汽车风扇moldflow数据测量分析

汽车风扇moldflow数据测量分析

风扇的主要检测项目
         图2为某汽车发动机风扇注塑制品，材料为PA66/GF30。风扇主要由内圈、外圈和 6 个连接内圈和外圈的叶片组成。


        如果要将 Moldflow 的分析结果与实际结果进行比较，首先应该完成对注塑制品变形后的尺寸测量。在汽车风扇的首件检测和巡回检测指导书中，叶片前、后沿的翘曲变形大小与外圈的两处外径尺寸 f 395mm 与 f 380mm 以及内圈外径尺寸 f 143mm （图 3 ）均为检测项目。


直径变形数据测量
        由于风扇呈辐射状，在内圈与外圈之间有材料的叶片区和无材料的通风区，制品的收缩程度不一样。所以，注塑制品在变形后各圆柱面上均会出现圆度误差。表1为各直径变形后所测量的数据。



        叶片翘曲变形数据的测量与直径测量相比，风扇叶片翘曲变形的测量要复杂得多。为此，笔者借助了三坐标测量机和ATOS 激光流动测量仪等设备。利用三坐标测量机可以直接从曲面表面采集数据点，但与测头接触的是变形后的曲面，而曲面上测量点的法线方向很难确定，因此存在较大的测量误差。利用ATOS 测量需要对曲面进行重构，过程十分繁琐。两种方法都是以叶片曲面的前沿和后沿的分模曲线为基准，以获取叶片曲面数据。

       为了提高坐标的测量精度，用 ATOS 激光流动测量仪对风扇样件进行扫描，将得到的点云数据输入逆向工程软件Imageware中进行处理和曲面重构，在 UG 中萃取出重构曲面的分模曲线，并在分模曲线上按 u 值在 0 到 1 之间将曲线 10等分。表2为叶片前、后沿分模曲线上各等分点的坐标数据。


3 Moldflow 数值化分析与结果比较

3.1 数值化分析前处理
       在利用 Moldflow 对汽车风扇进行数值化分析前，需要做一些前期准备工作，包括CAE模型的建立、有限元网格的划分、浇注系统和冷却回路的创建等。

        将风扇 CAD 数据通过 STL 中性文件格式导入到 Moldflow 中。在划分网格时，Moldflow 会给出一个推荐的网格大小。网格的边长一般取制品最小壁厚的 1.5 倍～ 2 倍，这样就能够基本保证分析的精度。Moldflow系统自动生成的网格可能存在着或多或少的缺陷，这些缺陷不仅可能对计算结果的正确性和准确性产生影响，而且在一些网格缺陷比较严重的情况下，还会导致计算根本无法继续进行。
       可以应用系统提供的网格MeshTool 对网格进行修改，直到没有网格缺陷为止。利用Fusion网格模型进行分析时，网格的匹配率（MatchRatio）应该达到85%以上，翘曲变形（Warp ）分析才能进行，如果匹配率低于50%，则流动（Flow）分析也会中断。
        为了使模拟结果与实际的注塑成型结果具有一定的可比性，在 Moldflow 中的 CAE 模型应尽可能与注塑模具相吻合。结合具体的注塑模具结构，设计出浇注系统与冷却回路，得到的CAE模型如图 4 所示。

        冷却液入口温度为60℃，流动状态为湍流，雷诺数为 12 000。数值化模拟所用的成型材料选美国杜邦公司的 Zytel 70G30 HSLR NC010 DAM，该塑料为玻璃纤维增强尼龙，玻璃纤维含量30%，与实际生产所用材料相同。材料缩水率设置为 0.5%，与图 4 模具设计时制品缩水率一致。

3.2 数值化模拟的注塑工艺条件确定


      这里需要说明的是：在制品加工工艺卡上规定的注射时间为18s，而在应用Moldflow进行模拟分析时，这个注射时间太长，前锋料头已经冷却凝固，出现了浇不足的现象。应用Moldflow自动分析计算风扇注射所需时间为2.13s。由于工艺卡上对注射时间做了严格的规定，将多余的注射时间并入到保压时间中。这是由于保压阶段与注射充模阶段一样，注射机的螺杆都会持续较高的压力。综合考虑到各种因素的影响，最后将注射时间确定为8s，将保压时间延长至18s，总成型周期取80s，开模取制品时间5s。其他参数值均按表 3 中的数据。

3.3 数值化分析结果
       Moldflow计算出制品的翘曲变形（Warp）结果后，在 f395mm 、f380mm 和 f143mm 三处圆柱面上按叶片区域与通风区域的次序依次选取一定数目的节点，查询节点变形后的坐标值，并计算出各圆柱面变形后的直径数据如表 4 所示。

叶片前、后沿分模曲线上的变形数据如表5所示。



        Moldflow分析的叶片前、后沿翘曲变形数据与测量数据之间的最大误差为 0.457mm ，发生在后沿曲线中间，即u＝0.5处。而该点的实际翘曲变形量为 1.277mm ，Modflow 的分析误差为35.78% 。
结论
      在应用 Moldflow 对汽车风扇进行数值化分析的过程中，注塑工艺条件的设置十分关键。为了得到与实际结果接近的模拟结果，应当尽可能地使注塑模拟工艺条件与实际注塑工艺条件一致。

      从汽车风扇的 Moldflow 数值化分析结果与实际测量结果的比较可以看出，Moldflow在计算制品尺寸收缩率时的精度很高，在 f143mm 的圆柱面上的最大误差仅为 0.47mm；并且相同的圆柱面上的误差方向的也是一致的。 因此，Moldflow 的分析结果对塑料制品的注塑模具设计具有重大的指导意义，通过 Moldflow 分析误差的大小和方向，对模具型腔进行收缩预补偿，可以得到尺寸精度更高的制品。

      在翘曲变形的模拟计算过程中，Moldflow的分析误差为 35.78%，误差太大；并且在后沿曲线上误差的方向也不一致。 这也说明了Moldflow 软件关于翘曲变形的计算方法有待进一步完善。

      从表中的数据可以看出，Moldflow的分析数据与测量数据之间的最大误差为 0.47mm，发生在 f143mm 的圆柱面上。其他位置的分析数据与测量数据之间的误差均低于 0.47mm 。叶片前、后沿分模曲线z方向翘曲变形的比较结果如表 7 所示。