CAD/CAE技術在汽車方向盤上蓋注射模設計中的應用＊

朱曉東

（江蘇聯合職業技術學院南通分院，江蘇南通 226011）

1 引言

方向盤上蓋用于汽車方向盤上面板，如圖1所示，該塑件具有內部結構復雜，模具設計困難，連接處筋多壁薄，塑件在注射成型過程中易造成流動不勻等缺陷，本塑件安裝于汽車方向盤上蓋，塑件通過設計的塑料卡扣固嵌在方向盤上，本塑料具有較強的塑性與韌性，在不同溫度、不同強度工作條件下，不易變形與開裂，具有較佳的環保性，人體接觸感舒適等特點。本文運用MoldFlow模流分析軟件進行計算機模擬注射成型分析，結合分析數據不斷進行工藝調整，最終選擇更加切實可行的注射工藝，注射過程中按照填充、冷卻、變形、翹曲進行分析調整，確定分析數據，通過分析研究，能夠對塑件填充過程中容易產生的填充缺陷提前預知，為注射模設計提供良好的理論支撐，減少塑件設計周期，減少企業設計成本。

圖1 汽車方向盤上蓋

2 前期準備

2.1 分型面的確定

分型面設計如圖2所示。在該結構中，需要設計外側抽芯方式，在確定分型面時，需要擬定側抽芯結構，外側采用斜導拄側抽芯[1]。

圖2 分型面位置

2.2 拔模分析

通過拔模結果分析，塑件在四周邊緣設計有卡扣，給塑件的脫模造成不便，方向盤中間部分，塑件側壁向內傾斜，不容易脫模，在凸模設計過程中，需設計鑲件，方便塑件脫模。

2.3 模型簡化及錯誤修復

將UG軟件設計好的模型以Parasolid文件格式導出，輸出格式為“*.X_T”至CAD Doctor軟件中，對塑件進行簡化處理，去除小圓角、小倒角,去除細小成型特征的目的是因為塑件邊緣細小結構在網格劃分時，計算時間長，出錯率高，網格劃分區域小數量多，影響分析效率，在模流分析中小區域對分析結果影響甚微，固對其進行去除[2],移除所有1.2mm以下圓角及倒角，將所有的錯誤修復至0，輸出為*.udm格式文件。啟動“Autodesk Simulation Moldflow Synergy 2015”軟件，以雙層面形式導入“MoldFlow CAD Doctor”修復完成的塑件，對塑件進行網格劃分，輸入網格劃分全局邊長為3mm，合并公差為0.1mm，生成網格如圖3所示[3]。

圖3 網格劃分

采用Moldflow Dorctor軟件設置不同的分析參數進行嘗試與優化，最終將模型配向不正確的單元個數、多重邊數量、網格自由邊格數、完全重復單元全部修復為0，通過對雙層面網格匹配診斷，網格匹配數為72,198，非匹配數為15,484，邊99,446，匹配百分比為88.2%，接近90%，相互百分比為85.5%，平均縱橫比為2.28，對模型每個細節進行觀察，劃分的網格模型清晰完整，無任何明顯的瑕疵，網格統計結果如圖4所示，基本滿足冷卻、填充、保壓、翹曲分析要求[4]。

圖4 網格統計結果

3 澆口位置分析

澆口位置的選擇對塑件注射成型至關重要，該塑件因壁薄且體積大，宜采用多澆口進行注射，采用單澆口易造成注射壓力過大，保壓時間過長，塑料流動困難等缺陷，通過軟件分析與實驗比較最終澆口數量設為4個，材料選擇ABS，分析得出最佳澆口位置，如圖5所示，然后進行快速充填分析。

圖5 澆口位置

由分析信息可以看出，充填過程中檢測到短射，在充填塑件之前，流動前沿已凝固，通過觀察結果，填充時間如圖6所示，3個邊緣處充填時間不平衡，左端比右端、上端先到達，容易產生過保壓，通過對澆口位置多次進行手工調整，最終確定方案如圖7所示[5]。

圖6 填充時間

圖7 調整后的澆口位置

4 填充、冷卻、變形、翹曲分析及優化

分析序列切換成型窗口，對工件進行成型窗口分析，求得最佳的工藝條件[6]。根據軟件分析結果可得，注射過程中模具表面溫度控制50℃左右，熔體溫度220℃附近。分析得出成型質量（成型窗口）：成型質量曲線如圖8所示，找出成型質量最高的點為0.2553s,然后估算流道體積，將總的充填時間設為1s，速度/壓力切換設為自動，保壓控制設為自動，做一次充填分析。通過分析得出充填時間為1.091s，速度/壓力切換時的壓力為25.21MPa，流動前沿溫度為240.4℃。當注射時間為1.091s時，總體溫度為245.4℃，達到頂出溫度的時間為81.34s，填充末端總體溫度為244.5℃，柱體時間為1.091s時，流動速率為282.7cm3/s，填充末端凍結層因子為0.8184，最大鎖模力約為40～50t。

圖8 質量（成型窗口）：XY圖

根據設定的分析參數，采用MoldFlow軟件對方向盤上蓋注射模型進行填充、冷卻、變形、翹曲進行模擬注射成型分析，根據分析數據進行工藝調整[7]，通過不斷分析與數據對比，擬定適合的注射工藝參數，對塑件注射過程中的出現的填充不當、冷卻不勻、變形過大、翹曲嚴重等缺陷進行參數調整。由分析軟件計算出最佳參數，確定回路冷卻溫度為25.01℃～29.37℃，回路流動速率控制在4.234[lit/min]，回路管壁溫度最高為25.37℃～35.44℃，塑件達到規定溫度的時間為36.65s，塑件在注射過程中產生的最高溫度為174.3℃，模具最高溫度為173.9℃，塑件注射最大鎖模力為350t，在30s時，最大注射壓力為158M Pa，速度/壓力切換時的壓力為158M Pa，塑件頂出時的體積收縮率為6.65%，填充時間為1.523s，流動前沿溫度為252.5℃，達到頂出溫度的時間為48s，塑件中心處的流動前沿速度為11,329cm/s，塑件所有變形效應如圖9所示， 所有效應變形主要集中在X方向的變形，由冷卻不均引起的變形范圍控在0.0009～0.2531mm，由收縮不均引起的變形范圍控制在0.0953～1.272mm。通過模流分析軟件正確模擬塑料在注射過程中高溫流動溶體的動態填充過程，避免傳統注模過程中因塑件注射填充缺陷導致再次返工現象。采用模流分析軟件可以根據模擬仿真動畫提前預知填充缺陷，結果更加直觀，有效縮短塑件制造生命周期，提高注射成功概率。采用理論與實踐相結合，通過企業實踐結果反饋該分析方案切實可行，得到同行的普遍認可。

圖9 所有變形效應分析

5 模具設計

汽車方向盤上蓋模流分析完后，采用UG軟件對其進行注射模結構設計，創建分型面，根據MoldFlow軟件分析結果合理設計主流道、分流道、澆口等注射模結構[8]，設計側抽芯及導柱、導套，模具結構如圖10所示，模具型腔結構如圖11所示，二維結構如圖12所示。

圖10 模具結構圖

圖11 模具型腔結構圖

圖12 模具二維結構圖