汽車翼子板出風口翹曲變形結(jié)構(gòu)優(yōu)化

江曉翊 孟云飛

摘 要：文章以某款汽車翼子板出風口本體為研究對象，針對汽車翼子板出風口這類注塑件，因為汽車功能的要求，安裝空間限制，對手件及自身的制造工藝瓶頸或外觀A面設(shè)計造型理念的要求，而產(chǎn)生的產(chǎn)品壁厚分布不均的情況。因為塑料產(chǎn)品的壁厚不均及高分子材料的特殊分子鏈結(jié)構(gòu)，容易造成最終制品的收縮不均，在ASA出風口產(chǎn)品實際成型后產(chǎn)生了較大的后收縮導致了翹曲變形。在產(chǎn)品前期設(shè)計和模具設(shè)計的過程中，結(jié)合利用Moldflow軟件，針對現(xiàn)在模具T1開發(fā)階段產(chǎn)品出現(xiàn)的翹曲變形不良的實際問題點，對出風口的本體及模具修模并ASA注射成型的過程進行了CAE模擬分析。針對模流分析的結(jié)果，結(jié)合當前的模具狀況，通過優(yōu)化產(chǎn)品背面的壁厚，導入到模具修改之中，預測可能出現(xiàn)的翹曲進行CAE模擬判斷，并提出相應的優(yōu)化措施。方案導入后一次修模的成功，最終達成該車型產(chǎn)品順利導入量產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：翼子板出風口；模流分析；翹曲變形；產(chǎn)品壁厚

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0009-04

Abstract： In this paper， the body of the automobile fender vent is taken as the research object， aiming at this kind of injection molded parts. Because of the requirement of automobile function， the installation space is limited. The requirements of the manufacturing process bottlenecks or the appearance of A-plane design concept of the sets of parts， there exists the situation of uneven distribution of product wall thickness. Because of the uneven wall thickness of the plastic products and the special molecular chain structure of the polymer materials， it is easy to cause uneven shrinkage of the final products. After the actual molding of products at the ASA vent， large post-shrinkage results in warpage deformation. In the process of early product design and die design， by the use of Moldflow software， and aiming at the actual problems of poor warpage and deformation in the present stage of mold T1 development. The CAE simulation analysis of the body of the fender vent and the process of mold repair and ASA injection molding was carried out. According to the result of mold flow analysis， in combination with the current mold condition， and through optimizing the wall thickness on the back of the product and importing it into the mould modification， the CAE simulation judgment is carried out to predict the possible warpage and the corresponding optimization measures are put forward. After the introduction of the scheme after the success of a repair die， a successful introduction of the model products is finally realized.

Keywords： fender vent； mold flow analysis； warpage deformation； product wall thickness

前言

汽車塑料件外觀件的設(shè)計中，如汽車翼子板出風口，因為是電鍍注塑件ABS樹脂產(chǎn)品與ASA進行裝配成小總成之后再裝配到汽車翼子板上，所以必須要綜合考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的成型，在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)上是否有倒扣的地方，產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)上是否有足夠的空間用于滑塊或者是斜頂?shù)拿摮?，是否會刮傷翼子板，及能否滿足產(chǎn)品的外觀使用要求。車身翼子板對應出風口裝飾件安裝的位置沖壓成槽型的結(jié)構(gòu)。這樣通過一體成形的注塑卡爪和裝飾性電鍍兩條上面的3M膠帶將出風口裝飾件嵌入翼子板中，可以在裝車之后通過面差和間隙的控制來保證視覺效果上“無縫隙裝配”。從而保證外觀上面實現(xiàn)不同字體顏色，金屬質(zhì)感以及車標裝配產(chǎn)品標示的作用。塑料制品和車身的金屬本體因為材料屬性的差異，在公差管控及制品的后收縮等因素的影響下，經(jīng)常會出現(xiàn)匹配的問題。

本文就翼子板出風口的本體的翹曲問題進行解析和對策研究。結(jié)合近年來發(fā)展壯大的有限元分析方法，運用計算機輔助工程CAE的Moldflow進行產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對于翹曲的問題，提出一些改進的建議和對策，希望能對此類問題的解決提供借鑒和指導。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

如下圖1所示為翼子板出風口本體的3D圖，材料為ASA，產(chǎn)品尺297mm×145mm×41mm， 產(chǎn)品壁厚3.5mm，整體產(chǎn)品壁厚均勻。裝飾條的壁厚3.5mm，相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計時據(jù)經(jīng)驗肋的寬度為壁厚的0.5～0.7倍[1]。該產(chǎn)品為汽車翼子板外飾皮紋件，商業(yè)外觀要求高，不得有注塑相關(guān)缺陷：熔接痕、頂針痕、流痕、飛邊、縮痕、斜頂印、裂痕、皮紋色差、缺口、外觀擦傷等外觀缺陷，產(chǎn)品本體不允許出現(xiàn)較嚴重的翹曲變形，并且需要保證與翼子板以及電鍍標牌和電鍍外框的配合良好。

問題點描述：翼子板出風口本體產(chǎn)品T0后Z向有1.2mm的變形。字標在安裝之后中間出現(xiàn)了較大的縫隙。

2 CAE分析

2.1 澆口位置的確定

MOLDFLOW 的MPI版塊能自動生成最佳澆口位置的相關(guān)信息[2]。根據(jù)本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點以及以往相似產(chǎn)品經(jīng)驗，采用圖2所示澆口進膠?？紤]翼子板出風口本體的尺寸和外觀等實際裝車要求，使用熱流道澆注系統(tǒng)，進澆方式采用一模二腔，點側(cè)澆口。實車匹配時，本體的下部裝配之后位于車身內(nèi)部，為不可視區(qū)域，為了保證量產(chǎn)狀態(tài)裝車后的產(chǎn)品表面美觀度，選擇將澆口位置設(shè)置在此處。

2.2 填充分析

MOLDFLOW是經(jīng)驗和技能的理論支撐[3]。注塑模具的填充分析結(jié)果，相關(guān)分析主要用于查看ASA出風口本體制件的注塑填充流體流動是否合理，熔體的填充是否平衡，在熔體冷卻之前，能否完成對本體制件的完全填充等。分析圖3可知，充填時間為2.184s；產(chǎn)品主體的熔體流動前沿溫度在245.1℃，此值在推薦選取的ASA材料熔融范圍之內(nèi)； 出風口注射時在模具內(nèi)流動平衡，整體無明顯滯留或者短射處。（1）料流前鋒本體溫差為5.1℃，最低料流前鋒溫度如圖3所示。（2）料流前鋒溫度反映了熔體在充填過程中到達不同位置的溫度，當該溫度低于材料的固化溫度時易造成短射，或者當兩料流前鋒相遇時形成熔接線時，造成熔接線的強度和表觀質(zhì)量。

（1）V/P轉(zhuǎn)化點的壓力是58.01Mpa。

（2）MoldFlow在模擬充填過程中，充填過程的前期用料流前鋒的速率來控制，當充填過程到達V/P轉(zhuǎn)換點時，充填改為壓力控制。

（3）V/P轉(zhuǎn)化點太早，產(chǎn)品容易短射/Cycle Time增加；V/P轉(zhuǎn)化點太晚，產(chǎn)品容易出現(xiàn)飛邊/Burn Marks。

2.3 變形分析

類似本體ASA這種注塑模具生產(chǎn)的塑料件的翹曲變形，在一般的情況下是由于水路冷卻不均，產(chǎn)品收縮不均，高分子取向，已經(jīng)壁厚等角效應等因素引起的收縮不均導致的注塑變形。如下圖5所有因素引起的變形：該變形量是體積收縮、冷卻和分子取向的綜合作用。

如下圖6，X向最大變形為0.9568-（-0.6378）=1.5946mm，X向變形屬于長度方向，可以通過材料收縮率來控制。Y向最大變形為0.3753-（-0.5535）=0.9288mm，Y向變形屬于長度方向，部分可以通過材料收縮率來控制。Z向最大變1.456-（-0.7359）=2.1919mm，我們可以增加動定模冷卻水溫差來適當改善產(chǎn)品Z向（user coordinate）變形。

3 對策與方案

據(jù)統(tǒng)計，70%的注塑缺陷是由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具設(shè)計的不合理所引起的[4]：本體的塑料材料ASA，由于高分子材料的構(gòu)成，在聚合物的主鏈結(jié)構(gòu)中的單鍵在一定情況下可以內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而會引起高分子鏈的伸展以及變形卷曲，從而產(chǎn)生了各種各樣的分子構(gòu)象組成。當本體通過壓力和溫度的融化從注塑模具中取下之后。在型腔已經(jīng)被填充完全，注塑保壓補料極端結(jié)束之后，原來沿著熔體流動方向發(fā)生了取向拉升的高分子鏈，會因為注塑螺桿流動剪切應力的消失而趨向于構(gòu)象熵最大的自然卷曲的狀態(tài)進行恢復，從而產(chǎn)生了取向回復，同時再從模腔中取出之后，產(chǎn)品內(nèi)部的溫度還沒有完全消除，因為內(nèi)應力及溫度漸漸冷卻的情況下，取向回復會使高分子的運動方向沿著熔體流動方向指向澆口為止，表現(xiàn)為以澆口為收縮中心（溫度最高點）的收縮，而因為注塑產(chǎn)品的壁厚不一的存在情況下， 在產(chǎn)品脫離模具之后，表層的塑料分子由于和注塑模具的型腔表面相接觸，所以會非?？斓慕档蜏囟龋c型腔表面相接觸的熔體層溫度的下降會非?？?，在本體ASA的內(nèi)部高分子還處在粘流態(tài)的時候，表面的高分子已經(jīng)進入高彈態(tài)。所以在產(chǎn)品的壁厚方向，因為高分子向澆口方向的運動沒有使得厚度方向上面的分子間的距離得到收縮，塑料表層的高分子在其運動能力范圍之內(nèi)就會向ASA的內(nèi)部高分子靠攏，從而產(chǎn)品的表面就會向內(nèi)部進行收縮，或者往肉厚的部分進行收縮， 表現(xiàn)在產(chǎn)品表征上面就形成了塑料本體制品的收縮翹曲和縮水痕的問題，從而影響標牌（電鍍之后如金屬一般的剛性結(jié)構(gòu)）的裝配匹配。

（1）在進行類似帶翻邊結(jié)構(gòu)的本體的設(shè)計的時候，產(chǎn)品在模流分析的時候應該就能夠看到收縮變形的情況。如果在無法進行產(chǎn)品預變形處理的前提下，可以進行翻邊壁厚的優(yōu)化從而解決產(chǎn)品翹曲的問題。

（2）相關(guān)產(chǎn)品一般是做成均勻壁厚比較好，但是在產(chǎn)品的翻邊和豎直轉(zhuǎn)彎面的情況下， 可以進行相關(guān)分析進行壁厚的優(yōu)化，一般翻邊等壁厚會是比基本壁厚薄1mm左右。

經(jīng)過Moldflow分析，最終確定方案為：如圖7外圈虛線位置增加0.3mm的壁厚；內(nèi)圈字標臺內(nèi)側(cè)虛線位置減薄0.6mm的產(chǎn)品壁厚。

4 效果檢查

通過加減、肉厚措施，翼子板出風口本體的產(chǎn)品出模方向上的翹曲變形得到有效解決。通過模流分析對所有因素引起的變形進行比對和優(yōu)化設(shè)計，如圖8。原始方案和改善方案相關(guān)變形量從原來的1.8mm降低到0.6mm，充分滿足產(chǎn)品的裝配需求。

5 結(jié)束語

（1）本文通過對于翼子板出風口這類ASA注塑產(chǎn)品的翹曲變形進行理論和實踐的分析，通過優(yōu)化產(chǎn)品的壁厚和結(jié)構(gòu)，從而解決產(chǎn)品的翹曲變形問題，最終保證了產(chǎn)品的順利量產(chǎn)上市。

（2）通過應用Moldflow軟件結(jié)合當前的設(shè)計軟件的加膠減膠不同方案的驗證，在不用實際模具修改的前提下，進行數(shù)據(jù)化模擬分析，通過模流分析報告的結(jié)果預測可能在后續(xù)注塑模具引起的成型缺陷，并且提出相應的優(yōu)化措施，通過檢討當前模具狀態(tài)制定最佳的可行的成型方案。

（3）設(shè)計前期結(jié)合Moldflow分析能夠驗證設(shè)計方案的量產(chǎn)可行性，提高注塑件的質(zhì)量，前期的檢討分析可以減少試模以及修模次數(shù)，從而達到降低生產(chǎn)的成本的目的，在遇到類似的產(chǎn)品的翹曲變形的時候，可以通過模具設(shè)計的預變形補償，流動平衡的控制，澆口位置數(shù)量的調(diào)整，產(chǎn)品的壁厚的設(shè)置優(yōu)化從而解決相關(guān)問題。

參考文獻：

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