汽缸盖护罩外壳注塑模有限元分析与工艺参数优化

曹贵崟

（贵州装备制造职业学院，贵州 贵阳 551400）

引言

针对汽缸盖护罩外壳成型过程中，由于零件的横向跨度太大，且零件的内表面上有十多条的加强筋，影响注射过程中熔体的流动性，零件容易产生气穴和变形；零件内表面上有许多的复杂结构的倒扣和凹槽，需要对其进行侧抽芯设计才能顺利的脱模[1]。本文通过对汽缸盖护罩外壳零件进行模型分析、浇注系统设计、工艺分析等，采用有限元分析方法分析出最佳工艺参数，并对产生的缺陷进行有效的分析。

1 汽缸盖护罩外壳注塑模模型分析

该汽缸盖护罩外壳是尺寸偏大的塑料壳体类零件，产品的形状构造如图1所示。

通过分析零件的外形尺寸，在UG中打开汽缸盖护罩外壳的三维模型。运用测量体的命令可以测量出单个零件的体积为72.371 cm3，且该零件壁厚为1.5 mm，为大型薄壁件。零件的安装位置可知，零件安装于发动机汽缸盖盖罩上部，对汽缸盖以及发动机进行保护、防尘、防水等作用，防止其他零件从上掉落直接接触到汽缸盖，造成汽缸盖或者发动机的损伤。防止水或者油液直接于汽缸盖接触，侵蚀汽缸盖，造成发动机汽缸盖的使用寿命和使用性能大幅度降低。

根据零件结构形状可知，零件上表面比较光滑，无特殊的凹坑或者凸起，但是下表面却有很多的复杂倒扣结构，需进行侧抽芯成型，且还存在许多加强筋的凸起结构，零件的横向跨度比较大，因此在熔体流动过程中，可能由于零件过大产生气穴，由于孔和部分复杂结构的存在产生熔接痕、翘曲变形等，这些缺陷的产生均会使零件的结构、性能、使用寿命降低。

2 浇注系统设计

2.1 主流道的设计

熔体从注塑机喷嘴开始流到分流道上的通道。其尺寸设计为：

1）主流道长度要根据模具实际情况来定。

2）主流道小端直径d：d=注塑机成型机射嘴规格尺寸+（0.5~1）mm=7.5 mm。

3）主流道大端直径D：D=d+2Ltanα=7.5+2×35 tan1°=8.72。式中：α=1°，L=35 mm。

4）主流道圆弧面半径RS：RS=喷嘴球半径+（1~2）mm=18 mm+2=20 mm。

2.2 浇口的设计

熔体从分流道到型腔的通道，成型后最先固化位置。防止进料回流，成型后方便零件进行分离，为满足流动性以及有效充填，采用双点浇口注塑成型。点浇口截面一般为圆形，其直径约为0.3~2 mm，本次设计采用的直径为2 mm，截面形状为圆形。该零件是一模一腔两个浇口注塑成型，要对熔体进行分流，因此需要设计分流道，选圆形截面的流道，保证合理的充填时间，截面直径为2~12 mm。由于汽缸盖护罩外壳采用的是热流道注塑成型，需要对处于分流道内的熔体进行一个加热保温处理。由于零件的实体中心并未与注塑机喷嘴中心在垂直投影下重合，因此分流板做成了“凸”字型[2]。

3 工艺参数确定

3.1 工艺分析

型腔的布置采用一模一件横向排布的方式，浇口的类型选择为多点浇口（双点浇口），成型方法采用热流道注塑成型，浇口的位置设置在塑件上表面三等分的位置处。使零件左、中、右三部分的体积大致相等。

3.2 网格划分

通过CAE软件进行网格划分，网格匹配百分比达到了94.2%，相互百分比达到了92.3%，符合要求并且适合进行双层面分析，但零件的最大纵横比值为18.09 mm，通过网格质量诊断、合并节点修复等进行修整，使得最大纵横比为9.940 345 mm，大于10 mm纵横比单元已被完全修复，满足分析要求[3]。

3.3 浇口分析

为得到性能较好的制件，尽量选择合适的浇口位。通过Modflow进行分析，得到零件的最佳浇口位置，在零件的中部蓝色区域，如图2所示。

3.4 浇注系统及冷却系统设计

在Modflow中新建浇口层与流道层分别用于后续对流道和浇口网格的划分。运用偏移创建节点和两点之间创建节点命令创建浇口位置点和流道的点。然后创建直线命令后取消在直线末端自动创建节点操作将节点进行连接起来。在浇口和流道层应用2.50 mm的全局边长分别对浇口以及流道的网格划分，为节约成本将管道加工到模具外部用软管进行连接，得出浇注系统如图3所示，冷却系统如图4所示[4]。

4 有限元分析

4.1 零件有限元分析

通过模拟，选用充填时间为1.132 s。解算后得出零件的变形主要集中出现在最边缘轮廓处，且达到了2.685 mm。由于熔体最后充填到该部位造成塑件的收缩不均匀从而呈现出了比较大的翘曲变形，如图5所示。

通过分析，得出零件产生熔接痕的位置主要分布在零件内部复杂结构需要斜顶进行抽芯处；产生气穴的位置处于零件需要斜顶进行侧抽芯处以及零件的侧边轮廓处。

解决办法：采用增加发生翘曲变形部位的保压、或者延长保压时间；延长冷却时间，改善已发生翘曲变形处的冷却水道排布；在此处增加加强筋、适当修改产品壁厚等方法解决零件成型翘曲变形；采用提高模具的整体温度，对容易产生熔接线的地方局部提高温度；调整浇口的位置，提高模具的注射压力以及延长注射的时间等，降低熔接痕产生；完善模具的排气装置设计；降低注射机在熔体充填过程中的注射速度；改变熔体进行填充的方式等减少气穴的产生[5]。

4.2 DOE优化实验

由于零件的翘曲变形值达到了2.685 mm，因此在CAE平台中选择DOE优化功能，对零件发生的翘曲变形缺陷进行降低，将熔体温度、开模时间、填充压力这3个设置为变量，质量标准为缩痕深度、顶出时的体积收缩率以及翘曲变形。在进行的第五个方案解算中，当我们把溶体温度提高为257.95℃，开模时间为4 s时，此时的变形为2.112 mm，与之前进行分析的2.685 mm相比，降低了21.3%。

5 结论

通过网格划分、网格修复对汽缸盖护罩外壳的三维模型进行有限元分析以及工艺参数的调整优化，对缺陷较为严重的纵横比进行了自动和手动两种修复，分析得出了本次零件的最佳浇口位置，设计浇注与冷却系统。应用成型窗口分析取得了本次零件的最佳的参数。最后对本次零件易产生的缺陷类型进行分析并提出了部分应对措施。