汽車安全氣囊蓋模具填充工藝優化分析

中圖分類號：U466 收稿日期：2025-05-22 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.024

Process Optimization Analysis for Mold Filling in Automotive Airbag Covers

Zhang Xiaozhen1Yang Xinkai2 Tang Sixin1Zhang Zusheng3 1.School of Traffic Engineering，Fuzhou Polytechnic，Fuzhou 350108，China 2.Guangxi Jiaokong Zhiwei Technology Development Co.，Ltd.，Nanning 53oooo，China 3.China State Construction Strait Construction amp; Development Co.，Ltd.，Fuzhou 35oooo，China

Abstract：Aiming to improve themoldingqualityofautomobile airbag covers，this studyconstructedacomprehensive mold designschemetroughteanalysisoftematerialpropertiesofpasticparts，tesientificdesignofpartingsurfacs，andteotiizationofmoldingprocessparameters.Teselectionofmodingequipmentwascariedoutbyconsideringkeyparameterssuchastheinjectionvolumeandclamping forceofthe injection molding machine.Aditionall，theMoldflow software wasutilizedtoconduct indepthresearchonthemoldfilingprocessthroughtechnicalmeans incluinggridpre-processigofplasticparts，analysisofgatepositions，andsimulationofoldflowshemes.Asaresult，theoptimalfilinghemewasdetermined，fectivelyeducingdefectssuch as shorthotsandairtraps，andsignficantlyimprovingthemoldingqualityofproducts.Thisprovidesapracticaltechnicalsolutionfor the high - quality production of automobile airbag covers.

KeyWords：Airbagcover;Plasticparts;Mold;Fillinganalysis

1前言

塑料產品的注射成型工藝是常用的制造形式，隨著模具技術越來越先進，更多的成型方法得到了廣泛應用，特別是熱流道、氣體輔助等方法。模具技術與非常多的領域有著直接關系，整個模具市場需求大，未來發展明朗，合理的模具結構設計可以讓模具生產出高質量、高精度的產品[1-3]。汽車安全氣囊作為保障駕乘人員安全的重要部件，其生產質量至關重要[4-6]。汽車安全氣囊蓋模具填充效果直接影響到安全氣囊蓋的成型質量，進而關系到安全氣囊的正常展開與防護功能。隨著汽車工業的發展，對安全氣囊蓋外觀、尺寸精度和力學性能的要求不斷提高，因此深人研究汽車安全氣囊蓋模具的填充過程具有重要的現實意義。

目前，在模具填充過程中，常出現填充不滿、熔接痕、氣穴等缺陷，不僅影響了產品外觀和質量，還增加了生產成本。一些學者通過系統的填充分析與優化研究，力求解決這些問題。褚亮等7針對薄壁管錐形模擴口工藝，通過主應力法深入解析變形區應力，揭示了摩擦因數、模具半錐角和擴口系數對最大徑向應力的影響規律，并優化模具半錐角，建立了計算公式，為薄壁管擴口工藝參數的選擇提供了理論依據。袁小江等[8]以空心管材支架零件為例，通過建立數學模型分析沖孔工藝，明確了沖孔尺寸與管材參數關聯及強度影響因素，實現了空心管材應用產品的優化設計，推動了管材加工工藝發展。孟祥峰等9對3Cr2MnNiMoBi模具鋼熱變形行為展開研究，構建本構方程，繪制熱加工圖，確定了最佳熱加工窗口，為該模具鋼的合理加工提供了重要參考。郭劍[10]針對金屬型鑄造過程中大型模具的熱變形現象，分析其產生原因并提出改善措施，從模具設計、熱處理工藝及模擬軟件應用等方面，為減少模具熱變形、提高鑄件質量提供了全面指導。在模具設計與優化方面，陳楊[針對某柔性接頭成形難題，采用先拉深再旋壓的工藝，通過設計特殊結構模芯、增加退火工序和優化旋壓方式，成功解決了拉裂、壁厚不均等問題，為類似復雜零件模具設計提供了實踐經驗。徐少華[2則聚焦模流分析技術在塑件翹曲變形評估中的難題，深入探討誤差來源及解決措施，提出模具預變形定量設計方法，為模具行業技術人員提供了新技術思路。

本文以汽車安全氣囊蓋模具填空情況進行分析，從塑件分析、分型面、工藝參數選擇等方面分析模具的設計，根據注塑機的注塑量、鎖模力依據選擇，搭建成型設備。最后對模具進行填充分析，主要進行澆口位置分析、模流方案確定、填充保壓分析，確定出最佳方案，從而確保安全氣囊蓋能夠完整、均勻地填充，避免出現短射、困氣等缺陷。

2模具分析

2.1塑件分析

汽車安全氣囊蓋工件是支撐固定其他零件的載體，對機械性能要求較高，同時對耐磨性能和抗壓性能等都要有比較高的要求，對于用戶的使用年限要求時間長。分析以上條件后，考慮到市面上眾多材料及其優缺點，參考塑料單價，最終選擇PP材料。借助SolidWorks軟件建立汽車安全氣囊蓋的三維模型，如圖1所示。該成型塑料能對各種環境都具備抗沖擊效果，同時機械力學性能良好，在用戶長期使用下，保證足夠強度和剛度，另外它的著色能力較強，其尺寸在不同環境下，能穩定地保持其要求，不會被酸堿腐蝕。

圖1汽車安全氣囊蓋

2.2塑膠成型方式

塑料分為熱塑性和熱固性，不同的材料類型，其成型方法不一致，工藝參數設置也會不一樣，此產品屬于熱塑性，生產綱領需批量，從中可以看出注射成型工藝是符合實際生產需求的。

2.3成型工藝規程

首先對外購來的材料進行檢測，主要是檢測色澤均勻度，由于才購買的材料可能存在一定水分，所以要進行干燥處理，蒸發其水分，保證材料干燥，需要對成型設備的料筒進行清理，去除熔融狀態的殘料。在模具零件表面上需要針對性地涂滿脫模水，讓其更容易脫模。注射步驟包含塑化、填充、保壓、冷卻、脫模等方式，并對每個環節添加傳感器進行監控。生產出的產品，為了防止用戶在使用中變形，需要對它進行退火工藝處理。

3選擇注射成型設備

塑料產品可通過模具和注塑機生產出來。成型設備利用熱塑性材料，通過柱塞或者螺桿填充模具快速注入，所以本設計首先要對設備進行選擇。

3.1注塑量計算

使用軟件對建模出來的三維模型進行測量，其體積的測量結果如圖2所示。

圖2體積圖

制件質量公式：

M₁=ρV₁

式中 ，ρ 為材料密度， ?ρ=0.91g/cm³; V₁ 為塑件體積，由軟件分析確定， V₁=349.843cm³; M₁ 為產品質量。

代人數值可得：

M₁=ρV₁=0.91×349.843g=318.357g

由上可獲得注塑體積：

V₂=V₁Kn

式中， V₁ 為塑件體積； K 為摩擦常量，取 0.6：n 為型腔數目， n 取 1;V₂ 為注入系統容積。

代人數值可得：

V₂=V₁Kn=349.843×0.6×1cm³≈209.906cm³

由此可獲得注射總質量：

M₀=nM₁+M₂=nM₁+ρV₂

式中， M₀ 為成型總質量； M₂ 為注塑質量， M₂=ρV₂=0.91× （2

將數據代入式（3），可得：

M₀=nM₁+M₂=1×318.357g+191.014g=509.371g

以計算得出的注射量作為參考，然后分析其汽車安全氣囊蓋塑件外形特點，初步選擇SZ-800/3200。

3.2鎖模力計算

模具在合模的時候，由于注射機向模腔快速注入熔料，會產生很大的漲開力，此時注射設備會利用油缸對模具進行壓緊而不讓熔料溢流出，因此在分型面上的投影面積顯得格外重要，通過軟件可以對其投影面積進行測量，如圖3所示。

圖3塑件平面投影圖

熔體對模具的總推力必須小于等于注塑機的鎖模力。總推力的計算公式通常為：總推力 壓模所受均勻力 × （總制品投影面積 + 總附加面積），即：

F=P_c[n（A_i+A_f）

式中， F 為總推力； n 為型腔數目， n=1;4_i 為制品投影面積，A_i=53 148.16mm²;A_f 為材料映照面積， A_f=114.24mm²;F C為壓模所受均勻力，取 25MPa 。

單腔總投影面積（制品 + 附加）：

A_i+A_f=53 148.16mm²+114.24mm²=0.053 262 4m²

熔體總推力：

F=25×106Pa×0.053 262 4m²=1.331 56×106N

與設備鎖模力對比： 1.331 56×106Nlt;3.2×106N （即總推力小于注塑機鎖模力），熔體對模具的總推力未超過注塑機的鎖模力，滿足注塑過程中“鎖模力足夠\"的基本要求。因此，初選該型號注塑機是合理的。

3.3初選成型設備

以注塑量和鎖模力為參考，確定設備型號為SZ-800/3200，具體參數如表1所示。

4模具填充工藝優化

基于上文選定的成型設備，優化模具填充工藝，主要從模具分型面選擇、成型工藝參數、設計模具結構的澆口位置和流道管道布局等方面進行優化和提出工藝參數。

4.1模具分型面選擇

模具中分型的作用是為了讓產品能夠順利脫模，因此要保證塑件的外形和位置要符合標準，且分型的位置不能影響它的精度和美觀。在選擇位置時要考慮模具結構的設計，對于澆注系統和排氣系統等結構也要充分考慮，避免后續出現一些缺陷，導致產品精度不好、加工制造成本變高等。另外分型面的選取盡量讓產品保留在動模側，因為產品在動模側，模具的推出系統也是在此側，從而能非常方便地設計模具的推出系統。如圖4所示為分型面。

表1成型設備參數

圖4分型面

4.2成型工藝參數優化

a.為了熔料在模具型腔中流動性能好，需先把塑料進行干燥處理，其含水量 0.05% ，并在干燥器里除濕1h。

b.塑料溫度要盡量設置高，但是要保證塑件不被分解。對于塑件精度要求高的情況，模具溫度的參數設定必須選擇 40～60^circC 。

c.合適的料筒溫度可以讓注射過程更加順利通暢，其料筒有三個階段進行加熱，一階段為 150～170^°C ，二階段 180～190^°C ，三階段 190～205^°C ，特別在設備的唧嘴上，此處溫度要 170～190^°C 才能保證注入的料不為冷料。

d.塑件在成型完成后，需要對其進行退火處理，降低內部應力。

e.壓力是讓塑料在型腔里填充完整，可以讓塑料充分均勻地融合在一起，這樣能保證在各個纖維方向上的性能一致，注射壓力為 60～100MPa ，同時保壓壓力為50～60MPa ，在注射的時候，需要快速填充，以保證生產效率，注射時間為1～5s，保壓時間為5～10s，最后模具需要冷卻的時間為 10～20s 。

f.縮短產品的生命周期有利于快速占領市場，并且可以讓成本降低，在注射階段周期控制在15～35s較為合適。

4.3網格前處理

為了提高輸入數據的精度，將成型塑件進行網格前處理。在注射成型狀態的時候，內部的流動狀態表明了成型后產品質量和模具具體結構是否合理。在觀察成型狀態的時候，要對制品進行網格化，其匹配率值要在至少 85% 才能保證分析結果可靠。通過Moldflow軟件對成型塑件網格化，如圖5所示，得到網格的三角個數為25792個，節點值12866個，匹配率是 90% ，結果數值符合產品分析質量要求。

圖5網格圖

4.4澆口位置優化分析

當塑件通過噴嘴注入到模具內部時，模具和產品之間需要有一個通道進行連接，此通道就是澆口結構。通過軟件分析預估了進膠口的位置，如圖6所示。藍色是軟件分析后推薦的位置，紅色表示軟件不能在此位置進膠。根據塑件結構和模具結構布置的方便性，應選擇在塑件中心處側澆口的進膠形式，能滿足產品注射最佳的效果。

圖6最佳澆注圖

4.5流道管道布局優化

流道管道作為熔體傳輸的物理載體，其空間走向、截面參數及連接方式直接決定填充過程的穩定性與效率。在設計了澆注系統的具體尺寸后，需模擬在模架內部進膠。利用模流分析的建模功能，對流道管道進行繪制，并對管道進行網格化處理，建立兩種方案，即凹形管道方案和環形管道方案，如圖7、圖8所示。

5填充工藝優化分析

填充工藝優化分析的主要內容是對填充保壓工藝進行分析。填充階段是熔體注入模具的過程，而保壓階段則是在填充后繼續施加壓力，以補償材料的收縮，確保制品的尺寸精度和表面質量。對于安全氣囊蓋這樣的高安全性部件，保壓分析尤為關鍵，因為收縮不均可能導致結構強度下降，影響爆破性能。圖9、圖10是熔料進入模具內部時所需要時間，方案1其值為2.986s（圖9），方案2是2.979s（圖10），從圖上看出熔料達到各位置均勻過渡，方案1和方案2都能滿足模具內部熔料的流動要求。

當模具內填滿了模腔后，進行了保壓填補，此時塑件需要準備由模具的推出系統進行頂出，此時的體積變化可以分析出是否變形量大。如圖11、圖12所示，方案1體積較小且均勻分布，方案2的收縮略大。從這些可得出方案1合理，能夠保證產品外觀質量。

6結語

通過深入分析與研究汽車安全氣囊蓋模具填充過程，明確了模具填充效果的關鍵影響因素，并對填充過程利用數值模擬技術進行了仿真分析。在此基礎上，提出了模具結構、注塑工藝參數和材料選擇與處理等方面的選擇，并通過填充仿真分析試驗驗證了兩種方案的可行性和有效性。

圖9優化結構填充顯示

圖10優化前結構填充顯示

圖11優化結構體積數值

圖12優化前結構體積數值

研究結果表明，合理的模具設計和注塑工藝參數能夠有效提高汽車安全氣囊蓋模具的填充質量，減少生產缺陷，為汽車安全氣囊蓋的高效、高質量生產提供了重要的技術支持。未來，隨著材料科學和制造技術的不斷發展，汽車安全氣囊蓋模具填充分析與優化仍有進一步研究和改進的空間，如結合先進的智能制造技術，實現模具設計與生產過程智能化和自動化。

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作者簡介：張小珍，女，1991年生，講師，研究方向為機械結構、車輛工程等。