玻纖增強汽車注塑件成型工藝優(yōu)化分析及模具設(shè)計

王秀梅，翟豪瑞

（1.常州機電職業(yè)技術(shù)學院車輛工程（軌道交通）學院，江蘇 常州 213164；2.鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

前言

隨著汽車輕量化的發(fā)展，“以塑代鋼”對于節(jié)約能源、減少排放、實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義[1]。其中采用玻纖增強材料極大的提高了汽車注塑件的強度寸穩(wěn)定性，但纖維配向通常是引起塑件翹曲變形的主要原因[2-3]。模具設(shè)計的關(guān)鍵是澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，且成型工藝對注塑件的的成型質(zhì)量具有重要的研究意義[4]。Moldex3D先進的三維BLM網(wǎng)格劃分技術(shù)，為CAE模流分析提供了精準的前處理，可以實現(xiàn)熔體成型過程的動態(tài)仿真分析，為優(yōu)模具和塑件設(shè)計、優(yōu)化成型工藝方案提供依據(jù)[5-6]。本文結(jié)合CAE技術(shù)，運用Moldex3D模流分析軟件對玻纖增強注塑件某車型ORVR活性炭罐本體蓋的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)及成型工藝進行分析優(yōu)化，完成炭罐本體的模具設(shè)計。

1 產(chǎn)品模型特點及CAE模流分析

1.1 塑件特點分析

炭罐本體外形尺寸為207mm×313mm×118mm，充填體積為 455cm3，平均厚度為 2.5mm，屬于體積較大，厚度較厚的注塑件。從模型結(jié)構(gòu)上可以看出結(jié)構(gòu)較復雜，有許多卡扣、筋條、凸臺。該產(chǎn)品壁厚分析如圖1所示，分析可以看出94.851%的壁厚分布在1.315mm～2.584mm之間，壁厚分布不是很均勻，影響充填的效果。

圖1 產(chǎn)品模型壁厚分析

模具設(shè)計結(jié)構(gòu)方案為一模一穴，該模具設(shè)計的難點主要表現(xiàn)為塑料件形狀不規(guī)則，壁厚不均，整體尺寸較大，小卡扣筋位及異形孔位較多，因而充填性、外觀缺陷、翹曲可能是該模具設(shè)計面臨的主要技術(shù)難題。因此，借助CAE分析的優(yōu)勢，需要解決的潛在問題包括：1）該 ORVR活性炭罐本體屬于細長件，對模具溫度的要求高，模溫設(shè)置不合理將導致炭罐本體壁面出現(xiàn)流痕。2）該炭罐結(jié)構(gòu)復雜，模具結(jié)構(gòu)也較復雜，如果模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，會導致排氣裝置以及進澆系統(tǒng)出現(xiàn)“困氣”的現(xiàn)象，不僅僅影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，對其的材料性能也造成較大的影響。3）該炭罐本體由于隔板太長，導致流長比較大，缺料也是其面臨的問題之一。4）翹曲變形量大是炭罐最容易出現(xiàn)的缺陷，主要來源于兩方面：①由嵌件的問題導致其水路的布置方式單一，嵌件區(qū)域無法進行冷卻；②炭罐本體屬于較大的薄厚不均的件，抗變形能力弱，區(qū)域厚度不一致導致收縮不一致。需要對澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)以及工藝參數(shù)進行分析優(yōu)化，減小炭罐的翹曲變形量。

1.2 運用Moldex3D仿真分析

為滿足高頻率的工作狀態(tài)，炭罐本體外殼的強度必須滿足較高要求。成型材料為13%含量玻璃纖維的PA66，它已經(jīng)在汽車、體育、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是汽車輕量化復合材料中最受關(guān)注的材料之一[7]。纖維的含量對增強塑料的性能有直接的影響，纖維的含量越高，強度和剛度提高，但呈脆性，同時降低了熱膨脹性和吸水率。

本實例采用美國杜邦公司生產(chǎn)型號為 Zytel 70G13L NC010的PA66+13%GF為母料進行注塑成型，該材料屬性中的黏度曲線和PVT特性曲線如圖2(a)、(b)所示。

圖2 材料屬性

在Moldex3D eDesign劃分成功的三維BLM網(wǎng)格以.mdg格式存檔，模流過程采用CAE分析設(shè)定接口，將.mdg格式分析文檔導入Moldex3D R14.0進行仿真分析，工藝參數(shù)暫時采取默認模式。不同方案優(yōu)化分析后，取翹曲量最小、縫合線最少、冷卻效率最佳、模溫差最小、玻纖配向最高的組合設(shè)計方案。最終確定澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為如圖3(a)、(b)所示。

圖3 優(yōu)化后設(shè)計方案

1.3 正交試驗工藝參數(shù)設(shè)定

正交試驗的原理是基于統(tǒng)計學和正交學原理進行設(shè)計，從大量的影響因素中挑選具有合理性、代表性的幾個點進行正交試驗的安排設(shè)計，是工程技術(shù)中運用較多的一種科學技術(shù)方法[8]。本實例運用正交試驗方法對炭罐本體注塑成型翹曲變形較大的五個參數(shù)進行優(yōu)化，再由分析結(jié)果得到最佳的參數(shù)組合。五個參數(shù)優(yōu)化數(shù)值范圍如表1所示。

表1 PA66+13%GF材料的成型參數(shù)范圍

選取模具溫度(A)、熔體溫度(B)、保壓壓力(C)、保壓時間(D)、冷卻時間(E)五個工藝參數(shù)，依據(jù)工廠的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，將每個工藝參數(shù)設(shè)置4個水平，如表2所示。

表2 試驗的因素及水平

2 試驗結(jié)果分析

下面采用五因素4水平正交試驗，忽略各因素間存在的交互作用，選擇L16(45)安排試驗。試驗指標為翹曲變形總位移量最大值，R表示各個因素的極差，正交試驗組合方案及試驗結(jié)果分析如表3所示。

表3 正交試驗表及其分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示：當R值越大時，說明該因素對翹曲的影響越大[9]。從R值大小分析可知，對翹曲量的影響程度由大到小的因素，依次是：保壓時間(D)、模具溫度(A)、熔體溫度(B)、保壓壓力(C)、冷卻時間(E)。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為A4B4C2D4E2：即模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間依次為（115℃）、（300℃）、（100 MPa）、（15s）、（15s）。通過效應(yīng)曲線圖可以更直觀地反映不同工藝參數(shù)對翹曲變形總位移量的影響，圖4所示為正交試驗效應(yīng)曲線圖。

圖4 因素水平趨勢圖

得到優(yōu)化結(jié)果后，需要重新設(shè)置參數(shù)進行仿真驗證。將最優(yōu)參數(shù)組合再次進行模流分析，結(jié)果如圖5(a) ～ (d)所示炭罐本體X、Y、Z和總方向上翹曲變形位移量，放大倍數(shù)為3倍。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)各方向翹曲位移量最大值都比沒有優(yōu)化之前有所減小，且有的方向減小程度較大。在X方向上最大位移量為1.873mm，在Y方向上最大位移量為2.758mm，在Z軸方向上最大位移量為 1.466mm，總位移量最大值為3.201mm。

圖5 優(yōu)化參數(shù)后各方向位移量放大圖

3 模具設(shè)計

完成澆注系統(tǒng)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、頂出機構(gòu)和成型零件設(shè)計后，在CAD中形成模具總裝圖。模具工程圖紙如圖6所示。

圖6 模具總裝圖

4 結(jié)論

應(yīng)用Moldex3D模流分析軟件對汽車炭罐玻纖增強注塑件進行方案優(yōu)化分析，成功指導了實際模具設(shè)計和生產(chǎn)，減少了塑料件注塑試模次數(shù)，顯著提高了模具開發(fā)效率。

創(chuàng)新點主要體現(xiàn)為以下幾個方面：

1）運用Moldex3D軟件對ORVR活性炭罐本體的冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，改善成型過程中所造成的翹曲變形的問題。

2）采用正交試驗的方法，在五因素4水平的基礎(chǔ)上優(yōu)化出最佳成型工藝參數(shù)，最后進行模流分析驗證。

3）結(jié)合CAE模流分析的指導，最后對本體外殼進行注塑模具的設(shè)計，完成模具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、總裝配圖。

參考文獻

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