摘要：选取典型注塑件汽车保险杠为例，结合注塑成型工艺，运用CAE技术对该产品进行工艺过程仿真，通过Moldflow软件对注塑成型的填充、保压、冷却等主要过程进行分析，获得工艺方案的主要参数数据，进而对方案作出客观评价与优化设计，同时对产品缺陷的主要指标进行分析优化，以获得最佳的产品成型方案，从理论上控制产品缺陷，提升产品质量，为后续模具开发提供技术支持和理论依据。
随着汽车工业的迅速发展和市场规模的不断扩大，行业、产业结构不断优化，技术不断进步，高档汽车产品占整个行业的比重也逐步提高。而汽车生产中90％以上的零部件需要模具成形，一般情况下，制造一辆普通轿车需要约1 500副模具，其中有接近1 000副冲压模具和超过200副左右的注塑模具，可见汽车注塑件是汽车结构的重要组成部分，提高注塑件的质量不仅可以满足高档汽车产品的需求，同时也是促进整个汽车模具行业水平发展的必然趋势。高质量的模具才能得到高质量的产品，因此在模具设计与制造中应不断融入先进制造技术，充分应用CAE平台技术，实施数字化模具制造。
1 注塑件生产工艺
汽车上塑料件多是采用模具注塑工艺成型，这种成型工艺特点是，将塑料原料通过加料装置加人注射机的料筒内，然后受热熔融，在注塑机的螺杆或柱塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料在模具型腔内经保温、保压、冷却固化成型从而获得产品。
注塑工艺不但能成型形状复杂的大型塑件，而且生产效率高、产品质量好，对应的工艺流程如图1所示：在整个工艺中，塑料的加热、注射、冷却过程直接决定了产品质量，因此在这几个阶段中，可充分应用CAE技术进行过程仿真分析，了解和控制整个生产工艺，不断优化成型方案和工艺参数，为获得高质量注塑件提供可靠的技术支持。
2 CAE平台分析过程
以某品牌汽车后保险杠注塑件为载体，阐述如何应用主流CAE模流分析软件Moldflow对注塑件成型工艺过程进行仿真分析，校验关键环节主要参数指标，从而校验模具方案的合理性与可靠性，同时对产品进行质量分析与评价，结合客户提出的具体要求，实施对模具方案及成型工艺参数的优化设计。
2.1 产品结构特点与材料分析
汽车保险杠是汽车上典型注塑件，具有尺寸大，结构复杂等特点，孔位多、扣位多、成型周期长，易出现缺料、结构变形超差和外观缺陷等现象，因此通过CAE仿真分析，可以提前了解产品在注塑过程中存在的问题，便于在做模具方案时能较好地规避与纠正，此款保险杠采用共混改性后的聚丙烯（PP）塑料，基于材料的成型性能，应先对材料各成型参数进行全面了解，总体来说，该材料具有硬度高、抗冲击性能好、熔点高等显著特点，一般在注塑时黏度随温度变化率较小，成型性能优良，可用普通冷浇注系统，也适用于热流道系统。
2.2 3D数据的前置处理
一般汽车注塑件具有产品尺寸大，结构复杂等特点，为了提高后处理中有限元网格的质量和分析的精确度，先应用Moldflow CAD软件对模型做一些简单结构处理。如：去掉一些小圆角等局部结构，处理完毕保存为UDM格式导人到Moldflow项目文件中，利用软件网格处理工具实施对网格的划分与修补，模型在划分网格时选取双面层网格（fusion），既满足了大型复杂塑件的分析精度要求，又缩短了分析时间，网格的质量直接决定了分析的精度，运用网格处理工具对网格进行纵横比、自由边、重叠单元等进行调整与分析，最终获得满足分析要求的网格模型，如图3。
2.3 模具方案评价与优化
2.3.1 产品浇注方案介绍
在模具浇注方案中，基于对材料的分析及产品的要求，采用热流道技术进行浇注成型，在产品中上部连接板中心位置设置进浇口，便于浇口的加工与凝料的切除，具体浇注方案如图4所示。
2.3.2 注塑过程分析
根据材料的成型性能，先采用系统推荐的工艺参数进行分析，模具温度设置为50℃、熔体温度230℃、速度/压力控制转换为97％、保压时间10 S，压力为注射压力的80％，通过CAE仿真分析，得出相应的结果，并对各重要指标进行分析比较，得出结论。
如图5所示，熔体充模完成时间需7.17S，满足大型注塑件尽量控制在10S内充满的成型要求，熔体流向整体呈现由上至下，由中心向四周扩散趋势，符合流体学原理，有效地避免了紊流现象，防止出现虎皮纹等注塑件常见缺陷，保证了产品质量；产品尺寸较大、相对复杂，从分析结果可见，塑件冻结时间较长，通过结果实体查询可得浇口处冻结时间约为88.61 s，因此，保压时间应为88 s左右，同时可初步确定塑件顶出时间，也可根据结果对产品顶出方案进行优化设计。可判定本方案在填充方面已满足成型要求。
2.3.3 产品质量分析与优化
通过对产品熔接痕与气穴等缺陷的分析，发现熔接痕主要集中在两个位置，一是位于保险杠摄像头预留孔边缘，如图6所示位置A，此处熔接痕熔接角接近1800，熔接温度约为228℃，参照熔接痕强度与熔接角度对应标准和熔接温度，由于熔接角度大、温度高，因此对塑件结构强度无明显影响，同时塑件后序还需进行喷漆处理，熔接痕在外观面的痕迹可直接覆盖，满足了产品美观需求，其他熔接痕均位于产品内、外侧边缘，无论强度与表面质量都不会对产品造成较大影响。气穴的产生位置也都集中在产品边沿部分，对产品强度以及外观质量均无明显影响，因此方案满足产品质量要求。
2.3.4 产品翘曲变形分析与改进
综合考虑压力分析与翘曲变形分析结果，可得最大注射压力为60.39 MPa，时间约在33.51 S，系统推荐的保压方式为恒压一衰减，但这种方式在实际操作时很难实现且变形量大，为了便于操作，同时减少产品翘曲变形量，改为采用分段恒压的保压方式，同时考虑模具的热膨胀系数，第一保压阶段由于产品变形量大，应采取高保压，设定为注射压力100％，时间为0—6 s；第二段保压值取注射压力80％，时间为填充末端压力最大时间与压力为零时间的平均值；第三段保压值取注射压力50％，时间为第二段保压结束到浇I：3凝固的总时间。把三段保压拟合为分段保压曲线，如图7所示，通过对工艺参数的优化设计，产品翘曲变形量明显减小，从而提升了产品质量，原始方案与优化方案产品总变形量对比结果。
通过Moldfolw的仿真分析，我们不仅对原始方案进行了检验与评价，同时还进行了优化设计，获得方案重要的成型参数，这些参数为我们后序的模具工艺调试提供了理论依据，可以有效地对产品质量进行控制，提升产品质量。
3 总结
CAE技术对大型汽车注塑件成型过程仿真分析的结果，对模具方案具有检验性与指导性的作用，可以较好地对注塑件进行质量控制，同时因为Moldfolw分析结果与生产实际的高吻合度使得CAE技术逐渐从检验性分析过渡到指导性分析，在制定模具方案之前，先初定几种方案进行分析比较，同时根据分析结果进行优化设计，最终以最优化的方案进行模具开发，这样既节约了成本，又提高了产品质量，特别针对汽车注塑件这种尺寸大、结构复杂的产品更应充分借助CAE平台进行开发，这样既满足了开发高端汽车产品的需求，也促进了模具工业的不断进步。
