汽车零件注塑模具的CAE分析及设计研究

刘项来 徐伟 刘鹏

摘要：注重汽车零件注塑模具的CAE分析及设计研究，有利于保持这类模具应用过程中良好的功能特性，确保汽车零件注塑模具的应用有效性，从而为汽车制造行业生产效率提高提供保障。因此，需要结合汽车零件注塑模具的实际情况，在其分析中引入CAE并加以使用，促使汽车零件注塑模具实践应用中能够达到预期效果。

关键词：汽车零件;注塑模具;CAE分析;设计研究

1注塑成型的工艺过程

注塑工艺过程主要包括：成型前准备、注塑成型过程和塑料制品的后处理。注塑成型过程主要包括塑化、填充、保压和冷却4个阶段。注塑成型的工艺参数主要包括：温度、压力和时间。在4个阶段中，起主要作用的温度、压力和时间等工艺参数也随着注塑过程的变化而变化。

（1）温度：注塑成型过程中的温度主要有塑料熔体温度和模具温度。塑料熔体温度直接影响塑化和注塑充模，模具温度则影响充模和冷却定型。塑料熔体温度的高低决定了塑料熔体流动性的优劣。熔体温度高，则粘度小，流动性就好，所需的注塑压力就低，成型后塑件的表面光洁度好，出现熔接痕的可能性就小。模具温度主要是指塑件接触的模腔表面温度。模具温度直接影响塑料熔体的填充流动、塑件的冷却速度以及塑件的最终成型质量。一般来说提高模具温度可以提高塑料熔体在模具里的流动性，提高塑件的致密度和结晶度，同时减少注塑压力和塑件中的压力。但是提高模具温度也会增加塑件的冷却时间、增大了塑件的收缩率和脱模后的翘曲变形，同时塑件的成型周期也会因为冷却时间的增加而变长，降低了生产效率。

（2）压力：注塑成型中的压力主要包括注塑压力、保压压力和背压（也称塑化压力）。注塑压力是指在注塑过程中用以克服塑料熔体从注塑机料筒流入模具型腔的流动阻力，提供填充速度和对熔体进行压实等。注塑压力的大小和塑件的成型质量以及生产效率有直接的关系。在本项目研究中，也会重点采用Moldflow软件对注塑压力进行优化设计。保压压力是指对模腔内熔体进行压实和维持向模腔内进行补料流所需要的压力。保压压力和保压时间的选择直接影响注塑产品的质量。背压是指螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时所收到的压力。提高背压可以提高熔体温度并使温度均匀，但会降低塑化的速度。背压的大小与制件成型的原料品种、喷嘴类型以及加料方法有关。

（3）时间：完成一次注塑成型过程所需的时间称为注塑成型周期。注塑成型周期主要是由注塑时间、保压时间、冷却时间和开模时间组成。注塑时间主要是指注塑活塞在注塑油缸内开始向前运动到模腔被全部充满为止所需要的时间。保压时间是从模腔充满后开始，到保压结束所需时间。冷却时间是指保压结束后到打开模具所需的时间。开模时间是模具打开取出塑件到下一个成型周期开始的时间。在保证塑件质量的前提下，应尽可能缩短成型周期中的各段时间，以提高生产效率。

2注塑模CAE技术的研究发展状况

塑料的注塑成型过程主要包括充填、保压、冷却和脱模这几个阶段，其相应的注塑CAE仿真过程包括流动仿真、冷却仿真、收缩和翘曲仿真等。注射成型CAE技术通常利用有限元法、边界元法等数值计算方法，来模拟塑料注塑过程、预测翘曲，并分析材料、工艺参数及模具结构对制品质量的影响，从而对其进行优化改进。如在模具制造之前，可以先通过注塑成型CAE软件对制件注塑过程进行分析，了解制品成型过程中填充、保压、冷却和翘曲等情况;然后根据产品质量要求，来调整成型工艺参数和修改模型，进而进行模具设计与制造。另外，对塑制品进行CAE仿真分析可方便地对成型过程中各个不同状态量的变化规律、制品的宏观结构及微观性能进行预测，为研究人员进行优化设计和成形过程的控制提供科学依据，也使得工艺设计人员的工作量有所减少。注塑模CAE作为一种先进的仿真工具，改变了传统的注塑模设计和制造方法，同时也为生产实用化提供了可行性依据。近些年来，随着计算机、移动通讯及汽车行业等生产朝着轻量、薄壳化发展，塑件的结构变得复杂，成型难度不断增加，这也使得对塑料制品等进行注塑CAE分析研究显得尤为重要。注塑模CAE技术的应用将会给企业乃至整个塑料行业带来巨大的经济效益。

3汽车零件注塑模具的CAE设计

3.1浇注系统设计及优化

浇注系统在设计上要保证产品的质量、性能不会受到外观等的影响。对于注塑模具的设计要强化浇注系统的研究工作。根据特点在模具设计上主要采用试差法进行浇注系统的设计工作，经过计算公式对流道尺寸等进行调整，直到符合系统设计要求为止。但是这个过程需要的费用较高，要严格进行成本控制，并且在一定程度上将会影响到产品的质量，严重的时候会导致产品报废。但是随着CAE技术的不断完善利用算法对浇注系统进行优化，对于提升注塑模具质量有着重要的意义。注塑模浇注系统组成浇注系统由主流道、分流道、绕口和冷料井组成，下面对流道和绕口在设计时应遵循的原则作简要介绍。分流道是连接主流道和饶口的进料通道，是多浇口模具浇注系统的重要组成部分，其对充模保压过程影响很大。普通浇注系统的分流道一般开设在分型面上，以便开模时脱出浇道凝料。由于分流道要将高温高压的塑料熔体流向从主流道转换到模腔，所以设计时不仅要求熔体通过分流道时的温度下降和压力损失都应尽可能小，而且还要求分流道能够平稳均衡地将熔体分配到各个模腔。保证分流道尺寸形状更加的合理，使产品的质量能够符合系统的要求，对于复杂的生产流程进行简化，需要在多角度对CAE技术的应用进行综合分析。

3.2实践中的冷却系统设计

3.2.1实践中的冷却分析作用

（1）结合冷热系统设计要求，在CAE的支持下进行冷却分析，能够在专业软件的作用下對冷却系统进行传热模拟分析，从而为设计人员的具体工作开展提供参考信息;（2）通过对冷却系统设计中的有效分析，能够对这类系统运行中可能出现的问题进行总结，并在CAE分析方式的配合作用下，得到所需的冷却系统设计方案，促使该系统应用中能够处于稳定的运行状态，避免对汽车零件注塑模具成型质量造成影响：（3）基于CAE的冷却系统分析，能够对系统运行过程的数值进行模拟，使得冷却系统布局过程中能够得到所需的工艺参数，满足系统布局不断优化要求，使得冷却系统注塑更加均衡。同时，CAE作用下的冷却系统分析，也有利于实现冷却回路的科学设置，缩短其设计周期。

4.2冷却系统的设计要点

（1）为了避免对汽车零件注塑模具质量造成影响，并保持冷却系统运行中良好的冷却效果，则需要在其设计中注重冷却管道的合理布局，并在CAE的支持下，确定最佳的管道路径。同时，冷却系统设计中设计人员应重视规格相同的管使用，并确保水孔型腔距离相同，使得冷却系统运行中能够在浇口附近进行冷却，进而保持注塑模具良好的设计质量。（2）基于CAE的冷却系统设计，需要在Moldflow软件的支持下，完善该系统设计方案，并通过对传热学方面对冷却系统规定要求的考虑，控制好该系统的设计过程。同时，设计过程中也应考虑塑件翘曲变形，进而实现对汽车零件注塑模具质量的科学评估，保持这类模具良好的设计状况。

5结束语

总之，CAE，能够为汽车零件注塑模具性能优化提供保障，并为其设计方案的形成提供所需的参考信息。因此，在未来汽车零件注塑模具实践过程中相关人员应在了解其功能特性的基础上，重视 CAE的合理使用，从而实现对这类模具的科学分析。

参考文献

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[3]赵战锋.汽车摆臂钩成型CAE分析及注塑模具设计[J].工程塑料应用，2017，4505：95-100.

（作者单位：长城汽车股份有限公司技术中心）