CAE在汽车塑料模具制造过程的应用

　　中国汽车业近年对塑料模具的需求愈来愈大，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求，采用CAE技术逐渐成为主要的趋势。本文介绍CAE技术的应用特点、解决注塑成型过程问题的方法及两个应用实例。  

　　汽车及摩托车行业是模具最大的市场，在工业发达国家占整个模具市场的一半左右。2002年，中国汽车产量大约为320万辆，今年预计达390万辆，车型将达170种。汽车使用塑料件已愈来愈广泛，但中国的汽车保险杠、仪表板、油箱、方向盘等大中型塑料模具，预计至2005年只能满足需求量的50%左右。汽车模具市场的需求不断增加，同时产品对模具的要求也愈来愈高，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。 

　　CAE是以计算机软件为工具，以仿真为手段，帮助使用者进行预测的工作，以解决工程上现有或潜在的问题。与传统的模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有无可比拟的优越性。美国Moldflow是一家专业从事塑料成型分析软件（CAE）和咨询的公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，CAE（Moldflow）在汽车、家电、电子通讯、化工、日用品等领域得到了广泛应用。  

　　技术应用特点  

　　传统的注塑方法是在正式生产前，由设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至需要修改塑料制品和模具设计，其缺点是增加生产成本和延长产品开发周期。CAE(Moldflow)技术有以下应用特点。  

　　提供从制品设计到生产的完整解决方案  

　　CAE（Moldflow）分析技术能为制品设计、模具设计、注塑成型的整个生产过程提供完整的解决方案。Moldflow的MPA（产品优化顾问）是基于实体的注塑模分析软件，可以接受从任何CAD软件输出的实体造型，通过模拟分析，在很短时间内就可以得到优化的产品设计方案，确认产品的表面质量；MPI（注塑成型模拟分析）可以在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，包括充填、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩、气辅和热固性塑料流动分析；MPX（注塑成型过程控制）可以直接与注塑机控制器相连，实时进行工艺优化和质量监控。

　　提高一次试模的成功率  

　　模具加工之前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测塑料熔体的充填、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布，制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再翻修模具。对减少甚至避免模具翻修报废、提高制品质量、降低成本等，都有着重大的技术经济意义。  

　　解决注塑成型过程出现的问题  

　　制品设计  

　　制品设计者能用流动分析解决下列问题：  

　　*制品能全部注满吗？这一古老的问题仍为许多制品设计人员所关注，尤其是大型制件如盖子、容器、家具等的设计者；  

　　*制件实际最小壁厚是多少？如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。减少壁厚还可降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本；  

　　*浇口位置合适吗？采用CAE分析可使产品设计者在设计时充分选择浇口位置，确保设计的审美特性。

　　模具设计和制造  

　　*良好的充填形式：对于任何的注塑成型来说，最重要是控制充填的方式，使塑件的成型可靠、经济。单向充填是良好的注塑方式，它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。这种充填形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形；  

　　*最佳浇口位置与浇口数量：为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量，CAE分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价；  

　　*流道系统的优化设计：实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度；  

　　*冷却系统的优化设计：通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力；  

　　*减少翻修成本：提高模具一次试模成功的可能性，是CAE分析的一大优点。反复地试模、修模要耗损大量的时间和金钱，此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。  

　　注塑成型  

　　*更加宽广更加稳定的加工“裕度”：流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起，他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案；  

　　*减少塑件应力和翘曲：选择最好的加工参数使塑件残余应力最小，残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效；  

　　*省料和减少过量充模：流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形；  

　　*最小的流道尺寸和回用料成本：流动分析有助选定最佳的流道尺寸，以减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。  

　　应用实例  

　　汽车通风饰罩  

　　制件为汽车通风饰罩，采用气体辅助注射成型，要求包括：确定出浇口、气口位置与数量，预测气体在气道的穿透情况以及工艺参数。  

　　*建模：Moldflow通过图形接口直接读入CAD模型。模型及浇注系统如图1所示，浇注系统初始设计使用一个侧浇口，两个气口位置；  

　　*输入工艺条件：最大注射压力为55MPa，气体注射压力为20MPa，模温50度，熔体温度为230度，延迟时间为2.5秒，气道的等效直径为9.6mm，冷却时间为22秒； 

　　*分析计算：根据熔体流动前峰推进图，可动态看见熔体流动情况，也可通过等值线图来判断流动是否均匀。根据塑料表皮层比分布图，可观察型腔内气体充满的情况，确定气体停止注入和保压压力。通过Moldflow分析，可以确定合理的浇口和气口位置，预测气体沿加强筋的穿透情况，以及气体压力、锁模力等。  

　　汽车仪表盘  

　　对于大型模具来说，流动、保压、冷却等各方面的参数均需严格控制，否则，稍有不慎便有可能引起型腔充填不均衡、冷却不均匀、变形及残余应力大等缺陷。通过对流动过程、冷却过程与保压过程的模拟分析，来优化螺杆速率－位置曲线、保压曲线及冷却系统,并对翘曲变形进行分析计算。  

　　该制品材料为FERR/PP LPP20BC07HBBK，制品尺寸较大(长1.4m)。原方案采用10个浇口，热流道。原方案充填不平衡，不均匀，压力分布也不均匀，制品表面最大温差为40.30度，温差较大，温度过高的区域需加强冷却，变形也较大，不能满足尺寸精度的要求。  

　　通过Moldflow优化螺杆速率－位置曲线、保压曲线、流道系统及冷却系统，得到理想的充填效果，冷却效果也较好，制品表面的温度分布较均匀，温差下降到26.67度，翘曲变形也大大降低。

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