基于Moldflow軟件的汽車OBD外蓋數(shù)值模擬研究

摘 要：以某車型OBD外蓋為研究對象，借助Autodesk Moldflow Insight模擬分析軟件，研究注射時間、熔體溫度、模具溫度、保壓時間和保壓壓力對薄壁OBD外蓋產(chǎn)品翹曲變形的影響，尋找影響OBD外蓋翹曲變形量最小的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，為實(shí)際的注塑實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：OBD外蓋；Moldflow；工藝參數(shù)

汽車“車載診斷系統(tǒng)”（On-Board Diagnostic簡稱OBD）的主要用途是安裝控制系統(tǒng)、監(jiān)控發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和尾氣后處理系統(tǒng)。OBD外蓋是該系統(tǒng)的一個配合件，主要是為了保護(hù)OBD接口。該產(chǎn)品屬于薄壁制品，背部有一定斜度，為了保證機(jī)械強(qiáng)度，往往在背面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋和boss柱。該結(jié)構(gòu)在制造過程中，往往易出現(xiàn)收縮不均勻情況，導(dǎo)致翹曲變形量過大。OBD外蓋裝配精度要求較高，過大的裝配間隙使得灰塵容易進(jìn)入OBD接口內(nèi)，影響外蓋與盒體的配合，導(dǎo)致OBD外蓋掉落，影響駕駛安全。此外，裝配不合適還會增大汽車行進(jìn)過程中的噪聲。因此，確保OBD外蓋在生產(chǎn)和使用過程中不發(fā)生翹曲變形，在模具的前期設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮到各種影響因素，以最佳的設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)和成型工藝，制作最佳的產(chǎn)品。

一、材料與方法

（一）材料與設(shè)備

本文采用聚丙烯（PP）材料，結(jié)合大眾捷達(dá)轎車內(nèi)飾材料選用標(biāo)準(zhǔn)和Moldflow材料數(shù)據(jù)庫，選取牌號AIP-2112（KingFa）的PP材料開展數(shù)值模擬，其黏度和PVT曲線如圖1所示。

（二）方法

1、工藝流程。第一，圍繞薄壁制品在成型過程中產(chǎn)生翹曲變形的原因，采用對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、黏度模型、熱力學(xué)模型對注射成型的過程開展數(shù)值模擬；第二，基于Autodesk Moldflow Insight軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車的OBD外蓋的注塑模具的澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，開展流動情況、冷卻機(jī)理和翹曲變形等幾個方面的產(chǎn)生原因分析，總結(jié)汽車OBD外蓋產(chǎn)生翹曲變形的主要因素。

2、澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于CAE對注塑成型綜合指標(biāo)的分析結(jié)果，優(yōu)化汽車OBD外蓋的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定使用混合的澆注系統(tǒng)，其主要的幾何尺寸是：熱流道噴嘴內(nèi)徑直徑12mm；熱澆口直徑3mm；冷料把長度20mm；U型6×6mm分流道；20×6×1.8mm扇形冷澆口。

3、排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對薄壁制品注塑模具排氣系統(tǒng)，國內(nèi)外業(yè)界大多單獨(dú)采取鑲拼結(jié)構(gòu)或分型面排氣，通過模具結(jié)構(gòu)的配合間隙進(jìn)行排氣，往往達(dá)不到良好的效果，產(chǎn)品易出現(xiàn)氣穴缺陷。本研究使用的模具采用兩級鑲拼結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)快速更換鑲塊來改變樣品厚度的同時，又可以起到良好的排氣效果。首先是型腔與動模板之間的鑲拼配合；其次是制品鑲塊與型腔板之間的鑲拼配合。為了盡可能增加排氣效果，鑲拼配合間隙控制在10μm以上。

4、冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品成型過程中模具溫度一般在30～80℃，與熔體溫度（200～240℃）相比溫差較大，這樣導(dǎo)致了熔體的冷卻速率相對較快，分子鏈的凍結(jié)時間明顯縮短，導(dǎo)致分子鏈沒有足夠的時間松弛，很容易發(fā)生冷卻不均勻現(xiàn)象，引起制件的質(zhì)量缺陷，布置和優(yōu)化冷卻水路控制冷卻速率顯得尤為重要。

根據(jù)模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類似一維平板，利于溫度平衡分布，因此，本文冷卻回路動、定模側(cè)各一條“串聯(lián)”冷卻回路（見圖2），保證冷卻液在內(nèi)部以紊流狀態(tài)流動。由于產(chǎn)品表面較為平整，體積較小，動、定模均采用一條冷卻回路即可。冷卻管道入水溫度用來控制期望的模具表面溫度，通常冷卻液溫度比模溫設(shè)定低10℃～20℃。

5、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本研究中，型腔、主流道、分流道、冷料井、頂桿孔、冷卻孔、澆口和排氣槽等主要機(jī)構(gòu)設(shè)置在模具的定模板上。采用熱流道與冷流道混合互補(bǔ)的方式作為澆注系統(tǒng)，其中熱流道采用噴嘴內(nèi)徑直徑12mm、澆口直徑3mm的單澆口開放式熱流道，入水澆口設(shè)計(jì)為20×6×1.8mm扇形邊緣側(cè)澆口，為了不造成熔體的浪費(fèi)和避免與型腔尺度差異過大，分流道尺寸不宜過大，設(shè)計(jì)為U型6×6mm分流道。在澆口連接處設(shè)計(jì)厚度漸變的模具結(jié)構(gòu)，在流道的轉(zhuǎn)角處均設(shè)有冷料穴。為了保證制品平穩(wěn)脫模，型腔兩側(cè)布置4個頂桿，在型腔的末端和前端兩處開設(shè)對應(yīng)的排氣槽。

二、CAE模擬結(jié)果分析

（一）成型窗口分析

在模具溫度50℃條件下，熔體溫度和注塑時間的成型窗口如圖3（a）所示，可以看出該產(chǎn)品的成型窗口較為寬廣，有利于后續(xù)在此窗口下開展DOE工藝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)圖3（b）中“U”型曲線特點(diǎn)，選取最低點(diǎn)（注塑壓力最低）處的注射時間。

（二）流動分析

1、鎖模力選取。在一定保壓和設(shè)定條件下，計(jì)算得到的最大鎖模力都不能超過機(jī)器鎖模力的80%，考慮實(shí)際注塑中0.8的安全系數(shù)，本研究中最大鎖模力不超過100T。因此，選用最大鎖模力為200T注塑機(jī)是完全可行的。

2、V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)選取。熔體由充填轉(zhuǎn)為保壓的時刻，熔體流動由注塑機(jī)螺桿轉(zhuǎn)動的速度控制轉(zhuǎn)換為壓力控制，該點(diǎn)的壓力也被認(rèn)為是熔體充填過程中的最高注塑壓力，具有重要的工程意義。最大注塑壓力均不超過75MPa，其中型腔內(nèi)最高壓力不低于20MPa。

3、產(chǎn)品脫模后體積收縮率選取。為了得到質(zhì)量良好的制件，體積收縮必須均勻地分布于整個制品中，以此來減小翹曲變形量，并且盡量選用小于材料的最大推薦值。為降低產(chǎn)品翹曲變形和殘余應(yīng)力，產(chǎn)品脫模后體積收縮平均變化率應(yīng)控制在3.85%。

（三）冷卻分析

1、冷卻介質(zhì)溫度選取。制品進(jìn)出口水溫差在1℃以內(nèi)，溫升極小，冷卻充分、平緩。冷卻水路的長度和布置要結(jié)合模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)置。

2、產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度所需時間選取。依據(jù)本次PP材料物性特點(diǎn)，頂出脫模溫度為80℃。圖4分析結(jié)果可以看出制品在6s左右時產(chǎn)品已100%達(dá)到頂出溫度，冷卻效果較好。為了進(jìn)一步減小產(chǎn)品出模后的體積收縮和殘余應(yīng)力，適當(dāng)延長在型腔內(nèi)的冷卻時間，使產(chǎn)品緩慢冷卻，應(yīng)力松弛更加均勻，但也應(yīng)該考慮冷卻效果與成型周期二者的平衡。

（四）翹曲變形分析結(jié)果

1、產(chǎn)品總變形量分析。制件在成型過程中，沿熔體流動方向（X方向）分子取向程度大于垂直（Y方向）流動方向，由于OBD外蓋X、Y方向尺寸相差不大，收縮差異不大，考慮材料沿流動方向和垂直流動方向收縮數(shù)據(jù)，制品在二維平面方向（X、Y方向）上的翹曲變形量可以通過改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，制品開模方向往往要和其他零配件進(jìn)行裝配，本產(chǎn)品OBD外蓋裝配面的翹曲變形控制尤為重要，優(yōu)化也較為困難。本研究分析的制品在開模方向產(chǎn)品總變形量控制在0.5mm以內(nèi)，變形量很小，達(dá)到了預(yù)期目的。

2、影響翹曲變形因素分析。首先是在冷卻過程中體積收縮不均勻?qū)е碌淖冃危@種變形體現(xiàn)在制件在體積上的變化，主要原因是塑料件局部產(chǎn)生的收縮不均引起了塑件整體的翹曲變形；其次是由于模具的冷卻系統(tǒng)不均勻而導(dǎo)致的制件收縮的發(fā)生和分子鏈取向方面的不均勻?qū)е碌穆N曲變形；最后的影響因素是在注射的過程中，分子鏈在流動方向和垂直于流動方向受到的剪切力的方向、大小不一樣，導(dǎo)致分子鏈在剪切力比較大的地方取向的程度表現(xiàn)得明顯，而剪切較弱的地方取向程度不明顯，最終導(dǎo)致制品整體收縮出現(xiàn)不一致，從而影響產(chǎn)品的外觀和使用精度。

在本研究中，分析和總結(jié)采用Moldflow軟件對汽車OBD外蓋進(jìn)行注塑成型過程的模擬分析，首先通過系統(tǒng)的分析對比優(yōu)化澆口開設(shè)的位置、尺寸的大小、形狀的選擇；然后在注射成型工藝參數(shù)的設(shè)置方面，按照產(chǎn)品預(yù)期的效果和實(shí)際操作中的具體指標(biāo)要求，對制品進(jìn)行流動+冷卻+翹曲的仿真模擬分析，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置；通過分析對比在冷卻過程中的收縮而引起的產(chǎn)品翹曲變形量是最大的，由冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題而導(dǎo)致的冷卻不均勻是引起產(chǎn)品翹曲變形的次要原因，由分子和分子鏈在取向程度方向的不同而引起的翹曲變形量是最小的。

作者簡介：楊燦（1984-），男，河南中牟人，南京理工大學(xué)在讀碩士研究生，助教，研究方向：汽車材料。

（責(zé)任編輯 馬志娟）