一、引言

    CAE 技术可以在产品设计阶段就对产品进行模拟成型, 然后根据分析结果选择合适的材料和注塑机, 预测熔接线产生的位置, 预测翘曲变形等缺陷, 并通过优化产品结构和流道系统对产品缺陷进行提前预防, 避免了传统注射成型过程中的反复修模和试模, 使产品开发的各个环节有机结合, 大大缩短了产品的开发周期, 节约了开发成本, 这也符合市场对产品高质量、低成本、短周期的要求。CAE技术正是以其能够提高产品质量、降低产品开发成本、缩短产品开发周期的优势, 被广泛应用于塑料加工行业。

    现针对汽车轮盖所产生的缺陷进行CAE 分析,找出产生缺陷的原因, 并解决造成产品缺陷的问题。

    二、产品缺陷及原因

    1、汽车轮盖缺陷描述

    图1 所示为某款汽车的轮盖(背面) , 产品尺寸约为φ394 mm×58 mm, 平均厚度为2. 5 mm, 材料为ABS , 选用780T注塑机, 采用直径为φ12 mm的热流道系统,流道尺寸为( φ3 mm、5°) ×25 mm。从图1 可以看到, 整个产品分为内、外2 个部分, 中间通过7根筋相连。筋的结构如图2 所示, 主体部分厚度约1. 5 mm,中间薄筋厚度约1 mm。

图1 某汽车轮盖

    1.喷嘴位置2. 热流道3. 冷浇口4. 筋5～11. 出现缺陷的部位

    在产品的注射过程中没有明显的缺陷产生, 但当产品正面喷漆后, 在图1 所示的5～11 位置从侧面看,折光现象非常明显。

表1 不同保压条件的参数设置

    备注: 材料: ABS Generic Estimates ; 模温: 50 ℃; 熔温:230 ℃; V/ P (速度压力转换) = 99%;填充:默认;冷却时间:20s

    2、产品缺陷产生原因

    从产品结构上看, 连接产品内外两部分的7 个筋就如同7 个浇口, 当熔体从中间浇口进料后, 先将内部的圆盖充满, 然后熔体沿着7 个“浇口”向外填充, 而出现缺陷的位置正对“浇口”, 因此缺陷的产生很可能与这7 个“浇口”有关。

    从图2 可以看到, 连接产品内外两部分的筋与外围部分几乎呈垂直状态, 中间的薄筋也与外围部分垂直, 而中间薄筋延伸到外围部分内部, 在充填过程中, 熔体将从筋的主体部分和中间薄筋同时进入外围部分, 两股料流在“浇口”的前端形成剪切作用, 产生剪切应力, 如果保压不充分, 应力无法充分消除, 产品出模后在这个位置会有较大的残留应力。而喷漆时,有个70 ±5 ℃、1 h 左右的烘干环节,在这个过程中, 产品的高分子链在残留应力的作用下发生蠕变, 从而造成油漆分子偏移原来位置, 使油漆层在该位置产生与其他位置不同的折光率。

 

图2 筋的结构

1.筋的主体部分2. 中间薄筋

    三、采用CAE 技术分析产品缺陷

    1、CAE 分析方案设计

    经过以上初步分析判断, 产品产生缺陷的原因有可能就是残留应力, 考虑采用2 组CAE 分析对产品缺陷的原因进行讨论, 第1 组通过改变保压压力和保压时间来考查残留应力的分布状况, 第2 组通过改变填充速度来考查残留应力的分布状况, 如表1 和表2 所示。

    为了使模拟成型和实际成型更好地结合起来,将产品成型所用注塑机的相关参数输入CAE 软件:螺杆直径φ100 mm、螺杆最大注射行程440 mm、最大注射速率625 000 mm3/ s、最大注射压力184 MPa 、锁模力7 800 kN。选用软件材料库中的ABS GenericEstimates 作为分析的替代材料。

    2、CAE 分析结果

    图3 分别为表1 对应的4 种分析方案在同一厚度层(其中芯层厚度值为0 , 内表面厚度层值为- 1 ,外表面厚度层值为1 , 现采用厚度层为0. 9 的应力分布,该厚度层对表观质量影响比较明显) 的残留应力分布图, 均采用了60 个等高线, 从图中可以清楚地看到不同保压条件下残留应力的分布状况。图3a为没有设置保压的残留应力分布, 从图3a 可以看到,正对连接筋比较开阔的位置残留应力最大,形成7 个残留应力最高区域, 这和产品缺陷产生的位置非常吻合; 图3b、图3c 分别为方案2 和方案3 的残留应力分布,从图3b、图3c 可以看到,残留应力最大的位置仍然位于7 处产品缺陷产生的位置, 但是压力梯度相对方案1 降低了很多; 图3d 为方案4 的残留应力分布,该方案保压时间相对较长,压力设置也比较合理, 从图3d 可以看到, 整个产品从里到外形成了非常均匀的残留应力梯度, 并且其内部各层的应力分布也比其他3 种均匀。