汽车前保险杠顺序注射模流分析与工艺优化

李又兵，胡学川，赵利亚，张 攀，周桦林

（1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆400054；2.重庆平伟科技（集团）有限公司，重庆400026；3.重庆市高校模具技术重点实验室，重庆400054）

汽车前保险杠顺序注射模流分析与工艺优化

李又兵1，3，胡学川1，2，赵利亚1，张 攀1，周桦林1

（1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆400054；2.重庆平伟科技（集团）有限公司，重庆400026；3.重庆市高校模具技术重点实验室，重庆400054）

针对某汽车前保险杠注射成型工艺问题，采用Moldflow软件并结合气动控制顺序阀技术，模拟分析了注塑浇注系统与冷却系统，预测了气穴和熔接痕位置；实现了熔体从10个点浇口先后进行顺序填充型腔，锁模力要求大于1820 t，冷却水雷诺系数（Re）大于10000；在模拟优化的基础上进行了试模生产。结果表明，产品进浇平衡，外观品质好，生产效率得到明显提升。

前保险杠；顺序注射；模流分析；优化

0 前言

保险杠是轿车的重要外饰件，在生产中常常利用计算机辅助工程（CAE）软件优化其注射工艺，提高注射品质，从而达到外观优良的效果。孙晋［1］用Moldflow分析软件分析了注射成型工艺参数对产品翘曲变形的影响排序，产品翘曲变形明显改善。刘建雄［2］模拟了保险杠气辅注射成型的充填过程，结合实际生产条件优化得到气辅注射成型工艺参数。张东［3］以江铃某汽车保险杠出现的缩痕为研究对象，运用Moldflow分析结果提出了浇注系统的改进方案。林莅莅［4］针对轿车前保险杠生产中熔接痕数、涂装色差等问题，提出了多浇口顺序控制方法。罗佳烽等［5］运用Moldflow软件对皇冠轿车前保险杠进行了成型参数模拟优化，有效地降低了翘曲变形，提高了保险杠品质。李金国等［6］将热流道顺序阀成功应用于后保险杠生产，有效地降低了熔接痕数量，产品的外观及力学性能满足设计要求。

本文以一款轿车前保险杠为研究对象，针对以往保险杠在注射成型过程中出现的浇注不均匀、熔接痕、翘曲等问题，利用Moldflow模流分析，结合顺序注射工艺，对保险杠热流道注射成型工艺进行了优化设计，获得了优化的产品工艺解决方案。

1 塑件工艺分析

如图1所示，以某汽车车型开发的前保险杠本体为原型，该保险杠尺寸为652.3 mm×1768.15 mm× 520.38 mm，平均壁厚为2.7 mm。塑件尺寸较大，要求表面光滑，无毛刺、飞边及熔接痕。材料为广州金发科技股份有限公司的聚丙烯（PP）/热塑性聚烯烃弹性体（TPO）/21%～23%滑石粉（Talc），牌号为ABP-203，熔体流动速率为28～34 g/10 min、密度为1.04～1.08 g/cm3、拉伸强度为18 MPa、弯曲强度为25 MPa、弯曲模量为1950 MPa、悬臂梁缺口冲击强度为30 kJ/m2、热变形温度为53℃、收缩率为0.6%～0.9%。

设定的工艺参数为：模具的表面温度为40℃、熔体温度为210℃、速度压力切换为充填体积的98%、冷却时间为15 s。

图1 保险杠结构示意图Fig.1 The bumper structure

2 模流分析

2.1 浇注系统

注射浇口的位置对塑料的流动方向和流动的平衡性起到了决定性作用，产品的品质可以通过优化浇口位置明显提高；浇口位置的不合理会造成熔体充填不均匀，引起过保压、高剪切应力以及熔接线和翘曲等一系列的缺陷。通过Moldflow分析，如图2所示，该保险杠采用10点进胶的热流道方式。

图2 浇口及流道分布图Fig.2 Layout of the injection gate and runner

2.2 顺序充填分析

为了改善塑料熔体的充填品质，该模具进浇方式采用气压式顺序阀控制。通过控制气动阀门的开启与关闭，实现对10个点浇口的进浇顺序的控制。图3为塑料熔体在保险杠模具中的充填时间分布图，可以看出，完成充填时间为6.5 s，具体的浇口充填的过程如表1所示。中间浇口a及浇口b为常开浇口，当t＝2.44 s时，阀门口3、4打开开始进浇，当t＝3.59 s时，阀门口1、2打开并进浇，随后当t＝4.66 s时，阀门口7、8打开并进浇，紧接着当t＝4.68 s时，阀门口5、6打开并进浇，这时，塑料熔体同时从10个浇口进行充填型腔。当t＝6.11 s时，完成了V/P的切换，当t＝6.47 s时，完成了塑料熔体充填。采用顺序控制进浇的充填方式有效地保证了塑料熔体在模具型腔中的平衡式充填。

表1 充填过程表Tab.1 Changes of injection parameters during the injeciton molding

图3 充填时间模拟结果Fig.3 Simulation results of the injection time

图4为该产品的流动前沿温度，可以看到最低温度在雾灯灯框下脚位置，温度为190℃，可能会出现熔接线及温差线。在实际注射的时候，需要注意黄色（浅灰色）位置的温度不能太低，可以通过适当提高机筒温度和增加注射压力进行改善。

图4 流动前沿温度Fig.4 Temperature at the forefront of the polymer melt

由图5可以看出，该保险杠注射成型需要的最大锁模力出现在注射时间为6.12 s时，锁模力要求为1820 t，因此，基于安全考虑，选择的注射机锁模力必须大于2300 t。

2.3 气穴分析

图6为保险杠气穴的分布图，可以看出气穴主要分布在巢穴里面，在加工模具的时候，需要注意在容易产生气穴的地方增加排气槽以及镶块进行排气，避免产品在注射成型时出现气泡等缺陷。

图5 锁模力随注射时间的变化Fig.5 Mould clamping force changed with the injection time

图6 产品气穴分布图Fig.6 Air void distribution of the bumper

2.4 熔接痕分析

图7是保险杠的熔接线所在位置图。可以看出，出现在圈内的熔接线比较明显，该熔接线的明显程度将直接影响到保险杠喷涂后外观的好坏，需要通过后期工艺的调节来优化熔接线。

图7 保险杠熔接线分布图Fig.7 Weld line distribution of the bumper

由图8（a）可以看出，保险杠变形最大的地方出现在长度方向的最长端，其次是与引擎盖搭接的保险杠上边缘。对于保险杠两端的变形，由于两端有相应的左右侧支架限位，能够将变形量拉回去贴合在左右侧支架，所以影响不大。对于前保险杠上端中间部分变形问题，可以通过更改卡扣或做一定的预变形量，同时单独对此处接一组冷却水路，并通过调整工艺来减小变形。由图8（b）～（c）可以看出，对保险杠变形最大的是收缩不均，其次是角效应，冷却不均对保险杠的变形几乎没什么影响。

2.5 冷却系统分析

在注射过程中，模具水路系统设计非常重要，它不仅影响产品的外观品质，直接影响产品的生产周期，也关系到生产制造成本。为提高模具的冷却效率，模具冷却水道中冷却水应该处于湍流状态，流速V＝0.5～1 m/s甚至更高，Re＞10000时，其传热能力比层流高10～20倍。

图8 保险杠变形情况及其影响因素Fig.8 The deformation of the bumper with its influnce factors

图9（a）是回路冷却水路设计及其对应的Re分布情况。可以看出Re最小为33134，满足冷却模具的要求。图9（b）是冷却液出入模具的温度分布情况，可见看出冷却水的入口温度为20℃，出口最高温度为21℃，最低温度与最高温度相差1℃，模具的冷却效果良好。

3 生产验证

在试模过程中，采用模拟得到的工艺进行模具调试。采取短射的方式，观察产品熔体充填是否平衡，实际产品如图10所示，可以看到产品安装雾灯的区域缺料的面积大小基本一致，表明浇注系统进料总体平衡。

通过实际参数的优化调整得到的产品出现了如Moldflow分析中得到的熔接线，但是熔接线较短，喷涂后不明显，同时无气泡、缩痕等问题，外观良好。从成型周期来看，该保险杠成型平均周期约为48 s，传统的轿车保险杠生产周期约为75 s，生产效率明显提高。根据产品注射生产统计结果，该保险杠注射报废率约为1%，而传统的轿车保险杠注射报废率约为5%，产品报废率明显降低，降低了成本。

图9 冷却系统Re及其冷却液温度分布情况Fig.9 Reynolds number distribution of the cooling system and temperarure distribution of the cooling liquids

图10 Moldflow优化参数短射得到的保险杠照片Fig.10 A practicality picture of bumper produced by short shot at the moldflow optimized parameters

4 结论

（1）采用气压式顺序阀实现了熔体从10个点浇口先后进浇控制，当t＝6.11 s时，完成了V/P的切换，当t＝6.47 s时，完成了塑料熔体充填；最大锁模力出现在6.12 s时，锁模力要求大于1820 t；

（2）对保险杠变形影响最大的是收缩不均，其次是角效应，冷却不均对保险杠的变形几乎没有影响；

（3）冷却水路设计实现Re大于10000，冷却液的入口温度为20℃，出口最高温度为21℃，模具冷却效果良好。

［1］ 孙 晋，李永泉，李 峰.注塑成型工艺参数对汽车保险杠翘曲变形的影响研究［J］.塑料工业，2011，39（5）：49-52.Sun Jin，Li Yongquan，Li Feng.Effect of the Injection Molding Processing Parameters on Automobile Bumper Warpage Deformation［J］.China Plastics Industry，2011，39（5）：49-52.

［2］ 刘建雄，肖正明，吴正宇.汽车保险杠气辅注射成型技术研究及工艺优化［J］.工程塑料应用，2006，34（9）：23-26.Liu Jiaxiong，Xiao Zhengming，Wu Zhengyu.Study on GAIM Technology of Auto-bumper and Process Opimization［J］.Engineering Plastics and Application，2006，34（9）：23-26.

［3］ 张 东.基于CAE技术及优化理论的汽车保险杠注塑成型工艺研究［D］.南昌：南昌大学机电工程学院，2009.

［4］ 林莅莅.大型注塑件熔接痕形成机理及控制研究［D］.重庆：重庆大学机械工程学院，2008.

［5］ 罗佳烽.基于CAE的大型注塑模自干扰进浇设计及工艺参数优化［D］.广州：广东工业大学材料与能源学院，2008.

［6］ 李金国，陈兰贞，马张其.顺序阀技术在轿车后保险杠熔接痕控制中的应用［J］.塑料工业，2010，38（6）：39-43.Li Jinguo，Chen Lanzhen，Ma Zhangqi.Application of Sequence Valve Technology in Weld Lines Control of Car Back Bumpe［J］.China Plastics Industry，2010，38（6）：39-43.

Moldflow Analysis and Process Optimization for Sequentially Injection-molded Auto Front Bumpers

LI Youbing1，3，HU Xuechuan1，2，ZHAO Liya1，ZHANG Pan1，ZHOU Hualin1
（1.College of Materials Science and Engineer，Chongqing University of Technology，Chongqing 400050，China；2.Chongqing Pingwei Science and Technology Co，Ltd，Chongqing 400026，China；3.Chongqing Mold Technique Key Lab，Chongqing 400050，China）

In order to study the sequential injection molding technique for injection-molded auto front bumpers，Moldflow software combined with pneumatic sequence valve technology was used to simulate the injection and cooling systems，and the positions of cavitation and weld line were forecasted.The sequential injection molding through 10 pin-point gates was simulated by Moldflow software.It was found that a mould locking force of more than 1820 tons and a reynolds number of 1000 were required in this injection molding technique.The auto front bumpers were produced on the basis of the above simulation optimizations.The results indicated that the sequentially injection molded auto front bumpers exhibited a good injection balance，good appearance quality and high production efficiency.

front bumper；sequential injection molding；moldflow analysis；optimization

TQ320.66＋2

：B

：1001-9278（2017）03-0064-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.03.012

2016-07-19

重庆市应用开发重大项目（cstc2014yykfC0011）

联系人，li-youbing＠163.com