基于Moldflow软件的汽车OBD外盖数值模拟研究
摘 要：以某车型OBD外盖为研究对象，借助Autodesk Moldflow Insight模拟分析软件，研究注射时间、熔体温度、模具温度、保压时间和保压压力对薄壁OBD外盖产品翘曲变形的影响，寻找影响OBD外盖翘曲变形量最小的最优工艺参数组合，为实际的注塑实验提供理论基础。
关键词：OBD外盖；Moldflow；工艺参数
汽车“车载诊断系统”（On-Board Diagnostic简称OBD）的主要用途是安装控制系统、监控发动机运行状态和尾气后处理系统。OBD外盖是该系统的一个配合件，主要是为了保护OBD接口。该产品属于薄壁制品，背部有一定斜度，为了保证机械强度，往往在背面设计加强筋和boss柱。该结构在制造过程中，往往易出现收缩不均匀情况，导致翘曲变形量过大。OBD外盖装配精度要求较高，过大的装配间隙使得灰尘容易进入OBD接口内，影响外盖与盒体的配合，导致OBD外盖掉落，影响驾驶安全。此外，装配不合适还会增大汽车行进过程中的噪声。因此，确保OBD外盖在生产和使用过程中不发生翘曲变形，在模具的前期设计阶段应充分考虑到各种影响因素，以最佳的设计模具结构和成型工艺，制作最佳的产品。
一、材料与方法
（一）材料与设备
本文采用聚丙烯（PP）材料，结合大众捷达轿车内饰材料选用标准和Moldflow材料数据库，选取牌号AIP-2112（KingFa）的PP材料开展数值模拟，其黏度和PVT曲线如图1所示。
（二）方法
1、工艺流程。第一，围绕薄壁制品在成型过程中产生翘曲变形的原因，采用对应的数学模型、黏度模型、热力学模型对注射成型的过程开展数值模拟；第二，基于Autodesk Moldflow Insight软件，优化设计汽车的OBD外盖的注塑模具的浇注系统、排气系统、冷却系统，开展流动情况、冷却机理和翘曲变形等几个方面的产生原因分析，总结汽车OBD外盖产生翘曲变形的主要因素。
2、浇注系统优化设计。基于CAE对注塑成型综合指标的分析结果，优化汽车OBD外盖的浇注系统设计，确定使用混合的浇注系统，其主要的几何尺寸是：热流道喷嘴内径直径12mm；热浇口直径3mm；冷料把长度20mm；U型6×6mm分流道；20×6×1.8mm扇形冷浇口。
3、排气系统优化设计。针对薄壁制品注塑模具排气系统，国内外业界大多单独采取镶拼结构或分型面排气，通过模具结构的配合间隙进行排气，往往达不到良好的效果，产品易出现气穴缺陷。本研究使用的模具采用两级镶拼结构，在实现快速更换镶块来改变样品厚度的同时，又可以起到良好的排气效果。首先是型腔与动模板之间的镶拼配合；其次是制品镶块与型腔板之间的镶拼配合。为了尽可能增加排气效果，镶拼配合间隙控制在10μm以上。
4、冷却系统优化设计。本产品成型过程中模具温度一般在30～80℃，与熔体温度（200～240℃）相比温差较大，这样导致了熔体的冷却速率相对较快，分子链的冻结时间明显缩短，导致分子链没有足够的时间松弛，很容易发生冷却不均匀现象，引起制件的质量缺陷，布置和优化冷却水路控制冷却速率显得尤为重要。
根据模具设计准则，本产品结构类似一维平板，利于温度平衡分布，因此，本文冷却回路动、定模侧各一条“串联”冷却回路（见图2），保证冷却液在内部以紊流状态流动。由于产品表面较为平整，体积较小，动、定模均采用一条冷却回路即可。冷却管道入水温度用来控制期望的模具表面温度，通常冷却液温度比模温设定低10℃～20℃。
5、整体结构设计。本研究中，型腔、主流道、分流道、冷料井、顶杆孔、冷却孔、浇口和排气槽等主要机构设置在模具的定模板上。采用热流道与冷流道混合互补的方式作为浇注系统，其中热流道采用喷嘴内径直径12mm、浇口直径3mm的单浇口开放式热流道，入水浇口设计为20×6×1.8mm扇形边缘侧浇口，为了不造成熔体的浪费和避免与型腔尺度差异过大，分流道尺寸不宜过大，设计为U型6×6mm分流道。在浇口连接处设计厚度渐变的模具结构，在流道的轉角处均设有冷料穴。为了保证制品平稳脱模，型腔两侧布置4个顶杆，在型腔的末端和前端两处开设对应的排气槽。
二、CAE模拟结果分析
（一）成型窗口分析
在模具温度50℃条件下，熔体温度和注塑时间的成型窗口如图3（a）所示，可以看出该产品的成型窗口较为宽广，有利于后续在此窗口下开展DOE工艺实验。根据图3（b）中“U”型曲线特点，选取最低点（注塑压力最低）处的注射时间。
（二）流动分析
1、锁模力选取。在一定保压和设定条件下，计算得到的最大锁模力都不能超过机器锁模力的80%，考虑实际注塑中0.8的安全系数，本研究中最大锁模力不超过100T。因此，选用最大锁模力为200T注塑机是完全可行的。
2、V/P转换点选取。熔体由充填转为保压的时刻，熔体流动由注塑机螺杆转动的速度控制转换为压力控制，该点的压力也被认为是熔体充填过程中的最高注塑压力，具有重要的工程意义。最大注塑压力均不超过75MPa，其中型腔内最高压力不低于20MPa。
3、产品脱模后体积收缩率选取。为了得到质量良好的制件，体积收缩必须均匀地分布于整个制品中，以此来减小翘曲变形量，并且尽量选用小于材料的最大推荐值。为降低产品翘曲变形和残余应力，产品脱模后体积收缩平均变化率应控制在3.85%。
（三）冷却分析
1、冷却介质温度选取。制品进出口水温差在1℃以内，温升极小，冷却充分、平缓。冷却水路的长度和布置要结合模具结构设计，进行合理的优化设置。
2、产品达到顶出温度所需时间选取。依据本次PP材料物性特点，顶出脱模温度为80℃。图4分析结果可以看出制品在6s左右时产品已100%达到顶出温度，冷却效果较好。为了进一步减小产品出模后的体积收缩和残余应力，适当延长在型腔内的冷却时间，使产品缓慢冷却，应力松弛更加均匀，但也应该考虑冷却效果与成型周期二者的平衡。
（四）翘曲变形分析结果
1、产品总变形量分析。制件在成型过程中，沿熔体流动方向（X方向）分子取向程度大于垂直（Y方向）流动方向，由于OBD外盖X、Y方向尺寸相差不大，收缩差异不大，考虑材料沿流动方向和垂直流动方向收缩数据，制品在二维平面方向（X、Y方向）上的翘曲变形量可以通过改进模具的结构进行优化设计。此外，制品开模方向往往要和其他零配件进行装配，本产品OBD外盖装配面的翘曲变形控制尤为重要，优化也较为困难。本研究分析的制品在开模方向产品总变形量控制在0.5mm以内，变形量很小，达到了预期目的。
2、影响翘曲变形因素分析。首先是在冷却过程中体积收缩不均匀导致的变形，这种变形体现在制件在体积上的变化，主要原因是塑料件局部产生的收缩不均引起了塑件整体的翘曲变形；其次是由于模具的冷却系统不均匀而导致的制件收缩的发生和分子链取向方面的不均匀导致的翘曲变形；最后的影响因素是在注射的过程中，分子链在流动方向和垂直于流动方向受到的剪切力的方向、大小不一样，导致分子链在剪切力比较大的地方取向的程度表现得明显，而剪切较弱的地方取向程度不明显，最终导致制品整体收缩出现不一致，从而影响产品的外观和使用精度。
在本研究中，分析和总结采用Moldflow软件对汽车OBD外盖进行注塑成型过程的模拟分析，首先通过系统的分析对比优化浇口开设的位置、尺寸的大小、形状的选择；然后在注射成型工艺参数的设置方面，按照产品预期的效果和实际操作中的具体指标要求，对制品进行流动+冷却+翘曲的仿真模拟分析，优化参数设置；通过分析对比在冷却过程中的收缩而引起的产品翘曲变形量是最大的，由冷却系统设计问题而导致的冷却不均匀是引起产品翘曲变形的次要原因，由分子和分子链在取向程度方向的不同而引起的翘曲变形量是最小的。
作者简介：杨灿（1984-），男，河南中牟人，南京理工大学在读硕士研究生，助教，研究方向：汽车材料。
（责任编辑 马志娟）