汽车二次成型塑料配件模流分析

王昌儒，陈再良

（苏州大学 机电工程学院，苏州 215021）

0 引言

现如今，对于注塑件新产品的开发，为了尽可能缩减开发周期，减少模具设计失误率和修模成本，制取合格率高的产品，在注塑模具设计之前一般借助CAE软件进行模流分析。通过前期的模流分析，可以模拟整个注塑工艺过程，得到原料填充时间、最大注塑压力、翘曲变形量等参数值，为模具设计中优化浇口位置和尺寸、避免产品出现严重缺陷和经验主义造成的损失提供了重要依据[1～6]。对于需要二次注塑成型的较复杂产品，比如基体材料为硬胶，覆盖材料为软胶的产品，本身注塑工艺难度大，产品质量难以控制。二次注塑成型过程中，每次注塑都要严格控制温度，若出现浇口位置和尺寸选择不当、模腔排气不畅等问题，产品很容易产生飞边、熔接线等缺陷，甚至发生烧伤而报废。因此，在注塑件新产品开发前期进行模流分析，对于设计人员而言具有重要参考价值[7]。

1 产品材料分析

研究对象三维图如图1所示，需要进行二次注塑成型。产品基体部分材料为硬胶，外边缘包覆一圈软胶材料。基体部分体积188cm3，所占空间大小为455×99×136mm，投影面积494cm2，外边缘包覆的软胶部分体积86cm3，投影面积469cm2。产品物性表如表1所示。硬胶与软胶材料粘温曲线如图2、图3所示。

图1 产品三维图

图2 硬胶材料粘温曲线

图3 软胶材料粘温曲线

经过对比，发现第一次注塑与第二次注塑时模具表面温度与熔体温度有较大差异，为了防止出现熔接线和飞边等缺陷，需要严格控制模具表面温度与热流道温度，精准把握开始第二次注塑的时间。

表1 材料物性表

2 产品模流分析

2.1 产品总体壁厚分析

产品总体壁厚分布如图4所示，从分析结果来看，硬胶部分壁厚分布均匀，不存在壁厚突变区，基本壁厚为1.8mm。软胶部分基本壁厚为1.5～1.8mm，外边缘加厚约0.3mm，产品整体较薄。

图4 产品总体壁厚分布图

2.2 热流道系统设计

产品需要二次注塑成型，第一次注塑与第二次注塑需要控制的注塑温度是不同的，分别设计一套热流道系统。结合产品结构与尺寸大小，第一次注塑采用2点开放式热流道系统，第二次注塑采用4点开放式热流道系统。采用扇形浇口，可使熔体初始流动平缓。浇口位置如图5所示。

图5 产品浇口位置图

2.3 料流填充时间分析

料流填充时间模拟分析如图6所示，第一次注塑熔体温度为210℃，模具表面温度为40℃，料流填充时间为2.1s，V/P切换点填充体积百分比为98%，保压压力为40MPa；第二次注塑熔体温度为230℃，模具表面温度为40℃，料流填充时间为1.6s，V/P切换点填充体积百分比为98%，保压压力为57MPa。

图6 料流填充时间分析图

2.4 V/P切换时压力分析

由图7所示，第一次注塑V/P切换时的最大压力为51MPa，第二次注塑V/P切换时的最大压力为72MPa。产品压降较为均匀，压力梯度适宜，没有出现压力过大现象。

图7 V/P切换时压力分布图

2.5 流动波前温度分析

从图8中第一次注塑与第二次注塑流动波前的温度分布可以看出，第一次注塑时，流动波前温度分布较为均匀，温差较小。第二次注塑时，A区域局部温度最高，为231.4℃，此处会因型腔内积聚的气体的压缩作用，实际注塑时可能会产生烧伤现象。为了改善B区域和C区域温度分布，提高料流的流动性，改善注塑效果，需要对浇口的位置和角度作出修正。

图8 流动波前温度分布图

2.6 气穴与熔接线分布位置

图9显示气穴可能出现的位置，空心圆圈标记的位置即为气穴位置。图10显示熔接线可能出现的位置以及该处的温度，图中粗线条示意熔接线位置。第一次注塑时，熔接线处的温度最高为210℃，其他两处分别为199.6℃和209℃。第二次注塑时，熔接线处的温度分别为213.1℃和216.1℃。温度低处为熔接线最易产生的区域。气穴与熔接线应尽量消除，避免影响产品外观、强度等要求。在设计模具时，一般在靠近气穴与熔接线可能出现的地方增设排气孔或者排气镶件，还需要考虑模流分析结果与实际注塑时的差异。

图9 气穴可能的分布位置示意图

图10 熔接线可能的分布位置及温度示意图

2.7 产品基材变形分析

图11 产品基材沿坐标轴方向变形示意图

如图11所示，(a)、(b)、(c)分别为产品基材部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的变形放大2倍后的示意图。图中透明部分为变形前的产品，实体部分为变形后的产品。产品在X轴方向和Y轴方向的变形主要是收缩变形，图中箭头指向表示收缩的方向。在X轴方向变形量范围为-1.69～+1.79mm，在Y轴方向变形量范围为-1.18～+0.65mm。产品在Z轴方向上的翘曲变形量范围为-0.54～+0.71mm。根据产品图纸设计要求，X轴方向变形量较大，不符合设计精度要求，需要进行优化。

3 优化分析

根据前面的模流分析结果，需要从修正浇口位置、尽量消除气穴影响与熔接线、控制变形量等方面进行优化分析，改进方案如下：

1）如图8所示，为了避免实际注塑时A区域因局部温度高而发生烧伤，改善B区域和C区域温度分布以提高料流的流动性，B处浇口位置应上移至最近的产品拐角处，C处浇口应更改为直浇口，同时在A区域设置排气装置。

2）一般的注塑过程中，会在料流前端和填充末端出现气穴现象。气穴现象会影响产品的外观，气体无法排出，严重时会发生短射与烧焦现象。设计模具时，应在相应位置设置排气装置，实际注塑时要控制注塑速度。熔接线是因注塑时多股料流相汇合时，流动波前温度低而形成。为了尽量消除产品熔接线，除了可以在设计模具时增设排气孔或者排气镶件外，还有4种常见的保证料流汇聚时温度适宜的方法：适当提高模具表面温度；适量提高熔体注入温度，即提高注塑机炮筒的设置温度值；提高料流在模腔内的流动速度，即提高注塑机挤入螺杆的进给速度；适当提高注塑压力值。产品在试模时，可以根据注塑的实际情况灵活选用解决方法。

3）本文研究对象结构与尺寸精度已确定，无法更改。可以通过优化模具冷却水路系统来减小产品变形量。从模流分析结果来看，X轴方向变形量超出设计精度要求，在模具相应位置应该增加水路数目，保证第一次注塑与第二次注塑时，熔体可以被均匀冷却，减小产品变形量。也可采用分段保压工艺，控制模腔压力梯度和产品体积收缩，减少内应力，达到控制产品变形量目的。

4 结论

通过对汽车塑料配件进行模流分析，得到产品的二次注塑料流填充时间分别为2.1s和1.6s，填充的

【】【】最大压力分别为51MPa和72MPa，产品在X轴、Y轴和Z轴方向上的变形量范围分别为-1.69～+1.79mm、 -1.18～+0.65mm和-0.54～+0.71mm。并且得到二次注塑流动波前的温度分布情况与气穴和熔接线可能出现的位置。结合分析结果，对浇口位置与角度进行优化，确定了最佳进料方式。设计模具时，可以参考模拟得到的气穴和熔接线位置图和变形量图，设计相应的排气装置和分布均匀、足够数目的水路。在试模时，根据实际情况调整工艺参数值，力求产品的完美。模流分析提高了注塑产品开发效率，有助于技术人员控制注塑工艺过程，降低报废率，是注塑行业有效的辅助制造工具。

参考文献：

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[4]王波.Moldflow模流分析在注塑过程中的应用[J].塑料科技,2015,43(6):75-78.

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