Moldflow 技术在汽车前保险杠成型分析中的应用

Moldflow 技术在汽车前保险杠成型分析中的应用
丛穆;江梅;陈丽萍
【摘要】以 Moldflow 作为分析平台,利用某汽车前保险杠现有模具的设置,分析了新型材料用于该保险杠成型的可行性,并对可能出现的质量问题进行了预测,同时也找出了制品成型问题产生的原因.通过与实际成型对比,验证了模拟分析结果的正确性.根据 Moldflow 分析结果进行现场试模调试,制品未出现质量问题,达到了利用现有设备成型制品的目的.%The author uses the existing mold of an automotive front bumper to analyze the feasibility of application of new materials in bumper forming with Moldflow as an analysis platform, and also predicates the quality issues possibly occur, cause of forming defects is also identified. By contrasting with real forming, validity of the simulated analysis results is proved. With the field mould commissioning according to Moldflow analysis results, no quality issues occurred in the finished products, the objective of using the existing equipment to form finished product is achieved.
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】前保险杠;成型;锁模力;收缩变形
【作者】丛穆;江梅;陈丽萍
【作者单位】中国第一汽车集团公司技术中心;中国第一汽车集团公司技术中心;中
国第一汽车集团公司技术中心
【正文语种】中文
【中图分类】U463.83
1 前言
随着消费者和汽车制造商对汽车的外观质量要求越来越高，对作为汽车主要外饰件的保险杠的质量也提出了更高的要求。

为提高某汽车前保险杠的质量，本文应用Moldflow技术分析新材料用于该汽车前保险杠成型的可行性，并对可能出现的质量问题进行预测。

2 模拟分析用数据
该汽车前保险杠为大型注塑件，整体形状呈弧形。

从产品三维数据中得到产品总体尺寸为1 750 mm×551mm×713mm,设计平均壁厚为3mm。

分析中采用的材料为高抗冲改性PP，其参数见表1，其中PVT参数见图1。

现生产用注塑机最大锁
模力为3000t。

分析时采用的热流道系统、浇口形式及位置根据现生产实际使用模具建模，见图2。

冷却系统采用理想状态进行分析，即假定冷却设计合理、冷却均匀。

前保险杠成型采用阀浇口。

表1 高抗冲改性PP材料参数成型温度/℃ 200～260（推荐值为 230）成型模具
温度/℃ 30～60（推荐值为 45）熔融指数（GB/T3682）/g·（10 min）-1 13～19最大许可剪切应力/MPa 0.25最大许可剪切速率/s-1 100 000平行方向名义收缩率/% 1.13垂直方向名义收缩率/% 1.6 PVT参数见图1
图1 PVT参数
图2 浇注系统模型
3 成型性分析
3.1 设置工艺参数及分析
设置模拟用工艺参数时，首先利用现生产用模具温度（25℃）、料筒温度（225～230℃）进行模拟。

充填过程通过注射体积与注射速率之间的关系（见表2）进行控制。

设定名义注射时间为8 s。

根据现生产用参数设定阀浇口打开时间，见表3。

表2 注射体积与注射速率 %
表3 阀浇口打开时间 s
根据上述参数进行分析，结果如下。

a. 在上述工艺参数下制品能够成型，不会出现短射现象。

b. 由充填阶段向保压阶段转换时型腔内的最大压力较高（111.3 MPa，见图3），型腔内压力梯度分布不均，会引起收缩不均。

图3 充填向保压转换时型腔内压力分布云图
c. 通过锁模力曲线（图4）可看出，用上述参数成型时，最大锁模力（4 736.6 t）超出注射机最大额定锁模力约58%。

因此，在使用现有设备、又不允许超过设备
锁模力的情况下来成型保险杠，制品可能会出现欠料现象或损坏注射设备。

图4 锁模力曲线
经过翘曲变形分析，制品上边缘的变形未超过设计要求（间隙变化小于5 mm），但X、Z方向（汽车宽度和长度方向）的变形较大，会影响制品装配。

制品的总变形量及由于收缩引起的在X、Y（汽车高度方向）、Z方向的变形量分布如图 5所示。

图5 制品收缩量分布云图
3.2 不同成型工艺参数方案模拟分析
为降低锁模力和注射压力，首先考虑提高模具温度以提高熔料的流动性。

根据材料性能测试推荐的模具温度，将模拟分析时的模具温度设为45℃。

同时，在满足注
塑机注射速率的情况下，可适当提高充填时的注射速率，以增加熔料的剪切热，从而提高熔料的充填流动性。

按以上思路，分别采用A、B、C 3种方案进行充填保压翘曲变形分析，方案A、B、C的名义注射速率分别为 508.7 cm3/s、678.3 cm3/s和 581.4 cm3/s。

分析结
果如下。

a.3种方案的充填时间分布云图见图6，可知方案A、B、C 的充填时间分别为
10.14 s、8.795 s和7.550 s，即由图6可看出，制品充填较顺利，未出现欠料现象。

图6 3种方案的充填时间分布云图
b. 注射位置压力变化如图7所示。

由图7可看出，除因阀浇口开启时引起的压力
波动外，注射位置压力无异常波动，并且3种方案的注射位置压力比模具温度为25℃成型时的最大注射位置压力分别降低9.0%、13.3%和10.0%。

c. 图8为3种方案成型过程中锁模力随时间变化曲线。

由图8可看出，A、B、C3种方案的锁模力均高出设备最大额定锁模力，但与最初模具温度较低时的最大锁模力相比分别降低18.6%、23.0%和19.0%。

图7 注射位置压力变化曲线
图8 锁模力变化曲线
制品成型后总变形量及分解到X、Y、Z 3个方向后的变形量如表4所列，制品收
缩变形趋势如图9所示（箭头表示收缩趋势）。

表4 3种方案的变形情况变形量方案A 方案B 方案C总变形量/mm 总变形量
/mm总变形量总变形量/mm 13.83 10.64 7.453 4.262 1.072 14.51 11.01 7.520
4.025 0.530 4 14.68 11.07 7.463 3.855 0.247 0收缩变形量/mm 收缩变形量/mm X方向收缩变形量收缩变形量/mm 12.41 6.206-0.001 3-6.209-12.42 13.030 6.5150-0.003 9-6.523-13.04 13.23 6.617 0.0025-6.612-13.23收缩变形量/mm 收缩变形量/mm 收缩变形量/mm Y方向收缩变形量3.842 1.710-0.422 7-2.55-4.687 4.075 1.865-0.346 1-2.557-4.768 4.175 1.952-0.275 1-2.502-4.729收缩变形量/mm 收缩变形量/mm 收缩变形量/mm Z方向收缩变形量6.012 3.600 1.189-1.222-3.634 6.289 3.777 1.265-1.248-3.760 6.337
3.758 1.179-1.401-3.980
图9 制品收缩变形趋势示意
产品设计要求沿保险杠上边缘的收缩变形量（即对应分析结果中的Y方向上的变形量）应小于5 mm。

由表4可知，3种方案在模具温度由25℃提高至45℃后，保险杠上边缘的收缩变形量均控制在5 mm范围内；制品在X、Z方向的收缩变形量较大，可能会影响产品装配性能；Z方向的收缩变形将引起制品左右两端角较大的段差，分析结果均超出设计要求（1.0 mm）。

3.3 3种方案分析结果对比
从充填保压分析结果可知，3种方案充填结束后型腔内压力不均，同时体积温度分布差异较大，造成材料收缩不均而引起较大变形。

充填结束时型腔内沿保险杠主要表面某一路径上的压力分布曲线如图10所示。

由图10可看出，型腔内压力分布不均，这将引起制品表面区域不均匀收缩。

模具温度较低（25℃）时型腔内压力较高，有利于保压阶段的补缩功能。

图10 压力分布对比曲线
充填结束时的熔料体积温度分布如图11所示。

由图11可看出，型腔内熔料体积温度差异较大，会导致收缩不均和翘曲。

图11中高于熔料温度的等值线区域是由剪切热造成的。

从方案C的结果可看出，由于剪切热引起的高于熔料温度的区域
相对其它方案的区域较多，而剪切热过高会引起材料降解。

图11 体积温度等值线分布云图
3种方案的Z方向收缩变形情况如图12所示。

由图12可看出，模具温度升至45℃时，保压阶段型腔内压力低于模具温度25℃时型腔内的压力，因此在顶出时制品
两侧端角部位的收缩稍有增大（小于1%），使得两端角Z方向收缩量也稍有增加（小于1 mm）。

图12 Z方向收缩变形云图
通过以上分析可知，新材料在制品成型时，若使用现生产用模具温度，制品成型时需要更大的锁模力，甚至超过现有设备的额定指标。

通过提高注射速率可适当提高材料的剪切热，以提高材料的流动性能，从而达到降低锁模力并保证用现有注射机成型制品的目的。

4 现场调试结果
根据试制前的Moldflow分析结果进行试模调试。

首先用现生产模具温度（25℃）进行试模，制品出模后出现严重的欠料现象，这
验证了Moldflow分析中，当模具温度较低时需要很大的锁模力和注射压力才能
成型的结果。

当锁模力不能满足成型需要时，制品会出现欠料现象。

在不改变模具温度的情况下，现场通过提高注射阶段压力来实现提高注射速率的方法。

当最大注射压力比原现生产用最大注射压力提高26%时，制品出现严重飞边
情况。

这也验证了Moldflow分析中，当注射速率提高时，注射压力可适当降低，但锁模力较高，反映到制品真正成型时，较大的锁模力会引起制品边缘甚至在浇口附近出现严重飞边的现象。

逐渐调整并使最大注射压力比原现生产用最大注射压力提高13%时，制品的飞边
现象明显减小，并且无欠料现象。

5 结束语
通过运用Moldflow技术，在汽车注塑件材料更改前对材料与结构的成型性进行预测分析，不仅能够提前预测更改后可能出现的质量问题，同时也能对成型工艺提出建议及优化方案。

特别在新产品设计前期应用Moldflow分析技术，从结构到材料都可通过模拟分析达到预测、分析、优化、验证的作用，从而达到缩短开发周期、减少开发成本、提高一次成功率的开发目的。

参考文献
【相关文献】
1 丛穆，江梅.CAE技术在塑料仪表板成型性分析中的应用研究.中国汽车工程学会论文，2007.
2 江梅，丛穆，王国梅.塑料CAE模拟分析技术在汽车塑料产品上的应用.第11届国际太平洋地区汽车工程会议论文，2001.。