汽车内饰件注塑成型数值模拟及缺陷分析

林建兵

LIN Jian-bing

（四川信息职业技术学院 机电工程系，广元 628017）

0 引言

工程塑料在汽车制造领域已广泛应用，尤其汽车内饰件中采用塑料的比例更高，汽车内饰件采用塑料制品不仅能满足乘坐舒适性与安全性的要求，同时可减轻汽车重量，节省燃油，还可降低制造成本，简化生产工艺等，本文选取典型汽车内饰件塑料仪表板组件为例，运用CAE技术对产品注塑成型过程进行数值化模拟分析，通过分析数据对产品质量进行评价，同时优化模具方案，提升产品质量，控制产品缺陷。

1 内饰件结构特点

内饰件是汽车结构重要的组成部分，具有功能多、零件多、结构复杂等特点，同时对外观面质量要求高，并且方便装配与拆卸，基于这些要素下现内饰件多由塑料原料制成，且多采用热塑料性塑料注塑而成，汽车仪表板、车门内饰板等均属典型的内饰件，在现代家用轿车的开发中多采用ABS、PPO等常用工程塑料为主要成分的原料制成，ABS、PPO等材料为通用工程塑料，使用性能方面具有刚性大、耐热性高、阻燃性好、机械强度高；同时还具有耐磨、无毒、耐污染等优点，这些优点正迎合了汽车内饰件的使用要求；物理性能方面它密度小，对减轻汽车重量有积极促进意义，同时机械强度和抗疲劳强度均较高；成型性能方面，属热塑性塑料，材料塑性较好，可一次性成型结构复杂、尺寸较大的塑件，在成型工艺方面多采用国内较为成熟的注塑工艺直接成型。

2 注塑成型模拟分析

图1为某品牌汽车车门内饰板，产品尺寸大，形状复杂，结构上孔位和扣位较多，背部分布有多个凸台、内筋等结构，同时产品除少数装配部位外其余外观面要求作腐蚀纹理处理，质量要求较高，产品由ABS为主要成分的共混塑料制成，制造工艺上采用传统的注塑生产工艺。

图1 产品三维图

2.1 设计模具浇注方案

产品采用注塑成型工艺，产品最大外轮廓尺寸为1180×880×185mm，基础壁厚为3mm，基于产品尺寸较大、结构复杂，壁厚较小，因此在注塑填充过程中难度较大，如何设计模具浇注系统就显得尤为重要，不能只凭单一的生产经验来进行设计，可融合CAE技术来进行指导性设计，我们选用Moldflow软件对浇口位置进行分析，需要首先对三维模型进行处理，在UG软件里将.prt文件格式转换为.stl格式，然后导入软件进行网格划分，Moldflow软件提供3种网格类型：实体网格（solid）、表面网格（fusion）和中层面网格（midplane），考虑到产品尺寸大，壁厚小，为提高网格质量和减小计算量，选择中层面网格（midplane），并通过网格处理工具对网格进行优化处理，最终获得满足分析要求的网格模型[1]，网格模型的各项主要指标参数如表1所示。

表1 midplane 网格数据统计

图2 浇口位置分析

考虑到产品为大型薄壁件，普通冷流道注射系统难以满足填充要求，且冷却时间更长，取料方式较复杂，注塑冷料多，流道废料多，因此在浇注方案上优先采用热流道浇注系统，同时产品尺寸跨度大，结合Moldflow软件浇口位置分析结果，确定在产品四个角落位置及产品中部方孔边沿处各设置一个进浇口，同时遵循浇注系统设计时，不同浇口位置的下游料流量都近似相等的原则[2]， 合理布局浇口位置和调整浇口尺寸，具体结构方案如图3所示。

图3 产品浇注方案

2.2 注塑工艺参数设置

优异的模具浇注方案还需配置合理的成型工艺，才能获得高质量的产品，在运用软件正式分析之前，必须对成型工艺进行设置，在设置过程中应充分考虑到产品的具体结构和尺寸，让成型工艺参数尽量贴近生产实际，这就需要设计者具有相当的工程实践经验，或者在CAE分析过程中应有模具工程师的参与或指导。结合该产品实际，模具温度和熔体温度选用Moldflow软件推荐工艺参数，模具温度设定为50℃；熔体温度为250℃；保压方式由恒压保压改为分段恒压式，具体为：第一保压阶段由于产品变形量大，采取高保压，设定为注射压力100%，时间约为0~4s；第二段保压压力略为减小，但仍处于高压状态，设定为注射压力的80%，时间为填充末端压力最大时间与压力为零时间的平均值，时间约为4s～18.45s；第三段保压值取注射压力50%，时间为第二段保压结束到浇口凝固的总时间[3]，时间约为19s～78.80s ，相应的保压曲线如图4所示，同时模流分析过程选择考虑浇口面及冷流道，考虑模具的热膨胀系数与角效应，然后进行模拟分析。

图4 保压曲线

2.3 数值化模拟分析及评价

通过选择Moldflow的流动+翘曲分析功能对注塑过程进行数值化模拟分析，通过对分析数据的读取与查询，对注塑成型的各项指标进行检验与评价。首先通过充填时间与充填区域动态图可知，塑件在5个浇口的共同充填，型腔在3.327s被充满，浇口1填充区域面积最大，浇口5填充区域面积最小，并可初步判断熔体的压力降与温度降不大，V/P转换点压力分布图显示了填充结束后型腔及流道内的压力分布情况，型腔内压力分布较均匀，对产品质量无不良影响，填充分析各主要指标参数统计如表2所示，通过总结分析可见该方案满足填充要求。

图5 填充时间与填充区域分析

表2 注塑工艺各项主要指标参数统计表

3 缺陷分析及解决方案

产品在浇注时为五浇口同时进浇，有效地减小了熔体的温度降和压力降，同时缩短了熔体的充模流程，避免产品表面产生虎皮纹，一定程度提高了表面质量，但产品因为结构复杂，进浇口较多，无法避免会产生一些产品缺陷，下面对该产品所产生的一些注塑件常见缺陷进行分析总结。

3.1 熔接痕

图6 熔接痕与温度分布叠加图

熔接痕是塑料件中常见缺陷之一，在型腔中的两股熔体相遇时就会形成熔接痕[5]，该产品方案中浇口较多，因此在型腔内会出现多个位置熔体相遇的情况，熔接痕数量较多，通过查看分析结果，可知图6左图中所示位置均会产生熔接痕，同时把熔接痕分析图与温度分析图叠加分析，各熔接痕的熔接温度250℃~252℃之间，熔接温度均接近熔体最大前沿温度，因此熔接强度较高，对产品使用不会造成明显影响，但这些熔接痕始终会降低产品外观面的质量，较明显的熔接痕在要求较高的汽车内饰件中是不允许出现的，为了解决这一问题，我们可在模具结构方案中进行改进设计，在原来的浇注方案的基础上采用顺序阀热流道来进行填充，让位于产品中部的浇口5针阀先打开，然后结合熔体流动过程依次打开其他针阀的形式来进行填充，可有效控制熔接痕的产生，同时为了避免产生困气现象，可在模具型腔对应位置增加专门的排气槽结构，这样也会对熔接痕的控制带来积极的影响。

3.2 翘曲变形

产品为车门内饰板，结构上属薄壁板类零件，使用上要求易装配易拆卸，因此需严格控制翘曲变形量，控制翘曲变形可先从产品设计入手，在产品背面增设凸台，加强筋等结构，本产品已作此类结构设计，同时在工艺设计时结合生产实际选择适合的工艺参数，在工艺设置时把默认的恒压保压方式调整为分段恒压的保压方式，同时考虑模具的热膨胀系数，角效应等因素对翘曲变形的影响，同时还可适当调节注射压力大小，具体设置上文已有阐述，设置后使成型方案更贴近生产实际，便于模具调试操作，按照此方案运用软件进行翘曲变形模拟分析（如图7所示），由分析数据可得：模具收缩与角效应因素对翘曲变形影响最大，具体的变形量如表3所示，产品最大综合总变形量为3.695mm，对产品使用无明显影响，证明此方案符合生产要求。

图7 翘曲变形分析

表3 翘曲变形量统计

4 结束语

运用Moldflow软件对产品注塑过程进行了数值化模拟分析，进而对成型方案作出了有效地检验与改进，通过对分析结果的比较、总结，获得了可行性较好的工艺参数数据，这些数据为后序的模具方案设计及成型工艺调节提供了指导性意见，为汽车内饰件的制造提供了有力的技术支持和理论依据，同时促进汽车工业与模具工业的共同发展。

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