王秀梅，翟豪瑞

（1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程（軌道交通）學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

前言

隨著汽車輕量化的發(fā)展，“以塑代鋼”對(duì)于節(jié)約能源、減少排放、實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義[1]。其中采用玻纖增強(qiáng)材料極大的提高了汽車注塑件的強(qiáng)度寸穩(wěn)定性，但纖維配向通常是引起塑件翹曲變形的主要原因[2-3]。模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且成型工藝對(duì)注塑件的的成型質(zhì)量具有重要的研究意義[4]。Moldex3D先進(jìn)的三維BLM網(wǎng)格劃分技術(shù)，為CAE模流分析提供了精準(zhǔn)的前處理，可以實(shí)現(xiàn)熔體成型過程的動(dòng)態(tài)仿真分析，為優(yōu)模具和塑件設(shè)計(jì)、優(yōu)化成型工藝方案提供依據(jù)[5-6]。本文結(jié)合CAE技術(shù)，運(yùn)用Moldex3D模流分析軟件對(duì)玻纖增強(qiáng)注塑件某車型ORVR活性炭罐本體蓋的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)及成型工藝進(jìn)行分析優(yōu)化，完成炭罐本體的模具設(shè)計(jì)。

1 產(chǎn)品模型特點(diǎn)及CAE模流分析

1.1 塑件特點(diǎn)分析

炭罐本體外形尺寸為207mm×313mm×118mm，充填體積為 455cm3，平均厚度為 2.5mm，屬于體積較大，厚度較厚的注塑件。從模型結(jié)構(gòu)上可以看出結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有許多卡扣、筋條、凸臺(tái)。該產(chǎn)品壁厚分析如圖1所示，分析可以看出94.851%的壁厚分布在1.315mm～2.584mm之間，壁厚分布不是很均勻，影響充填的效果。

圖1 產(chǎn)品模型壁厚分析

模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案為一模一穴，該模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)為塑料件形狀不規(guī)則，壁厚不均，整體尺寸較大，小卡扣筋位及異形孔位較多，因而充填性、外觀缺陷、翹曲可能是該模具設(shè)計(jì)面臨的主要技術(shù)難題。因此，借助CAE分析的優(yōu)勢(shì)，需要解決的潛在問題包括：1）該 ORVR活性炭罐本體屬于細(xì)長件，對(duì)模具溫度的要求高，模溫設(shè)置不合理將導(dǎo)致炭罐本體壁面出現(xiàn)流痕。2）該炭罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，如果模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，會(huì)導(dǎo)致排氣裝置以及進(jìn)澆系統(tǒng)出現(xiàn)“困氣”的現(xiàn)象，不僅僅影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，對(duì)其的材料性能也造成較大的影響。3）該炭罐本體由于隔板太長，導(dǎo)致流長比較大，缺料也是其面臨的問題之一。4）翹曲變形量大是炭罐最容易出現(xiàn)的缺陷，主要來源于兩方面：①由嵌件的問題導(dǎo)致其水路的布置方式單一，嵌件區(qū)域無法進(jìn)行冷卻；②炭罐本體屬于較大的薄厚不均的件，抗變形能力弱，區(qū)域厚度不一致導(dǎo)致收縮不一致。需要對(duì)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)以及工藝參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，減小炭罐的翹曲變形量。

1.2 運(yùn)用Moldex3D仿真分析

為滿足高頻率的工作狀態(tài)，炭罐本體外殼的強(qiáng)度必須滿足較高要求。成型材料為13%含量玻璃纖維的PA66，它已經(jīng)在汽車、體育、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是汽車輕量化復(fù)合材料中最受關(guān)注的材料之一[7]。纖維的含量對(duì)增強(qiáng)塑料的性能有直接的影響，纖維的含量越高，強(qiáng)度和剛度提高，但呈脆性，同時(shí)降低了熱膨脹性和吸水率。

本實(shí)例采用美國杜邦公司生產(chǎn)型號(hào)為 Zytel 70G13L NC010的PA66+13%GF為母料進(jìn)行注塑成型，該材料屬性中的黏度曲線和PVT特性曲線如圖2(a)、(b)所示。

圖2 材料屬性

在Moldex3D eDesign劃分成功的三維BLM網(wǎng)格以.mdg格式存檔，模流過程采用CAE分析設(shè)定接口，將.mdg格式分析文檔導(dǎo)入Moldex3D R14.0進(jìn)行仿真分析，工藝參數(shù)暫時(shí)采取默認(rèn)模式。不同方案優(yōu)化分析后，取翹曲量最小、縫合線最少、冷卻效率最佳、模溫差最小、玻纖配向最高的組合設(shè)計(jì)方案。最終確定澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為如圖3(a)、(b)所示。

圖3 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

1.3 正交試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)定

正交試驗(yàn)的原理是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和正交學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，從大量的影響因素中挑選具有合理性、代表性的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行正交試驗(yàn)的安排設(shè)計(jì)，是工程技術(shù)中運(yùn)用較多的一種科學(xué)技術(shù)方法[8]。本實(shí)例運(yùn)用正交試驗(yàn)方法對(duì)炭罐本體注塑成型翹曲變形較大的五個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再由分析結(jié)果得到最佳的參數(shù)組合。五個(gè)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值范圍如表1所示。

表1 PA66+13%GF材料的成型參數(shù)范圍

選取模具溫度(A)、熔體溫度(B)、保壓壓力(C)、保壓時(shí)間(D)、冷卻時(shí)間(E)五個(gè)工藝參數(shù)，依據(jù)工廠的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將每個(gè)工藝參數(shù)設(shè)置4個(gè)水平，如表2所示。

表2 試驗(yàn)的因素及水平

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

下面采用五因素4水平正交試驗(yàn)，忽略各因素間存在的交互作用，選擇L16(45)安排試驗(yàn)。試驗(yàn)指標(biāo)為翹曲變形總位移量最大值，R表示各個(gè)因素的極差，正交試驗(yàn)組合方案及試驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)表及其分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示：當(dāng)R值越大時(shí)，說明該因素對(duì)翹曲的影響越大[9]。從R值大小分析可知，對(duì)翹曲量的影響程度由大到小的因素，依次是：保壓時(shí)間(D)、模具溫度(A)、熔體溫度(B)、保壓壓力(C)、冷卻時(shí)間(E)。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為A4B4C2D4E2：即模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間依次為（115℃）、（300℃）、（100 MPa）、（15s）、（15s）。通過效應(yīng)曲線圖可以更直觀地反映不同工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形總位移量的影響，圖4所示為正交試驗(yàn)效應(yīng)曲線圖。

圖4 因素水平趨勢(shì)圖

得到優(yōu)化結(jié)果后，需要重新設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。將最優(yōu)參數(shù)組合再次進(jìn)行模流分析，結(jié)果如圖5(a) ～ (d)所示炭罐本體X、Y、Z和總方向上翹曲變形位移量，放大倍數(shù)為3倍。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)各方向翹曲位移量最大值都比沒有優(yōu)化之前有所減小，且有的方向減小程度較大。在X方向上最大位移量為1.873mm，在Y方向上最大位移量為2.758mm，在Z軸方向上最大位移量為 1.466mm，總位移量最大值為3.201mm。

圖5 優(yōu)化參數(shù)后各方向位移量放大圖

3 模具設(shè)計(jì)

完成澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頂出機(jī)構(gòu)和成型零件設(shè)計(jì)后，在CAD中形成模具總裝圖。模具工程圖紙如圖6所示。

圖6 模具總裝圖

4 結(jié)論

應(yīng)用Moldex3D模流分析軟件對(duì)汽車炭罐玻纖增強(qiáng)注塑件進(jìn)行方案優(yōu)化分析，成功指導(dǎo)了實(shí)際模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，減少了塑料件注塑試模次數(shù)，顯著提高了模具開發(fā)效率。

創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

1）運(yùn)用Moldex3D軟件對(duì)ORVR活性炭罐本體的冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善成型過程中所造成的翹曲變形的問題。

2）采用正交試驗(yàn)的方法，在五因素4水平的基礎(chǔ)上優(yōu)化出最佳成型工藝參數(shù)，最后進(jìn)行模流分析驗(yàn)證。

3）結(jié)合CAE模流分析的指導(dǎo)，最后對(duì)本體外殼進(jìn)行注塑模具的設(shè)計(jì)，完成模具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝配圖。

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