趙 苗，辛 勇

（南昌大學機電工程學院，江西南昌330031）

注塑制品翹曲變形的研究進展

趙 苗，辛 勇＊

（南昌大學機電工程學院，江西南昌330031）

介紹了翹曲變形的分類、產(chǎn)生原因及表征方法，分析了影響翹曲變形的因素，包括成型材料、塑件結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等，并介紹了計算機輔助工程技術(shù)在注塑制品翹曲變形分析中的應(yīng)用及解決翹曲變形的方法。

注射成型；翹曲變形；計算機輔助工程

0 前言

翹曲變形是指塑件的形狀偏離了模具型腔的形狀所規(guī)定的范圍，是塑件常見的缺陷之一。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，特別是電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對塑料制品的外觀品質(zhì)和使用性能的要求越來越高。由于翹曲變形不僅影響產(chǎn)品裝配和使用性能，而且影響產(chǎn)品外觀品質(zhì)［1－2］，甚至會造成制品的報廢，翹曲變形程度作為評定產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標之一也越來越多地受到模具設(shè)計者的關(guān)注與重視［3］。因此，分析研究塑件翹曲變形的形成機理，找出消除或減少翹曲的對策，對提高塑料制品的品質(zhì)具有重要的意義。本文介紹了翹曲變形的分類和產(chǎn)生原因，分析了影響翹曲變形的因素，并介紹了計算機輔助工程（CAE）技術(shù)在注塑制品翹曲變形分析中的應(yīng)用以及解決翹曲變形的方法，對全面了解翹曲變形缺陷及其研究進展有一定幫助。

1 翹曲的分類

翹曲的主要表觀現(xiàn)象是塑件的形狀在脫模后或者稍后一段時間內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或者扭曲現(xiàn)象。典型的表現(xiàn)為塑件平坦部分有起伏，直邊向里或向外彎曲或扭曲。Moldflow軟件中的翹曲分析將翹曲分為2類，一類為穩(wěn)定翹曲［圖1（a）］，翹曲變形與收縮應(yīng)變成正比；另一類為非穩(wěn)定翹曲［圖1（b）］，由于塑件彎曲而產(chǎn)生，在這種情況下，收縮應(yīng)變表現(xiàn)為平面應(yīng)變，由于平面應(yīng)變過大導致塑件失穩(wěn)而彎曲，一般這種彎曲變形較大［4］。

圖1 翹曲的分類Fig.1 Classification of warpage

2 翹曲變形產(chǎn)生的原因

一般均勻收縮只引起塑料件體積上的變化，只有不均勻收縮才會引起翹曲變形。Moldflow Plastic Insight（MPI）／WARP模塊把翹曲產(chǎn)生的原因歸結(jié)為3點：

（1）冷卻不均勻。不均勻冷卻導致制品的溫差很大，使制品在頂出后的二次收縮值相差很大，這種收縮差別導致彎曲力矩的產(chǎn)生而使制品發(fā)生翹曲；

（2）收縮不均勻（區(qū)域收縮）。指的是不同區(qū)域之間的收縮不同而導致制品翹曲，可以用面積收縮（即由于水平和垂直收縮引起的面積變化）來比較區(qū)域與區(qū)域之間的收縮；

（3）分子取向效應(yīng)。由于分子平行方向和垂直方向上的收縮不均勻而造成翹曲。

3 翹曲變形的表征

采用注射成型CAE進行設(shè)計質(zhì)量預(yù)測時，對翹曲變形模擬結(jié)果的評價一般直接用最大翹曲變形量來進行，有時也將總平均翹曲變形量、10%最大翹曲變形節(jié)點的平均翹曲量等統(tǒng)計量作為評價翹曲變形的指標［5］。但是，在很多情況下，用最大翹曲變形量或其他統(tǒng)計量表征制品的翹曲變形存在很大的局限性，不能很好地反映產(chǎn)品的變形情況。

翹曲度的概念主要應(yīng)用于復合木質(zhì)板材中，但近幾年，隨著注射成型的發(fā)展，尤其是對注塑模缺陷研究的深入，翹曲度也開始用于注塑件翹曲變形的表征。李吉泉等［6］針對生產(chǎn)中對塑件翹曲變形的要求，提出以描述指定特征翹曲程度的特征翹曲度來評價塑件的翹曲變形。通過優(yōu)化特征翹曲度，將數(shù)值模擬和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，提出了一種注塑模具澆口位置設(shè)計方法。

劉紅迎等［7］以節(jié)點變形距離的標準差來表征翹曲變形程度。在默認工藝參數(shù)作用下，應(yīng)用CAE平臺導出翹曲結(jié)果，分別用X＿Comp，Y＿Comp和Z＿Comp表示變形后各個節(jié)點在X、Y、Z軸3個方向偏離原始位置的距離，用l表示節(jié)點的綜合變形量，以節(jié)點變形距離的標準差（L）表征翹曲變形程度，如式（1）、（2）所示。通過對模流分析軟件的二次開發(fā)實現(xiàn)了制件有限元節(jié)點3坐標位移綜合計算，得到制件總體的翹曲程度表征與量化，并以其作為評價指標，運用軟件結(jié)合正交實驗設(shè)計，獲取了最優(yōu)工藝參數(shù)組合及工藝參數(shù)對翹曲的影響規(guī)律，實現(xiàn)了注塑件翹曲的優(yōu)化。

式中 n——變形節(jié)點數(shù)

li——第i個節(jié)點變形距離

l——平均變形距離

4 影響翹曲變形的因素

4.1 成型材料

用結(jié)晶材料（如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等）制成的制品比非結(jié)晶材料（如聚苯乙烯、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯等）更容易產(chǎn)生縮壁，更容易翹曲［8］。在塑件中添加纖維易導致翹曲變形。Matsuoka［9］采用三維薄壁模型，預(yù)測了纖維增強材料制品的翹曲變形。通常，不含充填物的材料在平行于流動方向的收縮大于垂直于流動方向的收縮，而含充填物的材料的收縮情況正好相反。當成型薄殼塑件時，一般選擇流動性較好的塑料，但流動性好的塑料往往剛度不高，這樣即使殘余應(yīng)力不大，也有可能造成大的翹曲變形。

4.2 塑件結(jié)構(gòu)

一般帶筋板的塑件比平板類塑件更能抵抗翹曲變形。大平面的制品必須增加加強筋，這樣可以防止制品翹曲變形。在注射成型非均勻壁厚的塑件時，如產(chǎn)品有改變厚度的地方，同樣會面臨收縮不均勻的問題［10］，收縮的差異很容易引起塑件產(chǎn)生翹曲變形。對此，可采用厚度過渡的方式改善收縮不同引起的翹曲，也可以使用加強筋等來提高產(chǎn)品硬度和避免塑件收縮不均勻。

4.3 模具結(jié)構(gòu)

澆道、流道、澆口太小或太長都會使得流長、流阻過大，相應(yīng)的注射壓力也須提高，同時高分子易被拉伸、壓擠，殘余應(yīng)力大，容易翹曲。澆口位置是減少翹曲的關(guān)鍵［11］，應(yīng)在厚斷面處開澆口，因為在薄的斷面處開澆口會造成較高的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生翹曲。

冷卻部位溫度控制不均勻會導致翹曲。在設(shè)計模具時，應(yīng)注意溫控系統(tǒng)的設(shè)計，合理地調(diào)整凸模和凹模、型芯和模壁之間的溫差，防止變形的產(chǎn)生。

頂出脫模時，塑件溫度較高，頂出不直、不勻、不一致，會形成機械應(yīng)力，制品容易翹曲變形。為避免機械應(yīng)力，應(yīng)用時要檢查頂出系統(tǒng)，并作必要的調(diào)整，適度潤滑所有運動零件。大模具的頂出板須采用引導套，防止模板中央因自重下垂而改變頂出方向和位置。

4.4 工藝參數(shù)

在注射成型過程中模具溫度、熔體溫度、注射速度（注射時間）、注射壓力、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間這些參數(shù)都不同程度地影響著制品的品質(zhì)［12］。

（1）模具溫度設(shè)置過低，則塑件的冷卻速率高，導致制品內(nèi)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，容易產(chǎn)生翹曲變形；

（2）熔體溫度過低，則熔體的流動性較差，在流動過程中受到較大的應(yīng)力，由于沒有足夠的時間釋放，會產(chǎn)生翹曲；料溫太高時模具的載熱量增大，冷卻系統(tǒng)負荷加重，使得制件出模時并未完全冷卻，因而熱的制件在出模后易受外力和自然冷卻作用而變形［13］；

（3）注射速度越高，型腔內(nèi)的熔體流動速度越高，殘余應(yīng)力、表面應(yīng)力和分子取向差異就越大，從而導致塑件的翹曲變形；另一方面，高的注射速度可減小充填過程中的冷凝層厚度，有利于壓力的傳遞。對于熔體流動前沿面面積不同的部件，恒定的注射速率能夠?qū)е氯垠w流動前沿面速度差異很大，從而使得分子取向差異大，進而導致翹曲變形［14－16］；

（4）較高的注射壓力和流速會產(chǎn)生高剪切速率，從而引起平行于和垂直于流動方向的分子取向的差異，同時產(chǎn)生“凍結(jié)效應(yīng)”。分子取向上的差異會引起塑件在不同方向上彈性模量和剛度上的差異?！皟鼋Y(jié)效應(yīng)”將產(chǎn)生凍結(jié)應(yīng)力，形成塑件的內(nèi)應(yīng)力。該內(nèi)應(yīng)力在塑件脫模后將會進一步引起翹曲變形［3］；

（5）保壓壓力太低時，塑件會發(fā)生短射，澆口附近發(fā)生回流，不僅形成流動殘余剪切應(yīng)力，而且會形成較大的體積收縮率差異而產(chǎn)生較高的殘余拉、壓應(yīng)力，使制品翹曲變形。增大保壓壓力，以使得補料充足，但是也不能太高，否則會造成溢料和模具損傷，增大塑件的殘余應(yīng)力導致翹曲；

（6）保壓時間過短時，澆口沒有冷凝而導致熔體回流，或者因為補料不足而產(chǎn)生較大的收縮；

（7）冷卻時間過短時，型腔內(nèi)熔體沒有達到出模溫度，若被頂出，在沒有約束的狀況下，收縮變形比較厲害，出模后會產(chǎn)生較大的變形。

5 CAE在塑件翹曲變形分析中的應(yīng)用

由于翹曲與塑料類型、產(chǎn)品、模具設(shè)計、成型工藝等有關(guān)，而成型過程涉及眾多參數(shù)，所以一般情況下僅依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗難以準確、快速地解決翹曲問題。在模具設(shè)計前進行必要的CAE模擬，預(yù)測塑件的翹曲變形，分析主要影響因素并進行優(yōu)化，從而縮短試模周期，降低開發(fā)成本，提高經(jīng)濟效益。許多學者對CAE技術(shù)在注射成型翹曲變形中的應(yīng)用進行了研究。

康俊遠等［17］用有限元方法研究了溫度場、壓力場對塑件殘余應(yīng)力及翹曲變形的影響。以空調(diào)器風門葉片為例，給出翹曲變形的CAE分析步驟，提出了收縮不均、冷卻不均及分子取向不一致是翹曲變形產(chǎn)生的原因，然后給出了相應(yīng)的改進措施并在生產(chǎn)實際中取得較好的效果。

于盛睿等［18］針對液晶電視前面框在生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的翹曲變形問題，利用CAE數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)、外觀特點對液晶電視前面框塑件進行翹曲集成分析，分析冷卻溫度、分子取向、收縮率等對翹曲變形的影響，提出了針對性的模具優(yōu)化方案：將背面除4個角落處的整圈加強筋去除，同時，在塑件的背面外輪廓周邊加一圈厚度為3mm、高度為4mm的筋條。利用優(yōu)化方案改進的模具進行注塑生產(chǎn)，得到了合格塑件。

黃丹彤等［19］針對洗衣機底板在注射成型中產(chǎn)生的翹曲問題，利用CAE軟件進行計算機數(shù)值模擬，結(jié)果表明，收縮不均是影響翹曲變形的主要因素。通過二級保壓方式和根據(jù)材料的PVT曲線進行等比容保壓來減小翹曲。對比后發(fā)現(xiàn)，第二種保壓方式下得到的塑件的翹曲量更小。

6 改善及消除翹曲變形的方法

6.1 常用的優(yōu)化方法

目前國內(nèi)外主要采用單因素法［20－21］、綜合有限元分析法、反應(yīng)曲面法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬實驗以定量統(tǒng)計分析法和通過正交試驗等優(yōu)化方法來研究尋找最優(yōu)參數(shù)。這些研究是以某種算法為理論基礎(chǔ)，通過模擬實驗例證，說明注塑過程工藝參數(shù)對翹曲有必然的影響與交聯(lián)關(guān)系。

董斌斌等［22］介紹了薄壁件注射成型過程中充填、保壓、冷卻和殘余應(yīng)力的數(shù)學模型，并使用集成后的模擬分析程序，以Taguchi正交試驗方法研究了手機外殼的翹曲變形與收縮問題，分析了熔體溫度、模具溫度、保壓時間、保壓壓力、澆口尺寸和注射速率對收縮與翹曲的影響的顯著性。得出影響翹曲變形與收縮最顯著的因素是保壓壓力和熔體溫度，優(yōu)化模具溫度、熔體溫度、保壓壓力以及保壓時間等工藝參數(shù)可以減少殘余熱應(yīng)力，進而減小制件的翹曲變形。

Ozcelik等［23］對方差分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和基因算法在注塑模的翹曲優(yōu)化處理上做了比較。結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗和Taguchi正交實驗矩陣及Moldflow軟件確定薄殼件的注塑工藝參數(shù)。用基于方差分析方法的有限元分析來確定對翹曲影響最大的工藝參數(shù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基因算法尋找翹曲的最小值。

Hasan等［24］利用響應(yīng)曲面法和基因算法對薄殼件的注塑工藝參數(shù)進行了優(yōu)化控制。為了對薄殼件的翹曲變形進行有效控制，他們使用了有限元分析、實驗方法的統(tǒng)計設(shè)計、響應(yīng)曲面法以及基因算法等多種方法，得出了模溫、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間這些工藝參數(shù)的最佳組合。

Yen等［25］將有限元法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將流道的直徑和長度作為流道系統(tǒng)的主要控制參數(shù)，以減小制件的翹曲變形為優(yōu)化目標。在建模階段，有限元仿真數(shù)據(jù)用來生成精確的網(wǎng)格模型，用其預(yù)測不同控制參數(shù)下的翹曲變形量。在優(yōu)化處理階段，采用模擬退火法，其可以在最優(yōu)化過程和有限元仿真之間不用進行復雜的迭代就可以高效地找到一組最優(yōu)化參數(shù)。

仇亞莉等［26］將Taguchi穩(wěn)健設(shè)計和CAE模擬技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化。以某電器殼體的注射成型為例，以減小制品的翹曲變形為試驗?zāi)繕耍芯磕＞邷囟取⑷垠w溫度、注射時間、保壓壓力及澆口位置等對翹曲變形的影響規(guī)律，運用變量分析，確定了工藝參數(shù)對翹曲變形的影響度。

陳哲等［27］把CAE與均勻試驗設(shè)計方法相結(jié)合，對塑件翹曲工藝參數(shù)進行試驗設(shè)計和優(yōu)化。結(jié)果表明，均勻試驗設(shè)計法能使試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻分布，有效減少試驗次數(shù)，獲得較好的優(yōu)化結(jié)果。

6.2 新的優(yōu)化方法

隨著注射成型技術(shù)的發(fā)展，學者們對翹曲變形的探索越來越深入，出現(xiàn)了不少新的方法，為該領(lǐng)域的進一步研究不斷奠定基礎(chǔ)，同時也為實際生產(chǎn)提供了更好的指導。

針對工程優(yōu)化設(shè)計通常需要完成大規(guī)模的數(shù)值計算且耗時過長的問題，崔振東等［28］提出了網(wǎng)格環(huán)境中一種基于近似函數(shù)的注塑翹曲優(yōu)化網(wǎng)格算法。該算法是一種基于黑箱分析程序的優(yōu)化設(shè)計方法，收斂速度較快，能有效地利用網(wǎng)格中的閑置資源，高效地完成對注塑產(chǎn)品翹曲的優(yōu)化設(shè)計。

針對傳統(tǒng)的基于CAE的注塑產(chǎn)品工藝優(yōu)化方法精度不高、效率低的缺點，陳巍等［29］提出了基于Kriging代理模型和自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法（Adaptive Particle Swarm Optimization，APSO）相結(jié)合的注塑產(chǎn)品翹曲優(yōu)化策略。Kriging模型代替CAE分析作為粒子群算法迭代過程中的適應(yīng)函數(shù)，大大減少了優(yōu)化算法的計算量；同時，通過在粒子群算法中引入自適應(yīng)慣性權(quán)系數(shù)，加快了粒子群算法的收斂速度。算例表明，該優(yōu)化策略可以在小樣本情況下獲取較高的求解精度，并通過與標準遺傳算法做比較，表明該優(yōu)化策略同時具有較高的計算效率。

黃風立等［30］針對翹曲量這一成型質(zhì)量指標，將可拓關(guān)聯(lián)引入到注射成型的工藝參數(shù)優(yōu)化中，提出了基于可拓關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量篩選及基于可拓關(guān)聯(lián)度評價的工藝參數(shù)優(yōu)化方法。在結(jié)合一個帶有凸沿杯子的注射成型實例研究中，利用基于可拓關(guān)聯(lián)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面及蟻群算法的方法進行了注射成型工藝參數(shù)的優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)果利用數(shù)值模擬和實際注射成型實驗驗證，結(jié)果表明，基于可拓關(guān)聯(lián)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面模型的注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化方法可靠，并具有較好的實用價值。

目前對于翹曲變形的研究主要集中在對翹曲變形的形成理論研究和對注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化控制上。而在實際生產(chǎn)過程中，如果制品出現(xiàn)了嚴重的翹曲變形，僅僅通過調(diào)整注塑工藝參數(shù)往往不能取得良好的效果。黃強［31］提出了一種有效的解決辦法：變形補償設(shè)計。借助Moldflow軟件對塑件的翹曲變形進行模擬分析，并結(jié)合實際生產(chǎn)的情況，找出軟件預(yù)測的參考翹曲變形量與實際變形量的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，確定變形補償量的大小。根據(jù)變形補償量對制品進行反變形設(shè)計，利用變形補償來抵消翹曲。

蘇文斌等［32］首次把廣泛應(yīng)用于土木工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中的多因素敏感性分析方法應(yīng)用在注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化方面。以某監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備外殼成型為例，對影響產(chǎn)品翹曲的工藝參數(shù)進行了敏感性分析和優(yōu)化，利用優(yōu)化參數(shù)指導生產(chǎn)，最終得到了滿足要求的合格產(chǎn)品。

7 結(jié)語

翹曲變形影響塑件的外觀、品質(zhì)、裝配及使用性能，是注射成型中經(jīng)常遇到且較難解決的問題。雖然很多學者在研究塑件的翹曲變形問題，并取得了不少成績，但該領(lǐng)域仍有進一步研究的必要性和可能性。翹曲的分析研究及優(yōu)化設(shè)計依賴于對注塑過程的模擬仿真。目前注射成型的黏彈性模擬分析的發(fā)展尚不成熟，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果還不能達到高度吻合。大力發(fā)展三維實體模型技術(shù)，將三維實體模型技術(shù)推廣到注射成型過程中的各個方面，也是提高模擬準確性的一個重要措施。提高仿真分析的精度，使模擬分析的翹曲變形與實際更加接近，是當前一個亟待解決的重要研究課題。構(gòu)造合理的優(yōu)化模型可以比較準確地描述制品的翹曲量并使其最小化，能夠更有效地提高產(chǎn)品的品質(zhì)，所以研究合理的優(yōu)化模型是今后該領(lǐng)域應(yīng)該深入研究的問題。建立可行的注射成型全過程模擬數(shù)學模型，綜合考慮注射成型流動、保壓和冷卻過程的相互影響，是提高注射成型模擬準確性和精度的關(guān)鍵問題。參考文獻：

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Research Progress in Warpage of Injection Molded Parts

ZHAO Miao，XIN Yong＊

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

The classification of warpage，causes of forming warpage，and the characterizations of warpage were summarized.The factors that affected warpage，including materials，parts structure，mould structure，and processing parameter，were analyzed.The application of computer aided engineering technique in analysis of warpage of injection molded plastic parts was introduced.Besides，the methods for solving warpage were presented.

injection molding；warpage；computer aided engineering

TQ320.66＋2

A

1001－9278（2012）04－0066－06

2011－10－25

江西省自然科學基金資助項目（GZC0022）

＊聯(lián)系人，xinyong＿sh＠sina.com

（本文編輯：劉 學）