基于仿真分析的座椅護板模具優化研究

楊 武

（珠海市技師學院，廣東珠海 519090）

0 引言

座椅護板是汽車座椅的關鍵部件之一，其外觀和尺寸對座椅的質量影響較大，直接決定著汽車座椅的合格率。汽車護板采用了模具注塑成型方式，實際應用過程中注射時的溫度、壓力、流道及合模線分布對產品的成型質量影響巨大，僅依靠經驗設計模具可靠性差，極大影響了產品的生產效率和合格率。

本文提出了一種新的基于Moldflow 流體仿真分析技術，對不同工況下的模具成型情況進行仿真分析，并根據分析結果有針對性地對模具結構進行優化。實踐證明，該項技術提升了模具結構設計的科學性，顯著提升了產品的生產效率和質量。

1 產品結構分析及建模

座椅護板是汽車的內飾外觀件，為殼體結構，外形尺寸為590 mm×159 mm×115 mm，壁厚為3 mm，使用PP 材料。該材料在熔融狀態下的流動速率為3 g/min，密度為1.06 g/cm3，拉伸時的屈服強度是18 MPa，成型后的彎曲模量為1600 MPa，融合溫度為155 ℃。該材料的收縮率較高，在實際生產過程中容易產生毛刺、熔接痕明顯等異常，整體合格率僅89.4%，嚴重影響了產品生產效率和質量。經過分析發現其模具設計過程中未充分考慮熔融態的材料在流動過程中壓力、溫度及注射口布局的關系，導致生產過程中產品一致性較差。

提出利用Moldflow 的流體仿真分析技術對產品注射成型的過程進行仿真分析，根據分析情況對模具進行優化，提高模具設計精度。首先利用三維建模軟件建立其三維模型，選取六面體網格劃分方案劃分其立體網格，在產品的拐角位置和有加強特征的位置進行加密網格劃分，網格總數量為69383 個，平均縱橫比為1.73，劃分網格后的產品三維結構如圖1 所示。

圖1 汽車座椅護板三維結構

2 熔接痕結構優化

熔接痕是注射成型過程中兩股熔融態的原料匯集而成的，因此料流匯集的越多，產品上的熔接痕就越多。通常來說，兩股料流匯集時的角度越大，越不容易產生熔接痕。汽車護板上熔接痕最明顯的位置出現在中間位置的方孔周圍，該孔為專用的特征孔，因此產品外觀結構無法改變。針對上述問題對模具流道進行優化，將原有的單膠口注射成型方案更該為雙膠口注射成型方案，從而減少兩股料流在匯集過程中的溫度差，進而減少熔接痕的痕跡。利用Moldflow 流體仿真分析軟件，對兩種方案的成型效果進行分析，熔接痕效果如圖2 所示。

圖2 不同成型方式熔接效果

由仿真分析結果可知，采用單膠口注射成型時熔接痕的長度分別為20.93 mm、9.63 mm，而實際零件上熔接痕的長度分別為21.2 mm、10.1 mm，仿真分析結果和實際表現基本一致，表明了該仿真分析方式的準確性。當采用優化后的雙膠口注射成型方案后，熔接痕的長度變為15.77 mm 和8.49 mm，比優化前降低了24.7%和11.8%。而且熔接痕的位置和單膠口注射成型相比均呈逆時針方向偏移了約60°，使其轉移到了次外觀面，減少了對正外觀面的影響。

3 氣穴問題優化

氣穴是在注射成型過程中由于產品結構設計不合理或者模具排氣不暢而導致的在零件表面形成麻點狀凹坑，是導致產品外觀缺陷的重要因素。在汽車座椅支撐骨架的正面會存在麻點狀的凹坑，產生比例約為33.7%。利用Moldflow 流體仿真分析方法對成型過程進行模擬，得出零件表面的氣穴分布情況（圖3）。

圖3 零件表面氣穴分布

由仿真分析結果可知，氣穴位置主要出現在零件背部有加強筋的區域。通過分析后發現該處模具上的鑲塊為固定結構，而零件上的筋條較多，阻擋了該處氣流的流動，在注射成型過程中出現了排氣不暢的情況，進而產生了困氣現象。

通過分析，對模具結構進行改善，在由加強筋的區域設計活動鑲塊，便于氣流的快速排出，減少在注射填充過程中的困氣情況。同時，在活動鑲塊上設置孔徑為0.02 mm 的排氣孔，排氣孔間排距為1 mm，以增加排氣量，確保在不同工況下注射成型的外觀質量，徹底消除困氣情況。優化后模具增加活動鑲塊的位置如圖4所示。

圖4 優化后模具滑動鑲塊位置

4 冷卻水路結構優化

優化前，模具共設置有7 組水路，其中動模4 組、定模3 組，各組水路的管徑均為15 mm。在實際使用中發現注塑件的表面溫差最高達到50 ℃，按傳統的40 s 冷卻時間完全無法冷卻，導致零件產生較大的內應力，使零件扭曲變形。為了保證零件的成型質量，將冷卻時間增加到120 s，但這樣不僅極大影響了產品的生產效率，而且沒有徹底解決零件表面溫差大的問題，導致在不同工況下的生產一致性極差。

根據仿真分析結果，確定了注射成型時零件表面的溫度分布狀態，并據此對冷卻水路進行了有針對性的調整。將動模水路調整為7 路，將定模冷卻水路調整為5路，各冷卻水管的直徑仍為15 mm，水路和零件表面的距離由50 mm 調整為30 mm，以提高零件的冷卻效果。

優化后，零件生產過程中注塑件零件表面溫度均能保持在60 ℃以下，表面最大溫差為20 ℃，零件生產過程中的實際冷卻時間保持在40 s。有效解決了零件表面因受熱不均而導致的變形、冷卻時間過長、生產效率低等問題。

5 實際應用效果分析

根據仿真分析結果對模具進行優化后，利用新的模具進行實際生產驗證。使用MA6000II 型注塑機，其工作時的合模力為6000 kN、螺桿直徑為70 mm。零件生產后利用三坐標對零件尺寸進行測量，并按實際檢驗標注對零件外觀進行檢驗。

對600 件實物進行測量統計，優化后的零件最大變形量為±0.2 mm，滿足小于±0.5 mm 的變形要求，零件表面無麻點、縮水、毛刺等異常，熔接線表現較為輕微，可滿足外觀檢驗要求。零件一次成型合格率達到99%，極大地提升了零件的合格率和品質。

6 結論

本文利用仿真分析的方法對零件注射成型過程進行了仿真分析，并有針對性地對模具結構進行優化，實驗結果表明：①雙膠口注射成型方案能夠減少兩股料流在匯集過程中的溫度差，減少熔接痕的痕跡；②在易困氣的區域設置動模鑲塊及排氣孔，提高導氣率，避免在注射成型過程中的困氣情況；③利用仿真分析的方法，能夠有效模擬在注射成型過程中的狀態變化，可以為模具優化提供科學的優化依據，提高模具設計的合理性。