基于气辅成型及CAE模拟分析技术的大型精密汽车保险杠注塑模具设计

王兰萍

摘 要：本课题通过气辅注塑CAE模拟分析技术，完成了大型精密汽车保险杠注塑模具的三维数字化设计。并通过计算机完成汽车保险杠模具气辅注塑的仿真过程，模拟熔体及气体在型腔内的流动及穿透情况，定量地给出成型过程中的状态参数（如压力、温度、速度等），根据分析结果，改进气道的布局、尺寸，优化成型工艺参数和模具设计，从而改变了过去那种单靠人为经验来设计模具浇口位置及尺寸，需要多次试模，反复修改，才能最后设计定型和制造模具的落后方法。

关键词：注塑成型；翘曲变形；CAE；工艺参数

0 前言

在汽车行业，用塑料代替金属来制造汽车保险杠已成为一个重要发展趋势， 塑料保险杠制作可通过注塑模具批量完成，因汽车保险杠结构复杂，尺寸大，所以其相应注塑模具结构也比较复杂，且模具外形尺寸大、体积重，注射时还常常会遇到成型困难和工艺范围狭窄等问题，为解决类似问题，传统的大型汽车保险杠在模具设计时，其浇注系统常采用热流道，同时增加浇口数目，其结果浇注过程中产生模具型腔充填很难均衡现象，且产品熔接痕数目增多，严重影响制品的外观、质量、力学性能等一系列问题。气辅注射成型技术作为一种创新的注射成型工艺，突破了传统注射成型的局限性，它可以在注塑件内部注入高压气体代替熔体进行注射保压，从而降低了注射压力和锁模力，用小型注射机成型较大塑件，降低能耗，有效消除塑件表面缩痕，减小制品翘曲变形、提高表面质量、缩短生产周期等等，且其材料适用性好，产品轻量化、质量高。再加上运用先进的注塑CAE模拟分析技术，可将热流道的数量和进浇口的位置等通过分析进行合理优化，确定合理的热流道点数，有效控制和减少产品表面熔接痕位置和数量，实现产品重要外观不出现熔接线，满足塑件产品外观质量要求，提高产品合格率。

本课题是校企合作研发的HWQ-B50大型精密汽车保险杠模具设计课题，研发中创新运用气辅注塑及CAE模拟分析技术，并结合CAD/ CAM/ CAE 等模具数字化设计与制造新技术，实现了大型精密汽车保险杠模具数字化设计、制造的研发，并实现了其产业化，为企业获得了很大的经济效益。

1 HWQ-B50大型精密汽车保险杠模具设计

1.1 HWQ-B50 汽车保险杠结构分析

HWQ-B50 汽车保险杠塑件如图1 所示， 最大外形尺寸为1786mm×558mm×531mm，平均料厚4 mm。且要求表面光洁、线条清晰。该塑件大，且结构复杂，用于生产其塑件的注塑模具抽芯机构多， 类似为一个中等程度的工作母机；模具浇注系统采用热流道，需要通过电加热；型腔、型芯及冷却系统复杂，型腔与浇注系统的热流道相互矛盾；制品顶出系统复杂，需用液压和机械联合顶出。

从如图1所示的塑件A - A局部截面看，此产品模具设计宜采用内分型 ，以减少分型线对产品外观的影响，产品脱模，整体弯曲3.0 mm，并且动作要求开模和顶出同步。内部结构采用导轨运动，抽出型芯，通常分模线应在大面表面上， 但为确保车身外饰件要求表面光洁、线条美观、流畅的目的， 确定在底侧部进行分模， 确保塑件表面无分模痕迹。

图1 HWQ-B50 汽车保险杠塑件

1.2 应用Moldflow 软件对塑件进行气辅CAE模拟分析，确定浇口、气口位置与数量

通过Moldflow 软件在计算机上完成HWQ-B50汽车保险杠注塑模具气辅注塑仿真过程及各种模拟分析，根据分析结果，调整熔体浇口、气口位置、流道尺寸和气道尺寸的优化以及气道的合理布置。

1）进行网格划分

应用UG软件建立stl 格式的HWQ-B50汽车保险杠三维数字化模型， 导入Moldflow 软件， 对其进行网格划分和修补，确保制品模型的单元网格匹配率、连通区域数值、网格交叉和完全重叠网格数值、未配向单元数值以及匹配度和最大纵横比完全满足Moldflow的分析要求。

2）设定成型分析工艺参数

由塑件材料：PP + EPDM+ T20 改性材料，设定相关成型分析工艺参数为：最大注射压力为55MPa，气体注射压力为20MPa，模温50℃，熔体温度为230℃，延迟时间为25s，气道的等效直径为9.6mm，冷却时间为22s。

3） 确定浇口、气口位置及数量

通过Moldflow 软件首先对制件进行最佳浇口、气口位置分析，了解塑件浇口选取的位置，如图2中深兰色部分所示 ， 确保塑件成型均匀、完整、无缺陷等。为了进一步确定浇口、气口位置与数量。根据塑件结构分析， 模具结构的初步设计以及多次成型流动分析， 采用对称6点同一侧面浇口的方案， 如图3 所示。

4） 塑件气辅CAE模拟分析，进一步优化浇注系统的设计

应用Moldflow 软件对塑件初步设计方案进行气辅CAE模拟分析，模拟熔体填充、保压、冷却情况，分析制品注塑中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况， 为避免注射熔体量不足、气体压力过大、气穴、吹穿、表面凹陷等的发生。根据分析结果，调整熔体浇口、气口位置、流道尺寸和气道尺寸的优化以及气道的合理布置。如图2所示，最终模具的浇注系统设计采用5点侧浇口热流道方式，合理满足模具结构条件， 特别是拉料杆的位置空间得到了保证， 减少分流道流程， 避免了与其他机构相干涉。

图2 最佳浇口位置

图3 初步浇口位置和进胶顺序设计

1.3 塑件结构的二次设计

通过对塑件进行翘曲变形、注射压力等等CAE模拟分析。必须对塑件进行进一步的设计优化，在严格保证塑件功能、外饰件要求的条件下，充分满足模具结构要求和模具制造工艺。由于塑件上表面两侧处存在大斜面，内侧有倒钩， 为了简化模具结构， 必须把塑件沿Y轴旋转3°， 旋转后上表面两侧大斜面就能顺利脱模， 避免内抽芯过大。塑件两侧缺口处的型芯外面做抽芯，同时内面可避免再做斜顶机构，并在塑件安装位转动90°，直接在滑块上生成。另外， Y轴方向两侧预留变形重新成型，实现塑件二次关键设计。endprint

1.4 模具结构设计

模具结构设计是整副模具成败的关键，本课题汽车保险杠模具外形尺寸大、体积重达40余吨，且结构复杂，类似一个中等程度的工作母机，模具浇注系统采用热流道，需要电加热；型腔、型芯及冷却系统复杂，模具分型抽芯机构、模温控制装置、制品顶出系统结构复杂等等。

1） 塑件材料收缩率的确定：塑件材料为PP + EPDM+ T20 改性材料， 综合材料的注射工艺和塑件的形状以及材料的变形等特性，同时考虑预留变形因素所造成的差异， 塑件材料收缩率在X、Y、Z三轴方向分别采用1.1 % 、 1.0 %和 1.0 %三种不同的收缩率。

2） 脱模方式确定：塑件在脱模时， 首先开模和第一次顶出同步一段距离，内部抽芯先抽出产品变形空间，防止产品变形，确保产品脱离倒扣，留在型芯；然后，继续开模，同时停止顶出，当开模距离到达一定大时，停止开模；再进行第二次顶出，完成内部抽芯；，继续第三次顶出，此次顶出采用顶块顶出，同时由机械手取出产品，最后油缸复位。

3） 导轨抽芯装置设计：保险杠内抽芯结构如图4所示，为了保证斜顶与1型芯帽运动畅通，采用自滑压条，油缸顶出1型芯帽，2导轨带动14斜顶往上运动，因固定在3斜顶中的两个导向杆运动限制，使得1斜顶沿着5导向杆方向向上斜线运动，完成斜顶抽芯动作，同时3斜顶带动其余在斜顶中的抽芯块如4抽芯块，这样可以完成产品内部和产品两侧抽芯，此结构可靠、运动稳定。

1-型芯帽 2-驱动导轨 3-斜顶 4-抽芯块 5-导向杆

图4 汽车保险杠模具导轨抽芯装置

4） 冷却系统设计：为使塑件在模腔内迅速冷凝定型，确保成型周期，本项目模具型芯和型腔设置冷却系统管道 15mm的斜孔和直孔，每条冷却回路与热流道隔开，长度控制在5M以内， 充分发挥其冷却作用。

5） 排气槽设计：根据CAE 分析，首先在相关困气部位开设排气槽， 其次，在内抽芯滑块上开排气槽，以解决合模状态下 内抽芯存在真空，确保本模具先内抽芯再开模的设计。

6） 模具材料选用及热处理： 为减少内应力，增加模具强度、硬度，可对模具主要部件进行热处理。

①模具型腔选用20Cr合金渗碳钢， 为运用粗加工后进行渗碳回火的加工工序， 一方面，提高表面硬度（28～32 HRC）和耐磨性，另一方面减少热处理变形，确保模具制造精度，使模具使用寿命得以提高。

②模具型芯滑块选用718 钢（3CrNiMo）材料，原因是该滑块要求高，体积比较大，且存在双向运动；同时为减少因摩擦而引起的热变形，可使用润滑油，增加滚动装置，确保模具型芯滑块的制造精度。

1.5 模具结构及其工作原理

模具结构如图5所示。

模具开模时，首先油缸7得到设备信号进油，通过连杆26，推动横梁5和型芯帽3向前顶出运动，横梁5通过导柱16拉动斜顶14沿导轨13运动。其次，固定在型芯帽地侧的导板4，确保型芯帽3在顶出过程中保持水平运动，不会因为型芯帽3的自重和导柱9与导套10 之间的间隙而下坠。然后，固定在型芯帽3上的型芯镶件17通过导柱18带动滑块19沿导向杆20运动，型芯镶件26固定在型芯固定板6上静止不动，让出滑块19的运动空间。最后，斜顶14开始运动时，导板的T型槽是水平的，顶块23保持与型芯帽3同步，运动到一定距离后，顶杆24的T型导轨接触到导板25的T型槽的倾斜段，顶块23相对型芯帽3开始顶出动作，释放产品上的深筋的留模力，油缸行程到位后，用机械手取件。

2 结束语

通过基于气辅成型及CAE模拟分析技术的大型精密汽车保险杠注塑模具设计，突破了传统的汽车保险杠塑件设计、制造的理念与方法，通过计算机以全新的数字化设计与制造手段，实现了大型精密汽车保险杠注塑模具设计最优化的工艺设计方案，降低了传统模具设计制造反复试、修模的成本，缩短了开发周期，提高了制品质量和生产率.对企业进行大型精密汽车保险杠系列注塑模具设计和高效注塑生产具有较高的实际指导意义。

参考文献：

[1]Agrawal D， Vasudevan P， Knowledge Based Systems Development of Injection Molding， Advanced Application Technology， 1998， 10（5）： 419-428.

[2]张珑，塑料成型CAE——moldflow应用基础，电子工业出版社，北京，2010.6， 207.

[3]Torsten Kruse， Injection Mold Process Simulation A Productivity Tool for processor ANTEC'2000，SPE conference，2000， 732.

[4]钱欣、金杨福，塑料注射制品缺陷与CAE分析，化工工业出版社，北京，2010.1，84-89.

[5]陈智勇，Moldflow6.1注塑成型从入门到精通，电子工业出版社，北京，2009.9， 67.endprint

1.4 模具结构设计

模具结构设计是整副模具成败的关键，本课题汽车保险杠模具外形尺寸大、体积重达40余吨，且结构复杂，类似一个中等程度的工作母机，模具浇注系统采用热流道，需要电加热；型腔、型芯及冷却系统复杂，模具分型抽芯机构、模温控制装置、制品顶出系统结构复杂等等。

1） 塑件材料收缩率的确定：塑件材料为PP + EPDM+ T20 改性材料， 综合材料的注射工艺和塑件的形状以及材料的变形等特性，同时考虑预留变形因素所造成的差异， 塑件材料收缩率在X、Y、Z三轴方向分别采用1.1 % 、 1.0 %和 1.0 %三种不同的收缩率。

2） 脱模方式确定：塑件在脱模时， 首先开模和第一次顶出同步一段距离，内部抽芯先抽出产品变形空间，防止产品变形，确保产品脱离倒扣，留在型芯；然后，继续开模，同时停止顶出，当开模距离到达一定大时，停止开模；再进行第二次顶出，完成内部抽芯；，继续第三次顶出，此次顶出采用顶块顶出，同时由机械手取出产品，最后油缸复位。

3） 导轨抽芯装置设计：保险杠内抽芯结构如图4所示，为了保证斜顶与1型芯帽运动畅通，采用自滑压条，油缸顶出1型芯帽，2导轨带动14斜顶往上运动，因固定在3斜顶中的两个导向杆运动限制，使得1斜顶沿着5导向杆方向向上斜线运动，完成斜顶抽芯动作，同时3斜顶带动其余在斜顶中的抽芯块如4抽芯块，这样可以完成产品内部和产品两侧抽芯，此结构可靠、运动稳定。

1-型芯帽 2-驱动导轨 3-斜顶 4-抽芯块 5-导向杆

图4 汽车保险杠模具导轨抽芯装置

4） 冷却系统设计：为使塑件在模腔内迅速冷凝定型，确保成型周期，本项目模具型芯和型腔设置冷却系统管道 15mm的斜孔和直孔，每条冷却回路与热流道隔开，长度控制在5M以内， 充分发挥其冷却作用。

5） 排气槽设计：根据CAE 分析，首先在相关困气部位开设排气槽， 其次，在内抽芯滑块上开排气槽，以解决合模状态下 内抽芯存在真空，确保本模具先内抽芯再开模的设计。

6） 模具材料选用及热处理： 为减少内应力，增加模具强度、硬度，可对模具主要部件进行热处理。

①模具型腔选用20Cr合金渗碳钢， 为运用粗加工后进行渗碳回火的加工工序， 一方面，提高表面硬度（28～32 HRC）和耐磨性，另一方面减少热处理变形，确保模具制造精度，使模具使用寿命得以提高。

②模具型芯滑块选用718 钢（3CrNiMo）材料，原因是该滑块要求高，体积比较大，且存在双向运动；同时为减少因摩擦而引起的热变形，可使用润滑油，增加滚动装置，确保模具型芯滑块的制造精度。

1.5 模具结构及其工作原理

模具结构如图5所示。

模具开模时，首先油缸7得到设备信号进油，通过连杆26，推动横梁5和型芯帽3向前顶出运动，横梁5通过导柱16拉动斜顶14沿导轨13运动。其次，固定在型芯帽地侧的导板4，确保型芯帽3在顶出过程中保持水平运动，不会因为型芯帽3的自重和导柱9与导套10 之间的间隙而下坠。然后，固定在型芯帽3上的型芯镶件17通过导柱18带动滑块19沿导向杆20运动，型芯镶件26固定在型芯固定板6上静止不动，让出滑块19的运动空间。最后，斜顶14开始运动时，导板的T型槽是水平的，顶块23保持与型芯帽3同步，运动到一定距离后，顶杆24的T型导轨接触到导板25的T型槽的倾斜段，顶块23相对型芯帽3开始顶出动作，释放产品上的深筋的留模力，油缸行程到位后，用机械手取件。

2 结束语

通过基于气辅成型及CAE模拟分析技术的大型精密汽车保险杠注塑模具设计，突破了传统的汽车保险杠塑件设计、制造的理念与方法，通过计算机以全新的数字化设计与制造手段，实现了大型精密汽车保险杠注塑模具设计最优化的工艺设计方案，降低了传统模具设计制造反复试、修模的成本，缩短了开发周期，提高了制品质量和生产率.对企业进行大型精密汽车保险杠系列注塑模具设计和高效注塑生产具有较高的实际指导意义。

参考文献：

[1]Agrawal D， Vasudevan P， Knowledge Based Systems Development of Injection Molding， Advanced Application Technology， 1998， 10（5）： 419-428.

[2]张珑，塑料成型CAE——moldflow应用基础，电子工业出版社，北京，2010.6， 207.

[3]Torsten Kruse， Injection Mold Process Simulation A Productivity Tool for processor ANTEC'2000，SPE conference，2000， 732.

[4]钱欣、金杨福，塑料注射制品缺陷与CAE分析，化工工业出版社，北京，2010.1，84-89.

[5]陈智勇，Moldflow6.1注塑成型从入门到精通，电子工业出版社，北京，2009.9， 67.endprint

1.4 模具结构设计

模具结构设计是整副模具成败的关键，本课题汽车保险杠模具外形尺寸大、体积重达40余吨，且结构复杂，类似一个中等程度的工作母机，模具浇注系统采用热流道，需要电加热；型腔、型芯及冷却系统复杂，模具分型抽芯机构、模温控制装置、制品顶出系统结构复杂等等。

1） 塑件材料收缩率的确定：塑件材料为PP + EPDM+ T20 改性材料， 综合材料的注射工艺和塑件的形状以及材料的变形等特性，同时考虑预留变形因素所造成的差异， 塑件材料收缩率在X、Y、Z三轴方向分别采用1.1 % 、 1.0 %和 1.0 %三种不同的收缩率。

2） 脱模方式确定：塑件在脱模时， 首先开模和第一次顶出同步一段距离，内部抽芯先抽出产品变形空间，防止产品变形，确保产品脱离倒扣，留在型芯；然后，继续开模，同时停止顶出，当开模距离到达一定大时，停止开模；再进行第二次顶出，完成内部抽芯；，继续第三次顶出，此次顶出采用顶块顶出，同时由机械手取出产品，最后油缸复位。

3） 导轨抽芯装置设计：保险杠内抽芯结构如图4所示，为了保证斜顶与1型芯帽运动畅通，采用自滑压条，油缸顶出1型芯帽，2导轨带动14斜顶往上运动，因固定在3斜顶中的两个导向杆运动限制，使得1斜顶沿着5导向杆方向向上斜线运动，完成斜顶抽芯动作，同时3斜顶带动其余在斜顶中的抽芯块如4抽芯块，这样可以完成产品内部和产品两侧抽芯，此结构可靠、运动稳定。

1-型芯帽 2-驱动导轨 3-斜顶 4-抽芯块 5-导向杆

图4 汽车保险杠模具导轨抽芯装置

4） 冷却系统设计：为使塑件在模腔内迅速冷凝定型，确保成型周期，本项目模具型芯和型腔设置冷却系统管道 15mm的斜孔和直孔，每条冷却回路与热流道隔开，长度控制在5M以内， 充分发挥其冷却作用。

5） 排气槽设计：根据CAE 分析，首先在相关困气部位开设排气槽， 其次，在内抽芯滑块上开排气槽，以解决合模状态下 内抽芯存在真空，确保本模具先内抽芯再开模的设计。

6） 模具材料选用及热处理： 为减少内应力，增加模具强度、硬度，可对模具主要部件进行热处理。

①模具型腔选用20Cr合金渗碳钢， 为运用粗加工后进行渗碳回火的加工工序， 一方面，提高表面硬度（28～32 HRC）和耐磨性，另一方面减少热处理变形，确保模具制造精度，使模具使用寿命得以提高。

②模具型芯滑块选用718 钢（3CrNiMo）材料，原因是该滑块要求高，体积比较大，且存在双向运动；同时为减少因摩擦而引起的热变形，可使用润滑油，增加滚动装置，确保模具型芯滑块的制造精度。

1.5 模具结构及其工作原理

模具结构如图5所示。

模具开模时，首先油缸7得到设备信号进油，通过连杆26，推动横梁5和型芯帽3向前顶出运动，横梁5通过导柱16拉动斜顶14沿导轨13运动。其次，固定在型芯帽地侧的导板4，确保型芯帽3在顶出过程中保持水平运动，不会因为型芯帽3的自重和导柱9与导套10 之间的间隙而下坠。然后，固定在型芯帽3上的型芯镶件17通过导柱18带动滑块19沿导向杆20运动，型芯镶件26固定在型芯固定板6上静止不动，让出滑块19的运动空间。最后，斜顶14开始运动时，导板的T型槽是水平的，顶块23保持与型芯帽3同步，运动到一定距离后，顶杆24的T型导轨接触到导板25的T型槽的倾斜段，顶块23相对型芯帽3开始顶出动作，释放产品上的深筋的留模力，油缸行程到位后，用机械手取件。

2 结束语

通过基于气辅成型及CAE模拟分析技术的大型精密汽车保险杠注塑模具设计，突破了传统的汽车保险杠塑件设计、制造的理念与方法，通过计算机以全新的数字化设计与制造手段，实现了大型精密汽车保险杠注塑模具设计最优化的工艺设计方案，降低了传统模具设计制造反复试、修模的成本，缩短了开发周期，提高了制品质量和生产率.对企业进行大型精密汽车保险杠系列注塑模具设计和高效注塑生产具有较高的实际指导意义。

参考文献：

[1]Agrawal D， Vasudevan P， Knowledge Based Systems Development of Injection Molding， Advanced Application Technology， 1998， 10（5）： 419-428.

[2]张珑，塑料成型CAE——moldflow应用基础，电子工业出版社，北京，2010.6， 207.

[3]Torsten Kruse， Injection Mold Process Simulation A Productivity Tool for processor ANTEC'2000，SPE conference，2000， 732.

[4]钱欣、金杨福，塑料注射制品缺陷与CAE分析，化工工业出版社，北京，2010.1，84-89.

[5]陈智勇，Moldflow6.1注塑成型从入门到精通，电子工业出版社，北京，2009.9， 67.endprint