氣輔成型及CAE仿真優化注塑模澆注研究

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

氣體輔助注塑成型的方法是指在普通注塑成型方法的基礎上衍生出來的1類新型的注塑成型的加工工藝。氣體輔助注塑成型的注模進程是指向模具的型腔內部灌注一部分熔體后，迅速向型腔內部注入高壓氣體（一般為氮氣），該氣體可以在先前灌注到型腔內部的熔體中形成中空的區域，并且加速相關熔體持續向前流動直到充滿型腔的所有空間。因為有氣體參與注塑成型的過程，所以氣體輔助注塑成型方法與一般的注塑成型方法相比具有節約原材料、減少冷耗費的時間等優勢；氣體在型腔內部可以均勻地傳導各個方向的壓力，使氣體輔助注塑成型在型腔內部空間完全充滿的整個進程中，需要外界施加的注射壓力小于使用普通注塑成型方法時需要的壓力，進而達到降低注射壓力及鎖模力的目的。因為氣體輔助注塑成型方法同時具備減少最終成品內部的殘余應力、降低最終成品翹曲形變幅度以及提升最終成品的表面品質等優點，所以使用該方法能夠生產出在體積相同的前提下，質量較輕、剛度和強度比值相對較高以及輪廓曲線清晰度高的成品。

該文利用常規方法制造的日本豐田公司皇冠牌轎車的前保險杠是符合相關標準的合格成品，不過該成品具有澆口數量較多、成型過程的鎖模力比較大以及最終成品的表面容易發生收縮形變等缺陷。當利用氣體輔助注塑成型技術對相關澆注系統的設備進行改良時，研究人員通過計算機輔助工程（CAE）的C-Mold軟件模擬研究了不同種類的澆注系統及不同的氣道分布對氣體輔助注塑成型工藝及最終成品質量的不同影響。通過實驗數據進行優化得出的3點行灌注、4根排氣通道和4個氣體入口型對稱排布的規劃設計模式是最合理的方案。使用該方案進行生產，澆口的數量由原有的15個降低到目前的4個，瞬間最大鎖模力數值由1 255.0 t下降到967.8 t，并且顯著地降低了最終成品的總質量，同時明顯提升了最終成品的表面品質。

1 CAE的概念和發展過程

CAE指的是利用計算機來輔助求解相對復雜的工程及各類產品的結構強度、部件的剛度、屈曲狀態的穩定性、動力狀態的響應、熱傳導狀態、三維空間多物體接觸、等物體力學特性或性能的分析計算以及對研究對象的結構性能進行優化設計等操作的數值模擬分析研究的方法。CAE技術從20世紀60年代初期在工程實踐中開始應用到現在，已經經歷了60多年的不斷發展和進步，其基礎理論及主要算法的演變過程均歷經了發展直到成熟的漫長過程。現階段，CAE技術已經成為工程實際及相關產品結構分析過程中不可或缺的數值模擬計算的工具和方法，也是進行分析和研究連續力學學科中各種問題的主要方法。隨著電腦設備的推廣及持續升級換代，CAE相關軟件的功能及模擬計算的精度均獲得了大幅度的提升，各類依托產品數字化建立三維模型的CAE軟件應用系統由此產生，并且已經變成受力分析及構造改進的關鍵運動仿真分析軟件。

CAE仿真分析軟件的關鍵理念是數據信息結構的離散性，就是把零部件真實構造離散成有限數字的規律單元結合體，真實構造的物理特性可以借助對于離散物體實施有限元分析，獲取符合相關工程使用精度的近似成果來代替對真實構造的研究，該操作可以解決許多實際零部件應該解決但是理論研究又不能解決的繁雜狀況。該數字仿真分析的基本進程是把1種外形繁雜的連續零部件的求解范圍分為有限的外形簡潔的子區域，即將1個連續零部件體簡化為由有限個基礎元素組合的等效組合物體；通過對連續物體進行離散化處理分析，將求解連續物體的變量參數簡化為求解有限的單位節點上的參數值。這時獲取的基本方程式即為一類代數求解方程式，而不是原本實際連續物體場變量的微分類型方程式。再解出并獲取相似的參數值，該參數值的近似程度取決于所使用的單元種類、數目以及對應單元的函數值。并且生成相應狀態下代表載荷、溫度及受力狀態的不同顏色的對照圖像，相關CAE仿真工程技術人員把該過程叫做CAE仿真分析軟件的后期處理。

2 CAE瞬時動態模擬仿真方法研究

2.1 確定氣輔成型零部件、加工工藝及注塑裝置

前保險杠成品的總體尺寸參數是長度為1 685 mm、寬度為585 mm、高度為385 mm, 兩側各有1個矩形的燈孔成品、5個安裝用的倒鉤以及若干個加強筋。并采用三元乙丙橡膠改性聚乙烯(PPE/PDM)為原材料進行注塑加工。

2.2 建立三維幾何模型圖形集

在CAE仿真軟件的C-Mold中動態模擬分析所選用的模塊是中面模型（Mid-SurfaceModel），該類幾何模型可以源于其他的三維繪圖軟件，也可以使用該軟件本身自帶的建模模塊（C-MoldModeler）來生成幾何模型。保險杠幾何模型的生成過程包括幾何圖形元素的編輯、拓撲定義、屬性定義和模型網格的劃分[1]，上述全部步驟都可以使用C-MoldModeler中對應的功能模塊來實現。通常在生成幾何模型（如圖1所示）和劃分網格（如圖2所示）時，需要特別關注以下4點：1）可以對保險杠的幾何模型中與模擬過程關聯度不高的細節進行簡化。2）網格的尺寸劃分需要根據成品的實際尺寸來制定，即劃分過程需要保證形體網格的密度大體相符。3）網格劃分過程中，形狀參數相關因子的取值不宜過大，一旦過大就需要進行合理的調整，如果選取不當可能會影響分析結論的可靠性。4）網格的總數最好不要超過4 005個，不然會導致模擬過程的計算出現問題以及，計算機出現可用資源不足的情況，進而導致模擬計算過程失敗[2]。

2.3 各類型模具澆口規劃及氣道開發解決方案

2.3.1 CAE動態模擬仿真分析研究技術參數及條件

該文選用的軟件ACT C-Mold97.1模擬計算了多種澆口和氣道布局所對應的5類氣體輔助注塑成型方案（其中，3點灌注時分別使用20 MPa和30 MPa的氮氣進行充填）和澆口對應的2類普通的注塑成型方法。也就是說對 7類不同方案進行模擬分析。

2.3.2 CAE動態模擬仿真分析研究結論分析

氣輔成型模具需要設計澆口和氣道入口的位置，用來保證熔體及氣體順暢地注入。氣道入口應該位于澆口處或附近的型芯處，氣道需要考慮成品的結構和形狀，且其應該指向熔體最后填充的區域。

氣輔成型的熔體前段速度與澆口數量、位置及氣壓參數有關。氣壓相同時，澆口數越少，流動越快，；氣壓不同時，澆口數越少，流動越慢；在澆口數相同但是氣道情況不變時，氣壓下降可能會導致熔體流速降低。

澆口及氣道入口的變化，可能影響氣體掏空比率。澆口和氣道一致時，氣體壓力大小將改變氣體體積的百分比，對于氣體掏空比率影響不明顯。因此，在能保證成品品質的前提下，可以降低氣壓值，從而延長設備服役年限，減少能耗。

鎖模力曲線和常規注塑成型有較大差距（如圖3所示），常規注塑的鎖模力數值曲線僅有1個峰值；但是氣輔成型方案的鎖模力有2個峰值，首先是在熔體內注入時段由0增加到1個最大值；其次，在換成用氮氣進行充填時發生明顯下滑；再次，隨著氮氣進入量增大又會漸漸上升到上升到1個最大值；最后緩慢降低直到注塑過程的整個周期結束。其中，第一個最大值相對明顯。

當澆口方位與數量一致時，氣輔成型的最大型腔壓力值通常小于普通注塑成型的壓力值，根據相關試驗結果得出氣輔成型的最大型腔壓力值和普通注射成型壓力值基本相同，該情況是因為普通注塑成型的澆口數量明顯比氣輔成型的澆口數量多，所以使熔體流程顯著降低[3]。

與普通注塑成型澆注模式相比，因為氣輔成型澆口的數量會少很多，所以其熔接痕數量也會減少。熔接痕數量減少表明熔體熔接前的平均流動距離較大，該熔接牢固程度就會減弱。然而因為氣輔成型具有使熔體流動加速及熔合變快的功能，所以熔接牢固程度并沒有降低，該零部件的品質仍然優于普通注塑。

由于大氣壓可以使熔體的流動速度增加，進而極易使不同位置熔體流動速度不一致。因為氣輔成型產品內氣穴個數比普通注塑成型的產品要多，所以，相關工程技術人員在進行氣輔成型模具設計的過程中需要考慮排氣狀況，根據氣穴排布來規劃排氣設備。

圖1 幾何模型圖（4點進澆）

圖2 網格劃分圖（5點進澆）

圖3 3點進澆鎖模力與時間關系圖

C-Mold計算機模擬仿真分析軟件僅僅是1種輔助手段，無法完全代替相關工程技術人員的所學專業及相關工作經驗。軟件分析出的數據信息是否準確是由三維模型是否制作得精確以及相關工藝參數設定是否滿足相關設計要求決定的。因此，只有當相關工程技術人員具有足夠的模具制造、設計以及加工成型工藝的工作經驗時，C-Mold計算機模擬仿真分析軟件才可以發揮出最大的價值[4]。

因為有氣體的注入，所以氣體輔助注塑成型方法的成品質量要比普通注塑成型的成品質量輕，進而大幅度節約了原材料。

C-Mold軟件所具備的功能中有1項是 “可視化分析結果”，該功能利用3D模型直觀反映設計方案的特點，選出模具的最佳方案，減少了試模次數及修模的工時消耗。

該塑料的動態模擬仿真測試流動波前數值為20%～45%。不同范圍的流動波前數值或流動波前圖像可以直觀體現塑料在模穴內部的流動狀態、預測包封位置及縫合線位置，還可以預測在注塑過程中是否有短射的情況發生，為合理布置排氣孔位置提供依據。

成型壓力預測能體現灌注動作完成時的壓力值，該值從流道到末端呈逐漸衰減的趨勢，最大壓力可提供鎖模力數值。壓力分布情況可以表現壓力的傳遞情況。分析模具內部溫度對壓力數值分布和消耗有相應的影響。

剪切應力的分布情況用不同顏色表示灌注完成使模穴內部各位置剪切應力的狀態以及塑料在制造進程中因為剪切運動所產生的應力數值。根據相關圖形可以判定塑料熔體流動的應力是否超標，還可以作為判斷是否會導致塑料出現裂解或者殘余應力的依據。如果剪切應力數值較大，可能導致產品后期出現斷裂的情況。

3 結論

總的來說，隨著計算機模擬仿真技術的推進，現階段模擬仿真技術可以為注塑成型解決方案提供有價值的參照及優化措施，降低了新產品開發成本，減少了新產品開發過程中容易產生的質量缺陷。要達到提升產品設計及制造加工效率的目的，研究人員著重開發計算機模擬仿真技術，重點分析開發特殊產品及氣輔成型2個技術領域，實際目的即為借助計算機模擬仿真分析技術進行增加產品成型的合格率，提前發現產品產生缺陷的趨勢，改進生產制造成型加工工藝，顯著提升注塑成型的產品合格率，拓寬注塑成型技術的使用范圍。根據相關試驗結果得出，在針對汽車前保險杠使用的氣輔成型模具中，雖然3點式進澆措施及4種灌注入口的中心對稱排布取得了最優氣體穿透的結果，但是非對稱排布的5點式進澆措施所取得的結果非常不理想。與普通注塑成型的汽車保險杠進行對比，氣輔成型汽車保險杠具備輕量化設計、剛度好、強度優、加工表層無任何凹凸缺陷及收縮形變等優勢；并且該模具的澆口不多、結構合理，大幅降低了模具制造的成本。CAE動態模擬仿真技術不但證明了氣輔成型應用于該模具中的可行性，而且還為氣輔成型在大型注塑模具上的普及使用奠定基礎。