CAE分析在帶有金屬嵌件扶手骨架注射模中的應用

毛梅玲， 馬恒祥， 唐洪榮

（青島海瑞德模塑有限公司， 山東 青島 266000）

0 引 言

隨著汽車工業逐漸朝輕量化的方向發展，金屬嵌件注射成型技術的應用越來越廣，將塑料和金屬的優點相結合，既提高了承載結構的機械強度和耐磨性，又滿足了塑件的力學性能。

汽車座椅扶手是車輛不可或缺的部件，其內部的扶手骨架必須滿足強度和力學要求，可采用金屬嵌件注射成型。實際生產中一般采用尼龍+玻纖的高分子材料+金屬嵌件成型，尼龍材料彈性好，抗沖擊強度高，耐磨性強，廣泛應用于結構部件，添加纖維材料增強劑后，可增加材料的耐磨性和強度。但在金屬嵌件注射成型中，塑料高分子和金屬嵌件的線性收縮量不同，使成型塑件在冷卻過程中產生翹曲變形，導致后期裝配出現改模、修模等問題，造成制造成本浪費。現利用Moldflow軟件對帶金屬嵌件的塑件進行仿真模擬分析，預測在注射過程中可能出現的問題，并在模具制造前期對其結構進行優化，減少后期的改模，節省制造成本。

1 Moldflow前處理

扶手骨架如圖1所示，總長580 mm，寬200 mm，壁厚2.5 mm，材料為PA6+30%GF，圖2所示為金屬嵌件，長540 mm，寬37 mm，壁厚1.5 mm，共有5件。由于成型塑件對變形要求較高，塑件設計了較多的筋位，通過增加塑件的剛性來減小變形。塑件數模經過Moldflow CADdoctor處理過濾，去除小的圓角、倒角等特征，將修理好的模型導入Moldflow syner?gy，劃分雙層面網格并進行網格修復，再應用網格質量統計工具，統計網格質量如圖3所示，網格匹配百分比和相互百分比都達到90%，網格匹配率達到分析標準，然后將金屬嵌件模型一起劃分，使邊界網格精確匹配，增加分析的精確度。注射成型時必須保證金屬嵌件不能移動，由于金屬嵌件壁厚較薄，假設金屬嵌件不收縮，僅隨成型塑件在寬度方向有位置移動，且金屬嵌件與塑件長度基本相同，其嵌入成型塑件后會使塑件在長度方向收縮受限，但塑件寬度方向收縮不受限制，如果X軸和Y軸方向采用相同的收縮率，可能造成成型塑件尺寸不合格，需要對塑件在X軸和Y軸方向分別設計收縮率，要去除金屬嵌件對塑件支撐的影響。由于X軸方向的塑件受到金屬嵌件的約束，無法收縮，X軸不設計收縮率，僅對Y軸設計收縮率，收縮率為0.4%。在模流分析時，需要對金屬嵌件進行固定，采用金屬嵌件的節點約束來模擬金屬嵌件對塑件變形的影響，如圖4所示。

圖1 扶手骨架

圖2 金屬嵌件

圖3 網格質量

圖4 嵌件約束

2 澆口位置確立

塑件相當于中心對稱，左右邊緣兩側均存在一條長的金屬嵌件，現考慮盡量使金屬嵌件受力均衡，在兩側金屬嵌件附近均設計澆口，防止初始進料導致金屬嵌件兩側受力不均發生移動。塑件大面無外觀要求，可以設置澆口，考慮塑件材料較硬，應省去澆口凝料修剪，可以采用針閥式澆口。如果充填末端距離澆口較遠，澆口區域和充填末端區域易產生區域收縮不均，造成塑件變形。在待成型塑件的末端也設計澆口以增加保壓達到減小收縮差異的目的，改善翹曲變形?？紤]塑件材料中含有纖維，塑件容易受玻纖取向不均而變形，采用針閥式澆口順時充填來改善玻纖的纖維取向，減小成型塑件變形。塑件采用4點針閥式順序注射成型，有2種澆口位置可選擇。圖5（a）所示為澆口位置一，澆口開放順序為G1→G2→G3、G4，Moldflow模擬分析的注射壓力如圖5（b）所示，流動過程分析如圖5（c）所示，在不考慮模具結構的情況下，壓力較小，充填方案較好。但在澆口G2處需設計鑲拼結構，圖6所示為模具定模鑲拼位置，澆口G2處附近小的碰穿孔較多，考慮靠近澆口位置壓力較大，小孔邊緣容易出現飛邊，最終放棄此澆口位置。圖7（a）所示為澆口位置二，由于澆口G1和G2相距較遠，順序開放后注射壓力較大，理論分析注射壓力如圖7（b）所示，注射壓力偏大，不適合注射成型。開設的澆口位置均已避開模具零件的鑲拼位置，澆口開放順序為G1→G2→G3、G4，流動過程分析如圖7（c）所示?？紤]同時開放澆口G1和G2，可以降低第一段的注射壓力，流動過程如圖8（a）所示，通過軟件模擬后注射壓力如圖8（b）所示，可以正常注射成型。最終選擇澆口位置二的方案并同時開放澆口G1和G2注射熔體。

圖5 澆口位置一及分析

圖6 定模鑲件位置

圖7 澆口位置二及分析

圖8 同時開放澆口G1和G2的分析

3 材料選擇和塑件變形

客戶提供了2種材料，一種材料牌號為B6，另一種材料牌號為B10。分別對這2種材料采用相同的成型工藝經過Moldflow軟件模擬分析，得到的注射壓力結果如圖9所示。材料B6的注射壓力約為92 MPa，材料B10的注射壓力約為41 MPa，材料B10的注射壓力低于材料B6。注射壓力越小，金屬嵌件受沖擊力越小，移動風險越小，越容易滿足金屬嵌件的成型要求。注射壓力越小，模具型腔的受力越小，成型后的塑件變形量也相對較小，且材料性能滿足產品需求，所以最終選擇材料B10成型塑件。

圖9 注射壓力對比

扶手骨架為非外觀件，但受功能影響，對塑件的變形要求較嚴格，主要為塑件小孔的形狀和位置尺寸。塑件材料中含有玻纖，塑件變形一般受玻纖的取向影響，現按最大注射壓力的80%作為保壓壓力，保壓時間設定10 s，針閥在30 s后自動關閉。經過翹曲分析得到的結果如圖10所示，所有效應下的總變形量為1.34 mm，塑件在X方向變形量為1.0 mm，在Y方向的變形量為1.3 mm，在Z方向的變形量為1.8 mm。成型塑件變形量較小，滿足客戶要求，實際塑件成型后，主要檢測塑件小孔的形狀和位置公差，生產首件后局部小孔公差存在超差問題，根據超差值調整小孔鑲件，經過再次試模驗證良好，最終成型塑件的尺寸合格。

圖10 翹曲變形分析

4 模具設計

塑件成型材料中含有玻纖，且要求實際裝配時對塑件的形變量較小，為了預防后期改模工作量過大導致制造費用過高，模具采用鑲拼設計，后期可更換鑲件以調整成型塑件的變形。對于有定位要求的孔均設計小鑲件，由圖1可見塑件兩側均存在較多孔位，這些孔結構在脫模方向屬于倒扣，模具兩側設計整體大滑塊，如圖11所示。需要注意的是模具合模前要將金屬嵌件放在模具中，且必須保證金屬嵌件在型腔中定位穩定，若金屬嵌件浮動或脫落，將導致最終成型的塑件無法正常使用，甚至造成模具損壞。為防止金屬嵌件在型腔中移動，模具在定模和動模分別設計較多插穿定位，并且在兩側大滑塊內部分別增加小鑲件，如圖12所示。最終設計的模具結構如圖13所示，經試模驗證，模具零件運動順暢，金屬嵌件無移動。模具工作過程：合模后，注塑機將熔融的塑料B10注入型腔，經注射、保壓、補縮和冷卻后成型；模具開模，動、定模沿分型面打開，成型塑件被滑塊壓住留在動模，然后滑塊在液壓缸提供的壓力下后退，且退出量大于塑件上的倒扣量約5 mm，最后推出機構開始作用將成型塑件推出模具，機械手將塑件取出，實際成型的塑件如圖14所示。

圖11 兩側滑塊結構

圖12 插穿定位

圖13 模具結構

圖14 實際成型的塑件

5 結束語

帶金屬嵌件的扶手骨架成型有2個關鍵點：一是確保金屬嵌件在型腔中不移動；二是要保證塑件成型后的變形量在合理的公差內。模具設計時采用動、定模配合較多定位結構，保證金屬嵌件不移動，且通過CAE模流分析，確定了成型的最佳材料。模具經試模驗證，成型的塑件達到使用要求，對類似帶有金屬嵌件的塑件成型具有一定的參考作用。