汽車內飾件注塑成型數值模擬及缺陷分析

林建兵

LIN Jian-bing

（四川信息職業技術學院 機電工程系，廣元 628017）

0 引言

工程塑料在汽車制造領域已廣泛應用，尤其汽車內飾件中采用塑料的比例更高，汽車內飾件采用塑料制品不僅能滿足乘坐舒適性與安全性的要求，同時可減輕汽車重量，節省燃油，還可降低制造成本，簡化生產工藝等，本文選取典型汽車內飾件塑料儀表板組件為例，運用CAE技術對產品注塑成型過程進行數值化模擬分析，通過分析數據對產品質量進行評價，同時優化模具方案，提升產品質量，控制產品缺陷。

1 內飾件結構特點

內飾件是汽車結構重要的組成部分，具有功能多、零件多、結構復雜等特點，同時對外觀面質量要求高，并且方便裝配與拆卸，基于這些要素下現內飾件多由塑料原料制成，且多采用熱塑料性塑料注塑而成，汽車儀表板、車門內飾板等均屬典型的內飾件，在現代家用轎車的開發中多采用ABS、PPO等常用工程塑料為主要成分的原料制成，ABS、PPO等材料為通用工程塑料，使用性能方面具有剛性大、耐熱性高、阻燃性好、機械強度高；同時還具有耐磨、無毒、耐污染等優點，這些優點正迎合了汽車內飾件的使用要求；物理性能方面它密度小，對減輕汽車重量有積極促進意義，同時機械強度和抗疲勞強度均較高；成型性能方面，屬熱塑性塑料，材料塑性較好，可一次性成型結構復雜、尺寸較大的塑件，在成型工藝方面多采用國內較為成熟的注塑工藝直接成型。

2 注塑成型模擬分析

圖1為某品牌汽車車門內飾板，產品尺寸大，形狀復雜，結構上孔位和扣位較多，背部分布有多個凸臺、內筋等結構，同時產品除少數裝配部位外其余外觀面要求作腐蝕紋理處理，質量要求較高，產品由ABS為主要成分的共混塑料制成，制造工藝上采用傳統的注塑生產工藝。

圖1 產品三維圖

2.1 設計模具澆注方案

產品采用注塑成型工藝，產品最大外輪廓尺寸為1180×880×185mm，基礎壁厚為3mm，基于產品尺寸較大、結構復雜，壁厚較小，因此在注塑填充過程中難度較大，如何設計模具澆注系統就顯得尤為重要，不能只憑單一的生產經驗來進行設計，可融合CAE技術來進行指導性設計，我們選用Moldflow軟件對澆口位置進行分析，需要首先對三維模型進行處理，在UG軟件里將.prt文件格式轉換為.stl格式，然后導入軟件進行網格劃分，Moldflow軟件提供3種網格類型：實體網格（solid）、表面網格（fusion）和中層面網格（midplane），考慮到產品尺寸大，壁厚小，為提高網格質量和減小計算量，選擇中層面網格（midplane），并通過網格處理工具對網格進行優化處理，最終獲得滿足分析要求的網格模型[1]，網格模型的各項主要指標參數如表1所示。

表1 midplane 網格數據統計

圖2 澆口位置分析

考慮到產品為大型薄壁件，普通冷流道注射系統難以滿足填充要求，且冷卻時間更長，取料方式較復雜，注塑冷料多，流道廢料多，因此在澆注方案上優先采用熱流道澆注系統，同時產品尺寸跨度大，結合Moldflow軟件澆口位置分析結果，確定在產品四個角落位置及產品中部方孔邊沿處各設置一個進澆口，同時遵循澆注系統設計時，不同澆口位置的下游料流量都近似相等的原則[2]， 合理布局澆口位置和調整澆口尺寸，具體結構方案如圖3所示。

圖3 產品澆注方案

2.2 注塑工藝參數設置

優異的模具澆注方案還需配置合理的成型工藝，才能獲得高質量的產品，在運用軟件正式分析之前，必須對成型工藝進行設置，在設置過程中應充分考慮到產品的具體結構和尺寸，讓成型工藝參數盡量貼近生產實際，這就需要設計者具有相當的工程實踐經驗，或者在CAE分析過程中應有模具工程師的參與或指導。結合該產品實際，模具溫度和熔體溫度選用Moldflow軟件推薦工藝參數，模具溫度設定為50℃；熔體溫度為250℃；保壓方式由恒壓保壓改為分段恒壓式，具體為：第一保壓階段由于產品變形量大，采取高保壓，設定為注射壓力100%，時間約為0~4s；第二段保壓壓力略為減小，但仍處于高壓狀態，設定為注射壓力的80%，時間為填充末端壓力最大時間與壓力為零時間的平均值，時間約為4s～18.45s；第三段保壓值取注射壓力50%，時間為第二段保壓結束到澆口凝固的總時間[3]，時間約為19s～78.80s ，相應的保壓曲線如圖4所示，同時模流分析過程選擇考慮澆口面及冷流道，考慮模具的熱膨脹系數與角效應，然后進行模擬分析。

圖4 保壓曲線

2.3 數值化模擬分析及評價

通過選擇Moldflow的流動+翹曲分析功能對注塑過程進行數值化模擬分析，通過對分析數據的讀取與查詢，對注塑成型的各項指標進行檢驗與評價。首先通過充填時間與充填區域動態圖可知，塑件在5個澆口的共同充填，型腔在3.327s被充滿，澆口1填充區域面積最大，澆口5填充區域面積最小，并可初步判斷熔體的壓力降與溫度降不大，V/P轉換點壓力分布圖顯示了填充結束后型腔及流道內的壓力分布情況，型腔內壓力分布較均勻，對產品質量無不良影響，填充分析各主要指標參數統計如表2所示，通過總結分析可見該方案滿足填充要求。

圖5 填充時間與填充區域分析

表2 注塑工藝各項主要指標參數統計表

3 缺陷分析及解決方案

產品在澆注時為五澆口同時進澆，有效地減小了熔體的溫度降和壓力降，同時縮短了熔體的充模流程，避免產品表面產生虎皮紋，一定程度提高了表面質量，但產品因為結構復雜，進澆口較多，無法避免會產生一些產品缺陷，下面對該產品所產生的一些注塑件常見缺陷進行分析總結。

3.1 熔接痕

圖6 熔接痕與溫度分布疊加圖

熔接痕是塑料件中常見缺陷之一，在型腔中的兩股熔體相遇時就會形成熔接痕[5]，該產品方案中澆口較多，因此在型腔內會出現多個位置熔體相遇的情況，熔接痕數量較多，通過查看分析結果，可知圖6左圖中所示位置均會產生熔接痕，同時把熔接痕分析圖與溫度分析圖疊加分析，各熔接痕的熔接溫度250℃~252℃之間，熔接溫度均接近熔體最大前沿溫度，因此熔接強度較高，對產品使用不會造成明顯影響，但這些熔接痕始終會降低產品外觀面的質量，較明顯的熔接痕在要求較高的汽車內飾件中是不允許出現的，為了解決這一問題，我們可在模具結構方案中進行改進設計，在原來的澆注方案的基礎上采用順序閥熱流道來進行填充，讓位于產品中部的澆口5針閥先打開，然后結合熔體流動過程依次打開其他針閥的形式來進行填充，可有效控制熔接痕的產生，同時為了避免產生困氣現象，可在模具型腔對應位置增加專門的排氣槽結構，這樣也會對熔接痕的控制帶來積極的影響。

3.2 翹曲變形

產品為車門內飾板，結構上屬薄壁板類零件，使用上要求易裝配易拆卸，因此需嚴格控制翹曲變形量，控制翹曲變形可先從產品設計入手，在產品背面增設凸臺，加強筋等結構，本產品已作此類結構設計，同時在工藝設計時結合生產實際選擇適合的工藝參數，在工藝設置時把默認的恒壓保壓方式調整為分段恒壓的保壓方式，同時考慮模具的熱膨脹系數，角效應等因素對翹曲變形的影響，同時還可適當調節注射壓力大小，具體設置上文已有闡述，設置后使成型方案更貼近生產實際，便于模具調試操作，按照此方案運用軟件進行翹曲變形模擬分析（如圖7所示），由分析數據可得：模具收縮與角效應因素對翹曲變形影響最大，具體的變形量如表3所示，產品最大綜合總變形量為3.695mm，對產品使用無明顯影響，證明此方案符合生產要求。

圖7 翹曲變形分析

表3 翹曲變形量統計

4 結束語

運用Moldflow軟件對產品注塑過程進行了數值化模擬分析，進而對成型方案作出了有效地檢驗與改進，通過對分析結果的比較、總結，獲得了可行性較好的工藝參數數據，這些數據為后序的模具方案設計及成型工藝調節提供了指導性意見，為汽車內飾件的制造提供了有力的技術支持和理論依據，同時促進汽車工業與模具工業的共同發展。

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