汽车A柱下饰板注射成型工艺仿真分析

王 凤，周 滨，卜继玲，刘广华

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

汽车A柱下饰板注射成型工艺仿真分析

王 凤，周 滨，卜继玲，刘广华

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

采用正交试验和Moldflow数值模拟相结合的方法，对汽车A柱下饰板的注射成型过程进行了分析，研究了模具温度、熔体温度、注射时间和保压压力等工艺参数对残余应力和翘曲变形的影响。通过极差分析得到，熔体温度对翘曲变形影响最大，保压压力对残余应力影响最大，最佳工艺参数组合为模具温度40℃，熔体温度205℃，注射时间5s，保压压力45MPa；通过仿真分析与实际成型方案进行比较，汽车A柱下饰板的翘曲变形由3.847mm降为3.121mm，残余应力由66.95MPa降为65.21MPa。

Moldflow；A柱下饰板；注射成型；仿真分析；残余应力

0 前言

随着中国汽车行业的迅速发展，人们对汽车内饰塑料构件提出了越来越高的要求。注射成型是制造复杂形状塑料制品最常用的方法之一，具有形状尺寸精确、生产效率高、可加工塑料种类多、适合批量生产等特点，因而在汽车内饰塑料构件生产中得到广泛的应用。在注射成型过程中，残余应力和收缩变形是影响注塑制品外观和性能的最关键因素之一。收缩变形与残余应力的产生有着直接的联系，主要受成型过程中温度和压力的历史影响[1]。

本研究以汽车内饰件A柱下饰板为例，运用CAE软件Moldflow和正交实验法相结合的方法进行多指标仿真实验，研究不同成型工艺参数对制件最终残余应力和翘曲变形的影响程度，寻求最优的成型方案，为产品设计开发提供参考意见。

1 模流分析前处理

1.1 塑件的结构工艺性分析

汽车A柱下饰板外观要求严格，壁薄，易产生残余应力和翘曲变形等产品缺陷。其在轿车内饰件中为左右对称件，常采用一模两腔的模具注射成型。塑件主体厚度为2.5mm，加强筋厚度为1.5mm，外形尺寸338.4mm×290.0mm×132.4mm（左），338.4mm×288.5mm×132.5mm（右），其三维实体模型如图1所示。实际注塑过程中采用的材料为聚丙烯/20%滑石粉。仿真分析过程中选用Moldflow材料数据库自带材料 ME232U（聚丙烯/20%滑石粉，制造商：Borealis），其物理性能参数如表1所示。

图1 汽车A柱下饰板三维实体模型Fig.1 Geometric model for lower plaque for A－pillar of vehicle

1.2 网格划分

网格划分是模型前处理的一个重要环节，网格质量的好坏直接决定分析结果的精度。首先将A柱下饰板3D数模导入CAD doctor中进行模型修复与简化，以便在划分网格时得到高质量的网格，将修复后的模型以＊.udm格式导入到 Moldflow，为提高分析的精度，选择网格类型为Fusion。设置浇注系统和流道系统，选择柱体单元进行网格划分。对自动划分后的网格运用Moldflow软件系统修改工具进行网格修复。最终制件网格数目为50898，节点数为26897，网格匹配率为92%，此网格构造良好，完全满足分析要求。网格划分结果如图2所示。

表1 材料物理性能参数Tab.1 Physical parameters for the materials

图2 网格划分结果Fig.2 Mesh results

2 正交试验

2.1 正交表的选用

应力集中和翘曲变形是汽车A柱下饰板常见的产品缺陷，严重影响了产品的外观和性能，本研究选定残余应力和翘曲变形量作为主要实验指标来评估试验方案的优劣。以模具温度、熔体温度、注射时间和保压压力4个成型工艺参数作为正交试验因素，分别用A、B、C、D表示。假设各因素之间不存在交互作用，根据Moldflow系统推荐的成型工艺参数范围，每个因素设置3个水平，选用L9（34）正交表进行试验设计[2－4]。选取的因素水平如表2所示。

2.2 实验数据分析

运用Moldflow软件进行模流分析，根据正交试验法，共需进行9组分析，正交实验方案及实验结果见表3。

表2 正交试验的因素及水平Tab.2 Factors and level of orthogonal experiment

2.3 极差分析

为获取各因素对实验指标的影响程度，对正交实验结果进行极差分析。差值R越大，说明该值对指标的影响程度越大，各因素的极差分析结果如表4所示。

从表4可以看出，对制品翘曲量影响最大的因素为熔体温度，其他因素依次为注射时间、模具温度和保压压力。对制品残余应力影响最大的因素为保压压力，其次为熔体温度、模具温度和注射时间。根据成型要求，翘曲变形量越小越好，选定的优化组合为A2B1C3D2。残余应力越小越好，选定的优化组合为A3B3C2D1。

表3 仿真试验数据Tab.3 Data for simulations

表4 极差分析结果Tab.4 Range analysis results

综合考虑，由于保压压力对残余应力的影响显著，对翘曲变形量影响不明显，减小保压压力，可以极大地降低制品残余应力。熔体温度对翘曲变形量影响显著，但是对残余应力影响不明显，通过分析比较，选定的最优组合为A2B1C3D1，即模具温度为40℃，熔体温度为205℃，注射时间为5s，保压压力为45MPa。选定最优工艺参数组合，运用Moldflow软件再次进行仿真分析。

3 最优参数组合仿真结果分析与探讨

3.1 残余应力分析

残余应力主要来源于两个方面：首先，在充模和保压阶段，熔体的黏性流动产生流动残余应力与材料的分子取向有关；其次，成型过程中制品的各个部分的温度和压力历史均不相同，这种不均衡的冷却产生温度残余应力。其中，温度残余应力一般比流动残余应力大一个数量级以上，是残余应力的主要来源[5－7]。

由图3分析可知，残余应力峰值51.78MPa出现在浇口附近，覆盖范围小。塑件绝大部分应力值集中在25～30MPa之间，充填末端区域峰值分布在35～40MPa之间。适当延长保压时间，可将残余应力峰值出现的位置控制在充填末端区域，但是会扩大峰值出现的范围，本文不做进一步的探讨。

图3 残余应力分析Fig.3 Residual stress analysis

3.2 翘曲分析

翘曲是指不均匀的内部应力导致的制件缺陷。导致翘曲变形量过大的原因有收缩不均匀、冷却不均匀和取向不均匀。图4和图5所示为制件的翘曲分析结果，将变形量放大10倍，可以看到塑件产生了明显变形，其中线框为未变形部分，影像为已产生翘曲变形部分。

从图4可以看出，由各种因素引起的翘曲变形综合结果最大为3.1208mm，其中由于不均匀冷却引起的最大翘曲变形为0.8183mm，由于不均匀收缩引起的最大翘曲变形为3.4758mm，由于塑料分子取向不均引起的翘曲变形为0。由此可知，引起塑件翘曲变形的主要原因是材料的收缩不均引起的。由图5进一步分析材料在不同方向上对塑件翘曲变形的贡献度，比X方向最大变形为4.651mm，Y方向最大为3.525mm，Z方向最大为4.265mm。由于各方向最大变形出现位置不相同，总变形量有一定程度的降低。

3.3 方案对比

A柱下饰板现在采用的工艺方案为：模具温度55℃，熔料温度225℃，注射时间4s，保压压力55MPa，与最优方案的仿真结果进行对比，残余应力由66.95MPa降为65.21MPa，翘曲变形量由3.847mm降为3.121mm。因为塑料材料在成型过程中不可避免地会产生体积收缩，由于产品结构的不规则性和实际成型工艺的影响，容易造成残余应力和翘曲变形等产品缺陷。借助正交试验法和Moldflow仿真模拟相结合的方法，可以使得制品的性能和外观品质有明显的改善，从而证明了改进方案的优越性，对比结果如表5所示。

图4 不同因素对翘曲变形的影响Fig.4 Influence of different factors on warp deformation

图5 不同方向的翘曲变形量Fig.5 Warp deformation along different directions

表5 改进方案与原有方案对比Tab.5 Contrast of improvement program and original program

4 结论

（1）运用正交试验法和Moldflow仿真模拟相结合的方法，有效的解决了以往成型工艺参数设置不合理的现象，避免了各因素单独分析的片面性，可减少传统试模修模的次数，降低模具成本，提高产品品质；

（2）在所选工艺参数范围内，熔体温度对制件翘曲变形量的影响最大，熔体温度越高，制件翘曲变形越大；模具温度、注射时间和保压压力影响相对较小；

（3）在所选工艺参数范围内，保压压力大小对制件的残余应力影响最大，模具温度、熔体温度和注射时间影响相对较小；保压时间长短直接影响残余压力峰值出现的位置，保压时间短，峰值出现在浇口位置，保压时间长，峰值出现在充填末端区域。

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Injection Molding Simulation of Lower Plaques for A－pillars of Vehicles

WANG Feng，ZHOU Bin，BU Jiling，LIU Guanghua
（Zhuzhou Times New Material Technology Co，Ltd，Zhuzhou 412007，China）

Using orthogonal experiments and Moldflow simulation，the process in the injection molding of lower plaques for A－pillars of vehicles was simulated.The influences of different molding process parameters such as mold temperature，melt temperature，injection time，and packing pressure on the warp deformation and residual stress were studied.It was found that the melt temperature constituted the most influential factor to warp deformation，packing pressure was the most influential factor to the residual stress.A set of optimal process parameters was found to be mold temperature 40℃，melt temperature 205℃，injection time 5s，the packing pressure 45MPa.Compared with regular processing parameters，warp deformation decreased from 3.847mm to 3.121mm，residual stress decreased from 66.95MPa to 65.21MPa.

Moldflow；lower plaque for A－pillar；injection molding；simulation；residual stress

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）08－0085－05

2012－03－13

联系人，wangfeng4＠teg.cn