基于Moldflow分析的汽車左/右支撐托架注射模設計

陳 兵，胡銀芬

（惠州城市職業學院，廣東 惠州 516025）

0 引言

隨著中國模具技術的發展，越來越多的汽車模具在中國設計與制造。由于汽車塑件結構復雜，設計模具時存在難度較大、周期較長的問題。汽車塑件表面精度及尺寸精度要求較高，對模具結構及加工制造的要求嚴格。為確保模具設計結構合理及降低后續修模與配模的難度，一般復雜的汽車塑件在設計模具時可利用Moldflow 進行相應的模流分析，根據分析結果確定合理的模具結構。

1 汽車左/右支撐托架結構分析

汽車塑件一般結構較為復雜且表面粗糙度、尺寸精度等均要求較高，某汽車左/右支撐托架如圖1所示，經UG 軟件查詢可知，支撐托架的外形尺寸為171.93 mm×117.34 mm×127.79 mm，整體壁厚為3.5 mm，左支撐托架體積為130 039 mm3，右支撐托架體積為133 307 mm3，成型材料為PP+30%GF。左/右支撐托架尺寸較大且整體形狀復雜，特征結構較多且帶有側孔、側凹等，左支撐托架在結構上比右支撐托架多2個側孔，其他結構對稱。塑件分型難度大，成型困難。

圖1 汽車左/右支撐托架

2 Moldflow模流分析

為了縮短模具設計周期，首先利用Moldflow 進行模流分析。Moldflow 可以對左/右支撐托架的填充時間、總體溫度、轉保壓壓力、熔接痕、翹曲變形等進行模擬，以提高模具設計的準確性。

（1）Moldflow 分析前的設置。在進行Moldflow分析前，對相關參數進行設置，其中設置模具表面溫度45 ℃，熔體溫度245 ℃，注射時間1.6 s，轉保壓壓力為注射壓力的80%，根據圖2、表1 所示設置的參數進行分析。

表1 成型參數設置

圖2 分析參數設置

（2）材料設置與厚度分析。根據客戶要求，左/右支撐托架成型材料均為PP+30%GF，通過Moldflow 軟件對支撐托架的厚度分析，塑件大部分厚度為3.5 mm，如圖3所示。塑件壁厚太厚，注射成型后會因為收縮不均導致塑件變形、縮孔、凹陷或填充不足等缺陷，所以須確保塑件厚度均勻。為避免塑件局部太厚，需要對厚度超過3.5 mm 的部位進行修改，一般熱塑性材料厚度常取2～4 mm。根據圖3 的分析結果，對5.532 mm 的部位進行適當減薄，同時對2.8 mm 處進行適當加厚。其中1.597 mm 處為加強筋部位，作用是對塑件的結構進行加強，所以不需要增減厚度。

圖3 厚度分析

（3）流道與澆口設置。因左/右支撐托架是汽車左右兩邊對稱的塑件，且支撐托架整體形狀復雜、結構較多，為了簡化模具結構，便于塑件成型，采用1 模2 件的成型方式，左/右支撐托架對稱布局。根據客戶要求，塑件表面不能有澆口痕跡，所以澆注系統采用熱流道為主流道加潛伏式澆口的形式，具體尺寸如圖4 所示，其中主流道直徑為φ12 mm，分流道直徑為φ6 mm，潛伏式澆口尺寸為φ2 mm，根據以上參數設置分析條件。

圖4 型腔布局及流道設置

（4）網格劃分。Moldflow 采用的是有限元分析方法，在分析前需要對塑件進行網格的劃分，將左/右支撐托架進行雙層面網格劃分，得到的網格質量較好，網格劃分縱橫比平均為1.74，最小為1.16，匹配百分比及相互百分比超過91%以上，網格劃分匹配率及網格情況，如圖5所示。

（5）Moldflow 分析。設置流道和劃分網格后即可對左/右支撐托架進行Moldflow 模擬分析。主要針對左/右支撐托架填充階段、推出階段及翹曲變形等進行分析，為模具設計提供參考。首先分析動態流動，Moldflow 分析結果如圖6所示。由圖6可以看出，塑料熔體可均衡填充型腔，整個注射填充過程的時間約為1.54 s，左/右支撐托架熔體填充均衡，在模具中沒有明顯的阻滯現象。

注射壓力分布結果如圖7 所示，注射壓力最大值為16.3 MPa，轉保壓壓力為13.1 MPa，根據設置的參數分析，注射壓力在Moldflow推薦范圍內。

圖7 注射壓力曲線

圖8 所示是填充末端壓力的結果分布，在左/右支撐托架填充的末端，填充結束時V/P轉換的壓力為16.34 MPa，型腔末端壓力為13.07 MPa，以上壓力均小于60 MPa（60 MPa 為注射壓力的中位數，分析的壓力比中位數小，即分析結果合適），末端壓力符合要求。

圖8 填充結束壓力

翹曲是由于注射成型后塑件內部應力導致的缺陷，翹曲產生的原因是塑件冷卻后的收縮不均勻。為了避免塑件的翹曲變形，通過Moldflow 分析檢驗所設計的流道及澆口是否合理，在后續的模具結構設計上預防塑件的翹曲變形或將變形控制在合理的范圍內。經Moldflow 分析，左/右支撐托架的翹曲變形如圖9 所示，圖9（a）分析結果顯示塑件整體最大變形量為1.138 mm。同時左/右支撐托架在X、Y、Z方向均有較大的不均勻收縮，并由體積收縮導致塑件的整體翹曲，左/右支撐托架在Z方向的變形量如圖9（b）所示，左/右支撐托架頂部收縮及變形量約-0.48 mm，最大收縮及變形量約0.92 mm，整體變形量在塑件變形公差許可范圍內。

圖9 左/右支撐托架的翹曲變形分析結果

熔接痕的分析結果如圖10所示，所形成的熔接痕小于75°，熔接痕會影響塑件的表面質量，因塑件的熔接痕無法避免，為了盡量減少熔接痕的影響，需在產生熔接痕的區域設置排氣結構。

圖10 熔接痕位置

根據以上分析結果及實際生產經驗可得出：①注射填充壓力合理，該模具不會出現填充問題；②熔接痕無法避免，需在產生熔接痕的位置設置排氣結構；③塑件在X、Y、Z方向具有較大的不均勻收縮，整體收縮變形量在塑件的變形公差范圍內。根據分析結果，設計的分流道及澆口形狀、參數基本滿足設計要求，按Moldflow 分析結果進行模具設計，同時增加保壓時間，避免塑件翹曲及收縮變形。

3 模具結構設計

3.1 塑件布局與型腔數確定

模具設計時確定型腔數目通常考慮4 種因素：①經濟性能；②注塑機的額定鎖模力；③注塑機的最大注射量；④塑件精度。為簡化模具結構，兼顧生產效率，確保塑料熔體能通過分流道同時到達澆口進入型腔，并綜合考慮Moldflow 分析結果，確定采用1模2件的平衡布局（見圖1（a））。

3.2 主分型面及澆注系統的設計

在設計注射模時必須根據塑件的結構、形狀，確定待成型塑件在模具中的位置，即確定分型面。設計分型面的基本原則：應選擇在塑件斷面輪廓最大的位置，以便順利脫模，同時還要兼顧簡化模具結構和有利于模具零件加工、排氣等。左/右支撐托架的主分型面設計如圖11所示。

確定主分型面后進行型芯、型腔板的設計，為保證模具的合模精度，在分出型芯、型腔板后，分別在型芯、型腔板上設計錐面凸臺定位，最終設計的型芯、型腔板如圖12所示。

圖12 型芯和型腔板

3.3 抽芯結構設計

（1）斜導柱滑塊抽芯結構設計。因左/右支撐托架有側孔與側凹結構，成型時需設計側向分型。側孔的深度為6.07 mm，側凹的深度為2.74 mm，采用斜導柱滑塊抽芯機構，為便于加工和成型，側向型芯采用整體式型芯，斜導柱直徑設計為φ24 mm，角度設計為12°，如圖13所示。

圖13 斜導柱滑塊抽芯結構

（2）斜推塊內側抽芯機構設計。左/右支撐托架有4 個孔結構，如圖14 所示，左支撐托架有3 個孔，右支撐托架有1 個孔，因位置與斜導柱抽芯結構較遠，如果采用斜導柱抽芯機構成型，抽芯距離較長，無法與側孔側凹結構一起抽芯，如再設計一個斜導柱抽芯機構則會與圖13 的斜導柱抽芯機構產生干涉。為避免干涉及簡化模具結構，采用斜推塊內側抽芯機構成型4 個孔，如圖15 所示，斜推塊既起到內側型芯的作用，又起到推出塑件的作用。因塑件厚度約3.5 mm，內側抽芯距較短，設計斜推塊的傾斜角度為4°，推板行程為75 mm，抽芯行程最大為75×tan4°≈5.244 mm＞3.5 mm，抽芯行程足夠。

圖14 左/右支撐托架4個孔結構

圖15 斜推塊內側抽芯結構

3.4 冷卻水道與推出機構設計

（1）冷卻水道設計。模具溫度調節系統對生產效率的影響主要由冷卻時間體現，塑料熔體溫度一般為200 ℃左右，塑件從模具中取出的溫度在60 ℃以下，塑料熔體在成型時釋放的熱量約5%以輻射、對流的形式散發到空氣中，其余95%由冷卻系統將熱量帶走。因左/右支撐托架的模具整體結構較復雜，除型芯、型腔板需要開設冷卻水道外，側向分型的側型芯體積較大也需要開設冷卻水道，模具整體的冷卻水道直徑為φ10 mm，均勻分布在型芯、型腔板和側型芯中，因塑件形狀復雜，冷卻水道也較復雜，整體的冷卻水道如圖16所示。

圖16 模具整體的冷卻水道

（2）推出機構設計。由于左/右支撐托架外表面質量要求較高，內側面要求相對較低，采用推桿推出機構，可以簡化模具結構。雖然模具中已設計了4 個斜推塊，但是推力不均勻，為使推力更均勻，在塑件底部均勻設置推桿，推桿的直徑根據部位不同選取了4 種規格，直徑分別為φ10、φ8、φ6、φ4 mm，推桿布置如圖17所示。

圖17 推桿布置

設計完成后，最終的模具結構如圖18 所示，模具為熱流道進澆，工作過程較簡單，首先模具從分型面打開，楔緊塊5 帶動斜導柱將滑塊6 向外側抽芯，抽芯完成后頂桿13 推動推桿固定板11，通過斜推桿18 將塑件推出。加工后裝配的模具經實際生產驗證，注射成型的塑件符合客戶要求，已交付客戶生產使用。

圖18 模具結構

4 結束語

通過利用Moldflow 對左/右支撐托架進行模流分析并設計澆注系統，在模具設計時可參考Moldflow 的分析結果，避免模具設計過程中可能出現的問題，減少后續修模的成本，提高設計效率。模具試模后，塑件精度達到客戶的要求，該設計思路及方法可為其他復雜的汽車零部件注射模設計提供參考。