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随着汽车工业制造技术的发展，人们对汽车能耗提出更高的要求，为减轻汽车自重，节约制造成本，汽车内饰件一般采用塑件结构形式。门板是汽车内饰件的主要部件之一，其质量要求也越来越高，除了具备高强度外，还应与汽车内部装饰造型和谐统一。 汽车门板注射成型时，浇注系统和冷却系统的设计合理与否，直接影响塑件成型质量和强度。利用Moldflow分析平台，以某车型表面有皮纹、外形复杂、带喇叭网孔的汽车门板为例，对其浇注系统和冷却系统进行模拟分析，针对塑件表面不允许存在熔接痕、顶白、飞边等缺陷要求，对塑料熔体进行流动、冷却、翘曲变形分析，并对结果进行对比，找出优化方案。 图1 汽车门板三维模型 某汽车门板塑件三维模型如图1所示，材料为PP，收缩率为1.65%，外形尺寸：950mm×599mm×116mm，壁厚约为2.3mm，最小壁厚为0.7mm。塑件外形结构复杂，带有喇叭网孔等结构，不利于熔体流动，容易产生熔接痕与气穴。塑件表面精度要求高，不允许存在顶白、拉伤、飞边等缺陷。 汽车门板含有喇叭网孔，孔的数量众多且密集，为节约模拟时间，在导入CAE软件前，需进行简化处理。因为CAE总的网格有限单元模型长宽比大，存在自由边，前处理困难、耗时长，网格匹配率低，所以在模型导入前需等效喇叭网孔壁厚以简化模型结构，缩短前处理时间，提高网格质量。 具体方法是将每个孔看作一个简单的基本单元，通过拼接构成网孔（简化过程中仅需考虑一个基本重复单元）。简化过程可以分为2个阶段：等体积转化和等热传导能力转化，即等效厚度=等体积壁厚/等效热传导因子。通过Moldflow软件的大纵横比网格和自由边、交叉、重叠单元修正等前处理，得到塑件的优化网格单元，取消所有的喇叭网孔位，再人工定义喇叭网孔处等效壁厚，如图2所示。 图2喇叭网孔部位的等效壁厚处理 模拟分析前要保证几何网格模型与实际塑件基本一致，防止主要特征丢失，模型网格匹配和厚度要准确，浇注和冷却系统完整，且尺寸和参数定义与模具实际加工一致，保证分析结果与实际试模结果的一致性。模拟时，针阀浇口和热流道的位置与大小均根据设计师要求创建，采用1模2腔结构形式，并进行模流分析，如图3所示。 （a）型腔布局 （b）模流分析 图3 型腔布局及模流分析 塑件外形尺寸大，存在熔体填充困难、塑件易变形和流道材料浪费大等问题，根据经验，采用热流道系统浇注成型，单件4个热喷嘴（见图3（b）），共8个热喷嘴，如图3（a）中1~8序号所示，热喷嘴直径为ϕ4mm，流道直径为ϕ22mm，针阀浇口直径为ϕ10mm。模具采用水冷方式冷却，动模和定模分别设计了4组冷却水路，冷却水温度为常温25℃。 Moldflow主要进行塑件成型过程的模拟，即模拟塑料熔体在模具型腔中的流动成型过程，利用有限元数字求解器计算及分析熔融塑料成型过程中的速度、位移、温度和压力的变化，发现并预测塑件实际生产过程中的缺陷。通过模拟分析，使得注射过程可视化、明确化，减少后续试模的修模时间，提高生产效率。 利用Moldflow的双层面网格前处理分析模块和流动分析模块对熔体的流动和保压过程进行模拟分析。填充分析（等高线）如图4所示，型腔填充时间为6.94s，注射时热喷嘴依次打开，使成型的塑件外观面等高线间距均匀，填充速度均匀，进料顺畅，无短射和滞流现象。 图4 填充分析 图5 熔体流动前沿温度 熔体流动前沿温度（熔体前锋到达待成型塑件截面中心某一特定点时的温度）分布如图5所示。注射模拟时材料温度为220℃（PP材料的注射温度为180~260℃），由图5可知，大部分熔体前沿温度均在PP材料的注射温度范围内，但喇叭网孔处局部前沿温度较低，在实际模具结构设计中，在喇叭网孔处应单独设置冷却水路或者布置加热棒。 图6 V/P切换点瞬时压力分布 V/P（速度/压力）切换点瞬时压力分布如图6所示，型腔填充体积为98%时转保压阶段，填充由速度控制转换为压力控制，转换压力为80.89MPa。 图7 锁模力 锁模力分析如图7所示，塑件在开模方向的投影面积约8400cm2，填充阶段所需的锁模力为2.739×106kN，保压阶段锁模力为2.903×106kN，根据实际环境不同，实际所需锁模力需增加20%。 图8 气穴分布 气穴分布如图8所示，困气发生在填充末端、筋位和柱位处，尤其是喇叭网孔部分，需设置排气槽，避免困气，影响塑件表面成型质量。 图9 熔接痕分布 熔接痕发生于2股低温熔体相遇的位置，影响塑件强度，并在塑件表面产生外观缺陷。从图9熔接痕分析可知熔体流动均匀，主要外观面没有明显的熔接痕，仅在塑件边缘处有短小的熔接痕，可经后续喷涂处理后消除。 模具温度直接影响熔体的填充、保压冷却、塑件的形状和精度等，为保证冷却均匀，提高冷却速率，动模和定模均采用4条均匀布置循环水路冷却。
（a）定模冷却效果分析
（b）动模冷却效果分析 图10 冷却效果分析 图10所示为模具冷却效果分析，定模冷却水路进出口温差为1.48℃<><>
（a）上表面
（b）下表面 图11 塑件表面温度 塑件表面温度如图11所示，由图11可知：塑件上下表面温度约为50℃，前后表面温差小于10℃，温度分布均衡。
图12 塑件和流道达到推出温度的时间 塑件和流道达到推出温度的时间如图12所示，由图12可知：在成型周期内的温度小于PP塑料推荐推出温度118℃，表明一个成型周期内的塑件冷却效果可以满足塑件的推出要求。
（a）X方向翘曲变形
（b）Y方向翘曲变形
（c）Z方向翘曲变形 图13 塑件各方向翘曲变形 塑件各方向翘曲变形分析结果如图13所示，塑件最大变形量为X、Y方向约6mm，Z方向约3mm，汽车门板开口位置翘曲严重，在模具设计中应进行变形补偿，改善塑件翘曲变形。
图14 总翘曲变形效果 总翘曲效果如图14所示。由分析结果综合比较，影响塑件翘曲变形的主要原因是收缩和分子取向，实际生产中应增大保压阶段压力。 ▍ ▍内容来源：《模具工业》2017年第8期 |
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