CAE技術在汽車發動機罩模具設計中的應用

余 玲，夏秉梅，彭必友

（1．西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039；2．天津華濤汽車塑料飾件有限公司，天津300000）

CAE技術在汽車發動機罩模具設計中的應用

余 玲1，夏秉梅2，彭必友1

（1．西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039；2．天津華濤汽車塑料飾件有限公司，天津300000）

以汽車發動機罩的模具開發為例，采用計算機輔助工程（CAE）技術和流變學理論相結合的方法，設計其熱流道澆注系統，模擬該汽車發動機罩的整個注塑過程，對比分析原始設計方案和優化設計方案，通過實際生產，驗證其可行性，成功獲得合格的產品。

汽車發動機罩；模具；澆注系統；優化設計

0 前言

汽車部件塑料化是當今汽車制造業的一大發展趨勢，越來越多的大型塑件被用于其零部件生產，而如何高效進行模具設計，從而有效地縮短開發周期、提高產品品質、降低生產成本，已成為零部件廠商關注的重點。本文以某汽車發動機罩的模具開發為例，采用CAE技術和流變學理論相結合的辦法，系統地計算出澆注系統的尺寸，并對原始設計方案和優化設計方案進行分析對比研究。

1 產品介紹

汽車發動機罩模型如圖1所示，外形尺寸為591mm×437mm×113mm，主料厚2．5mm。相對主尺寸而言屬于薄殼件，產品反面有螺釘和裝配卡扣，正面表面為黑色細沙紋外觀面，不允許有外觀缺陷和澆口痕跡。由于產品整體尺寸偏大，且有較高的外觀品質要求，將模具型腔數目定為一模一腔。

圖1 汽車發動機罩模型Fig．1 Model of the car engine hoods

產品材料采用的是質量分數為30%的玻璃纖維增強聚酰胺6（PA6／30%GF），由Rhodia公司生產，牌號為Technyl Star S 218V30Black。材料的主要性能參數：最大切應力0．5MPa，最大剪應速率60000s－1，頂出溫度174℃，熔體溫度推薦范圍240～280℃，模具溫度推薦范圍60～100℃。

根據材料的性能特點，將產品的工藝參數設置為：模溫80℃；熔體溫度260℃；速度／壓力控制（V／P）轉換98%；保壓壓力分為3段：80%P—80%P—50% P（P為填充的最大注射壓力），保壓時間分別為0、8、12s。

2 澆注系統設計

由于汽車發動機罩是屬于中大型制品，從生產成本和品質要求等方面綜合考慮，主要采用熱流道澆注系統，根據流變學理論初步估算其熱流道尺寸。

2．1 理論基礎

以非牛頓流體在圓形流道中流動時的力學平衡模型為基礎，采用冪律方程，進行非牛頓校正，推導出式（1）：

式中 γ·——剪切速率，s－1

n——非牛頓指數

Q——體積流速，cm3／s

d——圓形流道直徑，cm

顯然，只要γ·、n、Q已知，即可求出d。

（1）γ·的取值

通過查閱資料［1－3］，發現注射過程中熔融塑料流經熱主流道的剪切速率為5×103s－1，流經熱分流道的剪切速率可取5×102s－1。

（2）Q值的計算對于主流道：

式中 t——填充時間，s

V——填充體積，cm3

對于分流道：

式中 Qi——第i級分流道的體積流速，cm3／s

Qi－1——第i－1級分流道的體積流速，cm3／s

mi——下一級分流道的分支數

（3）n值的研究

n對于不同的原料具有不同的取值，而且n的取值隨溫度和γ·的不同而不同，因而n的值一般由實驗來確定。

2．2 估算流道尺寸

首先在CAE軟件中按照流動平衡的原則，初步設置6個進澆點同時注塑進行模擬分析，獲取初始填充時間2．5s，填充體積707．76cm3，進而進行估算熱流道的尺寸。

（1）熱主流道直徑（dS）

將上面的分析結果代入式（2）得主流道中塑料熔體體積流速QS為：

QS＝707．76／2．5≈283．10cm3／s （4）

根據材料供應商提供的數據，查得材料在熔體溫度260℃，剪切速率5×103s－1時，非牛頓指數n＝0．59，將QS代入流變學公式（1），得

（2）熱分流道直徑（dR）

初步設置6個熱分流道，根據式（3）得到分流道中熔體的體積流率（QR）為：

QR＝283．104／6≈47．18cm3／s （6）

根據材料供應商提供的數據，查得材料在熔體溫度260℃，剪切速率5×102s－1時，非牛頓指數n＝0．64，代入相應流變學公式（1），得

以上面的計算結果作為基礎，為方便制造，采用熱流道廠商的標準尺寸，將澆注系統尺寸確定為：主流道尺寸D10mm～D12mm；分流道尺寸D12mm。

確定熱流道的尺寸后，再根據熔體性能、塑件結構、外觀和裝配要求等，將冷流道設計為D8mm，采用長度10mm的搭接扇形澆口，其尺寸為：20mm× 1．5mm（大端）；8mm×6mm（小端）。

圖2 澆注系統設計方案Fig．2 Design schemes of two runner systems

2．3 設計方案

原始設計方案是根據客戶建議的澆注系統，如圖2（a）所示，采用6點針閥式熱流道（圖中序號1～6），7點搭接扇形側澆口。圖2（b）是根據產品結構特點，經驗和成本要求，按照流動平衡的原則，利用CAE軟件反復優化設計驗證后得到的澆注系統，采用5點針閥式熱流道（圖中序號1～5），8點搭接扇形側澆口。

通過反復的模擬調整，最終確定了2種方案熱流道針閥的開啟時間，如表1所示。

表1 兩種方案熱流道針閥的開啟時間 sTab．1 Needle valve open time of two hot runner systems s

3 兩種方案的對比模擬分析

針對汽車發動機裝飾罩的品質要求，采用Moldflow軟件的流動分析模塊對2種設計方案的整個注塑過程進行模擬分析，為正確評估澆注系統優化設計方案的可行性，下面就根據產品品質考察的重點內容，對比分析2種設計方案的主要模擬結果。

圖3是2種設計方案的流動填充狀態圖，主要通過填充時間來顯示熔體在整個型腔中流動情況。從圖中可以看出，由于產品采用的是順序控制，最先填充的位置都剛好是閥式澆口開啟時間為零的位置，原始設計方案的熔體是從上向下流動，流程比較長，對于大型批量生產的產品而言，容易造成模具局部閉合力不均的問題，而優化設計方案的熔體是由中心向四周擴散，流程比均衡較短，保證模具整體的鎖模力均衡，填充時間也分配均勻，時間相對減少了0．35s左右，縮短了成型周期。

圖3 流動填充狀態圖Fig．3 Diagram of flow fill state

圖4 速度／壓力控制轉換時的壓力分布圖Fig．4 Diagram of pressure at V／Pswitchover

圖4為熔體注射由速度控制轉換成壓力控制時的壓力分布圖。從模擬結果看出，原始設計方案的最大壓力約為48．68MPa，優化設計方案的最大壓力約為37．13MPa，前者比后者高出12MPa左右，意味著原始設計方案的熔體在流動路徑上所受阻力較大，必須施加更大的注射壓力才能保證熔體順利充模。而過大的注射壓力容易使塑件產生飛邊和變形，批量生產時還會影響模具的使用壽命。

圖5是熔接痕、氣穴和填充云紋線疊加圖，其中粗的黑色線條顯示的是熔接痕，小圓球是困氣點，細的云紋線條表示填充時熔體流動前沿的擴展情況。從圖中可以看出，雖然合理的調整了熱流道針閥開啟的時間，避免了由于針閥的提前開啟而造成的熔接痕，但原始方案由于澆口設置的原因，還是在2個澆口的熔體匯聚處形成了黑色圓圈標示的熔接痕，此處的料流匯合呈對流狀態，角度小于理論的120°，熔接痕長，伴有困氣點，這類熔接痕一般都不容易消除，困氣也會產生鼓包現象，強度較低，會影響塑件的的力學性能和表面品質。優化設計方案沒有在塑件表面形成明顯熔接痕，料流也是由中心向四周流動，有利于推動氣體排出，不會產生困氣，品質明顯優于原始設計。

圖5 熔接痕、氣穴和填充云紋線疊加圖Fig．5 Superposed graph of weld lines，air traps and filling cloud line

作為影響塑件裝配的主要考察因素，翹曲變形也是分析研究的重點，圖6中所示的就是產品總體變形量，產品的總變形量顯示的是模型上每一點空間的變形量，以所有變形前的節點為參照，顯示模型變形后的形態［4］。原始設計方案的最大變形量約為10．33mm，最大變形位置在標示的產品右上角，優化設計方案由于設計合理，實現了壓力降的均勻分布，極大地降低了不均勻收縮引起的翹曲變形。最大變形量僅為5．98mm，比原始方案減少了50%左右，最大變形位置在標示的產品左邊邊緣部位。從產品結構來看，旁邊設計有一個固定卡子，在裝配時可以更有效地減少變形，不會影響裝配效果。

圖6 翹曲總變形量Fig．6 Total warping deformation

通過以上的對比分析，優化設計方案無論從成型周期、壓力分布、外觀品質和裝配要求等方面來看，都明顯優于原始設計方案。因此，最終將優化設計方案用于汽車發動機裝飾罩的模具設計和試模過程中。結果表明，產品的外觀品質和裝配結果與CAE模擬分析結果十分吻合，均優于客戶要求。圖7是實際生產得到的產品圖。

圖7 產品實物圖Fig．7 Product figure

4 結論

（1）采用CAE技術和流變學理論相結合的方法，系統的計算出澆注系統主、分流道的尺寸，為此類大型復雜模具的設計提供了科學依據，提高了設計的準確性和實用性；

（2）利用數值模擬結果，優化設計汽車發動機裝飾罩的澆注系統，合理控制針閥的開關時間，優化模具的結構和工藝參數，解決潛在的缺陷，有效提高產品品質，極大地縮短模具開發周期，降低生產成本，為企業帶來更好的經濟效益。

［1］唐志玉 ． 塑料模流變學設計［M］．北京：國防工業出版社，1991：49－79．

［2］李伊熙，駱秀云．汽車塑料應用手冊［M］．北京：機械工業出版社，1989：90－92．

［3］董祥忠．超大型塑料注射模的設計［J］．塑料工業，1995，25（3）：26－30．Dong Xiangzhong，The Design of Super－large－scale Injection Mold［J］．China Plastics Industry，1995，25（3）：26－30．

［4］湯小東．基于Moldflow的汽車格柵零件澆注系統的優化設計［J］．塑料科技，2012，40（9）：68－70．Tang Xiaodong．Optimal Design of Gating System for Car Grille Parts Based on Moldflow［J］．Plastics Technology，2012，40（9）：68－70．

《泡沫塑料——機理與材料》簡介

發泡本身是一種動態而且復雜的過程，涉及到科學原理和控制加工工藝的工程參數。本書的主要目的之一是要透徹理解泡沫塑料的基本機理和材料性能。第1章介紹了泡沫塑料的機理和所用材料。基本機理似乎對所有泡沫塑料都適用，因為泡沫塑料都是通過發泡制得的，其中涉及到泡孔成核、長大和穩定等機理。第3章和第5章專門討論了上述機理。

盡管發泡是一種不穩定的、具有動態復雜性的相分離過程，但材料強度對決定泡沫塑料的發泡程度和泡孔結構起著決定性的作用。第2章專門討論了材料強度，因為材料強度對熱塑性塑料的擠出發泡非常重要。第4章、第6章和第7章深入討論了不同泡沫塑料的制備工藝，其中包括熱塑性泡沫塑料、熱固性軟質和硬質聚氨酯泡沫塑料。我們希望本書能深入全面地分析泡沫塑料的機理、材料性能及其之間的相互關系。

本書對正在進行基礎和應用研究的工業界和學術界的科學家、化學家和工程師們透徹理解發泡機理和材料性能有所幫助，促使其取得更大成績。本書也可以用作碩士研究生的教科書和大學泡沫塑料課程的參考書。

該書是Polymeric Foams：Mechanisms and Materials的中譯本，由北京工商大學材料與機械工程學院輕工業塑料加工應用研究所張玉霞、王向東翻譯，由化學工業出版社出版。

《泡沫塑料——法規、工藝和產品技術與發展》簡介

自20世紀60年代以來，聚合物泡沫塑料技術已經發展成為一項穩固的產業，幾乎影響了現代生活的各個方面。泡沫塑料行業已經渡過了70年代的能源危機，解決了80年代的臭氧問題和90年代的回收／再利用問題。但是，發展和社會環境前進的步伐又在迅速變化，將關注點更加堅定地聚焦在性能、可持續發展資源和能源安全上。《泡沫塑料——法規、工藝和產品技術與發展》一書不僅探索了這一領域新的理念、創新和發展，還提出了有關泡沫技術和應用發展方向的全球性觀點。

特點：（1）討論了新的工藝，包括泡沫注射成型的分析；（2）探索發泡注射成型領域的創新產品開發和新技術；（3）涵蓋了納米可生物降解泡沫、其他新型泡沫、能源安全泡沫和可持續發展泡沫的開發與應用；（4）提出了泡沫塑料從20世紀50年代發展到21世紀的全球性生產的歷史性觀點。

與今天其他大多數領域一樣，人們朝著環境友好、滿足特殊應用而提高性能方向所進行的努力推動著研究和開發。本書不僅提供了一幅開發過程的圖畫，還涵蓋了泡沫行業新的發展方向及其對現在和未來發展的影響。該書是Polymeric Foams：Technology and Developments in Regulation，Process and Products（作者：Shau－Tang Lee，Dieter Scholz）的中譯本，由北京工商大學材料與機械工程學院輕工業塑料加工應用研究所張玉霞、王向東翻譯，由化學工業出版社于2011年8月出版。

Application of CAE Technology in Mold Design of Car Engine Hood

YU Ling1，XIA Bingmei2，PENG Biyou1
（1．School of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2．Tianjin Huatao Automobile Plastic Accessories Co，Ltd，Tianjin 300000，China）

This article reported a case study on the application of CAE technology for mold design of car engine hood．The hot runner system was first designed by combination of CAE technology and rheological theory．The projects derived from the original design and optimized design was analyzed and compared through simulating the whole injection molding process of a car engine hood．The feasibility of the optimized design project was confirmed by the practical production，and the qualified products were also manufactured successfully．

car engine hood；mould；hot runner system；optimized mold design

TQ320．66＋2

B

1001－9278（2017）07－0132－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．022

2017－03－20

聯系人，yuling1906＠126．com