B09 应用模流分析技术在汽车引擎排风口翘曲变形之研究

一、前言

中國汽車工業協會最新預測我國今年汽車市場還將保持15%左右的增長，全年汽車銷量將達640萬輛至660萬輛。由于汽車零部件支撑整車、舊車維修、非汽車行業内燃機配套三個領域并可參予國際化采購，汽車零部件市場將遠超過整車市場，據預測，2010年中國本土需求汽車零部件將高達1800億元。

排風口為汽車引擎的重要零組件，產品一端固定在汽車引擎上，另一端配合密封圈與金屬件相接合，所以其氣密性影響產品的使用性能。產品使用環境要求耐高溫且具備一定的結構強度，採用塑料產品替代金屬件可以使汽車設計輕量化並降低成本，而含纖維材料的使用可以有效提高塑料製品的結構強度，卻對模具研發提出新要求。所以要在汽車零部件市場取得一定份額，必須探索一套以低成本卻可以做出高品質設計的方式。

國輝工程實業公司引進Moldex 3D來探討模具設計製造之可行性，並探討產品出現的問題的原因，利用工具來提高自身制模設計的專業能力，從而贏得更多客戶的信任。 

二、案例簡介

1. 產品說明

本產品為汽車引擎排風口，產品厚度分佈如圖1所示，主要範圍最大厚度為5.0mm，最小為1.5mm，產品主體厚度為2.5mm。排風口用於汽車引擎和其他金屬配件做連接，幾何尺寸如下：

主要厚度：2.5mm

長：300mm

寬：110mm

高：130mm

2. 問題焦點

預測翹曲量。

預測翹曲變形趨勢。

預測接口面平坦度

探討纖維配向狀況與翹曲量之關係。

3. 使用材料

成型材料為PA66 Ultramid A3ZG8（含45%玻璃纖維）。

4. 加工條件

本文所採用的加工條件如表1所示。

三、模流分析-原始設計

本次利用模流分析CAE進行模擬，利用調整澆口位置對模穴流動情形進行調整，探討充填結束纖維配向狀況對產品翹曲變形的影響程度及趨勢。原始設計與設計變更皆採用原始設計的水路配置，所以本次分析將不對水路部分進行探討。產品採用中間面網格建立一模一穴的網格模型，網格元素15,082個，如圖2所示。

1. 澆口及流道尺寸

產品採用單點進膠方式，流道尺寸如圖3所示。流道長度為76mm，直徑從4mm變化到6.2mm.

2. 流動波前

由流動波前時間得知塑件在模穴中各時刻的流動情形，如圖4所示，由流動波前圖77%可以看出產品有配合孔位一側已經填滿，另外一側有較大區域尚未充填，產品流動有不平衡現象，先行填滿區域將提前進入保壓。

3. 壓力分佈

壓力分佈的結果可看出充填所需之壓力，以及充填壓力的傳遞是否均勻之依據，所需之充填壓力在77.4Mpa，如圖6所示。

4. 平均纖維配向分佈

保壓結束時，產品平均纖維配向分佈狀況如圖7所示。產品主體平均纖維配向程度較高，如圖8所示，A方向為產品主體纖維平均配向方向，在A方向纖維對產品起到支撐作用，從而減少A方向的體積收縮，由於產品主體纖維配向程度較高，主体B方向纖維支撐作用不明顯，相對收縮將會比A方向為大。

5. 產品變形量

如圖9所示X軸之變形量為1.5~ -1.5mm，產品翹曲變形趨勢如圖10所示，產品有中間向上拱，兩端向下垂的變形趨勢。

6. 接口面平坦度

如圖11所示，接口面同樣呈現中間上拱而兩翼下垂的變形趨勢，平面最高點和最低點距離約2mm。

四、模流分析-設計變更

1. 澆口及流道尺寸

設計變更之流道採用兩點進膠，分爲三段冷澆道，再以直徑4mm→2mm點澆口進入產品。如圖12、13。

2. 流動波前

由充填分析可見，設計變更的流動平衡性較原始設計有明顯改善。如圖14所示，產品充填至92%有配合孔位一側才填滿，流道的更改改善了流動平衡。

3. 平均纖維配向分佈

保壓結束時，產品平均纖維配向分佈狀況如圖15所示，產品主體平均纖維配向程度依然較高，圖15中C方向為產品主體配向方向，由於纖維在產品體積收縮時起支撐作用，C方向可以緩解產品兩端向下垂的變形趨勢。

4. 產品變形量

如圖16所示X軸之變形量為1.3~ -1.3mm，產品翹曲變形趨勢如圖17所示，在X軸變形量值上，設計變更較原始設計改善13%，此數據代表對流道系統設計變更對產品翹曲變形狀況有明顯的改善。

5. 接口面平坦度

接口面呈現邊角有輕微上翹趨勢，如圖18所示，平面變形后最高點和最低點距離約1.2mm，較原始設計平面度改善40%，如表2所示。

五、結論

汽車引擎上的排風口作爲連接引擎與金屬件的關鍵組件，對接口平面處氣密性有要求，所以其平坦度要求較高，因此如何讓接口面翹曲情形滿足客戶要求，是相當重要的課題。模流分析能夠在設計的同時預測翹曲趨勢，探討引起翹曲變形的主要原因，經過不同的設計變更更有效的解決問題，對縮短模具開發週期，提升交件速度和降低生産成本有很大幫助。本文中分析結果發現纖維配向狀況不同為影響產品翹曲變形的主要原因之一，通過調整流道系統改變纖維配向狀況從而解決問題。

六、參考文獻

1. 陳建堯、簡志富、陳玠汶、吳光國、蕭乃仁，”CAE模流分析技術應用在汽車組裝件側裙擺之開發”，CAE Molding Conference 2006，台灣區電腦輔助成型技術交流協會，pp.B03-1~B03-5，2006。

科盛科技股份有限公司，”CAE模流分析技術入門與應用”，全華圖書出版，2002。