车前端模块微发泡注塑成型技术基础研究

车前端模块微发泡注塑成型技术基础研究

楚运超 孙厚福

长城汽车股份有限公司天津哈佛分公司 天津市 300462

摘要：随着汽车需求者的要求提升，全球汽车设计者都开始了汽车设计新的征程，汽车技术研究人员也开始向模块化、集成化、轻量化方向发展。近二十年来，有许多研究工作者已经开始关注汽车前端模的设计，汽车前端模的发展是实现整车轻量化、低耗油、低排放的关键部位。本文简单介绍塑料前端模块的设计思路和构成单元，以某车型塑料前端框架为例浅析主要工作要点。

关键词：塑料；前端框架；模块化；轻量化

一、 汽车塑料前端模块概述

汽车前端模块位于汽车的最前端，其外形设计、功能结构和重量等，都对能耗有显著的影响。其中，实现前端模块的轻量化、对进入发动机舱的气流进行动态调节进而降低气阻，都有利于减少燃油消耗和碳排放量。而汽车前端模采用塑料材料就能够帮助整车更好的实现量轻化设计。

塑料模不同于传统的聚丙烯/钢混合板材料，其重量远小于钢板材料，同时，操作也可以更加简化，实现节省安装时间和成本的作用。通过对汽车塑料前端模的大力推广，能够降低成本效率，满足供应链的灵活性要求。

汽车前端塑料模也有部分零件塑料化和全塑化的分别，将汽车前端的零件塑料化，可以使汽车的车身更加苗条，安装空间更为紧凑，车身比例也更加和谐美观，较轻的车体，更长的轴距和更大的车轮，才更符合当下汽车发展的需求。

二、注塑成型的参数

　2.1注塑时间

　　注塑时间是指塑料熔体充满型腔所需要的时间，不包括模具开、合等辅助时间。尽管注塑时间很短，对成型周期的影响也很小，但注塑时间的调整对浇口、流道与型腔的压力控制有着很大作用。合理的注塑时间有助于熔体理想填充，对提高制品的表面质量及减小尺寸公差有着重要意义。

　　注塑时间要远远低于冷却时间，大约为冷却时间的1/10～1/15，这个规律可作为预测塑件全部成型时间的依据。在作模流分析时，只有当熔体完全是由螺杆旋转推动注满型腔的情况下，分析结果中的注塑时间才等于工艺条件中设定的注塑时间。若在型腔充满前发生螺杆的保压切换，分析结果将大于工艺条件的设定。

　　2.2注塑压力

　　注塑压力是由注塑系统的液压系统提供的。液压缸的压力通过注塑机螺杆传递到塑料熔体上，塑料熔体在压力推动下，经注塑机的喷嘴进入模具的竖流道、主流道、分流道，并经浇口进入模具型腔，这个过程即为注塑过程，或称为填充过程。压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力。

　　在注塑过程中，注塑机喷嘴处的压力最高，以克服熔体全程中的流动阻力。压力沿着流动长度往熔体最前端波前处逐步降低，若模腔内部排气良好，则熔体前端最后的压力就是大气压。

　　影响熔体填充压力的因素有：⑴材料因素，如塑料的类型、粘度等；⑵结构性因素，如浇注系统的类型、数目与位置，模具的型腔形状以及制品的厚度等；⑶成型的工艺要素。

　2.3注塑温度

　　注塑温度是影响注塑压力的重要因素。注塑机料筒有5～6个加热段，每种原料都有其合适的加工温度。注塑温度必须控制在一定范围内。温度太低，熔料塑化不良，影响成型件质量，增加工艺难度；温度太高，原料容易分解。在实际的注塑成型过程中，注塑温度往往比料筒温度高，高出的数值与注塑速率与材料的性能有关，最高可达30℃。这是由于熔料通过注料口时受到剪切而产生很高的热量造成的。在作模流分析时可通过两种方式来补偿这种差值，一种是设法测量熔料对空注塑时的温度，另一种是建模时将射嘴也包含进去。

　　2.4保压压力与时间

　　在注塑过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的容积。若型腔充满后不进行保压，制件大约会收缩25%左右，特别是筋处由于收缩过大而形成收缩痕迹。保压压力一般为充填最大压力的85%左右。

　　三、注塑成型模具在设计时要注意的事项

3.1设计模具的精度

要想达到更高的模具设计精度，首先要保证其与制成品的精度及分型面的精度是相同的，这就需要使注塑成型的模具设计在操作时，模腔尺寸公差一定要小于成品的公差，而且小多少要依据实际的制品进行确定，一般情况下应该不能比三分之一高。与此同时，注塑成型时模具当中的零部件不参与其中，然而其会通过对模腔精度的影响进而影响成品的精度，因此一定要保证模具的设计精度。

3.2定模、动模其对合的精度

注塑模具其对合的精度取决于导柱与导向，由于导向与导柱之间一定会存在间隙，会使得模具安装在注塑机上时受到它的影响，致使产生动模与定模位移的现象发生，继而对成品精度产生不良影响。不但如此，在高温注塑的时候，动模与定模也会因为热胀冷缩而发生偏移现象，对成品的最终精度产生影响，因此要想在设计时保证成品的精度，一定要对定模与动模对合精度做出有效的提升。

3.3注意模具结构的刚度

在设计注塑成型的模具时，一定要使其拥有相应的结构刚度，假如模具的刚度不够，在进行注塑操作的时候，就会很容易在压力与其它原因的作用下使模具产生变形，致使模具的精度下降。一般情况下，结构的刚度要依据模具的材料、尺寸及形状进行决定，整体的凸模与凹模就是这样的。假如是镶拱形式的模具，那么它的刚度将会受到其固定模具模框的影响。

四、 前端框架设计思路及工作要点

塑料前端框架在设计之初，应首先根据整车布置方案确定前端模块集成零部件，以适应生产工艺规划，并编制产品设计构想。设计构想内容应包含：模块产品构成、模拟装配顺序、安装点布置构想、标杆数据信息、材料选择确定、CAE 分析项目及标准要求、周边件间隙定义等要求。以某车型设计过程为例：前端框架设计主要工作重点在于如何保证前端框架模态、刚度及强度等技术特性能够满足整车状态的技术要求。同时工作的难点也在于前端框架的技术特性要求的确定。可通过对标应用塑料前端框架的车型技术特性要求，结合整车技术要求，进行分解最终确定塑料前端框架技术特性要求。

4.1集成零部件要点分析

汽车前端模块的零部件分布本身是比较多的，汽车模块前端的零部件有低集成零件、中集成零件、高集成零件之分，在进行设计选择时，应当结合整车布置方案和生产工艺规划，选择适合该车型要求的零部件，以实现整车的技术要求

4.2 材料选择要点分析

前端框架一般材料为PP-LGF30 或PP-LGF40，但是无论选用哪种材料，结构都要依据载荷边界条件，在满足各项性能指标的前提下，实现重量最小化。为此，模拟软件能够协助设计工程师实现轻量化，比如：拓扑结构优化、厚度优化等。这两种是借助拓扑结构优化方法，在满足刚度条件下，依据特定的边界条件，通过重量最小化，达到结构优化的目的。在注塑件或浇铸件上优化加强肋和壁厚时，首先要合理确定可用的最大空间、脱模方向和分型面，才能获得满意的加强肋分布和壁厚。在刚度结构优化时，可以纯粹以重量最小为目标，也可以附加材料成本最低化目标，优化结果也会有所不同。

结论

通过规范的布置方案，科学的强度要求，合理的加强结构以及精准的CAE 分析，汽车前端既要同时满足诸多性能要求，如造型设计、刚度、强度、振动特性、乘员安全、事故维修成本、行人保护和空气动力学性能等，又要能够实现汽车塑料前端模块的最优化设计，实现汽车量轻化的要求。

参考文献：

[1]材料创新对前端模块降本减重的可行性分析[J].邱晨曦,胡琦.汽车零部件.2015(04)

[2]长纤维增强热塑性复合材料在汽车前端模块中的应用[J].李正其,龙仕彰,张鹏.汽车工程师.2012(02)