻產生溫度殘余應力。其中，溫度殘余應力一般比流動殘余應力大一個數量級以上，是殘余應力的主要來源[5－7]。

由圖3分析可知，殘余應力峰值51.78MPa出現在澆口附近，覆蓋范圍小。塑件絕大部分應力值集中在25～30MPa之間，充填末端區域峰值分布在35～40MPa之間。適當延長保壓時間，可將殘余應力峰值出現的位置控制在充填末端區域，但是會擴大峰值出現的范圍，本文不做進一步的探討。

圖3 殘余應力分析Fig.3 Residual stress analysis

3.2 翹曲分析

翹曲是指不均勻的內部應力導致的制件缺陷。導致翹曲變形量過大的原因有收縮不均勻、冷卻不均勻和取向不均勻。圖4和圖5所示為制件的翹曲分析結果，將變形量放大10倍，可以看到塑件產生了明顯變形，其中線框為未變形部分，影像為已產生翹曲變形部分。

從圖4可以看出，由各種因素引起的翹曲變形綜合結果最大為3.1208mm，其中由于不均勻冷卻引起的最大翹曲變形為0.8183mm，由于不均勻收縮引起的最大翹曲變形為3.4758mm，由于塑料分子取向不均引起的翹曲變形為0。由此可知，引起塑件翹曲變形的主要原因是材料的收縮不均引起的。由圖5進一步分析材料在不同方向上對塑件翹曲變形的貢獻度，比X方向最大變形為4.651mm，Y方向最大為3.525mm，Z方向最大為4.265mm。由于各方向最大變形出現位置不相同，總變形量有一定程度的降低。

3.3 方案對比

A柱下飾板現在采用的工藝方案為：模具溫度55℃，熔料溫度225℃，注射時間4s，保壓壓力55MPa，與最優方案的仿真結果進行對比，殘余應力由66.95MPa降為65.21MPa，翹曲變形量由3.847mm降為3.121mm。因為塑料材料在成型過程中不可避免地會產生體積收縮，由于產品結構的不規則性和實際成型工藝的影響，容易造成殘余應力和翹曲變形等產品缺陷。借助正交試驗法和Moldflow仿真模擬相結合的方法，可以使得制品的性能和外觀品質有明顯的改善，從而證明了改進方案的優越性，對比結果如表5所示。

圖4 不同因素對翹曲變形的影響Fig.4 Influence of different factors on warp deformation

圖5 不同方向的翹曲變形量Fig.5 Warp deformation along different directions

表5 改進方案與原有方案對比Tab.5 Contrast of improvement program and original program

4 結論

（1）運用正交試驗法和Moldflow仿真模擬相結合的方法，有效的解決了以往成型工藝參數設置不合理的現象，避免了各因素單獨分析的片面性，可減少傳統試模修模的次數，降低模具成本，提高產品品質；

（2）在所選工藝參數范圍內，熔體溫度對制件翹曲變形量的影響最大，熔體溫度越高，制件翹曲變形越大；模具溫度、注射時間和保壓壓力影響相對較小；

（3）在所選工藝參數范圍內，保壓壓力大小對制件的殘余應力影響最大，模具溫度、熔體溫度和注射時間影響相對較小；保壓時間長短直接影響殘余壓力峰值出現的位置，保壓時間短，峰值出現在澆口位置，保壓時間長，峰值出現在充填末端區域。

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Injection Molding Simulation of Lower Plaques for A－pillars of Vehicles

WANG Feng，ZHOU Bin，BU Jiling，LIU Guanghua
（Zhuzhou Times New Material Technology Co，Ltd，Zhuzhou 412007，China）

Using orthogonal experiments and Moldflow simulation，the process in the injection molding of lower plaques for A－pillars of vehicles was simulated.The influences of different molding process parameters such as mold temperature，melt temperature，injection time，and packing pressure on the warp deformation and residual stress were studied.It was found that the melt temperature constituted the most influential factor to warp deformation，packing pressure was the most influential factor to the residual stress.A set of optimal process parameters was found to be mold temperature 40℃，melt temperature 205℃，injection time 5s，the packing pressure 45MPa.Compared with regular processing parameters，warp deformation decreased from 3.847mm to 3.121mm，residual stress decreased from 66.95MPa to 65.21MPa.

Moldflow；lower plaque for A－pillar；injection molding；simulation；residual stress

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）08－0085－05

2012－03－13

聯系人，wangfeng4＠teg.cn