塑料制品的模具设计知识橡塑机械

——“2015汽车与环境创新论坛”三一重机有限公司试验检测中心副主任
、三一重机技术总监陈振雷演讲实录

长期以来,判断汽车发动机优劣的指标只有三个:动力咋样、是否省油、用着不坏(现在得再加上第四个:排放是否达标)。其中,动力强弱和省油与否,我们都常听到相关的评价。比如动力,大家就经常听到最大功率、最大扭矩。再比如省油能力,我们也常以百公里油耗的来说明高下(严格意义上来说,这里的省油考察的是整车,发动机只是其中的一个环节)。即便是后加上的排放性能,我们也有欧标、美标和国标来判断。

MPI可以模拟整个注塑过程,以及这一过程对注塑成型产品的影响。各种三维CAD软件的注塑制品零件模型均可输入到MPI进行分析。软件能够精确模拟塑料熔体在模具模腔中的流动、保压与冷却过程,并提供不同时刻熔体及制品在型腔各处的温度、压力、剪切速率、剪切应力以及所需的最大锁模力等;还可计算模具在注塑过程中最大的变形和应力,预测制品可能发生的翘曲。另外,对于特殊的注塑成型,如玻纤填充注塑、气辅注塑过程也可精确模拟。同时,软件包含了材料与注塑机两大开放式数据库,完全能够满足各种材料在各种机台上的注塑仿真要求。
Moldflow Plastic
Insight是一个提供深入制件和模具设计分析的软件包,它提供强大的分析功能、可视化功能和项目管理工具。这些工具使客户可以进行深入的分析和优化。MPI使用户可以对制件的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数设置进行优化以获得高质量的产品。
a.集成的用户界面
集成的用户界面使用户可以方便地输入CAD模型、选择和查找材料、建立分析模型、进行一系列的分析,并采用先进的后处理技术使用户方便的观察分析结果、它还可以生成基于INTERNET的分析报告,方便的实现数据共享。
b.CAE模型的获取
MPI提供了CAE行业最优秀的CAD集成方案,Moldflow实现了最广泛的几何模型集成。包括线框模型、表面造型、薄壁实体以及难以用中型面来表达的厚壁实体。无论您设计的几何体是什么形式,MPI都提供了易于使用的、稳定的、集成的环境来处理您的模型。对于线框和表面造型,MPI可以直接读取任何CAD表面模型并进行分析。在用户采用线框和表面造型文件时,MPI可以自动生成中型面网格并准确计算单元厚度,进行精确的分析。MPI的中型面模块用于处理薄壁制件,节省了用户大量的CAE建模时间。使他们致力于CAE分析和优化。对于薄壁实体,MPI的FUSION模块基于Moldflow的独家专利的DaulDomain分析技术,使用户可以直接进行薄壁实体模型分析。这将原来需要几小时甚至几天的建模工作缩短为几分钟,无需进行中型面网格的生成和修改。FUSION可以直接从塑件顾问中读取模型而进行进一步的分析。
对于厚壁实体Moldflow的MPI/Flow3D、和MPI/Cool3D模块采用全三维的自适应网格进行全三维分析。
这三种方法提供了最广泛的几何设计模型的集成,是其它软件难以匹敌的。
c.分析功能简介
注塑流动模拟MPI的流动分析模拟了塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况,确保用户获得高质量的制件。使用流动分析用户可以优化浇口位置和加工参数、预测制件可能出现的缺陷、自动确定取得流动平衡的流道系统尺寸。
冷却模拟注塑和保压过程得到了优化后,可以进行冷却系统造型:包括流道、模具外形、镶块等,并进行冷却分析。
结构模拟MPI的翘曲分析可以预测塑料制件的收缩和翘曲。可以使用线性和非线性方法来精确预测翘曲的变形量,并指出引起翘曲的主因。MPI的模内残余应力修正算法使用户可以精确分析Moldflow数据库中4500种材料的翘曲情况。MPI应力分析功能可以分析塑件的在外力状态下的结构性能,它提供一个线性分析方法在概念设计阶段,快速预测制件是否符合设计的结构要求。采用非线性方法来确定由于外载荷而导致的永久变形。
纤维取向分析塑料的纤维取向对注塑制件的机械和结构性能有着重大影响,MPI先进的可视化工具使客户可以清晰的看到纤维取向在制件的各个部位的分布,从而获得制件的刚度信息。
注塑参数优化MPI的注塑工艺优化功能对于每一特定制件,自动的确定其最优加工工艺参数和注塑机参数。它的分析结果可以作为MPX的输入参数使试模快捷高效。
气辅工艺模拟使用MPI可以模拟体积控制和压力控制气辅工艺。它首先模拟聚合物在模具中的流动,然后模拟气体在型腔内的穿透情况
热固性材料注塑模拟MPI提供工具进行热固性塑料成型的模拟:如注塑成型、IC卡成型、树脂模塑成型、BMC材料模塑成型和反应注塑成型等。
使用MPI3.0可在模具制造之前优化注塑工艺参数、检验模具结构的合理性,大大降低了复杂模具的制造风险,有效控制开发周期与生产成本;对于已有模具和制品,通过MPI3.0的分析也可优化模具与制品结构及工艺参数,为提高产品质量稳定性提供解决方案。

我们知道现在国内提的非常多的,怎样用CAE逐步减少部件级、零部件级的甚至整车级的适应。因为时间在增长、成本在增长。这也是为什么目前各大公司相对成本比较低。我们也是不断与CAE的仿真流程,逐步减少代替台架试验。怎样保证CAE相对准确?我跟我们部门讲过一个事情,如果你拿到一个项目,你肯定为设计中心拿一大堆数据。如果你玩了三次以后,设计公司拿到的结果都是和实验结果相违背的,相当于这个根本没有用。要保证你有用怎么办?就是我们怎么把CAE流程做到有实际意义?越接近越好。

唯有是否用不坏,可靠性高不高,和我们比较遥远,并不常听到什么数据能够准确的告诉我们,一款发动机到底可不可靠。但实际上,它又是和我们密切相关的性能指标。那么,在工程上,发动机的可靠性是如何判断和确保的呢?

讲到目标的时候提到过,不管怎样主要解决两大问题:为新产品提供优化设计方案;解决存在于现有产品中的问题。问题出现叫CAE分析一下什么原因引起的,如果有数据库,可能快速找到原因。有了这个以后,就能提出,你相对准确的方案。因为最终我们知道,总是要经过实验设计,除非流程数据相当可靠了。这时候老总会说不用实验了直接进入生产,这个情况不多,条件要非常成熟。

图片 1
▲ 通用1.0T/1.3T 全新一代Ecotec增压发动机

下面会讲一下,发动机常见的问题。发动机分上部、下部结构。怎么保证螺母不坏?这是非常重要的问题。这是一个很典型的机体,断了以后,显然你会想到多方法,这种方法怎么解决?我提了提种螺母断裂的路径:1、螺丝咬合的地方可以做到的。2、切割带、切割面可以做一些处理。所以这个可以做一些适当加长,但是当咬合长度空间有限的情况下,加长了就减少了咬合长度,看什么组合最合适。不随着工艺水平提高,使得咬合强度得到提高。

前几天,《予墨Auto》前往山东烟台,听了上汽通用关于其全新一代Ecotec发动机讲解,还参观了其发动机生产线,对此有一些心得,今天和大家分享。

这是一个经常会碰到的问题,因为现在特别是在夏季和冬季温度变化比较剧烈的情况下。在冷却试验碰到的问题,因为底部温度变化太激烈了,目的会引起断裂。这个断裂,整个机体就希望全部废了,这个时候要适当分析。这个问题在北美和欧洲看到的比较多。我们建立一个数据库,这个数据库表明,确实到荷载达到一定程度的时候,会使你材料慢慢失效。

可靠性:一项全员参与的大工程

这个是在机体上出现的问题,典型问题是你台架试验和发动机是相匹配的,发动机从小变大或者大变小的时候,一定要考虑到这个问题,台架要做相应变化。

懂点汽车的人都知道,现在的整车生产厂商,都可以说是汽车集成生产商了。一般情况下,除了发动机和车身由自己生产之外,其余的零部件,均由外部采购。即便是变速箱这样重要的部件,自己研发和生产的汽车厂商,也并不多见。通用、奔驰、本田等,一个手就能数得过来。

发动机上部结构的失效模式,大家都知道气缸垫在发动机起着非常关键的作用。事实上,我碰到很多年轻的CEO都不知道这个气缸垫是干什么用的?分析起来复杂得很。但是这个问题,我们不得不考虑。因为是上部结构经常出现的问题,故障率非常高。欧洲和美国都分析了很多气缸垫问题,怎么布置是合理的。比如说缸和缸之间,因为这个地方很薄,像刚才说的,距离是控制的,这时候不想用太多的空间,这个地方很遗憾的是,这个温度特别高。现在有很多方法,这里打两个洞,预制的时候先放在里面,预制完了以后再拔出来。好几种方法,但是各种方法都有优缺点。

而现在整车厂生产发动机,其模式也已经和造整车相类似。围绕发动机,基本只有缸体、缸盖这样的「铸造+机加工」部件,才由自己生产。而其他的发动机零部件,几乎都是依靠采购而来,然后在自己的发动机总装线组装起来。

讲到这个问题,我记得三一重机当时和德国供应商合作的,我看到分析报告里有一个要求,理由是,他的分析报告表明,我们85%到90%以上的主要区域。当时我拿着报告的时候,在没有数据的情况下也不能反驳他们。但是我很明确。结果那次罗部长跟我一起去德国访问供应商,我发现他们一个致命的缺点,是错误的。当时我提了两个概念,他们怎么也不承认。为什么呢?我们的发动机已经生产这么多了,这个厂家非常厉害,从来没有出现过这样的问题。我说这个问题确实不会出现,你是H250拔过来就是350,成本增加了,这个成本算了下不算加工成本,500个亿,非常大的数据。他怎么不相信我的观点,当时查看数据之后,跟我讲的一模一样。后来他们不得不承认他们理论方法是错误的,从新修改后,一个月后他们告诉我低于10%安全系数不满足条件。这个时候,我们就可以通过CAE分析手段进行修正了。这是一个典型例子,我们通过CAE手段来解决我们想要解决的问题。

图片 2

发动机其他失效模式,比如说连杆、曲轴等。这些都需要实验完成,实验前最有效的手段就是虚拟仿真。虚拟方针怎样更有效?我讲几个我自己的观点,首先是优化零部件设计,从我们自己角度讲,我提了三点方法,刚才徐博士也介绍了:

因此,汽车发动机的任何一项性能,都是一个非常大的系统工程,需要供应商和整车厂商的全员、全流程的参与。那具体到上汽通用最新引入的全新一代Ecotec发动机的可靠性上,它们又是如何协作互助,并最终实现了可靠性目标?

1、计算流程,这个是相对准确,不可能绝对准确。我提一个分子,我认为很关键的被很多人忽略的点,就是建立模拟结构实际受载过程的计算流程,所以这是很重要的隐患;

可靠性保证第一步:引入新技术

2、材料数据,材料是不可比的,很重要的数据;

一台发动机的可靠性,严格意义上来讲,是研发和设计出来的。很多人看一台发动机的新技术,往往都集中于提高动力性、经济性的技术,其实,为了可靠性而引入的新技术,同样具有很高的技术含量。

3、判断指标,国外最大的供应为什么在中国挣这么多钱?很大原因是他手是有大量数据,就是他多少年数据库证明了他不出问题。刚才讲的是特殊例子,350不出问题,250可能会出问题。但250不出问题,350一般不会出问题。

图片 3
▲ Ecotec增压机活塞总成

我讲两个简单例子,比如刚才螺母开裂问题,CAE模型实现故障再现或者现场再现。有了故障再现和现场再现以后再考虑下一步的结果。

上汽通用引入的全新一代Ecotec发动机,新开发的DLC(Diamond Like coating)
类金刚石涂层低张力活塞环,使用了目前全球最先进的无氢DLC涂层工艺。其优势是相比常用的PVD图层,具有了更高的硬度和耐磨性。这种活塞环,在20万公里耐久测试之后,涂层磨损量只有0.5u(u是英制单位,1u=0.025微米)。

高度疲劳引起的,所以真正判断模型是不是吻合,换个位子,看你的安全系数。大多数情况下应该是一致的,这个是一个不一致的例子。后来我们分析完了以后发现,因为疲劳不受单一的影响。受很多条件的影响。所以渠道分析问题,是必须要解决的问题。讲到解决方案,很多专家都有自己很深刻的体会。

再比如,在冷却系统的设计上,这台发动机就有很独到的地方——采用了横流式冷却,而传统设计一般都是纵流式冷却。这两者的区别,我们可以用并联和串联来理解。横流式冷却,是指冷却液分流之后同时通过各缸,而纵流式则是冷却液逐个通过每个缸。横流式的好处显而易见,它能够保证各个缸的温度更加均匀。而纵流式在依次通过时温度越来越高,每个缸的冷却效果就不一样。冷却效果越好,发动机的可靠性越好。

所有总成里,包括缸体总成、缸盖总成,你必须要了解过程,你才有可能把结果计算准确。你如果前面特征是错的,你都不知道,哪怕碰上也是碰巧。后面准确才有可能是合理的。这是我们的数据库,水平方向是机体轴承的。我们分了三个区域,红区就是红线下面,绿区就是绿色线上面。数据证明,在绿区每个点表示的发动机设计,当然中间还有一个。慢慢拉到安全系数,达到1.15左右,这样大家才会方向。

正是因为这些新技术的应用,才是全新一代Ecotec发动机可靠性得以保证的源头。

下面我讲一个切切实实的例子,是和国内供应商合作碰到的问题。当时三一活塞设计出来了,分析的时候碰到一个问题,材料不知道、活塞不知道。主机厂说有荷载,但是不能告诉你。我访问了一下,还是有余地的,我把我的技术给你,你把你的材料给我。这个事要高层批准,批准后达成资源共享。所以我们拿到的数据都是主机厂供应商给的数据。一个活塞会对摩擦后期问题产生巨大影响。我们分析过程中,前面再三还是一个观点,我必须了解活塞的实际工作过程,或者是按最大能力了解。所以我们基本步骤,我们知道活塞很重要的问题是温度差问题。所以这个是非常严峻的问题。所以我必须把温度场模拟准确,这是我的观点。第二个问题,应用分析问题你会抓住一些关键点。

但是,并不是有了这些新技术加入进来,发动机就真的可靠了。它还需要经过一个验证-优化、再验证-再优化的过程。过去,这个工作必须完全由制造实体发动机来辅助完成,但现在不一样了。

相关文章