趙慶晨，張國(guó)超，王瑞靜，黃國(guó)軍，蔡國(guó)旗，翁衛(wèi)軍，王云飛，胡遠(yuǎn)勝

(珠海格力精密模具有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

翹曲變形是注塑成型中最常見的工藝缺陷。根據(jù)應(yīng)用位置、裝配結(jié)構(gòu)等，一款產(chǎn)品中各零件均有變形公差要求。零件翹曲變形量大會(huì)導(dǎo)致尺寸超差，裝配困難等問題。因此翹曲變形優(yōu)化一直是注塑業(yè)的重點(diǎn)課題。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者利用Moldflow對(duì)高分子材料的翹曲進(jìn)行仿真[1-2]，并在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化[3-5]，目前對(duì)翹曲量?jī)?yōu)化的研究多集中在工藝參數(shù)方面。曹雄剛等[6]以塑料齒輪為研究對(duì)象，用正交實(shí)驗(yàn)研究了各個(gè)參數(shù)及參數(shù)之間的交互作用對(duì)產(chǎn)品翹曲變形的影響。潘柏松等[7]以發(fā)動(dòng)機(jī)殼為研究對(duì)象，對(duì)塑件成型后的體積收縮率、表面沉降指數(shù)和最大翹曲變形量3個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行綜合評(píng)判。高月華等[8]提出了一個(gè)最小化制品翹曲變形的近似優(yōu)化方法。本文通過設(shè)計(jì)DOE實(shí)驗(yàn)，研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及注塑工藝參數(shù)等對(duì)翹曲變形量的影響，為優(yōu)化柜機(jī)空調(diào)傳動(dòng)齒輪的翹曲變形提供了一個(gè)新思路。

1 基于Moldflow的翹曲變形優(yōu)化方法

目前研究的大多數(shù)成果集中在工藝參數(shù)對(duì)翹曲量變形的影響，而實(shí)際生產(chǎn)過程中引起翹曲變形的因素有很多，工藝參數(shù)有時(shí)候并不一定起決定作用。結(jié)合公司質(zhì)量要求，本文從解決實(shí)際問題的角度出發(fā)，結(jié)合Moldflow分析，提出一套翹曲優(yōu)化方法，具體操作流程如圖1所示。

此方法的核心在于，當(dāng)翹曲量不滿足設(shè)計(jì)公差要求時(shí)，將引起翹曲變形的原因進(jìn)行拆解，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝參數(shù)各層面分析引起零件翹曲的原因。將優(yōu)化后的參數(shù)，在Moldflow中重新分析，直到滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)公差要求。形成“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)-模具結(jié)構(gòu)-注塑工藝”的閉環(huán)回路。

2 基于Moldflow的柜機(jī)空調(diào)傳動(dòng)齒輪翹曲變形案例應(yīng)用

2.1 研究對(duì)象

以某款柜機(jī)傳動(dòng)齒輪為研究對(duì)象。齒輪為運(yùn)動(dòng)部件，強(qiáng)度要求高，同時(shí)材料自潤(rùn)滑性必須很好，因此選擇“賽鋼料”-POM，產(chǎn)品最大外形尺寸為209 mm×65 mm×25 mm，產(chǎn)品料厚診斷如圖2所示，可以看出，料厚分布不均。產(chǎn)品進(jìn)膠位置如圖3所示，進(jìn)膠方式為冷流道點(diǎn)澆口，澆口直徑為1.2 mm，分流道為梯形結(jié)構(gòu)，具體尺寸為6.8 mm×5.0 mm×3.0 mm，此種進(jìn)膠方式充填平衡，注塑壓力小。

由于產(chǎn)品有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)要求，高度方向變形量必須小于0.8 mm，而經(jīng)分析此產(chǎn)品反翹變形量達(dá)2.6 mm=0.926 mm+1.673 mm，如圖4所示。實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品出模后還需增加一道人工整形工序(見圖5)，整形后的產(chǎn)品需在冷水中浸泡3 min，以達(dá)到定型效果。此種生產(chǎn)方式費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，同時(shí)翹曲值的均一性很難保證。

圖1 基于Moldflow的翹曲量?jī)?yōu)化分析流程

圖2 產(chǎn)品料厚診斷

圖3 產(chǎn)品進(jìn)膠位置

圖4 原模型產(chǎn)品分析翹曲變形量

圖5 原有方案人工整形效果

2.2 翹曲原因分析及解決方案

在Moldflow中，將引起翹曲變形的因素拆解為： 冷卻不均、收縮不均、取向效應(yīng)及角落效應(yīng)。在此案例中，收縮不均是引起變形的最大因素。傳動(dòng)齒輪因功能要求選用POM材料，POM結(jié)晶度高，收縮率為2%。由圖2可知，產(chǎn)品料厚分布不均，主體壁厚為2.0～2.5 mm，而筋條部分厚度只有1.5 mm，料位薄的地方先冷卻，收縮值小，注塑過程中保壓參數(shù)對(duì)收縮變形同樣有很大影響，同時(shí)模具溫度影響澆口凍結(jié)時(shí)間，從而影響保壓壓力對(duì)收縮變形的效果。

基于上述分析，從產(chǎn)品的角度分析，在外觀不變的前提下，優(yōu)化筋條的厚度可以改善收縮差異，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，調(diào)整模具溫度與保壓時(shí)間同樣可以優(yōu)化收縮差異。因此將此3個(gè)因素作為研究對(duì)象，考慮到各影響因素之間對(duì)翹曲變形影響的相互耦合作用，進(jìn)行單純的參數(shù)排列組合不一定能夠找到最優(yōu)的組合方案，結(jié)合Moldflow的DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)版塊，將現(xiàn)有條件設(shè)置為中間值，每個(gè)影響因素都設(shè)定一個(gè)上下浮動(dòng)區(qū)間，通過軟件分析找到最優(yōu)組合條件。圖6為Moldflow中DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程。

分析完成之后，在結(jié)果欄右下角選擇相應(yīng)的影響因素，將其中筋條尺寸設(shè)置為第1個(gè)影響因素，保壓時(shí)間設(shè)置為第2個(gè)影響因素，冷卻液溫度設(shè)置為第3個(gè)影響因素，在軟件中任意調(diào)整自變量組合，找到翹曲變形量最小的組合。圖7為Moldflow中的DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)軟件分析，筋條需加厚50%，但如果筋條料厚超過主體料厚，外觀面縮水會(huì)很嚴(yán)重?；诖耍贫ㄗ罱K改模方案： 將筋條料厚由1.5 mm增加至2.0 mm，同時(shí)，試模時(shí)將動(dòng)定模模溫設(shè)置為40 ℃，以改善翹曲變形量。優(yōu)化后模型參數(shù)組合在Moldflow中的DOE實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖6 Moldflow中DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

將確定好的改模方案參數(shù)組合，帶入Moldflow軟件中重新分析，產(chǎn)品翹曲變形量分析值為0.49 mm。經(jīng)過改模優(yōu)化后，實(shí)際上機(jī)試模，按照DOE分析設(shè)置工藝參數(shù)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品用三坐標(biāo)測(cè)試變形量，實(shí)際測(cè)試值為0.6 mm，與分析值接近，滿足設(shè)計(jì)公差要求(變形量小于0.8 mm)。

圖7 Moldflow中DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

圖8 優(yōu)化后模型參數(shù)組合分析翹曲變形量

3 結(jié)語

以實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題為研究對(duì)象，基于Moldflow仿真分析，采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)影響柜機(jī)傳動(dòng)齒輪翹曲變形的因素進(jìn)行分析，找到最優(yōu)參數(shù)組合。改模后經(jīng)過實(shí)際試模測(cè)試變形量，驗(yàn)證了Moldflow軟件DOE實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：

(1) 零件的收縮與產(chǎn)品筋條的料厚有很大關(guān)系，當(dāng)筋條料厚趨于主體壁厚，產(chǎn)品翹曲變形量?。?/p>

(2) 優(yōu)化模溫、保壓時(shí)間可以改善翹曲變形；

(3) 由于是開模后產(chǎn)品翹曲的優(yōu)化，后續(xù)新開傳動(dòng)齒輪可以采用此種分析方法，開模前優(yōu)化好模型，節(jié)約試模及生產(chǎn)成本。