譚安平，劉克威

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂(lè)山 614000)

0 前言

注射成型中常見(jiàn)的問(wèn)題有：收縮凹陷、熔接痕、填充不足、飛邊、燒焦、流痕、表面光澤不良、翹曲變形等。而其中最普遍也是最難以控制的就是翹曲變形。由于材料本身的特性以及塑料制品的復(fù)雜性，工程人員很難僅憑經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行較為精準(zhǔn)地選擇加工參數(shù)以及工藝過(guò)程[1-3]。

模具設(shè)計(jì)制造前如果采用模流分析軟件對(duì)產(chǎn)品成型可能發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，可以大大降低失敗的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、模具制造費(fèi)用，提高產(chǎn)品、模具質(zhì)量，縮短模具制造周期和試模周期，提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

以某款汽車的手套箱蓋為例，為了預(yù)測(cè)和降低翹曲風(fēng)險(xiǎn)，在模具設(shè)計(jì)及制造前，利用Moldflow模流分析軟件對(duì)翹曲變形進(jìn)行CAE分析及預(yù)測(cè)。

1 產(chǎn)品三維建模及Moldflow前處理

汽車手套箱蓋的三維UG建模如圖1所示，產(chǎn)品尺寸為210.42 mm×292.15 mm×61.71 mm，體積為246.21 cm3，平均壁厚為3 mm，外表面要求光滑，內(nèi)部特征比較多。

產(chǎn)品材質(zhì)采用聚丙烯(PP)，PP的熔體流動(dòng)速率為14 g/10 min(實(shí)驗(yàn)條件：熔體溫度為230 ℃，載荷為2.16 kg)。

圖1 產(chǎn)品3D模型Fig.1 3D model of the part

為了保證模擬的準(zhǔn)確性，先把產(chǎn)品導(dǎo)入到CAD doctor軟件里進(jìn)行3D數(shù)據(jù)修復(fù)，然后導(dǎo)入到Moldflow軟件里進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格采用雙層面網(wǎng)格，劃分后三角形數(shù)量為36 340個(gè)，網(wǎng)格匹配率為90.8 %，最大縱橫比10，符合模流分析要求。劃分及修復(fù)完成的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Finite element mesh model

翹曲變形的原因歸根結(jié)底是成型過(guò)程中殘余應(yīng)力的釋放。塑料制件的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的因素主要有：取向效應(yīng)、冷卻不均、收縮不均。降低翹曲變形量可以從模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)2個(gè)方面進(jìn)行。

2 模具結(jié)構(gòu)分析

2.1 調(diào)整澆口

注射成型中，大部分分子平行于流動(dòng)方向排列，比垂直于流動(dòng)方向的分子取向要大，產(chǎn)生取向效應(yīng)。取向效應(yīng)會(huì)造成不同方向上塑件收縮不均勻，制件發(fā)生翹曲變形。

分子或纖維取向主要由流動(dòng)路徑?jīng)Q定，產(chǎn)品一定的情況下，澆口位置對(duì)其影響最大[4]。因此，改善取向效應(yīng)的主要方法是調(diào)整澆口。具體方法為：設(shè)計(jì)幾種進(jìn)澆方案，模擬各種進(jìn)澆方案的變形量大小，變形量最小的方案為最佳方案。

產(chǎn)品為大批量生產(chǎn)，流道應(yīng)采用熱流道。熱流道系統(tǒng)可以保證較好的流動(dòng)性，還可以無(wú)廢料生產(chǎn)?？紤]到澆口不能設(shè)置在影響外觀的表面上，應(yīng)使用潛伏式澆口。結(jié)合制件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3種進(jìn)澆方案，澆口采用牛角形潛伏式澆口。3種澆注系統(tǒng)的建模如圖3所示。

工藝設(shè)置采用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)，分析序列為填充+保壓+翹曲，模擬完成后得到3種進(jìn)澆方案的所有效應(yīng)翹曲變形量，如圖4所示。

方案1、方案2、方案3所有效應(yīng)的最大變形量分別為3.957、3.900、2.777 mm，方案3變形量最小，為最佳進(jìn)澆方案。

2.2 優(yōu)化冷卻系統(tǒng)

模具冷卻系統(tǒng)不合理會(huì)造成不均勻冷卻，表現(xiàn)為凸模和凹模的表面溫度不一致，這會(huì)使塑件的上下表面產(chǎn)生熱應(yīng)力及熱變形，產(chǎn)品變形時(shí)會(huì)向較熱的一側(cè)彎曲，使制件發(fā)生翹曲變形[5-6]。

(a)方案1 (b)方案2 (c)方案3圖3 3種進(jìn)澆方案Fig.3 Three gating schemes

(a)方案1 (b)方案2 (c)方案3圖4 3種進(jìn)澆方案的所有效應(yīng)翹曲變形量Fig.4 Warpage deformation from three gating schemes

對(duì)于復(fù)雜制件，要保證凸凹模的模具溫度一致、分布均勻是比較困難的。一般來(lái)說(shuō)，凸模的溫度較高，這是因?yàn)橥鼓３尚椭萍膬?nèi)表面，而內(nèi)表面特征較多，斜頂及滑塊相應(yīng)增多，因此，凸模水路布置較為困難，冷卻不佳導(dǎo)致凸模模溫較高。

(a)凹模冷卻水路 (b)凸模冷卻水路及隔水板 (c)凸凹模水路組合圖5 基于方案3優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)Fig.5 Optimized cooling system based on scheme 3

手套箱箱蓋為復(fù)雜制件，內(nèi)部特征多，內(nèi)表面有2排通孔，每排5個(gè)，成型這些通孔需要用滑塊進(jìn)行大面積抽芯，因此，凸模的冷卻水路空間布置大大受限。為了繼續(xù)降低變形量，需要建立合理的冷卻系統(tǒng)方案。冷卻系統(tǒng)的建模如圖5所示。凸凹模各采用了2條水路。水路采用12 mm直徑的管道，管道中加入了隔水板。冷卻介質(zhì)為常溫水。進(jìn)水溫度為25 ℃，雷諾數(shù)為10 000。

設(shè)定分析序列為冷卻+填充+保壓+翹曲，參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。模擬結(jié)果顯示，4條水路出水溫度最高為27.37 ℃，與進(jìn)水溫度25 ℃的溫差較小，冷卻效果比較好，符合要求。冷卻結(jié)束時(shí)凸模和凹模的表面模溫分布如圖6所示。

(a)凹模 (b)凸模圖6 凸凹模的表面模溫分布Fig.6 Surface temperature distribution of convex die and concave die

對(duì)比凸凹模的模溫分布可以發(fā)現(xiàn)：凹模表面溫度分布比較均勻，節(jié)點(diǎn)溫度在43～50 ℃之間;凸模表面溫差較大，大部分節(jié)點(diǎn)溫度為45～65 ℃，少部分節(jié)點(diǎn)溫度為70 ℃左右;凸凹模大多數(shù)節(jié)點(diǎn)模溫相差較小，為10 ℃以內(nèi)，模溫較為均勻；少數(shù)節(jié)點(diǎn)模溫相差較大，需調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)控制變形量。如果工藝調(diào)整仍不能達(dá)到要求，應(yīng)加強(qiáng)凸模冷卻，比如將隔水板換成散熱更好的鈹銅。

方案3優(yōu)化冷卻后的翹曲變形量如圖7所示，變形量由優(yōu)化前的2.777 mm降至優(yōu)化后的2.608 mm，降幅約為7 %，變形量進(jìn)一步減小。

圖7 方案3優(yōu)化冷卻后的翹曲變形量Fig.7 Warpage deformation of scheme 3 with optimized cooling

3 工藝參數(shù)分析

不均勻收縮會(huì)產(chǎn)生塑件的內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，若內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了塑件的強(qiáng)度極限，塑件會(huì)產(chǎn)生翹曲變形來(lái)釋放內(nèi)應(yīng)力。不均勻收縮的解決方案有2種調(diào)整產(chǎn)品壁厚和調(diào)整工藝參數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，盡量不改變產(chǎn)品參數(shù)，先調(diào)整工藝參數(shù)。

3.1 正交試驗(yàn)

工藝參數(shù)包括熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、冷卻時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間等[7-8]。為了獲得最小的變形量，采用正交試驗(yàn)法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取對(duì)翹曲變形影響最大的4個(gè)因素：熔體溫度、模具溫度、保壓壓力及保壓時(shí)間作為正交因素，并為每組因素設(shè)定4個(gè)水平。

PP的推薦加工工藝參數(shù)如表1所示。正交試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置應(yīng)參考推薦加工工藝參數(shù)。熔體溫度的4個(gè)水平為200、210、220、230 ℃；模具溫度的4個(gè)水平為40、50、60、70 ℃；保壓壓力的4個(gè)水平參數(shù)分別設(shè)置為V/P切換壓力的60 %、70 %、80 %、90 %，參看分析日志得V/P切換壓力為31.25 MPa，因此，保壓壓力4個(gè)水平設(shè)為18、21、24、27 MPa；保壓時(shí)間的4個(gè)水平設(shè)為5、10、15、20 s。整理數(shù)據(jù)得到正交試驗(yàn)表如表2所示。

建立4因素4水平的正交試驗(yàn)L16(44)，結(jié)果如表3所示。

表1 加工工藝參數(shù)

表2 正交試驗(yàn)的因素水平表

表3 正交試驗(yàn)表

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各因素在不同水平的翹曲變形量之和的平均值(記為ki)；同一因素的平均值中，其大值和小值之差為極差(R)，逐一計(jì)算各個(gè)因素的R。R的大小體現(xiàn)了因素變化對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，R越大，表示所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)(翹曲變形量)的影響越大，這個(gè)因素就越重要[9]。翹曲變形結(jié)果的極差分析如表4所示。

表4 翹曲變形結(jié)果的極差分析

由表4可知，影響汽車手套箱翹曲變形量的工藝參數(shù)中，其重要程度由大到小依次為：B(模具溫度)> D(保壓時(shí)間)>C(保壓壓力)>A(熔體溫度)。

(a)熔體溫度 (b)模具溫度 (c)保壓壓力 (d)保壓時(shí)間圖8 各影響因素下的翹曲變形量均值曲線Fig.8 Mean main effect curve of various influencing factors

結(jié)合表3、表4和圖8，可以得到最佳工藝組合為A3B1C3D4，具體工藝參數(shù)為：熔體溫度220 ℃、模具溫度40 ℃、保壓壓力24 MPa、保壓時(shí)間為20 s。最佳方案翹曲變形量大小如圖9所示。

可以看出，工藝參數(shù)經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化之后，最大變形量由2.608 mm降至2.177 mm，降低幅度約為17 %，變形量再次降低。

圖9 正交試驗(yàn)最佳方案的翹曲變形量Fig.9 Warpage deformation of optimum scheme of orthogonal test

3.2 優(yōu)化保壓曲線

正交試驗(yàn)設(shè)定的壓力為定值，保壓曲線為單段。對(duì)于復(fù)雜制件，實(shí)際試模調(diào)試往往采用多段保壓，其目的是為了提高復(fù)雜制品的良品率，減少產(chǎn)品發(fā)生縮水凹陷的機(jī)率，減小翹曲變形量。

熔體溫度、模具溫度保持不變，將保壓曲線由單段保壓調(diào)整為多段保壓。單段及多段保壓曲線如圖10所示。

(a)單段保壓 (b)多段保壓圖10 單段保壓及多段保壓的曲線Fig.10 Curves of single and multi section pressure holding

由圖10可以看出，單段保壓曲線中保壓壓力一直為24 MPa，保壓時(shí)間為20 s；多段保壓曲線初始?jí)毫?5 MPa，持續(xù)時(shí)間為5 s，之后壓力為24 MPa，持續(xù)時(shí)間為10 s，此時(shí)壓力逐漸衰減，直到壓力為0，衰減時(shí)間為5 s。多段保壓得到的變形量如圖11所示。

優(yōu)化保壓曲線后，變形量進(jìn)一步降低，由2.177 mm降至1.751 mm，降低幅度約為20 %，總降低幅度約為56 %(初始方案1的最大變形量為3.957 mm)，得到最終方案，最終方案為：澆口方案3+冷卻優(yōu)化+正交試驗(yàn)最佳工藝+多段保壓。

圖11 優(yōu)化保壓曲線后(最終方案)的翹曲變形量Fig.11 Warpage deformation after optimizing pressure holding (final solution)

4 實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)

通過(guò)模具方面和工藝方面的優(yōu)化，最終方案的變形量達(dá)到了產(chǎn)品合格的要求，可以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)及試模工藝調(diào)試。模具設(shè)計(jì)中的熱流道澆注系統(tǒng)及冷卻水路如圖12所示。

圖12 模具設(shè)計(jì)中的熱流道、澆口及冷卻水路Fig.12 Hot runner, gate and cooling water in die design

5 結(jié)論

(1)在模具設(shè)計(jì)制造前，為了預(yù)測(cè)翹曲變形量并加以優(yōu)化，針對(duì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的3個(gè)因素(取向效應(yīng)、冷卻不均、收縮不均)進(jìn)行模具方面和工藝方面優(yōu)化;

(2)設(shè)計(jì)了3種進(jìn)澆方案，方案3的變形量最小，為2.777 mm，比最高變形量的方案1(3.957 mm)降幅約為30 %;針對(duì)制件特點(diǎn)設(shè)計(jì)了合理的冷卻水路，變形量進(jìn)一步降低，降至2.608 mm，降幅約為7 %；

(3)采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)，得到各因素影響程度為：模具溫度>保壓時(shí)間>保壓壓力>熔體溫度，最終得到最優(yōu)工藝組合為A3B1C3D4，翹曲變形量進(jìn)一步降至2.177 mm，降低幅度為17 %;采用多段保壓對(duì)保壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后變形量進(jìn)一步降至1.751 mm，降低幅度約20 %，形成最終方案，可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。