汽车人 出发 奇库古基
江晓翊 孟云飞
摘 要：文章以某款汽车翼子板出风口本体为研究对象，针对汽车翼子板出风口这类注塑件，因为汽车功能的要求，安装空间限制，对手件及自身的制造工艺瓶颈或外观A面设计造型理念的要求，而产生的产品壁厚分布不均的情况。因为塑料产品的壁厚不均及高分子材料的特殊分子链结构，容易造成最终制品的收缩不均，在ASA出风口产品实际成型后产生了较大的后收缩导致了翘曲变形。在产品前期设计和模具设计的过程中，结合利用Moldflow软件，针对现在模具T1开发阶段产品出现的翘曲变形不良的实际问题点，对出风口的本体及模具修模并ASA注射成型的过程进行了CAE模拟分析。针对模流分析的结果，结合当前的模具状况，通过优化产品背面的壁厚，导入到模具修改之中，預测可能出现的翘曲进行CAE模拟判断，并提出相应的优化措施。方案导入后一次修模的成功，最终达成该车型产品顺利导入量产。
关键词：翼子板出风口；模流分析；翘曲变形；产品壁厚
中图分类号：U463 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0009-04
Abstract： In this paper， the body of the automobile fender vent is taken as the research object， aiming at this kind of injection molded parts. Because of the requirement of automobile function， the installation space is limited. The requirements of the manufacturing process bottlenecks or the appearance of A-plane design concept of the sets of parts， there exists the situation of uneven distribution of product wall thickness. Because of the uneven wall thickness of the plastic products and the special molecular chain structure of the polymer materials， it is easy to cause uneven shrinkage of the final products. After the actual molding of products at the ASA vent， large post-shrinkage results in warpage deformation. In the process of early product design and die design， by the use of Moldflow software， and aiming at the actual problems of poor warpage and deformation in the present stage of mold T1 development. The CAE simulation analysis of the body of the fender vent and the process of mold repair and ASA injection molding was carried out. According to the result of mold flow analysis， in combination with the current mold condition， and through optimizing the wall thickness on the back of the product and importing it into the mould modification， the CAE simulation judgment is carried out to predict the possible warpage and the corresponding optimization measures are put forward. After the introduction of the scheme after the success of a repair die， a successful introduction of the model products is finally realized.
Keywords： fender vent； mold flow analysis； warpage deformation； product wall thickness
前言
汽车塑料件外观件的设计中，如汽车翼子板出风口，因为是电镀注塑件ABS树脂产品与ASA进行装配成小总成之后再装配到汽车翼子板上，所以必须要综合考虑到产品结构的成型，在产品的结构上是否有倒扣的地方，产品的装配结构上是否有足够的空间用于滑块或者是斜顶的脱除，是否会刮伤翼子板，及能否满足产品的外观使用要求。车身翼子板对应出风口装饰件安装的位置冲压成槽型的结构。这样通过一体成形的注塑卡爪和装饰性电镀两条上面的3M胶带将出风口装饰件嵌入翼子板中，可以在装车之后通过面差和间隙的控制来保证视觉效果上“无缝隙装配”。从而保证外观上面实现不同字体颜色，金属质感以及车标装配产品标示的作用。塑料制品和车身的金属本体因为材料属性的差异，在公差管控及制品的后收缩等因素的影响下，经常会出现匹配的问题。
本文就翼子板出风口的本体的翘曲问题进行解析和对策研究。结合近年来发展壮大的有限元分析方法，运用计算机辅助工程CAE的Moldflow进行产品的设计结构的优化，对于翘曲的问题，提出一些改进的建议和对策，希望能对此类问题的解决提供借鉴和指导。
1 现状调查
如下图1所示为翼子板出风口本体的3D图，材料为ASA，产品尺297mm×145mm×41mm， 产品壁厚3.5mm，整体产品壁厚均匀。装饰条的壁厚3.5mm，相关产品设计时据经验肋的宽度为壁厚的0.5～0.7倍[1]。该产品为汽车翼子板外饰皮纹件，商业外观要求高，不得有注塑相关缺陷：熔接痕、顶针痕、流痕、飞边、缩痕、斜顶印、裂痕、皮纹色差、缺口、外观擦伤等外观缺陷，产品本体不允许出现较严重的翘曲变形，并且需要保证与翼子板以及电镀标牌和电镀外框的配合良好。
问题点描述：翼子板出风口本体产品T0后Z向有1.2mm的变形。字标在安装之后中间出现了较大的缝隙。
2 CAE分析
2.1 浇口位置的确定
MOLDFLOW 的MPI版块能自动生成最佳浇口位置的相关信息[2]。根据本产品的结构特点以及以往相似产品经验，采用图2所示浇口进胶。考虑翼子板出风口本体的尺寸和外观等实际装车要求，使用热流道浇注系统，进浇方式采用一模二腔，点侧浇口。实车匹配时，本体的下部装配之后位于车身内部，为不可视区域，为了保证量产状态装车后的产品表面美观度，选择将浇口位置设置在此处。
2.2 填充分析
MOLDFLOW是经验和技能的理论支撑[3]。注塑模具的填充分析结果，相关分析主要用于查看ASA出风口本体制件的注塑填充流体流动是否合理，熔体的填充是否平衡，在熔体冷却之前，能否完成对本体制件的完全填充等。分析图3可知，充填时间为2.184s；产品主体的熔体流动前沿温度在245.1℃，此值在推荐选取的ASA材料熔融范围之内； 出风口注射时在模具内流动平衡，整体无明显滞留或者短射处。（1）料流前锋本体温差为5.1℃，最低料流前锋温度如图3所示。（2）料流前锋温度反映了熔体在充填过程中到达不同位置的温度，当该温度低于材料的固化温度时易造成短射，或者当两料流前锋相遇时形成熔接线时，造成熔接线的强度和表观质量。
（1）V/P转化点的压力是58.01Mpa。
（2）MoldFlow在模拟充填过程中，充填过程的前期用料流前锋的速率来控制，当充填过程到达V/P转换点时，充填改为压力控制。
（3）V/P转化点太早，产品容易短射/Cycle Time增加；V/P转化点太晚，产品容易出现飞边/Burn Marks。
2.3 变形分析
类似本体ASA这种注塑模具生产的塑料件的翘曲变形，在一般的情况下是由于水路冷却不均，产品收缩不均，高分子取向，已经壁厚等角效应等因素引起的收缩不均导致的注塑变形。如下图5所有因素引起的变形：该变形量是体积收缩、冷却和分子取向的综合作用。
如下图6，X向最大变形为0.9568-（-0.6378）=1.5946mm，X向变形属于长度方向，可以通过材料收缩率来控制。Y向最大变形为0.3753-（-0.5535）=0.9288mm，Y向变形属于长度方向，部分可以通过材料收缩率来控制。Z向最大变1.456-（-0.7359）=2.1919mm，我们可以增加动定模冷却水温差来适当改善产品Z向（user coordinate）变形。
3 对策与方案
据统计，70%的注塑缺陷是由产品结构设计和模具设计的不合理所引起的[4]：本体的塑料材料ASA，由于高分子材料的构成，在聚合物的主链结构中的单键在一定情况下可以内旋转，从而会引起高分子链的伸展以及变形卷曲，从而产生了各种各样的分子构象组成。当本体通过压力和温度的融化从注塑模具中取下之后。在型腔已经被填充完全，注塑保压补料极端结束之后，原来沿着熔体流动方向发生了取向拉升的高分子链，会因为注塑螺杆流动剪切应力的消失而趋向于构象熵最大的自然卷曲的状态进行恢复，从而产生了取向回复，同时再从模腔中取出之后，产品内部的温度还没有完全消除，因为内应力及温度渐渐冷却的情况下，取向回复会使高分子的运动方向沿着熔体流动方向指向浇口为止，表现为以浇口为收缩中心（温度最高点）的收缩，而因为注塑产品的壁厚不一的存在情况下， 在产品脱离模具之后，表层的塑料分子由于和注塑模具的型腔表面相接触，所以会非常快的降低温度，与型腔表面相接触的熔体层温度的下降会非常快，在本体ASA的内部高分子还处在粘流态的时候，表面的高分子已经进入高弹态。所以在产品的壁厚方向，因为高分子向浇口方向的运动没有使得厚度方向上面的分子间的距离得到收缩，塑料表层的高分子在其运动能力范围之内就会向ASA的内部高分子靠拢，从而产品的表面就会向内部进行收缩，或者往肉厚的部分进行收缩， 表现在产品表征上面就形成了塑料本体制品的收缩翘曲和缩水痕的问题，从而影响标牌（电镀之后如金属一般的刚性结构）的装配匹配。
（1）在进行类似带翻边结构的本体的设计的时候，产品在模流分析的时候应该就能够看到收缩变形的情况。如果在无法进行产品预变形处理的前提下，可以进行翻边壁厚的优化从而解决产品翘曲的问题。
（2）相关产品一般是做成均匀壁厚比较好，但是在产品的翻边和竖直转弯面的情况下， 可以进行相关分析进行壁厚的优化，一般翻边等壁厚会是比基本壁厚薄1mm左右。
经过Moldflow分析，最终确定方案为：如图7外圈虚线位置增加0.3mm的壁厚；内圈字标台内侧虚线位置减薄0.6mm的产品壁厚。
4 效果检查
通过加减、肉厚措施，翼子板出风口本体的产品出模方向上的翘曲变形得到有效解决。通过模流分析对所有因素引起的变形进行比对和优化设计，如图8。原始方案和改善方案相关变形量从原来的1.8mm降低到0.6mm，充分满足产品的装配需求。
5 结束语
（1）本文通过对于翼子板出风口这类ASA注塑产品的翘曲变形进行理论和实践的分析，通过优化产品的壁厚和结构，从而解决产品的翘曲变形问题，最终保证了产品的顺利量产上市。
（2）通过应用Moldflow软件结合当前的设计软件的加胶减胶不同方案的验证，在不用实际模具修改的前提下，进行数据化模拟分析，通过模流分析报告的结果预测可能在后续注塑模具引起的成型缺陷，并且提出相应的优化措施，通过检讨当前模具状态制定最佳的可行的成型方案。
（3）设计前期结合Moldflow分析能够验证设计方案的量产可行性，提高注塑件的质量，前期的检讨分析可以减少试模以及修模次数，从而达到降低生产的成本的目的，在遇到类似的产品的翘曲变形的时候，可以通过模具设计的预变形补偿，流动平衡的控制，浇口位置数量的调整，产品的壁厚的设置优化从而解决相关问题。
参考文献：
[1]曹渡.汽车内外饰设计与实战[M].北京：机械工业出版社，2011：152.
[2]周其炎.Moldflow 5.0基础与典型范例[M].北京：电子工業出版社，2007：88-109.
[3]李代叙.MOLDFLOW模流分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.
[4]李海梅，申长雨.注塑成型及模具设计实用技术[M].北京：化学工业出版社，2002：3-10.
