汽车灯罩外壳注塑件模流分析

汽车灯罩外壳注塑件模流分析

沈雯,尹博士,王晚,何世豪,宋佳琪

百色学院 广西百色 533000

摘要:本论文主要针对汽车灯罩外壳注塑件的生产过程进行研究,在研究中结合Moldflow技术以及有限元分析的方法,对汽车灯罩外壳注塑件进行三维建模并进行数值模拟,主要针对模型中的缺陷开展分析工作,对所建立模型的正确性进行验证。本论文主要利用 Moldflow软件对汽车灯罩外壳注塑件成型过程中发生的缺陷进行了仿真分析,主要包括产品结构尺寸及质量的变化、内部流道温度分布以及产品各流道之间温度差等。通过这些计算仿真得到了产品质量出现缺陷时对应点的曲线。并利用 CAE技术对上述预测曲线作进一步分析和研究。对于汽车灯罩外壳注塑过程中模具温度场分布及内部温度分布等方面也做了相关研究工作。通过Moldflow软件仿真分析对上述预测的结果进行了验证,得到的预测结果与实际情况相符,从而证明了仿真模型在实际生产过程中可以作为一种有效的质量评定手段,同时也为模具设计提供了有效工具,为模具结构优化和改进提供了依据。

关键词:注塑成型;Moldflow;模流分析;翘曲变形

1.绪论

随着汽车行业的不断进步，汽车产品的性能和性能都在不断提高，除了具有高品质外,外观造型也是一个重要的性能指标。而对于传统汽车生产企业而言,需要生产出质量合格有竞争力的产品以满足客户需求,为了保证生产的顺利进行，必须采取行之有效的措施。在如今这个充满了激烈竞争的市场中，为了能更好地满足消费者要求以及使企业获得稳定、持续发展的能力,提高企业综合竞争力,在进行生产设计时需要考虑更多新事物、新技术和新材料。本文结合注塑成型过程仿真分析及有限元分析技术对汽车灯罩外壳注塑件成型过程进行研究及分析。

2.产品分析

汽车灯罩外壳主要由两部分组成,分别为前盖、后盖,其中前盖上有一个凹陷结构,后盖上有一个凸台结构。本文以后盖为例进行注塑成型过程仿真分析及有限元分析。

汽车灯罩后盖是一种薄壁型塑料制品,平均壁厚2毫米。该塑件使用的是聚碳酸酯和聚丙烯精 ABS+PC[1],将 ABS的可成型性与 PC的机械性能、冲击强度、抗高温、抗紫外线等优良性能有机地结合起来。同时,该复合材料具有无毒、无味、可再生、可循环使用等特点,其环境保护特性已经获得了国际、国内有关部门的认可。因为塑料材料具有热胀冷缩的特性,因此,在进行三维建模之后,在进行模具设计的时候,都需要提前对产品塑件的整体尺寸进行缩水。聚碳酸酯和聚丙烯精材料具有在0.5%至0.8%之间的平均收缩率[2]。本文对于这种塑料制品,采用的是0.5%的收缩率,所以,整个模型的放大倍数是1.005,灯罩外壳塑料制品的三维造型,如图1所示。

图1灯罩外壳三维建模(后壳)

2.1网格划分

此次分析选择双层面(Dualplane)划分网格,本次分析要求模型三角形网格单元任意纵横比不能超过6[3],产品塑件网格匹配率越高,计算结果越精确,并且网格匹配率百分比应大于85%

在 Moldflow软件中建立双层面(Dualplane),得到了24691个单元,其中最小纵横比为1.157、最大纵横比为6.0、平均纵横比1.76、匹配率94.3%以上,符合分析的需要,并具有很高的精度,能够完成对模型的全面分析。通过对网格进行诊断、修复等预处理,最终获得一个基于网格的有限元模型。

2.2产品模型(壁厚分析)

通过 Moldflow仿真分析网格厚度诊断表明,产品壁厚与产品结构位置有关。未设置收缩的零件外形尺寸为7x252π平均厚度为1.5mm,网格最大厚度为2.06mm，网格最小厚度为0.7131mm。这种产品的构造比较复杂，在其边沿部位有3个向外的扣件设计，壁厚均在1.5mm以下,最薄处在0.8mm以下,在注射成形中，制品容易产生翘曲变形，熔接痕，缺料，气孔等缺陷。

2.3浇口分析

在注塑成型的过程中，浇注系统的设定是模具设计的一个重要环节，其中，浇口位置的选择是首要的问题，它会对后续的排气的开设、脱模机构的布置等产生影响；在进行了模拟分析之后，本产品的浇口位置应当选择分析结果所示的蓝色区域，在这个区域内，与之匹配度最高，且流动阻力最低，是本产品的最佳浇口位置[4]。

常见浇口分为直接浇口、侧浇口、点浇口、潜浇口等类型，而小型注塑产品的浇口应设在模具分型面上，所以通常选择侧浇口。侧浇口，又称边缘浇口，是当前应用最为广泛的浇口形式。侧面浇口是主要用于多型腔注塑模具，但也适用于较小截面尺寸注塑件。本次研究的产品浇注系统采用侧浇口,圆形流道,浇口设置于产品的中心处,出口为1mm下潜角度45°,分流道直径4mm,为了更好地提高物料流动的温度和提高物料的流动性，采用了直线形分流道。

2.4流动结果分析

Moldflow仿真结果中充填动态分析结果表示,产品塑件充填所需要的时间和浇口所处位置有关系。需填充区域距离浇口位置越远,需要的充填时间越长,卡扣末端最后充填,容易产生翘曲等缺陷;

经过分析,产品塑件在填充时所需要的时间为0.6892s,充填时间比较短,有利于型腔充满,通过Moldflow仿真结果中发现,填充没有发现填充不满的现象,即欠注现象。如果存在欠注现象,则模型将会出现灰色区域;考虑到红色部位为最后填充部位,所以在设计模具时,排气槽可以设计在红色部位的附近,更加利于实际与模拟的切实性。

流动前沿温度分析结果表明,熔体流动前沿温度相差3.3℃,最高温度278.2℃，三个卡扣设计所在的位置与其他位置温度有很大的不同,该位置所在区域填充的塑料溶体温度要高于附近区域的温度,该位置很有可能产生翘曲变形,或者出现熔接痕;

注射位置处压力曲线分析表示,在充填的初始阶段,型腔内部中不存在压力,当型腔被料流填满时,进料压力快速升高,并达到最大值[5]。由Moldflow仿真分析结果可知,当0.6788s型腔充满时,其注入压力最高达到61.48MPa,之后在49MPa持续很长一段时间,这对于该产品的材质和尺寸来说,是比较适合的。

锁模力的计算是为了让生产达到更精准的作业标准,它的正确使用可以减少器具的磨损和维护正常的生产。在现实生产中,市场上大多数的注塑机都是按照锁模力吨数来设定等级的,而吨数大多为整数。很明显,这样的设置是为了方便生产商在计算锁模力后,更直观、精准地选择适合的注塑机。对产品的锁模力的仿真分析结果,在1.099s时,模具锁定力的最大值是17.64吨,需要选取一个锁模力20吨的注塑机,以达到产品的注塑成型要求。

2.5外观分析结果

2.5.1熔接线

产品在注塑过程中,熔接痕迹是由于两个塑料熔体的前锋相交而形成的，当熔接痕的汇合角越大时,熔接痕性能越好,分析结果中熔接痕的角度在33.75~101.3 deg之间,位于产品边缘，相对性能一般。

2.5.2气穴

气穴通常是由于型腔中的气体以及混合在注塑熔体中的气体无法顺畅地排放而产生的[5]。分析结果中,空泡主要发生在产品的内部的折角上,而在产品的表面几乎没有。在设计模具的时候,合理的设计出的排气槽将会降低气穴的出现。

2.6缩印分析

产品在经过冷却成型之后,往往会存在一些微小的凹陷,不仅影响产品的外观,而且对产品的性能也可能存在影响。分析结果表示,产品收缩幅度小于0.0468mm,这是一个很小的数值。

2.7冷却结果分析

在注塑过程中,塑料以高温度的熔体状态下充填并保持压力,为了加速制品的注射过程,冷却系统需要进行迅速冷却,让产品达到顶出温度。经过仿真分析得出了结果,入口和出口的温度差为0.42℃,比5℃小,冷却系统设计较为合理,满足了设计的需要[6]。

2.8翘曲分析结果

产品在成型后会产生翘曲变形,注塑件造成翘曲的原因有很多,如不均匀的冷却、不均匀的收缩以及不均匀的分子定向内作用力等。分析结果中,由于本产品中有较宽的薄壁并且在卡扣处,壁厚是不均匀的,所以主要的翘曲变形是由于收缩不均匀造成的。

本章小结

在这一章中,使用UG8.0建模软件,以实际的产品为例,建立了一个3D模型,再使用 Moldflow软件对注射过程进行了仿真数据分析

(1)浇口设计采用侧浇口,并对其浇注系统以及冷却系统的结构进行了构造,并对其进行了仿真分析,结果表示设计的注射系统可以使用

(2)通过仿真注射成型,以检验该模具设计的可行性,并进一步提高了工作效率。

(3)注塑成形时,由于制品壁厚度不均匀,会导致产品成形时的收缩不均而产生变形,同时,冷却系统的合理设计也会使制品的成型时间大大减少。

3模具3D设计

本章对模具进行结构分析和设计,其中，分模平面的选择、型腔的布置、浇注系统的设计、流道的设计、冷却系统的设计以及推出机构的设计都是其中的一个重要组成部分。

3.1分型面的选择

在进行模具设计的过程中,对分型面的选择是非常重要的,分型面是将模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触面,它也是将工件或模具零件划分为特定模块的分割面[7]。

选择分型面的原则:

(1)分型面应该设置在注塑产品的的最大投影点边缘部分，符合塑件基本脱模要求。

(2)将较大的注塑区域放置于动、定模的闭合区域，将较小的区域放置于侧面的分模区域，以达到锁定的目的。

(3)将塑料制品尽可能地放置在动模一侧，这样便于顶出，顶出的痕迹不会暴露在外部表面上[8]。

3.2型腔布置设计

本次模具的型腔布局数量选择根据该产品的尺寸以及模具的结构设计的加工难易程度,考虑到倒扣比较多,为了节约模具设计制造的成本,并根据模流分析过程中的型腔布局,选定一模两腔的型腔布局。

3.3模具结构尺寸设计

型腔是模具直接用于塑料制品成型的空腔部分。设计模仁大小时,考虑产品为小件的产品,产品之间的距离是15~20mm。当不是平面分型时,每个单独的产品需要8~10mm的封胶。考虑浇口为侧浇口,分流道是直线,所以产品之间取16mm,产品到模仁边的距离也取8mm,缩小模仁大小的同时能满足强度要求。

6总结

(1)本章利用UG8.0软件进行了模具结构的设计,并且完成了整套模具的装配。

(2)对汽车灯盖外壳塑件结构分析,确定模具型腔布局和分型面的选取。

(3)完成其他部件的设计,调用了模架,完成了整体模具的装配。

参考文献

[1]郑道友. Moldflow塑料模具分析及项目实践[M]. 浙江大学出版社, 2014.8

[2]叶久新, 王群. 塑料成型工艺及模具设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[3]韩瑞云. MoldFlow分析在模具设计中的应用[J]. 今日科苑, 2015(11): 63.

简介：沈雯（2001-），女，汉族，广西贺州，本科，研究方向：材料成型及控制工程

项目：百色学院2022年大学生创新创业训练计划项目，名称：基于MoldFlow软件的注塑成型过程与工艺优化研究，编号：202210609172