氣輔成型及CAE仿真優(yōu)化注塑模澆注研究

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

氣體輔助注塑成型的方法是指在普通注塑成型方法的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的1類新型的注塑成型的加工工藝。氣體輔助注塑成型的注模進(jìn)程是指向模具的型腔內(nèi)部灌注一部分熔體后，迅速向型腔內(nèi)部注入高壓氣體（一般為氮?dú)猓?，該氣體可以在先前灌注到型腔內(nèi)部的熔體中形成中空的區(qū)域，并且加速相關(guān)熔體持續(xù)向前流動(dòng)直到充滿型腔的所有空間。因?yàn)橛袣怏w參與注塑成型的過(guò)程，所以氣體輔助注塑成型方法與一般的注塑成型方法相比具有節(jié)約原材料、減少冷耗費(fèi)的時(shí)間等優(yōu)勢(shì)；氣體在型腔內(nèi)部可以均勻地傳導(dǎo)各個(gè)方向的壓力，使氣體輔助注塑成型在型腔內(nèi)部空間完全充滿的整個(gè)進(jìn)程中，需要外界施加的注射壓力小于使用普通注塑成型方法時(shí)需要的壓力，進(jìn)而達(dá)到降低注射壓力及鎖模力的目的。因?yàn)闅怏w輔助注塑成型方法同時(shí)具備減少最終成品內(nèi)部的殘余應(yīng)力、降低最終成品翹曲形變幅度以及提升最終成品的表面品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，所以使用該方法能夠生產(chǎn)出在體積相同的前提下，質(zhì)量較輕、剛度和強(qiáng)度比值相對(duì)較高以及輪廓曲線清晰度高的成品。

該文利用常規(guī)方法制造的日本豐田公司皇冠牌轎車的前保險(xiǎn)杠是符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的合格成品，不過(guò)該成品具有澆口數(shù)量較多、成型過(guò)程的鎖模力比較大以及最終成品的表面容易發(fā)生收縮形變等缺陷。當(dāng)利用氣體輔助注塑成型技術(shù)對(duì)相關(guān)澆注系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行改良時(shí)，研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的C-Mold軟件模擬研究了不同種類的澆注系統(tǒng)及不同的氣道分布對(duì)氣體輔助注塑成型工藝及最終成品質(zhì)量的不同影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化得出的3點(diǎn)行灌注、4根排氣通道和4個(gè)氣體入口型對(duì)稱排布的規(guī)劃設(shè)計(jì)模式是最合理的方案。使用該方案進(jìn)行生產(chǎn)，澆口的數(shù)量由原有的15個(gè)降低到目前的4個(gè)，瞬間最大鎖模力數(shù)值由1 255.0 t下降到967.8 t，并且顯著地降低了最終成品的總質(zhì)量，同時(shí)明顯提升了最終成品的表面品質(zhì)。

1 CAE的概念和發(fā)展過(guò)程

CAE指的是利用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助求解相對(duì)復(fù)雜的工程及各類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、部件的剛度、屈曲狀態(tài)的穩(wěn)定性、動(dòng)力狀態(tài)的響應(yīng)、熱傳導(dǎo)狀態(tài)、三維空間多物體接觸、等物體力學(xué)特性或性能的分析計(jì)算以及對(duì)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等操作的數(shù)值模擬分析研究的方法。CAE技術(shù)從20世紀(jì)60年代初期在工程實(shí)踐中開始應(yīng)用到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了60多年的不斷發(fā)展和進(jìn)步，其基礎(chǔ)理論及主要算法的演變過(guò)程均歷經(jīng)了發(fā)展直到成熟的漫長(zhǎng)過(guò)程。現(xiàn)階段，CAE技術(shù)已經(jīng)成為工程實(shí)際及相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中不可或缺的數(shù)值模擬計(jì)算的工具和方法，也是進(jìn)行分析和研究連續(xù)力學(xué)學(xué)科中各種問(wèn)題的主要方法。隨著電腦設(shè)備的推廣及持續(xù)升級(jí)換代，CAE相關(guān)軟件的功能及模擬計(jì)算的精度均獲得了大幅度的提升，各類依托產(chǎn)品數(shù)字化建立三維模型的CAE軟件應(yīng)用系統(tǒng)由此產(chǎn)生，并且已經(jīng)變成受力分析及構(gòu)造改進(jìn)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件。

CAE仿真分析軟件的關(guān)鍵理念是數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)的離散性，就是把零部件真實(shí)構(gòu)造離散成有限數(shù)字的規(guī)律單元結(jié)合體，真實(shí)構(gòu)造的物理特性可以借助對(duì)于離散物體實(shí)施有限元分析，獲取符合相關(guān)工程使用精度的近似成果來(lái)代替對(duì)真實(shí)構(gòu)造的研究，該操作可以解決許多實(shí)際零部件應(yīng)該解決但是理論研究又不能解決的繁雜狀況。該數(shù)字仿真分析的基本進(jìn)程是把1種外形繁雜的連續(xù)零部件的求解范圍分為有限的外形簡(jiǎn)潔的子區(qū)域，即將1個(gè)連續(xù)零部件體簡(jiǎn)化為由有限個(gè)基礎(chǔ)元素組合的等效組合物體；通過(guò)對(duì)連續(xù)物體進(jìn)行離散化處理分析，將求解連續(xù)物體的變量參數(shù)簡(jiǎn)化為求解有限的單位節(jié)點(diǎn)上的參數(shù)值。這時(shí)獲取的基本方程式即為一類代數(shù)求解方程式，而不是原本實(shí)際連續(xù)物體場(chǎng)變量的微分類型方程式。再解出并獲取相似的參數(shù)值，該參數(shù)值的近似程度取決于所使用的單元種類、數(shù)目以及對(duì)應(yīng)單元的函數(shù)值。并且生成相應(yīng)狀態(tài)下代表載荷、溫度及受力狀態(tài)的不同顏色的對(duì)照?qǐng)D像，相關(guān)CAE仿真工程技術(shù)人員把該過(guò)程叫做CAE仿真分析軟件的后期處理。

2 CAE瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模擬仿真方法研究

2.1 確定氣輔成型零部件、加工工藝及注塑裝置

前保險(xiǎn)杠成品的總體尺寸參數(shù)是長(zhǎng)度為1 685 mm、寬度為585 mm、高度為385 mm, 兩側(cè)各有1個(gè)矩形的燈孔成品、5個(gè)安裝用的倒鉤以及若干個(gè)加強(qiáng)筋。并采用三元乙丙橡膠改性聚乙烯(PPE/PDM)為原材料進(jìn)行注塑加工。

2.2 建立三維幾何模型圖形集

在CAE仿真軟件的C-Mold中動(dòng)態(tài)模擬分析所選用的模塊是中面模型（Mid-SurfaceModel），該類幾何模型可以源于其他的三維繪圖軟件，也可以使用該軟件本身自帶的建模模塊（C-MoldModeler）來(lái)生成幾何模型。保險(xiǎn)杠幾何模型的生成過(guò)程包括幾何圖形元素的編輯、拓?fù)涠x、屬性定義和模型網(wǎng)格的劃分[1]，上述全部步驟都可以使用C-MoldModeler中對(duì)應(yīng)的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常在生成幾何模型（如圖1所示）和劃分網(wǎng)格（如圖2所示）時(shí)，需要特別關(guān)注以下4點(diǎn)：1）可以對(duì)保險(xiǎn)杠的幾何模型中與模擬過(guò)程關(guān)聯(lián)度不高的細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化。2）網(wǎng)格的尺寸劃分需要根據(jù)成品的實(shí)際尺寸來(lái)制定，即劃分過(guò)程需要保證形體網(wǎng)格的密度大體相符。3）網(wǎng)格劃分過(guò)程中，形狀參數(shù)相關(guān)因子的取值不宜過(guò)大，一旦過(guò)大就需要進(jìn)行合理的調(diào)整，如果選取不當(dāng)可能會(huì)影響分析結(jié)論的可靠性。4）網(wǎng)格的總數(shù)最好不要超過(guò)4 005個(gè)，不然會(huì)導(dǎo)致模擬過(guò)程的計(jì)算出現(xiàn)問(wèn)題以及，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)可用資源不足的情況，進(jìn)而導(dǎo)致模擬計(jì)算過(guò)程失敗[2]。

2.3 各類型模具澆口規(guī)劃及氣道開發(fā)解決方案

2.3.1 CAE動(dòng)態(tài)模擬仿真分析研究技術(shù)參數(shù)及條件

該文選用的軟件ACT C-Mold97.1模擬計(jì)算了多種澆口和氣道布局所對(duì)應(yīng)的5類氣體輔助注塑成型方案（其中，3點(diǎn)灌注時(shí)分別使用20 MPa和30 MPa的氮?dú)膺M(jìn)行充填）和澆口對(duì)應(yīng)的2類普通的注塑成型方法。也就是說(shuō)對(duì) 7類不同方案進(jìn)行模擬分析。

2.3.2 CAE動(dòng)態(tài)模擬仿真分析研究結(jié)論分析

氣輔成型模具需要設(shè)計(jì)澆口和氣道入口的位置，用來(lái)保證熔體及氣體順暢地注入。氣道入口應(yīng)該位于澆口處或附近的型芯處，氣道需要考慮成品的結(jié)構(gòu)和形狀，且其應(yīng)該指向熔體最后填充的區(qū)域。

氣輔成型的熔體前段速度與澆口數(shù)量、位置及氣壓參數(shù)有關(guān)。氣壓相同時(shí)，澆口數(shù)越少，流動(dòng)越快，；氣壓不同時(shí)，澆口數(shù)越少，流動(dòng)越慢；在澆口數(shù)相同但是氣道情況不變時(shí)，氣壓下降可能會(huì)導(dǎo)致熔體流速降低。

澆口及氣道入口的變化，可能影響氣體掏空比率。澆口和氣道一致時(shí)，氣體壓力大小將改變氣體體積的百分比，對(duì)于氣體掏空比率影響不明顯。因此，在能保證成品品質(zhì)的前提下，可以降低氣壓值，從而延長(zhǎng)設(shè)備服役年限，減少能耗。

鎖模力曲線和常規(guī)注塑成型有較大差距（如圖3所示），常規(guī)注塑的鎖模力數(shù)值曲線僅有1個(gè)峰值；但是氣輔成型方案的鎖模力有2個(gè)峰值，首先是在熔體內(nèi)注入時(shí)段由0增加到1個(gè)最大值；其次，在換成用氮?dú)膺M(jìn)行充填時(shí)發(fā)生明顯下滑；再次，隨著氮?dú)膺M(jìn)入量增大又會(huì)漸漸上升到上升到1個(gè)最大值；最后緩慢降低直到注塑過(guò)程的整個(gè)周期結(jié)束。其中，第一個(gè)最大值相對(duì)明顯。

當(dāng)澆口方位與數(shù)量一致時(shí)，氣輔成型的最大型腔壓力值通常小于普通注塑成型的壓力值，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得出氣輔成型的最大型腔壓力值和普通注射成型壓力值基本相同，該情況是因?yàn)槠胀ㄗ⑺艹尚偷臐部跀?shù)量明顯比氣輔成型的澆口數(shù)量多，所以使熔體流程顯著降低[3]。

與普通注塑成型澆注模式相比，因?yàn)闅廨o成型澆口的數(shù)量會(huì)少很多，所以其熔接痕數(shù)量也會(huì)減少。熔接痕數(shù)量減少表明熔體熔接前的平均流動(dòng)距離較大，該熔接牢固程度就會(huì)減弱。然而因?yàn)闅廨o成型具有使熔體流動(dòng)加速及熔合變快的功能，所以熔接牢固程度并沒有降低，該零部件的品質(zhì)仍然優(yōu)于普通注塑。

由于大氣壓可以使熔體的流動(dòng)速度增加，進(jìn)而極易使不同位置熔體流動(dòng)速度不一致。因?yàn)闅廨o成型產(chǎn)品內(nèi)氣穴個(gè)數(shù)比普通注塑成型的產(chǎn)品要多，所以，相關(guān)工程技術(shù)人員在進(jìn)行氣輔成型模具設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮排氣狀況，根據(jù)氣穴排布來(lái)規(guī)劃排氣設(shè)備。

圖1 幾何模型圖（4點(diǎn)進(jìn)澆）

圖2 網(wǎng)格劃分圖（5點(diǎn)進(jìn)澆）

圖3 3點(diǎn)進(jìn)澆鎖模力與時(shí)間關(guān)系圖

C-Mold計(jì)算機(jī)模擬仿真分析軟件僅僅是1種輔助手段，無(wú)法完全代替相關(guān)工程技術(shù)人員的所學(xué)專業(yè)及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)。軟件分析出的數(shù)據(jù)信息是否準(zhǔn)確是由三維模型是否制作得精確以及相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)定是否滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求決定的。因此，只有當(dāng)相關(guān)工程技術(shù)人員具有足夠的模具制造、設(shè)計(jì)以及加工成型工藝的工作經(jīng)驗(yàn)時(shí)，C-Mold計(jì)算機(jī)模擬仿真分析軟件才可以發(fā)揮出最大的價(jià)值[4]。

因?yàn)橛袣怏w的注入，所以氣體輔助注塑成型方法的成品質(zhì)量要比普通注塑成型的成品質(zhì)量輕，進(jìn)而大幅度節(jié)約了原材料。

C-Mold軟件所具備的功能中有1項(xiàng)是 “可視化分析結(jié)果”，該功能利用3D模型直觀反映設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，選出模具的最佳方案，減少了試模次數(shù)及修模的工時(shí)消耗。

該塑料的動(dòng)態(tài)模擬仿真測(cè)試流動(dòng)波前數(shù)值為20%～45%。不同范圍的流動(dòng)波前數(shù)值或流動(dòng)波前圖像可以直觀體現(xiàn)塑料在模穴內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)、預(yù)測(cè)包封位置及縫合線位置，還可以預(yù)測(cè)在注塑過(guò)程中是否有短射的情況發(fā)生，為合理布置排氣孔位置提供依據(jù)。

成型壓力預(yù)測(cè)能體現(xiàn)灌注動(dòng)作完成時(shí)的壓力值，該值從流道到末端呈逐漸衰減的趨勢(shì)，最大壓力可提供鎖模力數(shù)值。壓力分布情況可以表現(xiàn)壓力的傳遞情況。分析模具內(nèi)部溫度對(duì)壓力數(shù)值分布和消耗有相應(yīng)的影響。

剪切應(yīng)力的分布情況用不同顏色表示灌注完成使模穴內(nèi)部各位置剪切應(yīng)力的狀態(tài)以及塑料在制造進(jìn)程中因?yàn)榧羟羞\(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值。根據(jù)相關(guān)圖形可以判定塑料熔體流動(dòng)的應(yīng)力是否超標(biāo)，還可以作為判斷是否會(huì)導(dǎo)致塑料出現(xiàn)裂解或者殘余應(yīng)力的依據(jù)。如果剪切應(yīng)力數(shù)值較大，可能導(dǎo)致產(chǎn)品后期出現(xiàn)斷裂的情況。

3 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，隨著計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的推進(jìn)，現(xiàn)階段模擬仿真技術(shù)可以為注塑成型解決方案提供有價(jià)值的參照及優(yōu)化措施，降低了新產(chǎn)品開發(fā)成本，減少了新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中容易產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷。要達(dá)到提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造加工效率的目的，研究人員著重開發(fā)計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，重點(diǎn)分析開發(fā)特殊產(chǎn)品及氣輔成型2個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)際目的即為借助計(jì)算機(jī)模擬仿真分析技術(shù)進(jìn)行增加產(chǎn)品成型的合格率，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷的趨勢(shì)，改進(jìn)生產(chǎn)制造成型加工工藝，顯著提升注塑成型的產(chǎn)品合格率，拓寬注塑成型技術(shù)的使用范圍。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得出，在針對(duì)汽車前保險(xiǎn)杠使用的氣輔成型模具中，雖然3點(diǎn)式進(jìn)澆措施及4種灌注入口的中心對(duì)稱排布取得了最優(yōu)氣體穿透的結(jié)果，但是非對(duì)稱排布的5點(diǎn)式進(jìn)澆措施所取得的結(jié)果非常不理想。與普通注塑成型的汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行對(duì)比，氣輔成型汽車保險(xiǎn)杠具備輕量化設(shè)計(jì)、剛度好、強(qiáng)度優(yōu)、加工表層無(wú)任何凹凸缺陷及收縮形變等優(yōu)勢(shì)；并且該模具的澆口不多、結(jié)構(gòu)合理，大幅降低了模具制造的成本。CAE動(dòng)態(tài)模擬仿真技術(shù)不但證明了氣輔成型應(yīng)用于該模具中的可行性，而且還為氣輔成型在大型注塑模具上的普及使用奠定基礎(chǔ)。