基于氣輔成型及CAE模擬分析技術的大型精密汽車保險杠注塑模具設計

王蘭萍

摘 要：本課題通過氣輔注塑CAE模擬分析技術，完成了大型精密汽車保險杠注塑模具的三維數字化設計。并通過計算機完成汽車保險杠模具氣輔注塑的仿真過程，模擬熔體及氣體在型腔內的流動及穿透情況，定量地給出成型過程中的狀態參數（如壓力、溫度、速度等），根據分析結果，改進氣道的布局、尺寸，優化成型工藝參數和模具設計，從而改變了過去那種單靠人為經驗來設計模具澆口位置及尺寸，需要多次試模，反復修改，才能最后設計定型和制造模具的落后方法。

關鍵詞：注塑成型；翹曲變形；CAE；工藝參數

0 前言

在汽車行業，用塑料代替金屬來制造汽車保險杠已成為一個重要發展趨勢， 塑料保險杠制作可通過注塑模具批量完成，因汽車保險杠結構復雜，尺寸大，所以其相應注塑模具結構也比較復雜，且模具外形尺寸大、體積重，注射時還常常會遇到成型困難和工藝范圍狹窄等問題，為解決類似問題，傳統的大型汽車保險杠在模具設計時，其澆注系統常采用熱流道，同時增加澆口數目，其結果澆注過程中產生模具型腔充填很難均衡現象，且產品熔接痕數目增多，嚴重影響制品的外觀、質量、力學性能等一系列問題。氣輔注射成型技術作為一種創新的注射成型工藝，突破了傳統注射成型的局限性，它可以在注塑件內部注入高壓氣體代替熔體進行注射保壓，從而降低了注射壓力和鎖模力，用小型注射機成型較大塑件，降低能耗，有效消除塑件表面縮痕，減小制品翹曲變形、提高表面質量、縮短生產周期等等，且其材料適用性好，產品輕量化、質量高。再加上運用先進的注塑CAE模擬分析技術，可將熱流道的數量和進澆口的位置等通過分析進行合理優化，確定合理的熱流道點數，有效控制和減少產品表面熔接痕位置和數量，實現產品重要外觀不出現熔接線，滿足塑件產品外觀質量要求，提高產品合格率。

本課題是校企合作研發的HWQ-B50大型精密汽車保險杠模具設計課題，研發中創新運用氣輔注塑及CAE模擬分析技術，并結合CAD/ CAM/ CAE 等模具數字化設計與制造新技術，實現了大型精密汽車保險杠模具數字化設計、制造的研發，并實現了其產業化，為企業獲得了很大的經濟效益。

1 HWQ-B50大型精密汽車保險杠模具設計

1.1 HWQ-B50 汽車保險杠結構分析

HWQ-B50 汽車保險杠塑件如圖1 所示， 最大外形尺寸為1786mm×558mm×531mm，平均料厚4 mm。且要求表面光潔、線條清晰。該塑件大，且結構復雜，用于生產其塑件的注塑模具抽芯機構多， 類似為一個中等程度的工作母機；模具澆注系統采用熱流道，需要通過電加熱；型腔、型芯及冷卻系統復雜，型腔與澆注系統的熱流道相互矛盾；制品頂出系統復雜，需用液壓和機械聯合頂出。

從如圖1所示的塑件A - A局部截面看，此產品模具設計宜采用內分型 ，以減少分型線對產品外觀的影響，產品脫模，整體彎曲3.0 mm，并且動作要求開模和頂出同步。內部結構采用導軌運動，抽出型芯，通常分模線應在大面表面上， 但為確保車身外飾件要求表面光潔、線條美觀、流暢的目的， 確定在底側部進行分模， 確保塑件表面無分模痕跡。

圖1 HWQ-B50 汽車保險杠塑件

1.2 應用Moldflow 軟件對塑件進行氣輔CAE模擬分析，確定澆口、氣口位置與數量

通過Moldflow 軟件在計算機上完成HWQ-B50汽車保險杠注塑模具氣輔注塑仿真過程及各種模擬分析，根據分析結果，調整熔體澆口、氣口位置、流道尺寸和氣道尺寸的優化以及氣道的合理布置。

1）進行網格劃分

應用UG軟件建立stl 格式的HWQ-B50汽車保險杠三維數字化模型， 導入Moldflow 軟件， 對其進行網格劃分和修補，確保制品模型的單元網格匹配率、連通區域數值、網格交叉和完全重疊網格數值、未配向單元數值以及匹配度和最大縱橫比完全滿足Moldflow的分析要求。

2）設定成型分析工藝參數

由塑件材料：PP + EPDM+ T20 改性材料，設定相關成型分析工藝參數為：最大注射壓力為55MPa，氣體注射壓力為20MPa，模溫50℃，熔體溫度為230℃，延遲時間為25s，氣道的等效直徑為9.6mm，冷卻時間為22s。

3） 確定澆口、氣口位置及數量

通過Moldflow 軟件首先對制件進行最佳澆口、氣口位置分析，了解塑件澆口選取的位置，如圖2中深蘭色部分所示 ， 確保塑件成型均勻、完整、無缺陷等。為了進一步確定澆口、氣口位置與數量。根據塑件結構分析， 模具結構的初步設計以及多次成型流動分析， 采用對稱6點同一側面澆口的方案， 如圖3 所示。

4） 塑件氣輔CAE模擬分析，進一步優化澆注系統的設計

應用Moldflow 軟件對塑件初步設計方案進行氣輔CAE模擬分析，模擬熔體填充、保壓、冷卻情況，分析制品注塑中的應力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況， 為避免注射熔體量不足、氣體壓力過大、氣穴、吹穿、表面凹陷等的發生。根據分析結果，調整熔體澆口、氣口位置、流道尺寸和氣道尺寸的優化以及氣道的合理布置。如圖2所示，最終模具的澆注系統設計采用5點側澆口熱流道方式，合理滿足模具結構條件， 特別是拉料桿的位置空間得到了保證， 減少分流道流程， 避免了與其他機構相干涉。

圖2 最佳澆口位置

圖3 初步澆口位置和進膠順序設計

1.3 塑件結構的二次設計

通過對塑件進行翹曲變形、注射壓力等等CAE模擬分析。必須對塑件進行進一步的設計優化，在嚴格保證塑件功能、外飾件要求的條件下，充分滿足模具結構要求和模具制造工藝。由于塑件上表面兩側處存在大斜面，內側有倒鉤， 為了簡化模具結構， 必須把塑件沿Y軸旋轉3°， 旋轉后上表面兩側大斜面就能順利脫模， 避免內抽芯過大。塑件兩側缺口處的型芯外面做抽芯，同時內面可避免再做斜頂機構，并在塑件安裝位轉動90°，直接在滑塊上生成。另外， Y軸方向兩側預留變形重新成型，實現塑件二次關鍵設計。endprint

1.4 模具結構設計

模具結構設計是整副模具成敗的關鍵，本課題汽車保險杠模具外形尺寸大、體積重達40余噸，且結構復雜，類似一個中等程度的工作母機，模具澆注系統采用熱流道，需要電加熱；型腔、型芯及冷卻系統復雜，模具分型抽芯機構、模溫控制裝置、制品頂出系統結構復雜等等。

1） 塑件材料收縮率的確定：塑件材料為PP + EPDM+ T20 改性材料， 綜合材料的注射工藝和塑件的形狀以及材料的變形等特性，同時考慮預留變形因素所造成的差異， 塑件材料收縮率在X、Y、Z三軸方向分別采用1.1 % 、 1.0 %和 1.0 %三種不同的收縮率。

2） 脫模方式確定：塑件在脫模時， 首先開模和第一次頂出同步一段距離，內部抽芯先抽出產品變形空間，防止產品變形，確保產品脫離倒扣，留在型芯；然后，繼續開模，同時停止頂出，當開模距離到達一定大時，停止開模；再進行第二次頂出，完成內部抽芯；，繼續第三次頂出，此次頂出采用頂塊頂出，同時由機械手取出產品，最后油缸復位。

3） 導軌抽芯裝置設計：保險杠內抽芯結構如圖4所示，為了保證斜頂與1型芯帽運動暢通，采用自滑壓條，油缸頂出1型芯帽，2導軌帶動14斜頂往上運動，因固定在3斜頂中的兩個導向桿運動限制，使得1斜頂沿著5導向桿方向向上斜線運動，完成斜頂抽芯動作，同時3斜頂帶動其余在斜頂中的抽芯塊如4抽芯塊，這樣可以完成產品內部和產品兩側抽芯，此結構可靠、運動穩定。

1-型芯帽 2-驅動導軌 3-斜頂 4-抽芯塊 5-導向桿

圖4 汽車保險杠模具導軌抽芯裝置

4） 冷卻系統設計：為使塑件在模腔內迅速冷凝定型，確保成型周期，本項目模具型芯和型腔設置冷卻系統管道 15mm的斜孔和直孔，每條冷卻回路與熱流道隔開，長度控制在5M以內， 充分發揮其冷卻作用。

5） 排氣槽設計：根據CAE 分析，首先在相關困氣部位開設排氣槽， 其次，在內抽芯滑塊上開排氣槽，以解決合模狀態下 內抽芯存在真空，確保本模具先內抽芯再開模的設計。

6） 模具材料選用及熱處理： 為減少內應力，增加模具強度、硬度，可對模具主要部件進行熱處理。

①模具型腔選用20Cr合金滲碳鋼， 為運用粗加工后進行滲碳回火的加工工序， 一方面，提高表面硬度（28～32 HRC）和耐磨性，另一方面減少熱處理變形，確保模具制造精度，使模具使用壽命得以提高。

②模具型芯滑塊選用718 鋼（3CrNiMo）材料，原因是該滑塊要求高，體積比較大，且存在雙向運動；同時為減少因摩擦而引起的熱變形，可使用潤滑油，增加滾動裝置，確保模具型芯滑塊的制造精度。

1.5 模具結構及其工作原理

模具結構如圖5所示。

模具開模時，首先油缸7得到設備信號進油，通過連桿26，推動橫梁5和型芯帽3向前頂出運動，橫梁5通過導柱16拉動斜頂14沿導軌13運動。其次，固定在型芯帽地側的導板4，確保型芯帽3在頂出過程中保持水平運動，不會因為型芯帽3的自重和導柱9與導套10 之間的間隙而下墜。然后，固定在型芯帽3上的型芯鑲件17通過導柱18帶動滑塊19沿導向桿20運動，型芯鑲件26固定在型芯固定板6上靜止不動，讓出滑塊19的運動空間。最后，斜頂14開始運動時，導板的T型槽是水平的，頂塊23保持與型芯帽3同步，運動到一定距離后，頂桿24的T型導軌接觸到導板25的T型槽的傾斜段，頂塊23相對型芯帽3開始頂出動作，釋放產品上的深筋的留模力，油缸行程到位后，用機械手取件。

2 結束語

通過基于氣輔成型及CAE模擬分析技術的大型精密汽車保險杠注塑模具設計，突破了傳統的汽車保險杠塑件設計、制造的理念與方法，通過計算機以全新的數字化設計與制造手段，實現了大型精密汽車保險杠注塑模具設計最優化的工藝設計方案，降低了傳統模具設計制造反復試、修模的成本，縮短了開發周期，提高了制品質量和生產率.對企業進行大型精密汽車保險杠系列注塑模具設計和高效注塑生產具有較高的實際指導意義。

參考文獻：

[1]Agrawal D， Vasudevan P， Knowledge Based Systems Development of Injection Molding， Advanced Application Technology， 1998， 10（5）： 419-428.

[2]張瓏，塑料成型CAE——moldflow應用基礎，電子工業出版社，北京，2010.6， 207.

[3]Torsten Kruse， Injection Mold Process Simulation A Productivity Tool for processor ANTEC'2000，SPE conference，2000， 732.

[4]錢欣、金楊福，塑料注射制品缺陷與CAE分析，化工工業出版社，北京，2010.1，84-89.

[5]陳智勇，Moldflow6.1注塑成型從入門到精通，電子工業出版社，北京，2009.9， 67.endprint

1.4 模具結構設計

模具結構設計是整副模具成敗的關鍵，本課題汽車保險杠模具外形尺寸大、體積重達40余噸，且結構復雜，類似一個中等程度的工作母機，模具澆注系統采用熱流道，需要電加熱；型腔、型芯及冷卻系統復雜，模具分型抽芯機構、模溫控制裝置、制品頂出系統結構復雜等等。

1） 塑件材料收縮率的確定：塑件材料為PP + EPDM+ T20 改性材料， 綜合材料的注射工藝和塑件的形狀以及材料的變形等特性，同時考慮預留變形因素所造成的差異， 塑件材料收縮率在X、Y、Z三軸方向分別采用1.1 % 、 1.0 %和 1.0 %三種不同的收縮率。

2） 脫模方式確定：塑件在脫模時， 首先開模和第一次頂出同步一段距離，內部抽芯先抽出產品變形空間，防止產品變形，確保產品脫離倒扣，留在型芯；然后，繼續開模，同時停止頂出，當開模距離到達一定大時，停止開模；再進行第二次頂出，完成內部抽芯；，繼續第三次頂出，此次頂出采用頂塊頂出，同時由機械手取出產品，最后油缸復位。

3） 導軌抽芯裝置設計：保險杠內抽芯結構如圖4所示，為了保證斜頂與1型芯帽運動暢通，采用自滑壓條，油缸頂出1型芯帽，2導軌帶動14斜頂往上運動，因固定在3斜頂中的兩個導向桿運動限制，使得1斜頂沿著5導向桿方向向上斜線運動，完成斜頂抽芯動作，同時3斜頂帶動其余在斜頂中的抽芯塊如4抽芯塊，這樣可以完成產品內部和產品兩側抽芯，此結構可靠、運動穩定。

1-型芯帽 2-驅動導軌 3-斜頂 4-抽芯塊 5-導向桿

圖4 汽車保險杠模具導軌抽芯裝置

4） 冷卻系統設計：為使塑件在模腔內迅速冷凝定型，確保成型周期，本項目模具型芯和型腔設置冷卻系統管道 15mm的斜孔和直孔，每條冷卻回路與熱流道隔開，長度控制在5M以內， 充分發揮其冷卻作用。

5） 排氣槽設計：根據CAE 分析，首先在相關困氣部位開設排氣槽， 其次，在內抽芯滑塊上開排氣槽，以解決合模狀態下 內抽芯存在真空，確保本模具先內抽芯再開模的設計。

6） 模具材料選用及熱處理： 為減少內應力，增加模具強度、硬度，可對模具主要部件進行熱處理。

①模具型腔選用20Cr合金滲碳鋼， 為運用粗加工后進行滲碳回火的加工工序， 一方面，提高表面硬度（28～32 HRC）和耐磨性，另一方面減少熱處理變形，確保模具制造精度，使模具使用壽命得以提高。

②模具型芯滑塊選用718 鋼（3CrNiMo）材料，原因是該滑塊要求高，體積比較大，且存在雙向運動；同時為減少因摩擦而引起的熱變形，可使用潤滑油，增加滾動裝置，確保模具型芯滑塊的制造精度。

1.5 模具結構及其工作原理

模具結構如圖5所示。

模具開模時，首先油缸7得到設備信號進油，通過連桿26，推動橫梁5和型芯帽3向前頂出運動，橫梁5通過導柱16拉動斜頂14沿導軌13運動。其次，固定在型芯帽地側的導板4，確保型芯帽3在頂出過程中保持水平運動，不會因為型芯帽3的自重和導柱9與導套10 之間的間隙而下墜。然后，固定在型芯帽3上的型芯鑲件17通過導柱18帶動滑塊19沿導向桿20運動，型芯鑲件26固定在型芯固定板6上靜止不動，讓出滑塊19的運動空間。最后，斜頂14開始運動時，導板的T型槽是水平的，頂塊23保持與型芯帽3同步，運動到一定距離后，頂桿24的T型導軌接觸到導板25的T型槽的傾斜段，頂塊23相對型芯帽3開始頂出動作，釋放產品上的深筋的留模力，油缸行程到位后，用機械手取件。

2 結束語

通過基于氣輔成型及CAE模擬分析技術的大型精密汽車保險杠注塑模具設計，突破了傳統的汽車保險杠塑件設計、制造的理念與方法，通過計算機以全新的數字化設計與制造手段，實現了大型精密汽車保險杠注塑模具設計最優化的工藝設計方案，降低了傳統模具設計制造反復試、修模的成本，縮短了開發周期，提高了制品質量和生產率.對企業進行大型精密汽車保險杠系列注塑模具設計和高效注塑生產具有較高的實際指導意義。

參考文獻：

[1]Agrawal D， Vasudevan P， Knowledge Based Systems Development of Injection Molding， Advanced Application Technology， 1998， 10（5）： 419-428.

[2]張瓏，塑料成型CAE——moldflow應用基礎，電子工業出版社，北京，2010.6， 207.

[3]Torsten Kruse， Injection Mold Process Simulation A Productivity Tool for processor ANTEC'2000，SPE conference，2000， 732.

[4]錢欣、金楊福，塑料注射制品缺陷與CAE分析，化工工業出版社，北京，2010.1，84-89.

[5]陳智勇，Moldflow6.1注塑成型從入門到精通，電子工業出版社，北京，2009.9， 67.endprint

1.4 模具結構設計

模具結構設計是整副模具成敗的關鍵，本課題汽車保險杠模具外形尺寸大、體積重達40余噸，且結構復雜，類似一個中等程度的工作母機，模具澆注系統采用熱流道，需要電加熱；型腔、型芯及冷卻系統復雜，模具分型抽芯機構、模溫控制裝置、制品頂出系統結構復雜等等。

1） 塑件材料收縮率的確定：塑件材料為PP + EPDM+ T20 改性材料， 綜合材料的注射工藝和塑件的形狀以及材料的變形等特性，同時考慮預留變形因素所造成的差異， 塑件材料收縮率在X、Y、Z三軸方向分別采用1.1 % 、 1.0 %和 1.0 %三種不同的收縮率。

2） 脫模方式確定：塑件在脫模時， 首先開模和第一次頂出同步一段距離，內部抽芯先抽出產品變形空間，防止產品變形，確保產品脫離倒扣，留在型芯；然后，繼續開模，同時停止頂出，當開模距離到達一定大時，停止開模；再進行第二次頂出，完成內部抽芯；，繼續第三次頂出，此次頂出采用頂塊頂出，同時由機械手取出產品，最后油缸復位。

3） 導軌抽芯裝置設計：保險杠內抽芯結構如圖4所示，為了保證斜頂與1型芯帽運動暢通，采用自滑壓條，油缸頂出1型芯帽，2導軌帶動14斜頂往上運動，因固定在3斜頂中的兩個導向桿運動限制，使得1斜頂沿著5導向桿方向向上斜線運動，完成斜頂抽芯動作，同時3斜頂帶動其余在斜頂中的抽芯塊如4抽芯塊，這樣可以完成產品內部和產品兩側抽芯，此結構可靠、運動穩定。

1-型芯帽 2-驅動導軌 3-斜頂 4-抽芯塊 5-導向桿

圖4 汽車保險杠模具導軌抽芯裝置

4） 冷卻系統設計：為使塑件在模腔內迅速冷凝定型，確保成型周期，本項目模具型芯和型腔設置冷卻系統管道 15mm的斜孔和直孔，每條冷卻回路與熱流道隔開，長度控制在5M以內， 充分發揮其冷卻作用。

5） 排氣槽設計：根據CAE 分析，首先在相關困氣部位開設排氣槽， 其次，在內抽芯滑塊上開排氣槽，以解決合模狀態下 內抽芯存在真空，確保本模具先內抽芯再開模的設計。

6） 模具材料選用及熱處理： 為減少內應力，增加模具強度、硬度，可對模具主要部件進行熱處理。

①模具型腔選用20Cr合金滲碳鋼， 為運用粗加工后進行滲碳回火的加工工序， 一方面，提高表面硬度（28～32 HRC）和耐磨性，另一方面減少熱處理變形，確保模具制造精度，使模具使用壽命得以提高。

②模具型芯滑塊選用718 鋼（3CrNiMo）材料，原因是該滑塊要求高，體積比較大，且存在雙向運動；同時為減少因摩擦而引起的熱變形，可使用潤滑油，增加滾動裝置，確保模具型芯滑塊的制造精度。

1.5 模具結構及其工作原理

模具結構如圖5所示。

模具開模時，首先油缸7得到設備信號進油，通過連桿26，推動橫梁5和型芯帽3向前頂出運動，橫梁5通過導柱16拉動斜頂14沿導軌13運動。其次，固定在型芯帽地側的導板4，確保型芯帽3在頂出過程中保持水平運動，不會因為型芯帽3的自重和導柱9與導套10 之間的間隙而下墜。然后，固定在型芯帽3上的型芯鑲件17通過導柱18帶動滑塊19沿導向桿20運動，型芯鑲件26固定在型芯固定板6上靜止不動，讓出滑塊19的運動空間。最后，斜頂14開始運動時，導板的T型槽是水平的，頂塊23保持與型芯帽3同步，運動到一定距離后，頂桿24的T型導軌接觸到導板25的T型槽的傾斜段，頂塊23相對型芯帽3開始頂出動作，釋放產品上的深筋的留模力，油缸行程到位后，用機械手取件。

2 結束語

通過基于氣輔成型及CAE模擬分析技術的大型精密汽車保險杠注塑模具設計，突破了傳統的汽車保險杠塑件設計、制造的理念與方法，通過計算機以全新的數字化設計與制造手段，實現了大型精密汽車保險杠注塑模具設計最優化的工藝設計方案，降低了傳統模具設計制造反復試、修模的成本，縮短了開發周期，提高了制品質量和生產率.對企業進行大型精密汽車保險杠系列注塑模具設計和高效注塑生產具有較高的實際指導意義。

參考文獻：

[1]Agrawal D， Vasudevan P， Knowledge Based Systems Development of Injection Molding， Advanced Application Technology， 1998， 10（5）： 419-428.

[2]張瓏，塑料成型CAE——moldflow應用基礎，電子工業出版社，北京，2010.6， 207.

[3]Torsten Kruse， Injection Mold Process Simulation A Productivity Tool for processor ANTEC'2000，SPE conference，2000， 732.

[4]錢欣、金楊福，塑料注射制品缺陷與CAE分析，化工工業出版社，北京，2010.1，84-89.

[5]陳智勇，Moldflow6.1注塑成型從入門到精通，電子工業出版社，北京，2009.9， 67.endprint