張建卿

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南懷化 418000）

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汽車暖風(fēng)機(jī)下殼體CAE優(yōu)化與模具設(shè)計(jì)*

張建卿

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南懷化 418000）

摘要：針對轎車暖風(fēng)機(jī)下殼體側(cè)壁多且深、細(xì)小筋位較多等復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合CAE技術(shù)進(jìn)行了3種澆注系統(tǒng)方案的優(yōu)化分析，確定了最優(yōu)的注塑成型工藝方案；模具結(jié)構(gòu)為兩板式熱流道一模一腔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的脫模包括型腔前模脫模和型芯后模脫模兩種方式；設(shè)計(jì)中利用了Moldflow2015進(jìn)行注塑工藝優(yōu)化分析，UG–HB_Mould6.6外掛進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

關(guān)鍵詞：CAE分析；優(yōu)化；模具結(jié)構(gòu)；脫模

聯(lián)系人：張建卿，碩士，副教授，研究方向?yàn)椴牧铣尚团c控制

轎車暖風(fēng)機(jī)下殼體為轎車暖風(fēng)機(jī)的裝配基礎(chǔ)殼體，安裝于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)倉暖風(fēng)機(jī)支架上，模具設(shè)計(jì)時(shí)存在以下潛在問題：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，側(cè)壁薄壁多且深度大，細(xì)小筋位及較深的卡柱位等易導(dǎo)致注塑時(shí)末端難充填，形成生產(chǎn)上的“死?！保?）內(nèi)外側(cè)壁上形狀不一的復(fù)雜側(cè)孔多，脫模困難。因此，采用傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法所需設(shè)計(jì)周期長、不確定性因素多、成型質(zhì)量難以得到穩(wěn)定的保證。針對此實(shí)際生產(chǎn)問題，筆者擬運(yùn)用Moldflow2015先進(jìn)行模流分析，而后結(jié)合模流分析結(jié)果，運(yùn)用UG及其外掛HB–Mould6.6進(jìn)行模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)位及澆口位置見圖2。模具要求1模1腔，材料為聚丙烯（PP）–T20，顏色為黑色，產(chǎn)品表面火花紋細(xì)紋，表面處理要求為注塑后即可使用。

（1）產(chǎn)品外形周圍基本尺寸267 mm×311 mm ×164 mm，平均壁厚1.8 mm；其基本特征構(gòu)成如下。

圖1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

①殼體包括正面薄殼、側(cè)壁1、側(cè)壁2、側(cè)壁3、側(cè)壁4、中央加強(qiáng)筋壁、斜角面等7個(gè)部位（即圖2中所示I–VII 7個(gè)面），7個(gè)側(cè)面深度較大。

圖2　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)位及澆口位置

②7個(gè)側(cè)壁上共有11個(gè)側(cè)抽芯特征：側(cè)孔1、側(cè)孔2、側(cè)孔3、側(cè)孔4、側(cè)孔5、側(cè)方孔1、側(cè)方孔2、側(cè)方孔3、外壁倒扣1、外壁倒扣2、外壁倒扣3；3個(gè)火花成型位特征：扣腳位1、扣腳位2、卡槽筋位。

③特征分布情況如圖2所示。側(cè)孔4、側(cè)方孔3位于I面上。一組側(cè)孔2、外壁倒扣2、側(cè)方孔2、扣腳位1以及4條細(xì)小卡槽筋位于II面外側(cè)。1個(gè)側(cè)孔2、外壁倒扣1、側(cè)方孔1、側(cè)方孔3、側(cè)孔3、外壁倒扣3、扣腳位2位于III外側(cè)。4條細(xì)小卡槽筋位于IV面上。2個(gè)側(cè)孔1、側(cè)孔6位于V面外側(cè)。VI面位于產(chǎn)品中央位置，有8條細(xì)小卡槽筋位、1個(gè)側(cè)孔5位于其上。

（2）從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，脫模問題是本模具設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)。側(cè)孔1、側(cè)孔2、側(cè)孔3、側(cè)孔4、側(cè)孔5、側(cè)方孔1、側(cè)方孔2、側(cè)方孔3、外壁倒扣1、外壁倒扣2、外壁倒扣3等11個(gè)特征需要設(shè)計(jì)側(cè)面抽芯脫模機(jī)構(gòu)，側(cè)面抽芯的機(jī)構(gòu)布局比較復(fù)雜。側(cè)孔1～4都為圓柱形小型芯大距離抽芯類型，特別是側(cè)孔4需超長距離無干涉抽芯，型芯細(xì)長，剛度難保證。側(cè)方孔1～3為短抽芯距抽芯，側(cè)方孔3需要從定模側(cè)脫模；扣腳位1、扣腳位2、卡槽筋位主要涉及到部位細(xì)小難加工的問題，需設(shè)計(jì)鑲件。產(chǎn)品的Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ面4個(gè)面，都要設(shè)計(jì)成滑塊抽芯。

（3）從注塑角度，影響注塑充填性能的區(qū)域主要在細(xì)小筋位處及扣腳位等地方，料流在這些地方的流動(dòng)非常復(fù)雜，再加上材料含有滑石粉材料，注塑難度加大，因而，澆口位置的開設(shè)應(yīng)考慮靠近細(xì)小筋位區(qū)域。產(chǎn)品在側(cè)孔、外壁倒扣、扣腳位等特征與壁面相結(jié)合的部位壁厚較厚，注塑時(shí)收縮大，易變形。

綜上所述，本模具設(shè)計(jì)面臨的難題包括：①產(chǎn)品多特征充填質(zhì)量；②產(chǎn)品側(cè)孔結(jié)構(gòu)位的脫模。

2　澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1進(jìn)料方式選擇

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于澆口位置及澆口形式的選擇［5–7］，模腔進(jìn)料方式考慮如下兩種方式：

（1）側(cè)澆口進(jìn)料。產(chǎn)品屬于功能型產(chǎn)品，要求主要是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐用度、耐候性等方面，進(jìn)料方式可初選側(cè)澆口，但產(chǎn)品的4個(gè)面（Ⅱ面、Ⅲ面、Ⅴ面、Ⅵ面）都要做滑塊，側(cè)澆口的開設(shè)位置受到限制，所以，側(cè)澆口可作為備選方式不予優(yōu)先考慮，其它如潛水、牛角、兜底澆口等側(cè)澆口不考慮。

（2）點(diǎn)澆口進(jìn)料。產(chǎn)品采用點(diǎn)澆口直接澆注，可以考慮一個(gè)或者多個(gè)澆注方式。

2.2澆注點(diǎn)位置的確定

選用側(cè)澆口和點(diǎn)澆口澆注，則兩種方式的澆口位置的選擇如圖2中a～g點(diǎn)所示。

（1）側(cè)澆口的選擇?？赡艿膫?cè)澆口設(shè)置位置如圖2中a～d點(diǎn)所示，較優(yōu)的方案是采用a點(diǎn)進(jìn)澆；考慮到中央加強(qiáng)筋壁（Ⅵ面）上的8條細(xì)小卡槽筋位的充填，側(cè)澆口宜采用寬尺寸扇形澆口。

（2）點(diǎn)澆口的選擇?？赡艿狞c(diǎn)澆口設(shè)置位置如圖2中e～g點(diǎn)所示，e點(diǎn)、f點(diǎn)、g點(diǎn)3點(diǎn)作為進(jìn)澆口位置有以下7種方式：即單獨(dú)e點(diǎn)、f點(diǎn)、g點(diǎn)3種澆注方式；e點(diǎn)+f點(diǎn)、f點(diǎn)+g點(diǎn)、e點(diǎn)+g點(diǎn)3種兩點(diǎn)組合方式；e點(diǎn)+f點(diǎn)+g點(diǎn)一種組合方式。

單點(diǎn)進(jìn)澆方式中，較優(yōu)的方案是選用g點(diǎn)，能保證中央加強(qiáng)筋壁（Ⅵ面）上的8條細(xì)小卡槽筋位的充填，為可優(yōu)選方案之一。兩點(diǎn)組合方式中，e點(diǎn)+f點(diǎn)澆注方式可行，為可優(yōu)選方案之一。e點(diǎn)+f點(diǎn)+g點(diǎn)方式澆注系統(tǒng)復(fù)雜，熱流道成本高，不考慮。

所以，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始方案有3種方案：①在a點(diǎn)側(cè)澆口（方案A）；②g點(diǎn)單獨(dú)點(diǎn)澆注（方案B）；③e點(diǎn)+f點(diǎn)兩點(diǎn)進(jìn)澆（方案C）。3個(gè)方案中最優(yōu)方案須結(jié)合CAE模流仿真分析來最終確定。

3　注塑CAE優(yōu)化分析

3.1有限元模型

借助CAE分析以解決以下問題：①末端的充填飽滿性；②澆注系統(tǒng)方案的最優(yōu)選擇；③厚壁處的縮水、翹曲變形等問題。

有限元模型基本情況如圖3所示。三角形單元131 384個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)65 660，縱橫比最大9.7、最小1.16、平均1.9，匹配率91.4%。產(chǎn)品體積408.3 cm3，投影面積714.2 cm2。

圖3　CAE模型

3.2澆注系統(tǒng)選用優(yōu)化分析

依照前述CAE分析，3種澆注方案所選用的模流分析方案為快速充填；圖4為澆注方案對比分析。分析結(jié)果對比如下。

圖4　澆注方案對比分析

充填時(shí)間：方案A為2.972 s，方案B為2.924 s，方案C為2.949 s；方案B所用時(shí)間最少，說明其各方向上的流動(dòng)路徑相對最短，注塑時(shí)壓力損失、充填最為有利。

充填末端壓力：如圖4所示，所需注塑壓力方案A為54.25 MPa，方案B為36.55 MPa，方案C 為33.78 MPa；方案A所需注塑壓力最高，方案C最低，方案A所需壓力過高，易導(dǎo)致注塑飛邊，且對成型零件沖擊較大，方案B與方案C壓力值接近，相對較低，不易造成飛邊，兩者差為2.77 MPa，壓差相對不大，可以認(rèn)為兩者注塑入口處所需壓力相當(dāng)。方案A明顯比方案B、方案C差。

從充填效果看，最好的是方案B，其次是方案C，最差的是方案A。從充填最末端位置對比來看，方案A（圖4a中A處）、方案C（圖4c中G處）的壓力接近0 MPa，說明這兩處充填壓力不足產(chǎn)品最終可能欠注，而方案B（圖4b中D處）壓力還有3.112 MPa，壓力充足。從中央加強(qiáng)筋壁位置的情況對比，方案A在3種方案中也是最低的，壓力接近0 MPa（圖4a中B處），方案C壓力偏低（圖4c 中H處），而方案B則壓力充足（圖4b中E處），如果模具成型鑲件上如果排氣不夠，方案A極可能缺料，方案C則易脆破裂。在側(cè)壁3（IV面）位置，方案A（圖4a中C處）、方案C（圖4C中I處）壓力過高，易致該處過保壓而大變形，而方案B（圖4C中F處）則壓力適中，不會(huì)產(chǎn)生此問題。

另外，方案A還存在一段冷流道廢料，而方案B、方案C皆為熱流道無廢料澆注系統(tǒng)，明顯有利于提高模具經(jīng)濟(jì)效益；然而，同為熱流道系統(tǒng)，方案C流道加工比方案B復(fù)雜。所以，本產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)采用方案B較為合適。

3.3所選澆注系統(tǒng)成型工藝參數(shù)優(yōu)化

圖5是澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。選定方案B作為較優(yōu)的澆注系統(tǒng)方案后，依據(jù)3.2中的基本結(jié)果對2.2中所述方案B澆口位置做進(jìn)一步調(diào)整，從充填效果、注塑壓力、最終變形情況等做多方面的優(yōu)化分析。圖6是方案B的CAE最終優(yōu)化結(jié)果。

（1）最終澆口位置的優(yōu)化。2.2中所述g點(diǎn)位置調(diào)整至圖5a所示K點(diǎn)，調(diào)整值為–X方向Δx=3 mm，–Y方向Δy=25.5 mm。熱流道尺寸設(shè)計(jì)如圖5b所示。

（2）澆口改在K點(diǎn)位置后，運(yùn)行“填充+保壓+翹曲”，結(jié)果為：

圖5　澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

①流動(dòng)前沿溫度230.2～212℃，在推薦的成型范圍內(nèi)；溫度分布在232.2～199.3℃，產(chǎn)品外觀面溫差18.2℃，不影響后續(xù)保壓。

②充填末端壓力在0.35 MPa以上，尖峰壓力為45.74 MPa，壓力充足，影響注塑充填性能的區(qū)域如細(xì)小筋位處及扣腳位等地方都能得到有效充填；動(dòng)態(tài)壓力顯示壓力推動(dòng)料流順序注塑，壓力分布均衡，如圖6a所示。

圖6　方案B的CAE最終優(yōu)化結(jié)果

③翹曲變形。總的變形量為3.814～0.191 6 mm，角 落 效 應(yīng) 變 形 量 為 0.979 7～0.001 8 mm；變形較大的區(qū)域出現(xiàn)在圖6b中所示N，M處及圖6c中L處，最大為M處的3.814 mm，主要由壁厚差異大收縮不均引起；整體變形在產(chǎn)品質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)可接受的0～5 mm的可接受范圍內(nèi)；側(cè)孔、外壁倒扣、扣腳位等特征與壁面結(jié)合部位的壁厚處，收縮及變形皆可以接受。

④熔接痕不明顯，多分布在特征末端，因而需加強(qiáng)填充末端排氣，如圖6d所示。

其余結(jié)果表明，在卡槽筋位、扣腳位2、扣腳位1以及16條細(xì)小卡槽筋位、Ⅳ面末端等處存在困氣現(xiàn)象，須注意排氣。大面上的縮痕指數(shù)比較均勻且數(shù)值較低，為不可見的縮痕。產(chǎn)品大部分區(qū)域所需冷卻時(shí)間較接近，冷卻設(shè)計(jì)要求不高。

從上述CAE優(yōu)化結(jié)果分析可得出的模具設(shè)計(jì)的結(jié)論：1）方案B對模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最有利，采用方案B產(chǎn)品細(xì)小筋位處及扣腳位等地方都能得到有效充填，不存在欠注等問題；2）產(chǎn)品翹曲變形在質(zhì)量要求控制范圍內(nèi)；3）熔接痕、氣孔、縮痕等缺陷通過模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能有效解決；4）注塑成型工藝如保壓等可調(diào)控性好；5）鎖模力等對注塑機(jī)要求不高。

4　模具結(jié)構(gòu)及工作原理

模具設(shè)計(jì)基于UGNX 8.5 平臺(tái)軟件及其上的模具設(shè)計(jì)外掛【HB_MOULD6.6】、AutoCAD2007及其外掛【Yanxiu-Box】的結(jié)合使用，模具設(shè)計(jì)如下。

4.1模具整體布局

模具整體結(jié)構(gòu)圖見圖7。采用熱流道兩板模方式，布局一模一腔，模架選用LKMCI7585–A200–B150–C200改裝型非標(biāo)準(zhǔn)模架；料流澆注采用熱流道嘴直接進(jìn)料方式；排氣采用鑲件間隙排氣方式，間隙值控制在0.02～0.03 mm之間；冷卻采用?8 mm隨形管道水冷方式；產(chǎn)品的脫模頂出需進(jìn)行前模頂出和后模頂出，前模頂出采用前模斜頂頂出方式，后模頂出采用油缸與頂桿頂出方式；模具的導(dǎo)向由分布在四角的模具導(dǎo)柱導(dǎo)套完成；模具閉合定位依靠開設(shè)于導(dǎo)柱導(dǎo)套四角區(qū)域的模板錐面定位虎口完成；模板閉合時(shí)的平衡由模具平衡塊完成。

4. 2 模具工作原理

①注塑。模具處于閉合狀態(tài)，由注塑機(jī)將塑料通過熱流道嘴1注入模具模腔內(nèi)，冷卻后，產(chǎn)品等待脫模。

②側(cè)孔4型腔側(cè)先抽芯脫模。模具在圖7中所示PL分型面處打開前，必須先完成模腔型腔側(cè)側(cè)孔4特征的先行脫模，油缸32，T型槽滑塊體24，中間T型槽滑塊25，T型滑槽座26，長側(cè)型針壓板33，長側(cè)型針34構(gòu)成產(chǎn)品上側(cè)孔4的前模側(cè)抽芯脫模機(jī)構(gòu)，其動(dòng)作原理為：待產(chǎn)品冷卻完畢，油缸32得到指令先動(dòng)作，通過其中心拉桿向左拉動(dòng)中間T型槽滑塊25在T型滑槽座26的導(dǎo)向下向左移動(dòng)，從而，中間T型槽滑塊25拉動(dòng)T型槽滑塊體24向下（向外）抽出，從而完成側(cè)孔4的型腔側(cè)抽芯脫模。T型滑槽座26開設(shè)有水平T型槽導(dǎo)向槽，并與中間T型槽滑塊25外側(cè)水平T型條聯(lián)接，為其提供左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用；中間T型槽滑塊25內(nèi)側(cè)開設(shè)有與水平向成25°的斜向T型槽，通過此槽與T型槽滑塊體24聯(lián)接，帶動(dòng)其做向下向上（向外向內(nèi)）的滑移運(yùn)動(dòng)。

圖7　模具結(jié)構(gòu)圖

③方孔3型腔側(cè)斜頂頂出先脫模。側(cè)方孔3的脫模側(cè)抽芯由前模斜頂組件23完成，其輔助工作零件包括前模頂出復(fù)位桿21、前模頂出推板22、樹脂開閉器36。待側(cè)孔4抽芯脫模完畢，模具在注塑機(jī)拉桿的帶動(dòng)下，在圖7中所示PL分型面處打開，側(cè)方孔3特征的脫模與產(chǎn)品型腔面的脫模同步進(jìn)行。其動(dòng)作原理為：模具打開時(shí)，動(dòng)模部分的型芯固定板8與動(dòng)模一起向下運(yùn)動(dòng)，通過安裝于其上的樹脂開閉器36拉動(dòng)前模頂出復(fù)位桿21，從而拉動(dòng)前模頂出推板22一起向下運(yùn)動(dòng)，前模頂出推板22將推動(dòng)安裝于其上的前模斜頂組件23中的斜頂桿向下頂出而完成側(cè)方孔3與型腔面脫模同步的側(cè)向抽芯脫模。

④型芯側(cè)各滑塊頭抽芯對應(yīng)特征的脫模。與③步同步動(dòng)作抽芯的有第一斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件7的滑塊、第二斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件27的滑塊、第四斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件29的滑塊、第三斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件28的的滑塊完成各自對應(yīng)位置的側(cè)抽芯。第一斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件7完成產(chǎn)品側(cè)孔1、側(cè)孔2、結(jié)構(gòu)位的脫模側(cè)抽芯；第二斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件27完成產(chǎn)品側(cè)方孔3、外壁倒扣3處的結(jié)構(gòu)位的脫模側(cè)抽芯；第四斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件29完成產(chǎn)品側(cè)方孔1、外壁倒扣1處的結(jié)構(gòu)位的脫模側(cè)抽芯；第三斜導(dǎo)柱抽芯滑塊組件28完成產(chǎn)品側(cè)方孔2、外壁倒扣2處的結(jié)構(gòu)位的脫模側(cè)抽芯。

⑤產(chǎn)品最終頂出脫模。開模完畢，模具完全打開后，產(chǎn)品留在動(dòng)模型芯上；產(chǎn)品的完全頂出由模具頂出機(jī)構(gòu)完成。即由頂針板油缸35推動(dòng)頂針14、筋位方形頂桿15及薄筋側(cè)抽芯斜頂37共同完成產(chǎn)品的最后完全頂出。其工作原理為：頂針板油缸35帶動(dòng)頂針推板16，從而推動(dòng)頂針14、筋位方形頂桿15完成產(chǎn)品的最終頂出；薄筋側(cè)抽芯斜頂37完成產(chǎn)品側(cè)孔5處的脫模抽芯；頂針板油缸35控制頂針推板16的推出與復(fù)位動(dòng)作，其運(yùn)動(dòng)行程由行程開關(guān)座10、行程開關(guān)接線集成插座30、頂針板行程開關(guān)31組合構(gòu)成的控制器控制完成。

⑥模具復(fù)位閉合。模具閉合時(shí)，先由油缸32動(dòng)作，完成長側(cè)型針34復(fù)位，而后在PL分型面的閉合過程中，型芯側(cè)各滑塊在各自導(dǎo)柱的帶動(dòng)下逐步復(fù)位，同步地，型芯固定板8將通過樹脂開閉器36推動(dòng)前模頂出復(fù)位桿21復(fù)位，從而推動(dòng)前模斜頂組件23中的斜頂桿向上復(fù)位，模具最終閉合，各脫模功能零件最終復(fù)位，等待下一個(gè)注塑循環(huán)。

5　結(jié)論

在設(shè)計(jì)時(shí)本模具利用Moldflow2015對塑料件的注塑工藝進(jìn)行模擬分析，UG–HB_Mould6.6外掛進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，有效地保證了模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。模具結(jié)構(gòu)為兩板式熱流道一模一腔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的脫模有前模脫模和后模脫模兩種方式；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定可靠；為同類產(chǎn)品的模具生產(chǎn)實(shí)踐提供了有益參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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Mould Design and CAE Optimization for Automobile Heater Under-shell

Zhang Jianqing
（Huaihua Vocational and Technical College， Huaihua 418000， China）

Abstract：According to complicated structure characteristics of automobile heater under-shell with numerous and deep side wall and lots of fine rib etc.， three kinds of gating systems for optimization were analyzed combined with CAE technology， so the optimal scheme of injection molding was given， mould structure was designed with two plate hot runner mold and cavity layout designed with one molud one cavity mode， the product of demoulding included two ways of cavity demoulding and core demoulding. In the design， the software Moldflow2015 was used for injection molding process optimization analysis， and UG software plug-in HB_Mould6.6 was used for structure design and improvement； mould structure design was reasonable.

Keywords：CAE analysis；optimization；mold structure；demoulding

中圖分類號TQ320.66.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）05-0065-05

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.016

收稿日期：2016-02-22

*湖南省教育廳資助項(xiàng)目（13C1170）