趙永剛

注塑成型制品翹曲變形優(yōu)化建模分析

趙永剛

（鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451450）

針對傳統(tǒng)建模方法在預(yù)測的翹曲變形位置與實(shí)際偏差較大的問題，開展基于Moldflow的注塑成型制品翹曲變形優(yōu)化建模分析研究。通過數(shù)據(jù)模擬分析預(yù)處理、澆注體系模型構(gòu)建、基于Moldflow的注塑成型制品翹曲變形過程模擬等手段，實(shí)現(xiàn)對注塑成型制品曲面參數(shù)優(yōu)化。通過對比實(shí)驗(yàn)證明，新的建模方法與傳統(tǒng)建模方法相比預(yù)測翹曲變形位置偏差更小，預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確。在實(shí)際應(yīng)用中，該建模方法能夠輔助塑件加工廠提升注塑成型制品生產(chǎn)質(zhì)量。

Moldflow；注塑；成型；制品；翹曲變形

在計(jì)算機(jī)輔助工程分析中，最具代表性的軟件是Moldflow軟件，在對成型模具進(jìn)行實(shí)際加工操作之前，通過利用Moldflow軟件對模具的三維模型進(jìn)行虛擬注塑，以此完成對整個注塑過程的模擬分析，得出在不同情況下制品的材料分布趨勢、翹曲變形等條件[1]。利用Moldflow軟件進(jìn)行分析后，能夠讓設(shè)計(jì)者在第一時間找出模具及后續(xù)制品在制作過程中可能出現(xiàn)的問題，從而及時對模具進(jìn)行更改。這一過程不僅能夠有效提高制品加工和生產(chǎn)的效率，同時也能夠有效降低制品加工和生產(chǎn)的成本，減少原材料的損耗[2]。

注塑成型是塑料材料制品成型和加工中一項(xiàng)十分重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)前除少數(shù)幾種材料特殊的塑件以外，幾乎所有塑件的生產(chǎn)和加工都是通過注塑成型完成。在塑件加工廠中，注塑成型技術(shù)的應(yīng)用能夠一次性完成對各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密尺寸以及帶金屬嵌件制品的制作，同時其后期還具備修整次數(shù)少、成型周期短等優(yōu)勢[3]。在注塑成型過程中，由于不同材料本身具有一定的特殊性，加之復(fù)雜的加工條件和工藝流程，材料參數(shù)和邊界條件的復(fù)雜性都使當(dāng)前注塑成型制品極易出現(xiàn)翹曲變形的問題。

為進(jìn)一步提高注塑成型制品的加工質(zhì)量，文中開展基于Moldflow的注塑成型制品翹曲變形優(yōu)化建模分析。

1 注塑成型制品翹曲變形優(yōu)化建模

1.1 數(shù)據(jù)模擬分析與處理

在對數(shù)據(jù)模擬分析與處理前，首先建立注塑成型制品的三維造型模型。在三維造型軟件UG5.0.1環(huán)境下，結(jié)合注塑成型的特征以及操作要求進(jìn)行建模。根據(jù)不同特征可采用旋轉(zhuǎn)成型或逐層拉伸的造型方法[5]，后續(xù)在利用Moldflow軟件對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過程中，若模型中存在較小的特征結(jié)構(gòu)，則會出現(xiàn)網(wǎng)格劃分異常的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響后續(xù)優(yōu)化的效果。因此，在進(jìn)行對注塑成型制品的三維造型時，為了能夠避免這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，文中需要對較小的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒圓處理。

以上述模型為基礎(chǔ)，針對注塑成型制品的外形特征和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，并完成對所有數(shù)據(jù)模擬分析的預(yù)處理[4]。對三維造型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，將通過上述2種造型方式得到的三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式文件，并將其導(dǎo)入到Moldflow軟件中，完成網(wǎng)格劃分。通常情況，網(wǎng)格的大小取值為1.25～1.55 mm時，能夠得到最優(yōu)網(wǎng)格匹配率[6]。與此同時根據(jù)成型的實(shí)際情況，在對網(wǎng)格進(jìn)行劃分時，其目標(biāo)邊長一般為塑件壁厚度的1.5～3倍。為方便論述，文中以壁厚為1 mm的塑件為例，在對該塑件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，可將網(wǎng)格目標(biāo)邊長設(shè)定為2.5 mm。在完成劃分后，還需要對水平方向和垂直方向比例較大的網(wǎng)格進(jìn)行修訂。根據(jù)上述論述，得出的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對應(yīng)參數(shù)

Tab.1 Corresponding parameters of the grid structure

一般情況下，需要在完成劃分的網(wǎng)格匹配率達(dá)到85%及以上時，Moldflow軟件才能夠得到更加可信的分析結(jié)果。

1.2 構(gòu)建澆注體系模型

構(gòu)建的澆注體系是否合理關(guān)系到最終注塑成型制品的性能、尺寸、外觀等因素[7]。同時建筑體系模型構(gòu)建的合理性，關(guān)系到Moldflow軟件最終得出的分析結(jié)果。

圖1 三維網(wǎng)格模擬澆注體系澆口位置時間信息

圖1a和1b分別為初始階段和經(jīng)過細(xì)化處理后的三維網(wǎng)格模擬澆注體系澆口，可知，三維流動模擬的過程中，在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型中選擇注塑成型其中一個澆口時，在翹曲變形分析過程中，初始階段給出的默認(rèn)澆口大小包含在其各個點(diǎn)周圍，并且涵蓋了所有鄰近的網(wǎng)格區(qū)域[8]。

考慮到初始階段得出的結(jié)果與實(shí)際模具設(shè)計(jì)階段的澆口大小不符，因此，需要對初始階段澆口模型及相應(yīng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化處理。利用Moldflow軟件提供的局部細(xì)化功能，將澆口網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中最大對角長度控制在1.5 mm左右，以此構(gòu)建新的澆注體系，從而得到更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果[9-10]。由于模具中各個塑件的型腔均相同，因此在Moldflow軟件模擬分析過程中，需要盡可能地減少網(wǎng)格計(jì)算量，并去除對稱型腔，僅將其中一個型腔作為Moldflow軟件模擬分析的依據(jù)。

1.3 基于Moldflow的注塑成型制品翹曲變形過程模擬

注塑成型制品出現(xiàn)翹曲變形的主要原因是塑件的幾何形狀與注塑成型模具的設(shè)計(jì)存在不合理或工藝參數(shù)設(shè)置有誤等問題[11]。因此，文中結(jié)合Moldflow軟件在對注塑成型制品翹曲變形過程模擬時，首先明確制品出現(xiàn)翹曲變形與塑件本身收縮不均勻有著密切的聯(lián)系[12]。原材料在流動方向的收縮率與垂直方向上的收縮率相差較大，是導(dǎo)致注塑成型制品出現(xiàn)翹曲變形的主要原因[13]。除此之外，影響注塑成型制品翹曲變形還包括澆注位置不當(dāng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、注塑保壓參數(shù)錯誤、澆注流速等原因。

根據(jù)上述分析，得出制品在發(fā)生翹曲變形過程中應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系如式（1）所示：

1.4 注塑成型制品曲面參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述論述內(nèi)容，完成對注塑成型制品翹曲變形的模擬，文中針對影響注塑成型制品翹曲變形的模具澆口、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對其參數(shù)的優(yōu)化。

首先，針對模具澆口參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)熔體從主流道進(jìn)入，并經(jīng)過分流道進(jìn)入到澆口時，其澆口的截面面積會突然縮小，為了防止在這一過程中出現(xiàn)翹曲變形的問題，需要通過提升剪切速度、降低粘度的方式，確保熔體在澆口位置上能夠得到最理想的狀態(tài)[15]。澆口的寬度尺寸計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：為澆口寬度尺寸；為注塑成型制品外側(cè)表面積。

式中：為澆口厚度大小；為澆口位置上注塑成型制品壁厚度。

式中：為澆口位置橫截面直徑。根據(jù)上述公式設(shè)定澆口參數(shù)，以此確保注塑成型制品在不出現(xiàn)翹曲變形的基礎(chǔ)上完成澆注。

澆注完成后基于Moldflow的注塑成型制品翹曲變形過程模擬結(jié)果，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。對于粘度低、流動性良好的塑料品種而言，其注塑成型工藝的模具溫度要求相對較低，可通過溫水或冷水的方式對模具進(jìn)行冷卻。但針對粘度高、流動性較差的塑料品種，若仍然采用上述冷卻系統(tǒng)，則會造成制品翹曲變形問題。因此，針對這一類型塑料品種，其溫度需要控制在155～200 ℃，以達(dá)到模具的加熱條件。在冷卻時，采用ABS作為輔助材料，對其進(jìn)行25 ℃水冷卻處理，以此確保在冷卻階段注塑成型制品不會出現(xiàn)翹曲變形現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以塑件加工廠中尺寸為55 mm×45 mm×15 mm的塑件制品為例，針對上述通過理論論述的方法設(shè)計(jì)出的基于Moldflow的注塑成型制品翹曲變形優(yōu)化建模，對其在實(shí)際應(yīng)用中的性能進(jìn)行研究。為確保實(shí)驗(yàn)具有可對比性，文中選擇將文獻(xiàn)[4]基于CAE與正交實(shí)驗(yàn)的建模方法作為實(shí)驗(yàn)對照組，將文中建模方法作為實(shí)驗(yàn)組，開展如下對比實(shí)驗(yàn)。

2.2 制作塑件制品

實(shí)驗(yàn)中塑件制品的制作要求包括：表面平滑、不允許出現(xiàn)明顯擦傷、缺口等外部缺陷，不允許出現(xiàn)嚴(yán)重的翹曲變形現(xiàn)象。該塑件制品的最小厚度為1.2 mm，最大厚度為2.8 mm。為保證最終得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有客觀性，在使用2種建模方法時，其注塑成型工藝的參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)值，塑件制品注塑成型工藝參數(shù)如下：①模具表面溫度變化范圍為55～75 ℃；②溶體溫度范圍為120～220 ℃；③頂出時溫度為90 ℃；④最大剪切應(yīng)力為0.45 MPa；⑤最大剪切速率為45 000 s?1；⑥最大注射壓力為155 MPa；⑦最大鎖模力為5710.26 N。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)上述塑件制品注塑成型工藝參數(shù)設(shè)定，將其分別引入到2種建模方法中，對變形參數(shù)每隔10 min采樣1次，注塑成型制品翹曲變形參數(shù)分布如下。

注塑成型制品測點(diǎn)區(qū)：0→0.45con（初應(yīng)力變形荷載）→con應(yīng)變荷12 min→優(yōu)化。注塑成型制品的受拉區(qū)：0→0.34con（載荷力）→1.34con（結(jié)構(gòu)損傷）→持續(xù)載荷30 min→con優(yōu)化，其中con表示注塑成品應(yīng)力。根據(jù)上述過程，完成對5個該塑件制品的注塑成型模擬，得到2組不同的建模結(jié)果。文中將2種建模方法得出的預(yù)測注塑成型制品翹曲變形位置的精準(zhǔn)度作為實(shí)驗(yàn)評價指標(biāo)，為方便驗(yàn)證，文中將實(shí)驗(yàn)組和對照組2種建模方法下預(yù)測得出的具體翹曲變形位置進(jìn)行記錄，并將其與完成注塑成型后制品的實(shí)際翹曲變形位置進(jìn)行對比。

2.4 結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)完成對比實(shí)驗(yàn)，將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

Tab.2 Comparison of experimental group and control group experimental results

從表2中2組建模方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組建模后預(yù)測出的翹曲變形位置與實(shí)際位置之間偏差均低于±0.642 mm，而對照組建模后預(yù)測出的翹曲變形位置與實(shí)際位置之間偏差均高于1.245 mm，由此可知文中方法的翹曲變形偏差較小，能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測出在后續(xù)注塑成型階段，制品存在的翹曲變形位置。同時，通過文中建模方法能夠?qū)唧w影響該位置出現(xiàn)翹曲變形的原因給出明確的結(jié)果，通過對影響其發(fā)生翹曲變形的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠使最終加工生產(chǎn)得到的塑件制品質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，提高塑件加工廠的生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

在注塑成型制品中，是否出現(xiàn)翹曲變形現(xiàn)象是判斷產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，當(dāng)前塑料制品的精細(xì)化和功能化程度不斷提升，加之部分零件變形能力低等因素的影響，使當(dāng)前注塑成型制品的生產(chǎn)質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。針對這一問題，提出了一種對注塑成型制品翹曲變形的建模方法，并結(jié)合Moldflow軟件實(shí)現(xiàn)變形預(yù)測。在后續(xù)研究中，還將針對這一方法在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛性進(jìn)行優(yōu)化，從而使文中方法能夠應(yīng)用于對更多不同材質(zhì)產(chǎn)品的變形預(yù)測中。

[1] 譚安平, 劉克威. 基于Moldflow的PC/ABS汽車后視鏡翹曲變形優(yōu)化分析[J]. 合成樹脂及塑料, 2020, 37(1): 67-72.

TAN An-ping, LIU Ke-wei. Optimal Analysis Based on Moldflow for Warpage Deformation of Automotive Rearview Mirror Shell Prepared with PC/ABS Blend[J]. China Synthetic Resin and Plastics, 2020, 37(1): 67-72.

[2] 王尚英, 秦宇志, 周川. 基于MoldFlow的汽車導(dǎo)風(fēng)板注射模優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 模具制造, 2021, 21(1): 50-54.

WANG Shang-ying, QIN Yu-zhi, ZHOU Chuan. Optimization Design of Injection Mold for Automobile Air Guide Plate Based on MoldFlow Software[J]. Die & Mould Manufacture, 2021, 21(1): 50-54.

[3] 阮婷, 汪偉東. Moldflow在汽車擋風(fēng)網(wǎng)基座注塑成型過程中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件, 2021(1): 85-86.

RUAN Ting, WANG Wei-dong. Application of Moldflow in Injection Molding Ptimization of the Automobile Wind Deflector Base[J]. Internal Combustion Engine & Parts, 2021(1): 85-86.

[4] 陳艷艷, 劉兵. 基于CAE與正交實(shí)驗(yàn)的汽車玻璃升降器鋼絲繩支架注塑工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程師, 2021(2): 131-133.

CHEN Yan-yan, LIU Bing. Injection Molding Process Parameters Optimization of Steel Wire Rope Bracket in Vehicles-Window Regulator Based on CAE and Orthogonal Test[J]. Mechanical Engineer, 2021(2): 131-133.

[5] 劉鋒, 孟海濤, 龐建軍, 等. 基于RE-RP/Moldflow/ UGNX技術(shù)的注塑模具快速設(shè)計(jì)[J]. 塑料工業(yè), 2020(12): 105-109.

LIU Feng, MENG Hai-tao, PANG Jian-jun, et al. Rapid Design of Injection Mold Based on RE-RP/Moldflow/ UGNX Technology[J]. China Plastics Industry, 2020(12): 105-109.

[6] 黃小娣. 基于Moldflow的數(shù)控機(jī)床接觸式滾輪傳感器的注塑模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析[J]. 塑料科技, 2021, 49(2): 74-77.

HUANG Xiao-di. Design and Optimization Analysis of Injection Mold for NC Machine Tool Contact Roller Sensor Based on Moldflow[J]. Plastics Science and Technology, 2021, 49(2): 74-77.

[7] 陳顯冰, 黃震東. 基于Moldflow技術(shù)的監(jiān)控器底座注塑模具設(shè)計(jì)[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2019, 47(11): 94-98.

CHEN Xian-bing, HUANG Zhen-dong. Design of Injection Mold for Monitor Base Based on Moldflow Technology[J]. Engineering Plastics Application, 2019, 47(11): 94-98.

[8] 王金榮, 王權(quán), 趙笑梅. 基于Moldflow的洗衣機(jī)波輪蓋翹曲分析與優(yōu)化[J]. 塑料工業(yè), 2020, 48(5): 72-75.

WANG Jin-rong, WANG Quan, ZHAO Xiao-mei. Warpage Analysis and Optimization of Pulsator Cover for Washing Machine Based on Moldflow[J]. China Plastics Industry, 2020, 48(5): 72-75.

[9] 張栩梓, 康順成. 基于Moldflow的商用車高架箱上本體澆口位置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù), 2020(5): 106-110.

ZHANG Xu-zi, KANG Shun-cheng. The Optimization Design of Gate Position of the Upper Half Assembly of Elevated Box of Commercial Vehicle Based on Moldflow[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2020(5): 106-110.

[10] 趙戰(zhàn)鋒. 基于Moldflow的新能源汽車手柄氣輔成型工藝優(yōu)化[J]. 塑料, 2020, 49(4): 73-77.

ZHAO Zhan-feng. Gas-Assisted Forming Process Optimization of New Energy Automobile Handle Based on Moldflow[J]. Plastics, 2020, 49(4): 73-77.

[11] 譚安平, 尹小燕, 劉克威. 基于Moldflow的雙色成型數(shù)值分析及正交法優(yōu)化[J]. 合成樹脂及塑料, 2020, 37(4): 38-42.

TAN An-ping, YIN Xiao-yan, LIU Ke-wei. Optimization for Data Analysis and Orthogonal Test of Double-Shot Molding Based on Moldflow[J]. China Synthetic Resin and Plastics, 2020, 37(4): 38-42.

[12] 鄢天燦, 梅益, 羅寧康, 等.基于Moldflow和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MP3088連接器殼體注塑工藝優(yōu)化[J]. 塑料工業(yè), 2020, 48(9): 56-60.

YAN Tian-can, MEI Yi, LUO Ning-kang, et al. Injection Process Optimization of MP3088 Connector Shell Based on Moldflow and BP Neural Network[J]. China Plastics Industry, 2020, 48(9): 56-60.

[13] 朱俊杰, 陸展科, 張鑫程. 基于Moldflow的LED平板燈后殼成型分析及應(yīng)用[J]. 日用電器, 2020(4): 64-70.

ZHU Jun-jie, LU Zhan-ke, ZHANG Xin-cheng. Molding Analysis and Application of LED Flat Lamp Back Shell Based on Moldflow[J]. Electrical Appliances, 2020(4): 64-70.

[14] SPOERK M, SAVANDAIAH C, ARBEITER F, et al. Optimization of Mechanical Properties of Glass- Spheres-Filled Polypropylene Composites for Extrusion-Based Additive Manufacturing[J]. Polymer Composites, 2019, 40(2): 638-651.

[15] LUGHOFER E, ZAVOIANU A C, POLLAK R, et al. Autonomous Supervision and Optimization of Product Quality in a Multi-Stage Manufacturing Process Based on Self-Adaptive Prediction Models[J]. Journal of Process Control, 2019, 76: 27-45.

Optimization Modeling of Warpage Deformation of Injection Molded Products

ZHAO Yong-gang

(Zhengzhou Electric Power Technology College, Zhengzhou 451450, China)

The work aims to solve the problem of large deviation between the predicted warpage position and the actual warpage position of traditional modeling methods. Warpage optimization modeling analysis of injection molded products was carried out based on Moldflow. The surface parameters of injection molded products were optimized by data simulation and pretreatment, casting system model construction and warpage process simulation based on Moldflow. Compared with the traditional modeling method, the new modeling method had smaller deviation and more accurate prediction results. In practical application, the modeling method can assist plastic parts processing plants to improve the production quality of injection molded products.

Moldflow; injection molding; forming; products; warpage deformation

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.020

TQ320.66

A

1674-6457(2022)03-0154-04

2021-06-04

鄭州地方高校教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（ZZJG-A9012）

趙永剛（1983—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。