第49卷第3期2021年3月
塑料工业CHINAPLASTICS
INDUSTRY
变形分析及结构改进
王良柱ꎬ徐㊀静
(成都航天模塑股份有限公司ꎬ四川成都610100)
㊀㊀摘要:以某新开发车型仪表板本体骨架为研究对象ꎬ采用成熟的注塑成型有限元分析软件Moldflowꎬ基于ARD ̄RSC长玻璃纤维分析模型ꎬ对本体骨架的变形量进行分析ꎬ得出了发泡区域的变形量ꎬ结果表明ꎬ发泡区域变形量不满足发泡模要求的变形小于5mmꎮ根据分析结果ꎬ对比不同翘曲效应对总体变形的影响ꎬ出了影响发泡区域变形的主要原因为产品玻璃纤维取向ꎬ经过对本体骨架结构的改进ꎬ改善了产品长玻璃纤维的分布ꎬ优化了变形ꎬ最大变形2 7mmꎬ满足了设计要求
ꎮ关键词:本体骨架ꎻ玻璃纤维取向ꎻ翘曲
中图分类号:TQ320 66+2ꎻU463 837㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1005-5770(2021)03-0059-05
doi:10 3969/j issn 1005-5770 2021 03 012开放科学(资源服务)标识码(OSID):
DeformationAnalysisandStructuralImprovementoftheInstrumentPanelFrameBasedonMoldflow
WANGLiang ̄zhuꎬXUJing
(ChengduAerospaceMould&PlasticCo.ꎬLtd.ꎬChengdu610100ꎬChina)
Abstract:TakingtheinstrumentpanelframeofanewlydevelopedvehicleastheresearchobjectꎬitwasanalyzedbythematureinjectionmoldingfiniteelementanalysissoftwareMoldflowꎬandthisanalysisba
sedonARD ̄RSClongglassfiberanalysismodel.Thedeformationofinstrumentpanelframewasanalyzedꎬthefoamingareadeformationwasobtained.Theresultsshowthatthefoamingareadeformationcouldnotmeettherequirementsoffoamingmolddeformationꎬwhichislessthan5mm.Accordingtotheanalysisresultsꎬtheinfluenceofdifferentwarpingeffectsontheoveralldeformationiscomparedꎬandthemainreasonaffectingthedeformationofthefoamingareaisfoundtobetheorientationoftheproductglassfiber.Afterimprovementoftheinstrumentpanelframestructureꎬthedistributionoftheproduct slongglassfiberisimprovedꎬandthedeformationisoptimized.Themaximumdeformationis2 7mmꎬwhichmeetsthedesignrequirements.
Keywords:InstrumentPanelFrameꎻFiberOrientationꎻWarping
作为汽车整体风格的重要标志ꎬ仪表板对乘员舱
一方面起到内部装饰的作用ꎬ另一方面ꎬ承载着车载
交互系统㊁安全控制以及仪表显示等零部件安装ꎬ所
以说ꎬ汽车仪表板是整车内饰的艺术表现ꎬ同时也体
现了车辆的技术功能[1]ꎮ一般汽车仪表板总成零件
装配在仪表板本体骨架上ꎬ通过仪表板本体骨架和管
梁连接后ꎬ共同固定在车身上ꎮ作为汽车仪表板零件
主要承载体的本体骨架ꎬ就要求有较大的刚性抵抗变
形ꎬ良好的尺寸稳定性避免装配缺陷ꎮ但由于仪表板
本体骨架安装结构较多ꎬ尺寸较大ꎬ造型复杂ꎬ在成
型过程经常出现翘曲变形的缺陷ꎮ所以ꎬ对本体骨架
的材料提出了较高的要求ꎮ
近年来ꎬ长玻璃纤维改性聚丙烯(PP)材料在
汽车内外饰行业的应用越来越广泛ꎮ相较于普通的
PP材料ꎬ长玻璃纤维改性PP由于增加了长玻璃纤
维ꎬ使得产品的刚度显著增加ꎬ尺寸稳定性增强ꎻ不
仅如此ꎬ应用了长玻璃纤维改性PP材料的零件可以
设计更薄的厚度来满足相同的强度要求ꎬ实现整车减
重的目的ꎮ所以越来越多的汽车零部件供应商采用长
玻璃纤维改性PP作为本体骨架的材料来满足减重设
计要求ꎮ目前ꎬ宝马㊁奥迪品牌厂商大多采用长玻璃
纤维改性PP材料作为制造中高端软质仪表板骨架的
材料ꎮ在国产品牌中ꎬ长城汽车较早在仪表板骨架上
采用PP ̄LGF20材料代替改性PPꎬ使产品主料厚由3
mm减为2 2mmꎬ实现了减重的目的ꎮ吉利汽车也
逐渐将长玻璃纤维改性PP材料应用在领克品牌车的
仪表板骨架上ꎮ
在高速发展的汽车工业中ꎬ各大汽车制造商之间
的竞争也越来越剧烈ꎬ这就要求各主机厂不断提高产
品质量的同时降低生产制造成本ꎬ缩短新车型的开发
95 作者简介:王良柱ꎬ男ꎬ1986年生ꎬ硕士研究生ꎬ工程师ꎬ主要从事汽车内外饰注塑成型工艺研究ꎮwlzhu99@163 com
塑㊀料㊀工㊀业2021年㊀㊀
和上市时间满足客户对产品的需求ꎮ计算机辅助工程(CAE)技术日益成为解决塑料产品开发㊁模具设计中的薄弱环节的有效途径ꎮ本文利用Moldflow软件对公司新开发加玻璃纤维材料仪表板上本体骨架的注塑成型工艺进行模拟和翘曲变形原因进行分析研究ꎬ通过对塑件的填充形式㊁玻璃纤维分布等分析ꎬ探究仪表板本体骨架翘曲变形原因ꎮ
1㊀原始结构变形分析
车险大全
1 1㊀产品基本情况
产品名称:仪表板本体骨架ꎻ
产品尺寸:1492mmˑ531mmˑ429mmꎻ产品基本厚度:主料厚2 5mmꎬ气囊框位置料厚3mmꎻ
产品质量:3175gꎻ
产品材料:PP+LGF20类ꎬ牌号为GFPP ̄L20DMBK010ꎬ金发科技ꎮ
背景介绍:此产品为结构件ꎬ没有外观要求ꎬ后续发泡处理ꎬ针对发泡区域ꎬ发泡工艺要求变形不超过5mmꎬ客户要求分析变形不超过4mmꎻ此产品尺寸较大ꎬ局部料厚不均匀ꎬ孔位以及料厚变化位置较多ꎬ对变形要求较高ꎮ
技术难点:此产品应用长玻璃纤维材料ꎬ要控制产品的变形ꎬ避免影响后续发泡工艺ꎮ仪表板本体骨架原始结构如图1所示ꎬ其中红线框内为发泡区域
ꎮ
图1㊀仪表板本体骨架原始CAD模型
Fig1㊀TheinstrumentpanelframeoriginalCADmodel
原始结构经过多轮模流分析ꎬ确定采用10点顺序阀可满足填充要求ꎬ同时ꎬ该浇口位置也是变形量最优的方案ꎬ浇注系统方案如图2所示
ꎮ
图2㊀浇注系统方案Fig2㊀Gatesystem
项目初期ꎬ浇口顺序按照常规加玻璃纤维材料ꎬ为保证玻璃纤维取向的一致性ꎬ从一端开始填充ꎬ产品变形较大ꎻ经过对比分析ꎬ从中间浇口向两端填充ꎬ在相同的浇注系统条件下ꎬ变形相对较小ꎬ同时也可满足填充的平衡ꎮ最终采用从中间向两端的填充模式ꎬ填充时间如图3所示
ꎮ
图3㊀填充时间Fig3㊀Fillingtime
1 2㊀原始结构变形情况
采用目前的填充方案ꎬ产品变形相对较小ꎬ但仍不能满足客户的要求ꎬ从变形分析结果可知ꎬ产品中间大面发泡区域Z向下塌变形较大ꎬ最大下塌变形5 7mmꎬ发泡模要求最大变形不超过5mmꎬ所以此变形影响后续发泡工艺ꎬ发泡模合模中有压伤产品风险ꎬ同时客户要求变形不超过4mmꎬ从分析结果看ꎬ客户不接受此变形量ꎬ要求对产品中间发泡区域变形量进行优化处理ꎮ整体Z向变形如图4所示
ꎮ
图4㊀原始结构Z向整体变形
Fig4㊀Zdirectionoveralldeformationoftheoriginalstructure
2㊀原始结构翘曲变形原因分析
2 1㊀不同效应对变形的影响
翘曲变形主要有4个方面的原因ꎬ分别是冷却不均㊁收缩不均㊁取向效应以及角效应ꎮ比较影响仪表
板本体骨架Z向变形的四个影响因子ꎬ如图5ꎬ冷却不均㊁收缩不均㊁角效应三个因素引起的变形较小ꎬ取向效应导致的产品Z向变形最接近 所有效应
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第49卷第3期王良柱ꎬ等:基于Moldflow的汽车仪表板本体骨架变形分析及结构改进
图中的Z向变形ꎬ取向效应导致的产品下塌最大5 5mm左右ꎬ因此取向效应是产品翘曲变形的主要原因
ꎮ
图5㊀原始结构不同效应Z向变形对比丰田零件
Fig5㊀ContrasteffectsofdifferentZdirectiondeformationafteroriginalstructure
2 2㊀
翘曲变形原因分析
图6㊀原始结构整体平均玻璃纤维取向
Fig6㊀Originalstructureoverallaverageglassfiberorientation
上海大众辉腾通过对原始结构整体平均玻璃纤维取向(图6)的分布可以看出仪表板本体骨架的玻璃纤维取向规律:
1)在浇口附近ꎬ玻璃纤维堆积较少ꎻ
2)在产品的填充流动方向上ꎬ玻璃纤维聚集在流动方向的两边ꎬ且玻璃纤维的取向方向与料流流动方向相同ꎻ
3)材料流动末端玻璃纤维堆积较多ꎻ
4)在中间发泡区域ꎬ玻璃纤维较少ꎬ取向较小ꎻ
在孔洞以及边缘位置ꎬ玻璃纤维堆积较多ꎬ取向较大ꎻ
5)结合线处堆积较多玻璃纤维ꎻ6)产品细长部位堆积的玻璃纤维较多ꎮ
一般情况下玻璃纤维分布对尺寸有以下影响:
1)玻璃纤维堆积较多的地方材料收缩将走收缩率的下限ꎬ导致收缩较小ꎻ
2)玻璃纤维堆积较少的地方材料收缩将走收缩率的上限ꎬ导致收缩较大ꎻ
3)产品在收缩过程中ꎬ收缩不均匀ꎬ导致产品局部尺寸大和局部尺寸小的结合处ꎬ产品就产生了翘曲变形ꎮ
所以ꎬ玻璃纤维取向和堆积的多少及产品细长部位与宽部位结合等原因是导致加玻璃纤维产品翘曲变形的主要原因ꎮ关注整个产品上的玻璃纤维排列没有意vip风格改装
义ꎬ要出关键尺寸位置上的玻璃纤维排列ꎬ判断其收缩趋势ꎬ推测此收缩外力作用在产品结构
上引起的变形ꎮ
由以上玻璃纤维分布规律以及玻璃纤维分布对尺寸影响和原始产品平均玻璃纤维取向可以得出ꎬ产品中间发泡大面位置区域产品玻璃纤维取向差异性较大ꎬ导致玻璃纤维排列差异大ꎬ产品收缩不一致ꎬ变形较大ꎮ所以可通过改善中间发泡区域玻璃纤维取向差异性来优化产品变形ꎮ
2 3㊀翘曲变形解决措施根据本体骨架的玻璃纤维分布规律ꎬ结合计算机软件工程ꎬ对本体骨架结构进行优化分析ꎬ最大限度
地减小玻璃纤维取向导致的产品翘曲变形ꎮ按照此优化设计理论ꎬ在不影响产品结构强度以及不增加模具制造成本的前提下ꎬ对本体骨架结构进行改进ꎬ以达到改变玻璃纤维取向的目的ꎮ在含玻璃纤维产品的CAE变形分析中ꎬ如纤维取向导致变形较大ꎬ为了改善变形ꎬ可以采取以下措施:更换浇口位置㊁修改产品设计㊁增加浇口数量等ꎮ目前浇口位置可以保证产品的填充平衡ꎬ浇口数量也满足产品的填充ꎬ所以从产品结构设计上来优化玻璃纤维取向ꎮ仪表板本体骨架结构优化方案如下:在不影响产品结构强度以及不影响发泡的前提下ꎬ在产品局部位置挖槽ꎬ改变局
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塑㊀料㊀工㊀业2021年㊀㊀
部位置的料流流向ꎬ进而改变玻璃纤维取向ꎮ具体优化如图7所示
ꎮ
图7㊀挖槽结构Fig7㊀Trenchingstructure
3㊀
优化结构分析
图8㊀优化结构整体平均玻璃纤维取向
Fig8㊀Optimizationstructureoverallaverageglas
sfiber
orientation
图9㊀结构优化后不同效应Z向变形对比
Fig9㊀ContrasteffectsofdifferentZdirectiondeformation
afteroptimizationstructure
根据结构优化建议ꎬ修改产品后重新进行分析ꎬ查看优化后的产品整体平均玻璃纤维取向ꎬ重点关注发泡区域玻璃纤维取向情况ꎮ与原始结构玻璃纤维取向对比可以看出ꎬ优化后的结构ꎬ发泡区域玻璃纤维取向更加均匀ꎬ差异性减小ꎬ优化后的整体平均玻璃纤维取向如图8所示ꎮ
结构优化后ꎬ不同效应对产品变形的影响如图9所示ꎮ从对比图可以看出ꎬ冷却不均㊁收缩不均㊁角
效应三个因素引起的中间发泡区域变形依旧较小ꎬ取向效应导致的产品Z向变形最大ꎬ取向效应导致的产品下塌最大为3 9mm左右ꎬ比原始结构取向导致的变形量减小了30%ꎬ优化效果明显
ꎮ
图10㊀优化结构Z向整体变形
Fig10㊀Zdirectionoveralldeformationoftheoptimizationstructure
结构优化后ꎬ产品整体Z向变形如图10所示ꎬ发泡区域最大下塌变形为2 7mm左右ꎬ比原始结构中间发泡区域下塌变形量减小了53%左右ꎬ优化效果明显ꎬ同时满足了发泡以及客户对变形的要求ꎮ
4㊀实际产品验证雨燕汽车
为保证分析与实际注塑的一致性ꎬ必须保证长玻璃纤维在实际注塑成型中的长度ꎬ一般情况下汽车用长玻纤材料粒料长度在10~15mm之间ꎬ成型后的玻纤长度保留为原长度的70%~90%ꎬ这就要求模具热嘴浇口尺寸尽量做大ꎬ以减小热嘴对玻璃纤维的剪切ꎮ通过与热流道厂家以及材料厂家交流ꎬ要求热嘴直
径不小于φ7mmꎬ实际模具热嘴直径如图11所示ꎮ
同时在注塑工艺上ꎬ采取了
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第49卷第3期王良柱ꎬ等:基于Moldflow的汽车仪表板本体骨架变形分析及结构改进
如下措施保证玻璃纤维的长度(注塑机型号为海天3200T):
1)在螺杆塑化阶段ꎬ减少螺杆的转速和背压
(背压设置在0 5~1MPa之间)ꎬ使得设备产生的纤维磨损最小ꎻ
2)提高成型温度[材料推荐成型温度210~250ħꎬ实际注塑热流道温度设定为(240+5)ħ]ꎬ降低熔体黏度ꎬ缩短聚合物完全熔融的时间ꎻ
3)成型过程中降低熔体的流速㊁注射速度(注射速度控制在20%~30%螺杆转速范围内)和注射压力(注射压力不超过35MPa)ꎬ使注射口处的剪切流动最小
ꎮ
图11㊀实际模具热嘴尺寸Fig11㊀Actualmoldhotgatesize
经过以上模具与注塑工艺保证措施ꎬ尽可能地满足分析与实际注塑的一致性ꎬ最终产品在仪表板本体骨架检具上对本体骨架发泡区域变形量进行检测ꎬ如图12所示ꎮ检测结果表明ꎬ经过结构优化后的产品ꎬ发泡区域变形量满足发泡模要求ꎬ同时也满足客户的要求ꎬ客户对开发的产品以及公司技术能力给予了高度的评价ꎬ为公司拓展市场ꎬ增加市场竞争力提供了技术支持
ꎮ
图12㊀零件检具状态Fig12㊀Partfixturestate
5㊀总结及结论
通过对某款仪表板本体骨架进行分析ꎬ发现玻璃纤维取向是导致产品变形的主要因素ꎬ基于分析模拟结果ꎬ提出对原始设计结构进行优化ꎬ改变产品局部玻璃纤维取向ꎬ达到优化变形的目的ꎬ满足了客户以及后续产品发泡的工艺要求ꎮ通过CAE分析ꎬ提升了产品设计的合理性及可靠性ꎬ缩短了产品设计周期ꎬ同时节约了因产品设计引起的变更成本ꎮ后续实
际产品上检具表明ꎬ本体骨架的变形符合设计要求ꎮ基于此研究ꎬ总结出了一种有效改善加玻璃纤维零件变形的设计方法ꎬ为后续零件的开发提供指导和参考ꎮ主要措施如下:
电子油门加速器1)针对玻璃纤维类零件变形ꎬ可通过更改产品结构(开槽㊁挖孔或更改料厚)的形式改变料流流向ꎬ进而改变玻璃纤维取向ꎬ优化变形ꎮ
2)为保证分析与实际注塑的一致性ꎬ必须尽量保证成型产品的玻璃纤维长度ꎮ
3)可通过模具热嘴尺寸以及成型注塑工艺来保证实际生产时的玻璃纤维长度ꎮ
总之ꎬ塑件的翘曲变形一定要在塑件产品的设计阶段提前预防ꎬ不能等到模具加工完毕ꎬ试模发现翘曲变形问题时再去解决ꎮ这样既可避免延误产品上市时间ꎬ又能降低产品开发成本ꎬ进一步可增加公司效益ꎬ提高公司的市场竞争力ꎮ
参㊀考㊀文㊀献
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(下转第68页)
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