CAE技术在汽车发动机罩模具设计中的应用

余 玲，夏秉梅，彭必友

（1．西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039；2．天津华涛汽车塑料饰件有限公司，天津300000）

CAE技术在汽车发动机罩模具设计中的应用

余 玲1，夏秉梅2，彭必友1

（1．西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039；2．天津华涛汽车塑料饰件有限公司，天津300000）

以汽车发动机罩的模具开发为例，采用计算机辅助工程（CAE）技术和流变学理论相结合的方法，设计其热流道浇注系统，模拟该汽车发动机罩的整个注塑过程，对比分析原始设计方案和优化设计方案，通过实际生产，验证其可行性，成功获得合格的产品。

汽车发动机罩；模具；浇注系统；优化设计

0 前言

汽车部件塑料化是当今汽车制造业的一大发展趋势，越来越多的大型塑件被用于其零部件生产，而如何高效进行模具设计，从而有效地缩短开发周期、提高产品品质、降低生产成本，已成为零部件厂商关注的重点。本文以某汽车发动机罩的模具开发为例，采用CAE技术和流变学理论相结合的办法，系统地计算出浇注系统的尺寸，并对原始设计方案和优化设计方案进行分析对比研究。

1 产品介绍

汽车发动机罩模型如图1所示，外形尺寸为591mm×437mm×113mm，主料厚2．5mm。相对主尺寸而言属于薄壳件，产品反面有螺钉和装配卡扣，正面表面为黑色细沙纹外观面，不允许有外观缺陷和浇口痕迹。由于产品整体尺寸偏大，且有较高的外观品质要求，将模具型腔数目定为一模一腔。

图1 汽车发动机罩模型Fig．1 Model of the car engine hoods

产品材料采用的是质量分数为30%的玻璃纤维增强聚酰胺6（PA6／30%GF），由Rhodia公司生产，牌号为Technyl Star S 218V30Black。材料的主要性能参数：最大切应力0．5MPa，最大剪应速率60000s－1，顶出温度174℃，熔体温度推荐范围240～280℃，模具温度推荐范围60～100℃。

根据材料的性能特点，将产品的工艺参数设置为：模温80℃；熔体温度260℃；速度／压力控制（V／P）转换98%；保压压力分为3段：80%P—80%P—50% P（P为填充的最大注射压力），保压时间分别为0、8、12s。

2 浇注系统设计

由于汽车发动机罩是属于中大型制品，从生产成本和品质要求等方面综合考虑，主要采用热流道浇注系统，根据流变学理论初步估算其热流道尺寸。

2．1 理论基础

以非牛顿流体在圆形流道中流动时的力学平衡模型为基础，采用幂律方程，进行非牛顿校正，推导出式（1）：

式中 γ·——剪切速率，s－1

n——非牛顿指数

Q——体积流速，cm3／s

d——圆形流道直径，cm

显然，只要γ·、n、Q已知，即可求出d。

（1）γ·的取值

通过查阅资料［1－3］，发现注射过程中熔融塑料流经热主流道的剪切速率为5×103s－1，流经热分流道的剪切速率可取5×102s－1。

（2）Q值的计算对于主流道：

式中 t——填充时间，s

V——填充体积，cm3

对于分流道：

式中 Qi——第i级分流道的体积流速，cm3／s

Qi－1——第i－1级分流道的体积流速，cm3／s

mi——下一级分流道的分支数

（3）n值的研究

n对于不同的原料具有不同的取值，而且n的取值随温度和γ·的不同而不同，因而n的值一般由实验来确定。

2．2 估算流道尺寸

首先在CAE软件中按照流动平衡的原则，初步设置6个进浇点同时注塑进行模拟分析，获取初始填充时间2．5s，填充体积707．76cm3，进而进行估算热流道的尺寸。

（1）热主流道直径（dS）

将上面的分析结果代入式（2）得主流道中塑料熔体体积流速QS为：

QS＝707．76／2．5≈283．10cm3／s （4）

根据材料供应商提供的数据，查得材料在熔体温度260℃，剪切速率5×103s－1时，非牛顿指数n＝0．59，将QS代入流变学公式（1），得

（2）热分流道直径（dR）

初步设置6个热分流道，根据式（3）得到分流道中熔体的体积流率（QR）为：

QR＝283．104／6≈47．18cm3／s （6）

根据材料供应商提供的数据，查得材料在熔体温度260℃，剪切速率5×102s－1时，非牛顿指数n＝0．64，代入相应流变学公式（1），得

以上面的计算结果作为基础，为方便制造，采用热流道厂商的标准尺寸，将浇注系统尺寸确定为：主流道尺寸D10mm～D12mm；分流道尺寸D12mm。

确定热流道的尺寸后，再根据熔体性能、塑件结构、外观和装配要求等，将冷流道设计为D8mm，采用长度10mm的搭接扇形浇口，其尺寸为：20mm× 1．5mm（大端）；8mm×6mm（小端）。

图2 浇注系统设计方案Fig．2 Design schemes of two runner systems

2．3 设计方案

原始设计方案是根据客户建议的浇注系统，如图2（a）所示，采用6点针阀式热流道（图中序号1～6），7点搭接扇形侧浇口。图2（b）是根据产品结构特点，经验和成本要求，按照流动平衡的原则，利用CAE软件反复优化设计验证后得到的浇注系统，采用5点针阀式热流道（图中序号1～5），8点搭接扇形侧浇口。

通过反复的模拟调整，最终确定了2种方案热流道针阀的开启时间，如表1所示。

表1 两种方案热流道针阀的开启时间 sTab．1 Needle valve open time of two hot runner systems s

3 两种方案的对比模拟分析

针对汽车发动机装饰罩的品质要求，采用Moldflow软件的流动分析模块对2种设计方案的整个注塑过程进行模拟分析，为正确评估浇注系统优化设计方案的可行性，下面就根据产品品质考察的重点内容，对比分析2种设计方案的主要模拟结果。

图3是2种设计方案的流动填充状态图，主要通过填充时间来显示熔体在整个型腔中流动情况。从图中可以看出，由于产品采用的是顺序控制，最先填充的位置都刚好是阀式浇口开启时间为零的位置，原始设计方案的熔体是从上向下流动，流程比较长，对于大型批量生产的产品而言，容易造成模具局部闭合力不均的问题，而优化设计方案的熔体是由中心向四周扩散，流程比均衡较短，保证模具整体的锁模力均衡，填充时间也分配均匀，时间相对减少了0．35s左右，缩短了成型周期。

图3 流动填充状态图Fig．3 Diagram of flow fill state

图4 速度／压力控制转换时的压力分布图Fig．4 Diagram of pressure at V／Pswitchover

图4为熔体注射由速度控制转换成压力控制时的压力分布图。从模拟结果看出，原始设计方案的最大压力约为48．68MPa，优化设计方案的最大压力约为37．13MPa，前者比后者高出12MPa左右，意味着原始设计方案的熔体在流动路径上所受阻力较大，必须施加更大的注射压力才能保证熔体顺利充模。而过大的注射压力容易使塑件产生飞边和变形，批量生产时还会影响模具的使用寿命。

图5是熔接痕、气穴和填充云纹线叠加图，其中粗的黑色线条显示的是熔接痕，小圆球是困气点，细的云纹线条表示填充时熔体流动前沿的扩展情况。从图中可以看出，虽然合理的调整了热流道针阀开启的时间，避免了由于针阀的提前开启而造成的熔接痕，但原始方案由于浇口设置的原因，还是在2个浇口的熔体汇聚处形成了黑色圆圈标示的熔接痕，此处的料流汇合呈对流状态，角度小于理论的120°，熔接痕长，伴有困气点，这类熔接痕一般都不容易消除，困气也会产生鼓包现象，强度较低，会影响塑件的的力学性能和表面品质。优化设计方案没有在塑件表面形成明显熔接痕，料流也是由中心向四周流动，有利于推动气体排出，不会产生困气，品质明显优于原始设计。

图5 熔接痕、气穴和填充云纹线叠加图Fig．5 Superposed graph of weld lines，air traps and filling cloud line

作为影响塑件装配的主要考察因素，翘曲变形也是分析研究的重点，图6中所示的就是产品总体变形量，产品的总变形量显示的是模型上每一点空间的变形量，以所有变形前的节点为参照，显示模型变形后的形态［4］。原始设计方案的最大变形量约为10．33mm，最大变形位置在标示的产品右上角，优化设计方案由于设计合理，实现了压力降的均匀分布，极大地降低了不均匀收缩引起的翘曲变形。最大变形量仅为5．98mm，比原始方案减少了50%左右，最大变形位置在标示的产品左边边缘部位。从产品结构来看，旁边设计有一个固定卡子，在装配时可以更有效地减少变形，不会影响装配效果。

图6 翘曲总变形量Fig．6 Total warping deformation

通过以上的对比分析，优化设计方案无论从成型周期、压力分布、外观品质和装配要求等方面来看，都明显优于原始设计方案。因此，最终将优化设计方案用于汽车发动机装饰罩的模具设计和试模过程中。结果表明，产品的外观品质和装配结果与CAE模拟分析结果十分吻合，均优于客户要求。图7是实际生产得到的产品图。

图7 产品实物图Fig．7 Product figure

4 结论

（1）采用CAE技术和流变学理论相结合的方法，系统的计算出浇注系统主、分流道的尺寸，为此类大型复杂模具的设计提供了科学依据，提高了设计的准确性和实用性；

（2）利用数值模拟结果，优化设计汽车发动机装饰罩的浇注系统，合理控制针阀的开关时间，优化模具的结构和工艺参数，解决潜在的缺陷，有效提高产品品质，极大地缩短模具开发周期，降低生产成本，为企业带来更好的经济效益。

［1］唐志玉 ． 塑料模流变学设计［M］．北京：国防工业出版社，1991：49－79．

［2］李伊熙，骆秀云．汽车塑料应用手册［M］．北京：机械工业出版社，1989：90－92．

［3］董祥忠．超大型塑料注射模的设计［J］．塑料工业，1995，25（3）：26－30．Dong Xiangzhong，The Design of Super－large－scale Injection Mold［J］．China Plastics Industry，1995，25（3）：26－30．

［4］汤小东．基于Moldflow的汽车格栅零件浇注系统的优化设计［J］．塑料科技，2012，40（9）：68－70．Tang Xiaodong．Optimal Design of Gating System for Car Grille Parts Based on Moldflow［J］．Plastics Technology，2012，40（9）：68－70．

《泡沫塑料——机理与材料》简介

发泡本身是一种动态而且复杂的过程，涉及到科学原理和控制加工工艺的工程参数。本书的主要目的之一是要透彻理解泡沫塑料的基本机理和材料性能。第1章介绍了泡沫塑料的机理和所用材料。基本机理似乎对所有泡沫塑料都适用，因为泡沫塑料都是通过发泡制得的，其中涉及到泡孔成核、长大和稳定等机理。第3章和第5章专门讨论了上述机理。

尽管发泡是一种不稳定的、具有动态复杂性的相分离过程，但材料强度对决定泡沫塑料的发泡程度和泡孔结构起着决定性的作用。第2章专门讨论了材料强度，因为材料强度对热塑性塑料的挤出发泡非常重要。第4章、第6章和第7章深入讨论了不同泡沫塑料的制备工艺，其中包括热塑性泡沫塑料、热固性软质和硬质聚氨酯泡沫塑料。我们希望本书能深入全面地分析泡沫塑料的机理、材料性能及其之间的相互关系。

本书对正在进行基础和应用研究的工业界和学术界的科学家、化学家和工程师们透彻理解发泡机理和材料性能有所帮助，促使其取得更大成绩。本书也可以用作硕士研究生的教科书和大学泡沫塑料课程的参考书。

该书是Polymeric Foams：Mechanisms and Materials的中译本，由北京工商大学材料与机械工程学院轻工业塑料加工应用研究所张玉霞、王向东翻译，由化学工业出版社出版。

《泡沫塑料——法规、工艺和产品技术与发展》简介

自20世纪60年代以来，聚合物泡沫塑料技术已经发展成为一项稳固的产业，几乎影响了现代生活的各个方面。泡沫塑料行业已经渡过了70年代的能源危机，解决了80年代的臭氧问题和90年代的回收／再利用问题。但是，发展和社会环境前进的步伐又在迅速变化，将关注点更加坚定地聚焦在性能、可持续发展资源和能源安全上。《泡沫塑料——法规、工艺和产品技术与发展》一书不仅探索了这一领域新的理念、创新和发展，还提出了有关泡沫技术和应用发展方向的全球性观点。

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与今天其他大多数领域一样，人们朝着环境友好、满足特殊应用而提高性能方向所进行的努力推动着研究和开发。本书不仅提供了一幅开发过程的图画，还涵盖了泡沫行业新的发展方向及其对现在和未来发展的影响。该书是Polymeric Foams：Technology and Developments in Regulation，Process and Products（作者：Shau－Tang Lee，Dieter Scholz）的中译本，由北京工商大学材料与机械工程学院轻工业塑料加工应用研究所张玉霞、王向东翻译，由化学工业出版社于2011年8月出版。

Application of CAE Technology in Mold Design of Car Engine Hood

YU Ling1，XIA Bingmei2，PENG Biyou1
（1．School of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2．Tianjin Huatao Automobile Plastic Accessories Co，Ltd，Tianjin 300000，China）

This article reported a case study on the application of CAE technology for mold design of car engine hood．The hot runner system was first designed by combination of CAE technology and rheological theory．The projects derived from the original design and optimized design was analyzed and compared through simulating the whole injection molding process of a car engine hood．The feasibility of the optimized design project was confirmed by the practical production，and the qualified products were also manufactured successfully．

car engine hood；mould；hot runner system；optimized mold design

TQ320．66＋2

B

1001－9278（2017）07－0132－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．022

2017－03－20

联系人，yuling1906＠126．com