汽车材料：根据材料提供分析

作者：Larry Gould    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 材料的特性和差异有相当大的不同，因此在汽车零部件生产之前，设计师和工程师们在寻找相应分析软件时必须考虑相关的材料特性。 塑料和注塑成型 与传统消费品中的塑料零部件相比，车用塑料零部件是完全不同的。首先，为了满足体积和质量的要求，模具的制作费用日益昂贵。另外，对于注塑成型来说，无论材料还是废料，都有巨大的潜在成本。简单来说，注塑成型是利用混合了稳定剂和填充剂（例如玻璃和云母）的塑料颗粒，树脂或其他高分子材料。Moldflow公司（Wayland, MA）的生产线经理Murali Annareddy先生称，总共有35,000种具有商业价值的塑料，包括25个塑料材料系列，例如尼龙，聚碳酸酯，聚丙烯，聚氯乙烯。每个系列包含几十到几千种材料。例如聚丙烯拥有4,000到5,000个种类。这些丰富的品种是必需的，其中的添加剂和填充剂可使塑料显示出合适的特性。 例如，细小的玻璃纤维粉碎后与聚合物混合可构成5%到50%的塑料树脂，以增加强度。这些纤维同样也会影响聚合物在模具空腔内的流动，同样，纤维的去向很大程度上受流向的支配，同样，流向也受到零件密度的影响。这很重要，因为“在预测零件的净尺寸和强度时，必须考虑密度的方向性”，Annareddy这样说。 显然，塑料在注塑工程中经历了状态变化 ：它从固态转化为液态再回到固态。而并不明显的则是塑料的收缩。化学反应（和墨菲法则）导致了塑料被注塑成零件时在长度和宽度上的不均匀收缩。模具的设计已经对这种收缩作了补偿，这是一个工艺问题。另一个问题是塑料零件有着或强或弱的焊接线，这些焊接线必须被转移至非关键结构区域。另外一些需要去除的潜在影响有：缩痕（塑料表面的低洼），注量不足（模具空腔未被注满）。 “预测塑料的流动实在是一大挑战”，Annareddy说，原因在于不断变化的零件密度、操作压力和温度、聚合物材料（不管是纯树脂、填充物还是磨研剂）等等。所以，人们在针对他们领域内的特殊问题进行塑料零件和生产工艺的设计： ◆ 零件能否注满？ ◆ 焊接线和气窝在哪里？ ◆ 哪种材料具有最佳的流动特性？ ◆ 多大尺寸的浇口和浇道能产生最佳质量？ ◆ 怎样设计多腔注塑的进料系统？ ◆ 零件需要的是热的还是冷的进料系统？ 金属和金属冲压 十年以前， ESI北美公司（Bloomfield Hills, MI）虚拟制造部门经理Bruce Rodewald先生称，“冲压模拟软件的用途一度主要集中在应变预测和冲压相关技术的指导。”但现在，这已经发生了很大改变。如今，集成的金属薄板冲压模拟软件覆盖了模具设计的可行性到工序的确认和优化工作。这些分析工具经过调整以适应金属薄板成型，可给予用户对应力、疲劳度和毛坯薄板/工具相互作用（防皱压板，支持系统，定位销，拉珠，修剪工具等）的详细精确的深入了解。它可捕捉所有会影响到最终板材质量和修边后的几何形状，弹性后效以及折边的物理现象。Rodewald解释道，这些解决方法可让用户“专注解决冲压问题，不必被涉及程序界面的模型和人为数字问题所干扰。” 其中有个原因可解释为什么材料/工艺专项分析如此受欢迎。Rodewald说：“它使用的是模具工程的语言。”软件提出的问题也是模具工程师和金属模压工在设计和生产零件时常常会提到的问题。Rodewald承认很大一部分人可以使用通用的分析工具，但“你不得不承认你很需要它！”通用工具不得不写入这些子程序，因为同样的子程序已被写入材料/工序专项分析工具中了。 例如，Rodewald解释说，编写自己的程序来模拟一个冲压机，定义一个模具，模拟冲压机撞击的过程，这并不复杂。但在各项工作开始之前，你不得不花费几小时创建这些子程序，但是只需10分钟就可使用ESI公司的PAM冲压软件设置好工作，在后台进行运算时，你可以运行另一个项目而不必管它。 也许使用材料/工序专项分析工具最重要的原因正如Moldflow公司的Annareddy曾提出并得到Rodewald回应的那样。那就是关于材料特性以及它们在一定环境中是如何作用。这些材料的特性包含在分析软件供应商（还有材料供应商）提供的材料特性数据库内。例如，Rodewald说，“新品种的钢材，比如超高强度的钢材，已经从传统的钢材中被区分出来。”这些新材料能帮助减轻并控制汽车的重量，增加车辆的安全性。无论如何，对于制造方，“这些新材料需要更高的精度和参数来达到模拟的需求。一个可追踪材料历史和参数（例如变形速度和随动强化）的可定制模具，已成为一种需求以实现在应力环境下的最后10%的精确度。” 通用分析工具 通用分析软件供应商Abaqus公司 (Pawtucket, RI)总经理Mark Bohm先生开玩笑说，如果分析工具可以做所有的事，那无疑会很完美。但由于物理原因和Bohm所谓的“领域知识”，这一切不太可能很有条理、很有效地完成。注塑成型、金属冲压和其它制造工艺的技术分析都已通过基础计算机应用机理得以完成，这些都可以归结为有限元分析（FEA）问题。当然其中也包括了一些针对特殊工作要求的特别软件技术。 目前的现实情况是，为了满足商业目的（增加客户）和应用需要（很少有客户是哲学博士分析家），分析软件不能再只呈现节点和要素分析。演示给设计师和工程师们看的软件不得不或多或少地将设计问题通俗化，如果不这么做，这些将超出各行业(包括分析)人士的理解能力。 另外，分析软件还必须能应要求提供软件相关的物理模拟能力，也就是说，一个为特殊应用定制的通用分析工具仍然比多功能专项工具更具有吸引力。Bohm称：“天下没有免费的午餐，一套高级的多功能工具带来的是一大堆软件，随之也带来了复杂性的问题。”汽车制造商对此非常清楚。复杂性是一个巨大的管理问题，无论是在信息技术方面，还是在人力资源/知识管理上。 Rodewald最后总结道 ：“有限元分析解决方法只是表现要素和相邻要素之间对应关系的大量数学计算。你想赋予这些要素生命，你就得提供材料属性，提供某些历史纪录，你就得确信在未来某一时刻的确会发生某种变化” 这里的“某种变化”是材料/特定工艺分析软件供应商所提供的。 两套软件工具简介 Moldflow公司提供的Moldflow Plastics Advisers是一种初级和中级软件分析工具，用于初期设计的优化、可制造性的确认、以及模具的评估和优化。Moldflow公司的另一个系列产品，Moldflow Plastics Insight，则是一套高端软件系统，用于模拟和分析具有高公差的高精度塑料零件以及需要昂贵设备加工的零件。 由ESI北美公司生产的PAM-Stamp 2G，共包括三个产品 ：PAM-Diemaker，PAM-Quickstamp和PAM-Autostamp。PAM-Diemaker起源于一种进口的CAD图形软件，它可以帮助用户评估初始模具设计和优化结合表面和模具附件。PAM-Quickstamp可帮助用户对不同模具的几何参数进行评估，例如结合表面和模具附件，包括型模和模具壁。PAM-Autostamp是ESI公司的一种成熟的动态分析工具，用于金属薄板冲压。PAM-Autostamp复制了实际车间的冲压工序，包括吨数，润滑油种类，冲压速度，材料厚度和属性，以及弹性后效。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/25/2005)