CAE技術(shù)在汽車(chē)塑料件生產(chǎn)中的應(yīng)用

中國(guó)注塑網(wǎng)

CAE技術(shù)在汽車(chē)塑料件生產(chǎn)中的應(yīng)用叢穆，江梅（第一汽車(chē)集團(tuán)公司技術(shù)中心非金屬研究室，吉林長(zhǎng)春130011）據(jù)現(xiàn)生產(chǎn)用材料和設(shè)備，分別進(jìn)行了注塑過(guò)程和注塑參數(shù)優(yōu)化分析。找出了現(xiàn)生產(chǎn)中制品出現(xiàn)缺陷的原因。分析結(jié)果表明，塑料CAE模擬分析技術(shù)在汽車(chē)塑料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)和制品生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用前景?！　‰S著塑料在汽車(chē)上越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，對(duì)汽車(chē)塑料件的質(zhì)量要求越來(lái)越高，而設(shè)計(jì)制造高質(zhì)量的汽車(chē)塑料零件需要優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、高水準(zhǔn)的模具和優(yōu)化的注塑成型工藝3個(gè)環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合。目前在現(xiàn)生產(chǎn)中，存在諸如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否滿足注塑成型工藝要求、所選的原材料是否能與模具結(jié)構(gòu)相匹配、產(chǎn)品注塑成型工藝參數(shù)是否合理、產(chǎn)品熔接痕的位置、數(shù)量及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響、模具設(shè)計(jì)及反復(fù)試模耗費(fèi)大量時(shí)間等問(wèn)題?！　∮捎谒芰螩AE模擬技術(shù)能事先對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性、制件成型后的質(zhì)量及模具流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，使發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之前予以修正，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)程序的弊端一模具加工完成、試模出問(wèn)題后，再去修改設(shè)計(jì)、試模調(diào)模，從而縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本。　　以下是針對(duì)塑料件的尺寸、縮痕、翹曲變形、應(yīng)力集中等質(zhì)量缺陷，應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行模擬分析的幾個(gè)實(shí)例。分析對(duì)象包括汽車(chē)散熱器面罩、雜物箱蓋和倒車(chē)燈燈罩。分析模擬用軟件為M0LDFL0W.CAD建模軟件為EUCLID、Pro/E. 1模擬分析雜物箱蓋翹曲問(wèn)題的原因及消除措施1.1存在的問(wèn)題目前存在的問(wèn)題是產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)后，在蓋的兩角處發(fā)生向外翹曲，影響了產(chǎn)品外觀質(zhì)量和裝車(chē)進(jìn)度?！　檎页鰡?wèn)題的產(chǎn)生原因，首先用現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)如表1）進(jìn)行模擬分析。　　表1材料名稱改性pp模具溫度/>熔體溫度/>注射時(shí)間/注射壓力/MPa保壓時(shí)間/s保壓壓力/MPa現(xiàn)生產(chǎn)工藝采用一級(jí)注塑、一級(jí)保壓。經(jīng)對(duì)制件體收縮分析，得到產(chǎn)品體收縮分布圖，如。　　從看出，兩端處體收縮達(dá)11%比較大），高于中間部位"％）。由于產(chǎn)品整體體收縮不均，導(dǎo)致了產(chǎn)品翅曲?！　?.2改進(jìn)方案一按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)加2條加強(qiáng)筋。　　但實(shí)際生產(chǎn)出的產(chǎn)品，翹曲依然存在，而且加強(qiáng)筋外表面出現(xiàn)明顯縮痕。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析，得到如結(jié)果?！　》治隹芍瑑啥颂庴w收縮仍為11%，而且加強(qiáng)筋相對(duì)的外表面的體收縮增大，因而導(dǎo)致上述結(jié)果?？梢?jiàn)這一方案并沒(méi)有從根本上將問(wèn)題解決。　　1.3改進(jìn)方案二采用CAE分析技術(shù)對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。　　經(jīng)過(guò)模擬分析，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。主要是增加了保壓曲線曲一級(jí)保壓變?yōu)槎?jí)保壓），保壓壓力由原來(lái)的30MPa增加到60MPa，并將保壓時(shí)間由原來(lái)的3.5s增加到10s.這樣得到的產(chǎn)品兩端體收縮降到4.5%，而且在產(chǎn)品表面分布均勻如），從而消除了翹曲變形?！　?汽車(chē)倒車(chē)燈燈罩的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化目前，此產(chǎn)品存在著成型后兩端頭出現(xiàn)內(nèi)部裂紋的缺陷。分別按照現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)材料為PMMA，模具溫度50 2，熔料溫度2202）和）0456407數(shù)據(jù)庫(kù)推薦參數(shù)模具溫度80 2，熔料溫度2302）進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明應(yīng)力均集中在兩端頭，且均超過(guò)材料的抗剪切強(qiáng)度。是以MOLDFLOW數(shù)據(jù)庫(kù)推薦參數(shù)進(jìn)行模擬獲得的應(yīng)力分布圖?！　闹锌吹秸麄€(gè)產(chǎn)品應(yīng)力分布最大值為0.5~0.6MPa，并且位置集中在兩端頭，而材料的抗剪切強(qiáng)度為0.4MPa.這就是產(chǎn)品在兩端部出現(xiàn)裂紋的原因?！　‰S后采用修改兩端頭壁厚的方案，也就是將兩端頭的壁厚增加0.2mm，力圖使此部位物料流動(dòng)順暢，從而降低此處剪切應(yīng)力，使產(chǎn)品的整體應(yīng)力水平下降。工藝參數(shù)不變。模擬分析得到產(chǎn)品成型后應(yīng)力分布圖，如?！　∑?chē)工藝與材料分析結(jié)果表明，產(chǎn)品兩端部應(yīng)力值明顯下降降到0.4MPa左右），從而避免了應(yīng)力集中，也就消除了產(chǎn)品內(nèi)部裂紋。　　表3項(xiàng)目參數(shù)材料種類(lèi)ABS/PC材料牌號(hào)BayerAGBayblendT45熔融溫度/260~300剪切強(qiáng)度/MPa0.4頂出溫度/110非流動(dòng)溫度/130 3用CAE解決散熱器面罩的質(zhì)量缺陷3.1產(chǎn)品存在的問(wèn)題產(chǎn)品橫向尺寸偏大，影響裝車(chē)。　　零件表面在8個(gè)澆口附近有收縮痕。　　熔接痕數(shù)量多，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量?！　?.2模型準(zhǔn)備Moldflow動(dòng)態(tài)模擬分析所采用的模型為三維實(shí)）模型，模型的來(lái)源可由其他造型軟件輸入，也可以用自身所帶的建模模塊Moldflowmoldeler）來(lái)建立。但由于所研究的產(chǎn)品造型較復(fù)雜，因此采用從其他圖形軟件中讀取數(shù)據(jù)?！　∩崞髅嬲秩S數(shù)據(jù)最初是用EUCLID軟件進(jìn)行實(shí)體建模的，所以又用Pro/E軟件，將原模型中的面特征進(jìn)行提取、剪切，縫合成實(shí)體后，形成封閉的曲面，再轉(zhuǎn)化為實(shí)體。按STL格式輸出，如?！　D+類(lèi)、匹配、疊合和縫合等操作得到有限元網(wǎng)格；根據(jù)模具圖紙?jiān)O(shè)計(jì)澆口流道和冷卻系統(tǒng)的面模型，再將其進(jìn)行網(wǎng)格定義、分類(lèi)。為目前澆注系統(tǒng)分布圖，現(xiàn)有模具為三板結(jié)構(gòu)，共8個(gè)進(jìn)膠口。　　冷流道熱流道3.3對(duì)目前產(chǎn)品成型狀況進(jìn)行模擬分析針對(duì)目前產(chǎn)品存在的問(wèn)題，首先采用現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)如表2）、設(shè)備條件、原材料如表3）進(jìn)行模擬分析?！　”?工藝參數(shù)數(shù)值熔體溫度/O模具溫度/O注射壓力/MPa注射時(shí)間/. 1級(jí)5 2級(jí)8保壓壓力/MPa保壓時(shí)間/s用以上參數(shù)進(jìn)行模擬分析結(jié)果如下?！　√畛鋾r(shí)間分布圖如）說(shuō)明了熔融樹(shù)脂在模具型腔中的填充過(guò)程，中的深色區(qū)域是熔體最后填充部位，分布較寬。　　熔接痕是在料流相遇處形成的。為熔接痕位置分布圖，從圖中看出熔接痕多分布在料流最后填充部位。從零件整體看，中間格柵部分和外邊緣處熔接痕較多外邊緣約9處），圖中深色點(diǎn)表示該處熔接痕的質(zhì)量不好。這與現(xiàn)生產(chǎn)中的情況相符?！　≈萍砻媸湛s情況如0.延時(shí)保壓使表面收縮痕都分布在8個(gè)澆口附近，收縮值是0.0145mm，是可見(jiàn)的缺陷凹坑只有縮痕深度！0.007mm時(shí)，收縮才是肉眼不可見(jiàn)的）。這與實(shí)際情況相得良好的效果。經(jīng)過(guò)采用Flow、Packing、Cool等模塊進(jìn)行的模擬分析，并將原1級(jí)保壓變?yōu)?級(jí)保壓。獲得的優(yōu)化的注塑成型工藝參數(shù)如表4、表5.表4模具溫度/870熔體溫度/8280注射壓力/MPa67注射時(shí)間/；5表5保壓壓力/MPa保壓時(shí)間/s320327.23112.07.17.500 0制品內(nèi)部應(yīng)力分布圖見(jiàn)1.1表示超出材料剪切強(qiáng)度的部分，制品內(nèi)部最高應(yīng)力值是1.135MPa.而材料的抗剪切強(qiáng)度為0.4MPa.圖中深色部分為剪應(yīng)力超過(guò)材料剪切強(qiáng)度的部分，分布較廣。應(yīng)力值高的部位易造成應(yīng)力開(kāi)裂。　　1制品橫向尺寸變化趨勢(shì)如2.按現(xiàn)有模具型腔設(shè)計(jì)尺寸注射成型的制品，橫向收縮4.8mm才能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。而實(shí)際生產(chǎn)中制品成型后，橫向尺寸值收縮2.5mm，造成產(chǎn)品尺寸偏大，不能滿足裝車(chē)要求?！　? 3.4減少或消除缺陷的模擬分析首先對(duì)各成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)果。a.優(yōu)化后制品表面收縮痕減小，如3.分析結(jié)果：澆口處體收縮值已由原來(lái)的0.014mm減小至0.004mm，為肉眼不可見(jiàn)的，從而消除了8澆口處的缺陷收縮痕。　　b.優(yōu)化后產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力下降，如4.汽車(chē)工藝與材料與上述按現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬的應(yīng)力分布結(jié)果相比較，制品4邊框和中間部分的高應(yīng)力值區(qū)域已消除，制品內(nèi)部應(yīng)力已大大降低，并且超值區(qū)分布較窄，從而使產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量趨于穩(wěn)定。　　C.優(yōu)化后，使產(chǎn)品尺寸得到校正?！　“磧?yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行翹曲分析，通過(guò)調(diào)整保壓曲線，控制產(chǎn)品橫向尺寸收縮，能夠得到使產(chǎn)品橫向尺寸縮小的趨勢(shì)，從而達(dá)到滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的目的。　　保壓壓力為45MPa時(shí)，制品橫向尺寸收縮6.7 3.5指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際以優(yōu)化的工藝參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，得到以下結(jié)果。　　%.澆口處收縮導(dǎo)致的冷斑收縮痕）明顯減小或基本消失，這與CAE結(jié)果相符。5a、5b是工藝調(diào)整前、后澆口處的收縮情況?！　.產(chǎn)品橫向尺寸比調(diào)整前縮小1mm. C.由于產(chǎn)品模具澆注系統(tǒng)維持原狀，所以熔接痕的問(wèn)題未能得到徹底解決?！　?結(jié)論對(duì)注塑過(guò)程的CAE分析表明，在汽車(chē)塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中采用動(dòng)態(tài)模擬分析技術(shù)，將三維實(shí)體造型讀入Moldflow的MPI用戶界面，對(duì)澆口、流道和冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行深入全面的流動(dòng)、保壓、冷卻、翹曲和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，找出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和現(xiàn)生產(chǎn)中產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷的原因，提出解決方案，同時(shí)對(duì)注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了廢品率。因此，塑料CAE模擬分析技術(shù)在汽車(chē)塑料產(chǎn)品生產(chǎn)中有著廣泛的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。　　責(zé)任編輯陳逍）上接第76頁(yè)）責(zé)任編輯陳逍）2002年第