CAE技术在汽车塑料件生产中的应用

1、CAE技术在汽车塑料件生产中的应用作者：第一汽车集团公司 江梅 丛穆来源：PT现代塑料摘要：采用CAE 分析软件针对轿车塑料件的注塑过程进行模拟分析和优化设计。首先建立制品的三维几何模型，根据现生产用材料、设备，分别进行了注塑过程和注塑参数优化分析。找出了现生产中制品出现缺陷的原因。分析结果表明：塑料CAE 模拟分析技术在汽车塑料产品结构优化、模具设计和产品生产中具有很大的应用前景。 关键字：塑料CAE 模拟分析 模型 注射系统 优化 随着塑料在汽车上越来越广泛的应用，对汽车塑料件的质量需求越来越高。而设计制造高质量的汽车塑料零件需要优秀的产品设计、高水准的模具和优化的注塑成型工艺三个环节的有

2、机结合。目前，在现生产中，诸如产品结构是否满足注塑成型工艺要求、所选的原材料是否能与模具结构相匹配、产品注塑成型工艺参数是否合理、产品熔接痕的位置、数量及对产品质量的影响、模具设计及反复试模耗费大量时间等问题始终困扰着我们。 由于塑料CAE 模拟技术能事先对产品结构的工艺性、制件成型后的质量及模具流道结构进行有效设计，使发现的问题及时在产品设计完成之前予以修正，避免了传统设计程序的弊端模具加工完成、试模出问题后，再去修改设计、试模调模。从而缩短了产品开发周期，降低了产品成本。 下面针对现有几种汽车塑料制件存在的质量问题，应用MOLDFLOW 软件进行模拟分析，探索将塑料CAE 技术与产品设计相

3、结合，解决产品缺陷。以下是我们就塑料件的尺寸、缩痕、翘曲变形、应力集中等质量缺陷，应用CAE 技术进行模拟分析的几个实例： 分析对象包括：汽车散热器水箱面罩、杂物箱盖、倒车灯灯罩； 分析模拟用软件：MOLDFLOW； CAD 建模软件：EUCLID、PRO/E。 1 模拟分析杂物箱盖翘曲问题的原因及消除 1.1 盖翘曲问题的原因 目前存在的问题是产品生产出来后，在盖的两角处发生向外翘曲，影响了产品外观质量和装车进度。为找出问题产生的原因，我们首先用现生产工艺参数进行模拟分析。 表1 现生产工艺参数 材料名称 改性 PP 模具温度 40 熔体温度 210 注射时间 3s 注射压力 37MPa 保

4、压时间 3.5s 保压压力 30 MPa 现生产工艺采用一级注塑、一级保压。经对制件体收缩分析，得到产品体收缩分布图（图1）。 图1可以看出：两端处体收缩（比较大）达11%，高于中间部位（7%）。由于产品整体体收缩不均，导致了产品翘曲。 1.2 改进方案一 按照传统的设计思想修改产品结构：在产品内侧加两条加强筋。但实际生产出的产品，翘曲依然存在，而且加强筋外表面出现明显缩痕。经我们通过计算机模拟分析，得到如图2 所示结果。 图2两端处体收缩仍为11%，而且加强筋相对的外表面的体收缩增大，因而导致上述结果。可见这一方案并没有从根本上将问题解决。 1.3 改进方案二 采用CAE 分析技术对工艺参数

5、优化设计经过模拟分析，我们获得优化的工艺参数。主要是：增加了保压曲线（由一级保压变为二级保压），保压压力由原来的30MPa 增加到60MPa，并延长保压时间，由原来的3.5s 增加到10s。 图3 保压曲线这样得到的产品两端体收缩降到4.5%，而且在产品表面分布均匀（图4），从而消除了翘曲变形。 图4 产品体收缩分布图2 汽车倒车灯灯罩的应力分析及结构优化 目前，此产品存在着成型后两端头出现内部裂纹的缺陷。分别按照现生产工艺参数（采用材料为PMMA模具温度50，熔料温度220）和MOLDFLOW 数据库推荐参数（模具温度80，熔料温度230）进行模拟分析，得到的分析结果表明应力均集中在两端头，

6、且均超过材料的最大的剪应力。图5 是以MOLDFLOW 数据库推荐参数进行模拟获得的应力分布图： 图5从图5 中我们看到，整个产品应力分布最大值为0.50.6MPa，并且位置集中在两端头。而材料的最大剪应力为0.4 MPa。一般在应力值高的地方易产生应力集中，而裂纹是应力释放的结果。这就是产品在两端部出现裂纹的原因。 随后我们采用修改两端头壁厚的方案，也就是将两端头的壁厚增加0.2mm，力图使此部位物料流动顺畅，从而降低此处剪切应力，使产品的整体应力水平下降。工艺参数不变，模拟分析得到产品成型后应力分布图（图6）。 图6结果使产品两端部应力值明显下降（降到0.4MPa 左右），从而避免了应力集

7、中，也就消除了产品内部裂纹。 3 应用CAE 解决汽车散热器水箱面罩的质量缺陷 3.1 产品存在的问题 （1）产品横向尺寸偏大影响装车； （2）零件表面在8 个浇口附近有收缩痕； （3）熔接痕数量多，影响产品外观质量。 3.2 模型准备 Moldflow 动态模拟分析所采用的模型为三维实体（Fusion）模型。模型的来源可由其他造型软件输入，也可以用自身所带的建模模块（Moldflow moldeler）来建立。但由于我们所研究的产品造型较复杂，因此我们采用从其他图形软件中读取数据。 （1）数据最初是用EUCLID 软件进行实体建模的，所以我们又用PROE 软件，将原模型中的面特征进行提取、剪

8、切，缝合成实体后，形成封闭的曲面，再转化为实体，按STL 格式输出（如图7）。 图7 PRO/E 三维造型后的模型（2）Moldflow 读入STL 格式文件，经输入网格、分类、匹配、叠合、缝合等操作得到有限元网格；根据模具图样设计浇口流道和冷却系统的面模型，再将其进行网格定义、分类。图8 为目前浇注系统分布图： 图8 8 浇口系统现有模具为三板结构，共8 个进浇口。 3.3 对目前产品成型状况进行模拟分析 3.3.1 用现生产用材料、工艺参数和设备状况进行模拟分析 针对目前产品存在的问题，首先采用现生产工艺参数、设备条件、原材料进行模拟分析。 表2 原材料参数表 项 目 参 数 材 料 种

9、类 ABS/PC 材 料 牌 号 Bayer AG Bayblend T45 熔 融 温 度 260 300 剪 切 应 力 0.4MPa 顶 出 温 度 110 非 流 动 温 度 130 3.3.2 现生产工艺参数(见表3) 表3 现生产工艺参数 项目 参数 熔 体 温 度（） 230 模 具 温 度（） 50 注 射 压 力（MPa） 1 级90 2 级85 3 级80 注 射 时 间（s） 1 级5 2 级8 3 级10 保 压 压 力（bar） 80 保 压 时 间（s） 10 3.3.3. 设备参数 设备： UN 1380/6300g； 最大注射压力：140MPa； 最大锁模力：1

10、380t。 3.3.4 模拟分析 用以上参数进行模拟分析，结果如下： （1）时间分布图（图9）。填充时间分布图说明了熔融树脂在模具型腔中的填充过程，图9 中的中间深色区域是熔体最后填充部位，分布较宽。 图9（2）熔接痕位置分布图（图 10）。熔接痕是在料流相遇处形成的。从图中看出熔接痕大部分分布在料流最后填充部位。从零件整体看，中间格栅部分和外边缘处熔接痕较多（外边缘约九处），图中深色点表示该处熔接痕的质量不好。这与现生产中的情况相符。 图10（3）制件表面收缩情况 （见图11）。延时保压使表面收缩痕都分布在8 个浇口附近，收缩值是0.0145mm，是可见的缺陷：凹坑。（只有Sink mark

11、 depth=0.007mm 时，收缩才是肉眼不可见的）。这与实际情况相符。 图11（4）制品内部应力分布图 （见图12）。图中表示超出材料最大剪应力的部分：制品内部最高应力值是1.135MPa，而材料的最大剪应力为0.4MPa。图中深色部分为剪应力超过材料极限应力的部分，分布较广。应力值高的部位易造成应力开裂。 图12（5）制品横向尺寸变化趋势 （见图 13）。按现有模具型腔设计尺寸注射成型的制品，横向收缩4.8mm才能达到产品设计要求。而实际生产中制品成型后，横向尺寸值收缩2.5mm，造成产品尺寸偏大，不能满足装车要求。 图133.4 减少或消除缺陷的模拟分析 通过以上的分析结果，找到了问

12、题出现的原因。针对上述分析结果，我们首先对各成型工艺参数进行优化设计，以期获得良好的效果。经过采用Flow、Packing、Cool 等模块进行的模拟分析，并将原一级保压变为3 级保压。获得的优化的注塑成型工艺参数见表4、表5。 表4 模具温度 70 熔体温度 280 注射压力 MPa 67 注射时间sec 5 表5 保压压力参数 保压压力 MPa 保压时间 sec 32 0 32 7.2 31 12.0 7.1 7.5 0 0 通过上面对工艺参数的优化设计，得到如下结果。 3.4.1 优化后制品表面收缩痕减小（见图14） 图14分析结果：浇口处体收缩值已由原来的0.014mm 减小至0.00

13、4mm，为肉眼不可见的，从而消除了8浇口处的缺陷收缩痕。 3.4.2 优化后产品内应力下降 （图15） 图15与上述按现生产工艺参数进行模拟的应力分布结果相比较，制品四边框和中间部分高应力值区域已消除，制品内部应力已大大降低，并且超值区分布较窄，从而使产品内在质量趋于稳定。 3.4.3 优化后，使产品尺寸得到校正 按优化的工艺参数进行翘曲分析，通过调整保压曲线，控制产品横向尺寸收缩，能够得到使产品横向尺寸缩小的趋势（图16），从而达到满足产品设计要求的目的。 图16保压压力为45MPa 时，制品横向尺寸收缩6.7mm。 3.5 指导生产实际 以优化的工艺参数为基础进行现场调试，得到以下结果： （1）浇口处收缩导致的冷斑（收缩痕）明显减小或基本消失，这与CAE 结果相符。照片1、2 是工艺调整前、后浇口处的收缩情况。 （2）产品横向尺寸比调整前缩小1mm。 （3）由于产品模具浇注系统维持原状，所以熔接痕的问题未能得到彻底解决。 照片1 调整前 照片2 调整后4 结