汽車前保險杠順序注射模流分析與工藝優(yōu)化

李又兵，胡學(xué)川，趙利亞，張 攀，周樺林

（1.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054；2.重慶平偉科技（集團(tuán)）有限公司，重慶400026；3.重慶市高校模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054）

汽車前保險杠順序注射模流分析與工藝優(yōu)化

李又兵1，3，胡學(xué)川1，2，趙利亞1，張 攀1，周樺林1

（1.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054；2.重慶平偉科技（集團(tuán)）有限公司，重慶400026；3.重慶市高校模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054）

針對某汽車前保險杠注射成型工藝問題，采用Moldflow軟件并結(jié)合氣動控制順序閥技術(shù)，模擬分析了注塑澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，預(yù)測了氣穴和熔接痕位置；實(shí)現(xiàn)了熔體從10個點(diǎn)澆口先后進(jìn)行順序填充型腔，鎖模力要求大于1820 t，冷卻水雷諾系數(shù)（Re）大于10000；在模擬優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試模生產(chǎn)。結(jié)果表明，產(chǎn)品進(jìn)澆平衡，外觀品質(zhì)好，生產(chǎn)效率得到明顯提升。

前保險杠；順序注射；模流分析；優(yōu)化

0 前言

保險杠是轎車的重要外飾件，在生產(chǎn)中常常利用計算機(jī)輔助工程（CAE）軟件優(yōu)化其注射工藝，提高注射品質(zhì)，從而達(dá)到外觀優(yōu)良的效果。孫晉［1］用Moldflow分析軟件分析了注射成型工藝參數(shù)對產(chǎn)品翹曲變形的影響排序，產(chǎn)品翹曲變形明顯改善。劉建雄［2］模擬了保險杠氣輔注射成型的充填過程，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件優(yōu)化得到氣輔注射成型工藝參數(shù)。張東［3］以江鈴某汽車保險杠出現(xiàn)的縮痕為研究對象，運(yùn)用Moldflow分析結(jié)果提出了澆注系統(tǒng)的改進(jìn)方案。林蒞蒞［4］針對轎車前保險杠生產(chǎn)中熔接痕數(shù)、涂裝色差等問題，提出了多澆口順序控制方法。羅佳烽等［5］運(yùn)用Moldflow軟件對皇冠轎車前保險杠進(jìn)行了成型參數(shù)模擬優(yōu)化，有效地降低了翹曲變形，提高了保險杠品質(zhì)。李金國等［6］將熱流道順序閥成功應(yīng)用于后保險杠生產(chǎn)，有效地降低了熔接痕數(shù)量，產(chǎn)品的外觀及力學(xué)性能滿足設(shè)計要求。

本文以一款轎車前保險杠為研究對象，針對以往保險杠在注射成型過程中出現(xiàn)的澆注不均勻、熔接痕、翹曲等問題，利用Moldflow模流分析，結(jié)合順序注射工藝，對保險杠熱流道注射成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，獲得了優(yōu)化的產(chǎn)品工藝解決方案。

1 塑件工藝分析

如圖1所示，以某汽車車型開發(fā)的前保險杠本體為原型，該保險杠尺寸為652.3 mm×1768.15 mm× 520.38 mm，平均壁厚為2.7 mm。塑件尺寸較大，要求表面光滑，無毛刺、飛邊及熔接痕。材料為廣州金發(fā)科技股份有限公司的聚丙烯（PP）/熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）/21%～23%滑石粉（Talc），牌號為ABP-203，熔體流動速率為28～34 g/10 min、密度為1.04～1.08 g/cm3、拉伸強(qiáng)度為18 MPa、彎曲強(qiáng)度為25 MPa、彎曲模量為1950 MPa、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度為30 kJ/m2、熱變形溫度為53℃、收縮率為0.6%～0.9%。

設(shè)定的工藝參數(shù)為：模具的表面溫度為40℃、熔體溫度為210℃、速度壓力切換為充填體積的98%、冷卻時間為15 s。

圖1 保險杠結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The bumper structure

2 模流分析

2.1 澆注系統(tǒng)

注射澆口的位置對塑料的流動方向和流動的平衡性起到了決定性作用，產(chǎn)品的品質(zhì)可以通過優(yōu)化澆口位置明顯提高；澆口位置的不合理會造成熔體充填不均勻，引起過保壓、高剪切應(yīng)力以及熔接線和翹曲等一系列的缺陷。通過Moldflow分析，如圖2所示，該保險杠采用10點(diǎn)進(jìn)膠的熱流道方式。

圖2 澆口及流道分布圖Fig.2 Layout of the injection gate and runner

2.2 順序充填分析

為了改善塑料熔體的充填品質(zhì)，該模具進(jìn)澆方式采用氣壓式順序閥控制。通過控制氣動閥門的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對10個點(diǎn)澆口的進(jìn)澆順序的控制。圖3為塑料熔體在保險杠模具中的充填時間分布圖，可以看出，完成充填時間為6.5 s，具體的澆口充填的過程如表1所示。中間澆口a及澆口b為常開澆口，當(dāng)t＝2.44 s時，閥門口3、4打開開始進(jìn)澆，當(dāng)t＝3.59 s時，閥門口1、2打開并進(jìn)澆，隨后當(dāng)t＝4.66 s時，閥門口7、8打開并進(jìn)澆，緊接著當(dāng)t＝4.68 s時，閥門口5、6打開并進(jìn)澆，這時，塑料熔體同時從10個澆口進(jìn)行充填型腔。當(dāng)t＝6.11 s時，完成了V/P的切換，當(dāng)t＝6.47 s時，完成了塑料熔體充填。采用順序控制進(jìn)澆的充填方式有效地保證了塑料熔體在模具型腔中的平衡式充填。

表1 充填過程表Tab.1 Changes of injection parameters during the injeciton molding

圖3 充填時間模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of the injection time

圖4為該產(chǎn)品的流動前沿溫度，可以看到最低溫度在霧燈燈框下腳位置，溫度為190℃，可能會出現(xiàn)熔接線及溫差線。在實(shí)際注射的時候，需要注意黃色（淺灰色）位置的溫度不能太低，可以通過適當(dāng)提高機(jī)筒溫度和增加注射壓力進(jìn)行改善。

圖4 流動前沿溫度Fig.4 Temperature at the forefront of the polymer melt

由圖5可以看出，該保險杠注射成型需要的最大鎖模力出現(xiàn)在注射時間為6.12 s時，鎖模力要求為1820 t，因此，基于安全考慮，選擇的注射機(jī)鎖模力必須大于2300 t。

2.3 氣穴分析

圖6為保險杠氣穴的分布圖，可以看出氣穴主要分布在巢穴里面，在加工模具的時候，需要注意在容易產(chǎn)生氣穴的地方增加排氣槽以及鑲塊進(jìn)行排氣，避免產(chǎn)品在注射成型時出現(xiàn)氣泡等缺陷。

圖5 鎖模力隨注射時間的變化Fig.5 Mould clamping force changed with the injection time

圖6 產(chǎn)品氣穴分布圖Fig.6 Air void distribution of the bumper

2.4 熔接痕分析

圖7是保險杠的熔接線所在位置圖?？梢钥闯觯霈F(xiàn)在圈內(nèi)的熔接線比較明顯，該熔接線的明顯程度將直接影響到保險杠噴涂后外觀的好壞，需要通過后期工藝的調(diào)節(jié)來優(yōu)化熔接線。

圖7 保險杠熔接線分布圖Fig.7 Weld line distribution of the bumper

由圖8（a）可以看出，保險杠變形最大的地方出現(xiàn)在長度方向的最長端，其次是與引擎蓋搭接的保險杠上邊緣。對于保險杠兩端的變形，由于兩端有相應(yīng)的左右側(cè)支架限位，能夠?qū)⒆冃瘟坷厝ベN合在左右側(cè)支架，所以影響不大。對于前保險杠上端中間部分變形問題，可以通過更改卡扣或做一定的預(yù)變形量，同時單獨(dú)對此處接一組冷卻水路，并通過調(diào)整工藝來減小變形。由圖8（b）～（c）可以看出，對保險杠變形最大的是收縮不均，其次是角效應(yīng)，冷卻不均對保險杠的變形幾乎沒什么影響。

2.5 冷卻系統(tǒng)分析

在注射過程中，模具水路系統(tǒng)設(shè)計非常重要，它不僅影響產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，也關(guān)系到生產(chǎn)制造成本。為提高模具的冷卻效率，模具冷卻水道中冷卻水應(yīng)該處于湍流狀態(tài)，流速V＝0.5～1 m/s甚至更高，Re＞10000時，其傳熱能力比層流高10～20倍。

圖8 保險杠變形情況及其影響因素Fig.8 The deformation of the bumper with its influnce factors

圖9（a）是回路冷卻水路設(shè)計及其對應(yīng)的Re分布情況?？梢钥闯鯮e最小為33134，滿足冷卻模具的要求。圖9（b）是冷卻液出入模具的溫度分布情況，可見看出冷卻水的入口溫度為20℃，出口最高溫度為21℃，最低溫度與最高溫度相差1℃，模具的冷卻效果良好。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

在試模過程中，采用模擬得到的工藝進(jìn)行模具調(diào)試。采取短射的方式，觀察產(chǎn)品熔體充填是否平衡，實(shí)際產(chǎn)品如圖10所示，可以看到產(chǎn)品安裝霧燈的區(qū)域缺料的面積大小基本一致，表明澆注系統(tǒng)進(jìn)料總體平衡。

通過實(shí)際參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整得到的產(chǎn)品出現(xiàn)了如Moldflow分析中得到的熔接線，但是熔接線較短，噴涂后不明顯，同時無氣泡、縮痕等問題，外觀良好。從成型周期來看，該保險杠成型平均周期約為48 s，傳統(tǒng)的轎車保險杠生產(chǎn)周期約為75 s，生產(chǎn)效率明顯提高。根據(jù)產(chǎn)品注射生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果，該保險杠注射報廢率約為1%，而傳統(tǒng)的轎車保險杠注射報廢率約為5%，產(chǎn)品報廢率明顯降低，降低了成本。

圖9 冷卻系統(tǒng)Re及其冷卻液溫度分布情況Fig.9 Reynolds number distribution of the cooling system and temperarure distribution of the cooling liquids

圖10 Moldflow優(yōu)化參數(shù)短射得到的保險杠照片F(xiàn)ig.10 A practicality picture of bumper produced by short shot at the moldflow optimized parameters

4 結(jié)論

（1）采用氣壓式順序閥實(shí)現(xiàn)了熔體從10個點(diǎn)澆口先后進(jìn)澆控制，當(dāng)t＝6.11 s時，完成了V/P的切換，當(dāng)t＝6.47 s時，完成了塑料熔體充填；最大鎖模力出現(xiàn)在6.12 s時，鎖模力要求大于1820 t；

（2）對保險杠變形影響最大的是收縮不均，其次是角效應(yīng)，冷卻不均對保險杠的變形幾乎沒有影響；

（3）冷卻水路設(shè)計實(shí)現(xiàn)Re大于10000，冷卻液的入口溫度為20℃，出口最高溫度為21℃，模具冷卻效果良好。

［1］ 孫 晉，李永泉，李 峰.注塑成型工藝參數(shù)對汽車保險杠翹曲變形的影響研究［J］.塑料工業(yè)，2011，39（5）：49-52.Sun Jin，Li Yongquan，Li Feng.Effect of the Injection Molding Processing Parameters on Automobile Bumper Warpage Deformation［J］.China Plastics Industry，2011，39（5）：49-52.

［2］ 劉建雄，肖正明，吳正宇.汽車保險杠氣輔注射成型技術(shù)研究及工藝優(yōu)化［J］.工程塑料應(yīng)用，2006，34（9）：23-26.Liu Jiaxiong，Xiao Zhengming，Wu Zhengyu.Study on GAIM Technology of Auto-bumper and Process Opimization［J］.Engineering Plastics and Application，2006，34（9）：23-26.

［3］ 張 東.基于CAE技術(shù)及優(yōu)化理論的汽車保險杠注塑成型工藝研究［D］.南昌：南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2009.

［4］ 林蒞蒞.大型注塑件熔接痕形成機(jī)理及控制研究［D］.重慶：重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2008.

［5］ 羅佳烽.基于CAE的大型注塑模自干擾進(jìn)澆設(shè)計及工藝參數(shù)優(yōu)化［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，2008.

［6］ 李金國，陳蘭貞，馬張其.順序閥技術(shù)在轎車后保險杠熔接痕控制中的應(yīng)用［J］.塑料工業(yè)，2010，38（6）：39-43.Li Jinguo，Chen Lanzhen，Ma Zhangqi.Application of Sequence Valve Technology in Weld Lines Control of Car Back Bumpe［J］.China Plastics Industry，2010，38（6）：39-43.

Moldflow Analysis and Process Optimization for Sequentially Injection-molded Auto Front Bumpers

LI Youbing1，3，HU Xuechuan1，2，ZHAO Liya1，ZHANG Pan1，ZHOU Hualin1
（1.College of Materials Science and Engineer，Chongqing University of Technology，Chongqing 400050，China；2.Chongqing Pingwei Science and Technology Co，Ltd，Chongqing 400026，China；3.Chongqing Mold Technique Key Lab，Chongqing 400050，China）

In order to study the sequential injection molding technique for injection-molded auto front bumpers，Moldflow software combined with pneumatic sequence valve technology was used to simulate the injection and cooling systems，and the positions of cavitation and weld line were forecasted.The sequential injection molding through 10 pin-point gates was simulated by Moldflow software.It was found that a mould locking force of more than 1820 tons and a reynolds number of 1000 were required in this injection molding technique.The auto front bumpers were produced on the basis of the above simulation optimizations.The results indicated that the sequentially injection molded auto front bumpers exhibited a good injection balance，good appearance quality and high production efficiency.

front bumper；sequential injection molding；moldflow analysis；optimization

TQ320.66＋2

：B

：1001-9278（2017）03-0064-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.03.012

2016-07-19

重慶市應(yīng)用開發(fā)重大項目（cstc2014yykfC0011）

聯(lián)系人，li-youbing＠163.com