基于Moldflow的汽車內飾板澆注系統(tǒng)設計

2016-11-23  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文以某車型后側圍上裝飾板為例,利用Moldflow軟件對三種不同澆注方案進行注塑成型過程的CAE模擬分析,展示了該產(chǎn)品注塑成型的過程,并成功預測了三種方案缺陷問題及分布的情況,通過優(yōu)化模具澆注系統(tǒng)的設計達到提升產(chǎn)品質量的目的。

汽車內飾主要由塑料件構成,并且70%以上的內飾零件是通過注塑成型加工而成,包括儀表板、門裝飾板、立柱裝飾板和座椅裝飾板等部件。因此,注塑件的質量好壞是影響內飾質量的重要因素之一。

傳統(tǒng)的注塑模具設計主要依靠設計人員的經(jīng)驗知識,模具加工完成后往往需要反復的修模和調試才能正常投入生產(chǎn)制造,這種加工方式嚴重制約了新產(chǎn)品的開發(fā),使得開發(fā)周期過長、成本過高且質量比較差。隨著計算機技術的發(fā)展,越來越多的企業(yè)采用CAE技術輔助設計制造模具,運用CAE技術預測模具設計中潛在的缺陷和優(yōu)化模具結構,大大縮短了模具設計周期,提高了模具質量。

本文以我公司某車型后側圍上裝飾板為例,設計三種不同的模具澆注系統(tǒng)方案,利用Moldflow軟件進行CAE模擬分析,通過模擬該產(chǎn)品在成型過程中的熔體填充、保壓和冷卻過程,成功預測了三種方案的成型缺陷。通過分析比較,最終選取一種方案作為模具設計的依據(jù)。

實驗設計

1. 材料與分析模型

本文選取我公司某汽車后側圍上裝飾板為分析模型,該制件的3D實體模型在三維造型軟件UG(現(xiàn)名為NX)中繪制,圖1所示為該產(chǎn)品正面和背面三維實體模型。

根據(jù)汽車內飾整體的外觀需求,產(chǎn)品外輪廓由曲面構成,造型為流線形弧面,各表面之間采用曲面過渡,表面后期腐蝕皮紋,要求無任何熔接痕和頂出痕跡;背面為裝配面,采用卡扣裝配形式,為避免產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生熱變形,在裝配面中設有加強筋,其位置分布符合結構力學要求;在產(chǎn)品的拐角處設置了圓角,提高了產(chǎn)品的機械強度,改善了成型塑性的流動性,有利于產(chǎn)品脫模。該制件上部與汽車頂棚配合,下部與后側圍下裝飾板配合,因此對產(chǎn)品尺寸變形有較高要求。產(chǎn)品的最大長度為1090mm,最大寬度為578mm,最大高度為267mm,產(chǎn)品的基本厚度為2.5mm,產(chǎn)品末端采用變壁厚結構,最末端為1.8mm,加強筋厚度為1mm,高度為7.6mm,如圖2所示。

產(chǎn)品的材料為PP+T20,材料的基本屬性如表1所示,圖3顯示了材料的PVT曲線和黏度曲線。

為滿足有限元模擬分析要求,需要對產(chǎn)品進行網(wǎng)格化。利用UG軟件把CAD模型轉化為IGES文件格式,并導入到Moldflow軟件中對其進行表面網(wǎng)格化,如圖2所示。由于產(chǎn)品屬于薄壁件,因此適合選用雙面網(wǎng)格模型(Fusion),表面網(wǎng)格是由三節(jié)點的三角形組成,與中面網(wǎng)格不同,它是創(chuàng)建在模型的上下兩層表面上,再利用網(wǎng)格工具進行合并、移動和插入節(jié)點等方式,對網(wǎng)格交叉、縱橫比以及零面積單元等方面存在的問題進行逐一修改。網(wǎng)格劃分時,應保證各單元的匹配率大于85%,自由邊和非交疊邊個數(shù)為0,單元縱橫比最大值控制在6以內。經(jīng)過數(shù)值求解,本文模型的網(wǎng)格統(tǒng)計信息全部滿足使用要求。

2. 澆注系統(tǒng)方案設計

由于塑件尺寸較大和外形尺寸的特殊性,模具容易出現(xiàn)熔體填充困難、塑件易變形和流道材料浪費較大等缺陷。為從根本上解決此問題,我們采用多點順序閥進澆方案,根據(jù)不同澆口的材料流長比,確定合理的各澆口進澆時間及澆口位置。結合經(jīng)驗初步設計了3種澆注方案,如圖4所示。

3種澆注方案中熱流道和冷流道直徑尺寸均為12mm;澆口前端形狀、尺寸為:40mm×2mm;后端形狀、尺寸:12mm×6mm。通過計算設置了3種方案各澆口的開啟時間和開關順序,表2顯示了不同澆注系統(tǒng)方案的澆口進澆時間順序。

分析結果比較

利用Moldflow軟件對上述三種設計方案進行注塑成型過程模擬分析,模擬分析選用材料PP+T20;成型過程中模具溫度和熔體溫度控制在50℃和230℃。

1. 流動結果比較

圖5是三種方案的熔體流動充填時間云圖,可以借此來評估制件的充填質量。該結果顯示了熔體前沿的擴展情況,結果中藍色云圖出現(xiàn)的位置代表最早充填的區(qū)域,紅色云圖出現(xiàn)的位置代表最后充填的區(qū)域。

由圖5可知,方案一和方案二的熔體流動路徑相同,最早和最晚充填的區(qū)域一致,分別為圖5a和圖5b制件的左上方和右下方;方案三則相反,圖5c制件的右上方區(qū)域最早充填,左下方區(qū)域最后被充填滿。另外,三種方案結果中的云紋線的間距基本相同,表面熔體流動前沿速度相等,并且三種方案所消耗充填時間基本相等,生產(chǎn)效率一致。

圖6顯示了產(chǎn)品充填過程中熔體前沿溫度的變化情況,可以借此評估產(chǎn)品在充填過程中是否存在太大的剪切力和短射發(fā)生。由圖6可知,三種方案產(chǎn)品大部分區(qū)域的前鋒溫度梯度不大,在合理的范圍內,但是方案一中加強筋末端區(qū)域熔體前沿溫度降較大,可能會出現(xiàn)滯流或短射現(xiàn)象。

2. 壓力結果比較

三種方案注射位置處的壓力隨時間變化曲線如圖7所示。當熔體被注入型腔后,壓力持續(xù)增高。假如壓力出現(xiàn)壓力尖峰,而隨后沒有出現(xiàn)保壓平臺(通常出現(xiàn)在充模快結束時),表明熔體沒有很好地達到平衡充模。圖7中,三種方案均在壓力峰值后出現(xiàn)了保壓平臺,因此三種保壓方案均很理想,并且方案一出現(xiàn)壓力峰值。

三種方案速度/壓力切換時的壓力分布如圖8所示。該結果顯示了速度/壓力控制轉換時的壓力分布瞬間值,通常此值是整個注射成型周期中最高的。由圖8c可知方案三的壓力值較大,可能會導致需要較大的鎖模力。與此同時,可以通過此結果觀察到在速度/壓力轉換時制件充填了多少,未充填部分在結果圖中以灰色表示。

圖9a、9b顯示了方案二充填結束時的壓力分布和鎖模力情況,圖9c、9d顯示了三種方案的比較結果。由分析比較結果可知,方案二充填結束時的壓力差最小,說明此方案壓力分布較均勻,澆口位置設計更合理;方案三的鎖模力和壓力均最大,與上文分析一致。

3. 成型缺陷結果比較

利用Moldflow軟件對注塑成型過程進行CAE模擬分析,可以較準確地預測出可能出現(xiàn)的成型缺陷,如翹曲變形、熔接痕、氣穴和流痕等,并且能提供直觀的分析結果圖。該零件用于汽車內飾,需與臨近鈑金件和其他的內飾零件相配合,因此對產(chǎn)品尺寸精度有較高的要求。另外,由于汽車內飾件一般都會直接面對汽車使用者,因此對其產(chǎn)品表面質量有較高的要求。下面針對尺寸精度(翹曲變形)和表面質量(熔接痕)進行結果比較。

圖10a顯示了方案二翹曲變形量結果(放大3倍效果),可以看出:采用方案二的澆注系統(tǒng),制件的整體翹曲變形比較均勻,基本符合制造要求,圖10a紅色區(qū)域翹曲變形量最大,數(shù)值為9.146。圖10b為三種方案翹曲變形結果比較,橫坐標表示翹曲變形的方向,依次為X、Y、Z和合成方向;縱坐標表示最大翹曲變形值。由圖10b可知,方案二在4個方向上的變形量均小于其余兩種方案,具有較好的尺寸精度。

當兩股聚合物熔體的流動前沿匯集到一起,或者一股流動前沿分開后又合到一起時,就可能會產(chǎn)生熔接線,造成產(chǎn)品表面缺陷,如果熔體在匯集時前沿溫度過低,還會導致產(chǎn)品的結構強度降低。圖11所示為三種方案熔接痕的結果比較,由圖可知,方案一無明顯熔接痕產(chǎn)生,方案二會產(chǎn)生較明顯的熔接痕,方案三有不明顯的熔接痕出現(xiàn)。將熔接痕與熔體前沿溫度聯(lián)合比較,發(fā)現(xiàn)方案二在形成熔接痕時的溫度較高,熔接痕處的結構強度符合要求。

綜上所述,方案二具有以下優(yōu)點:型腔充填過程較均勻,型腔壓力分布均勻,所需鎖模力小,產(chǎn)品尺寸精度高;缺點在于可能會出現(xiàn)較明顯的熔接痕,不過可以通過后續(xù)工藝參數(shù)調節(jié)和表面處理等技術進行改善。因此,采用方案二進行模具設計和產(chǎn)品制造,生產(chǎn)結果與CAE分析結果相吻合,圖12為該制件的實車裝配效果。

結語

基于Moldflow軟件平臺,運用注塑CAE技術對汽車后側圍內飾板三種不同的澆注系統(tǒng)方案進行模擬分析,準確地預測了其填充情況,對模具設計起到有效的指導作用。從填充分析、保壓分析、型腔殘余應力、熔接痕及翹曲變化對汽車后側圍內飾板的三種澆注系統(tǒng)進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)方案二較合理。依此進行模具設計,通過進行實際生產(chǎn)、制造的驗證,得到了符合質量要求的產(chǎn)品。

由此可見,采用CAE輔助技術進行模具設計,不僅提高了試模成功率,而且大大提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率和產(chǎn)品成型質量。(end)

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