基于預(yù)變形的長條狀注塑制品翹曲控制*

王超房，黃明，趙振峰，劉春太，吳海宏［.鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心，鄭州 450002； 2.國楷模具科技（上海）有限公司，上海 2008； .河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007］

基于預(yù)變形的長條狀注塑制品翹曲控制*

王超房1，2，黃明1，趙振峰1，劉春太1，吳海宏3
［1.鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心，鄭州 450002； 2.國楷模具科技（上海）有限公司，上海 201108； 3.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007］

針對長條狀注塑制品比常規(guī)尺寸制品更易變形、變形量更大，且傳統(tǒng)控制變形方法對其作用有限的問題，以典型長條狀制品汽車門板防擦條為例，采用預(yù)變形反補(bǔ)償法控制制品翹曲變形，并利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)進(jìn)行多次預(yù)變形設(shè)計(jì)來確定制品最終的預(yù)變形量和預(yù)變形曲線，基于預(yù)變形后的制品設(shè)計(jì)完成了模具設(shè)計(jì)和制造，生產(chǎn)出了滿足精度要求的制品。實(shí)踐表明，預(yù)變形設(shè)計(jì)拓展了注射成型工藝窗口，能有效提高一次試模成功率和生產(chǎn)效率，是控制長條狀制品翹曲變形的有效方法，而CAE技術(shù)是確定該類制品預(yù)變形方向和預(yù)變形曲線的重要手段。

長條狀制品；預(yù)變形設(shè)計(jì)；翹曲；注射成型；計(jì)算機(jī)輔助工程

通常情況下，將長度方向尺寸大于高度和寬度一個(gè)數(shù)量級以上的注塑制品視為長條狀注塑制品，其廣泛應(yīng)用于汽車、家電、太陽能以及航空航天等領(lǐng)域，如汽車的車窗條、保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾條，顯示器前框條，以及太陽能面板邊框等。由于其幾何結(jié)構(gòu)特殊以及在注射成型中的流程比很大，長條狀注塑制品比常規(guī)尺寸制品更容易變形且變形量更大，翹曲成為其最嚴(yán)重的成型缺陷［1］，直接影響制品的尺寸精度、裝配性能。如何有效控制注射成型長條狀制品的翹曲變形，是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)難題，引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重視。彭夢龍［1］和C. F. Wang等［2］針對長條狀注塑件翹曲預(yù)測開展了理論和數(shù)值研究；張斌等［3］開展了基于CAE的模具冷卻水路優(yōu)化研究，通過調(diào)節(jié)模溫來控制細(xì)長塑件變形趨勢和變形量；徐振宇［4］開展了熱流道注塑中大尺寸細(xì)長薄壁塑件成型周期及翹曲變形控制研究，得出了采用不同水溫回路對動、定模分別冷卻，可以明顯減少制品在厚度方向上翹曲變形量的結(jié)論。

一般而言，引起注塑件翹曲變形的主要因素有：塑件材料、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝和制品設(shè)計(jì)［5］，傳統(tǒng)的控制塑件變形方法主要針對前3種因素進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，因制品結(jié)構(gòu)受限于客戶等原因，較少有針對制品設(shè)計(jì)的改進(jìn)來控制變形的研究和實(shí)踐［3，6-7］。然而對于長條狀注塑件，實(shí)踐表明其長度、長度方向的弧度以及截面結(jié)構(gòu)對翹曲的影響要遠(yuǎn)大于成型工藝，通過工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化來控制翹曲變形是有限的，通常很難滿足此類制品對翹曲的要求，制品出模后不得不放入烘烤箱進(jìn)行退火處理，致使效率降低、成本增加。

筆者針對長條狀注塑件變形量大、傳統(tǒng)方法很難有效控制的問題，提出采用預(yù)變形設(shè)計(jì)來有效控制長條狀制品的翹曲量，并利用CAE技術(shù)進(jìn)行多次預(yù)變形設(shè)計(jì)分析來確定制品最終的預(yù)變形量和預(yù)變形曲線。該方法成功應(yīng)用于汽車門板防擦條的制品開發(fā)，生產(chǎn)出滿足精度和裝配要求的制品。實(shí)踐表明，預(yù)變形反補(bǔ)償設(shè)計(jì)能有效拓展注射成型工藝窗口、提高一次試模成功率和生產(chǎn)效率，是控制長條狀注塑制品翹曲變形的有效方法。

1　制品設(shè)計(jì)和要求

圖1所示為某款汽車門板防擦條的初始設(shè)計(jì)，其基本尺寸為長960 mm、寬32 mm、厚3 mm。采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）注射成型，基于制件功能及裝配要求，表面要求高光、無明顯成型缺陷，制品要有較高的平直度，最大變形量需控制在3 mm以內(nèi)。該制品屬典型的長條狀制品，制品極易彎曲變形且變形量大，如果僅從模具結(jié)構(gòu)和成型工藝角度來控制翹曲量風(fēng)險(xiǎn)很大，為拓展注射成型工藝窗口、提高制品開發(fā)成功率，采用反補(bǔ)償預(yù)變形法，使制件預(yù)先產(chǎn)生一個(gè)反向變形量以達(dá)到抵消或降低制品變形的目的。

圖1　汽車門板防擦條

2　基于CAE的預(yù)變形設(shè)計(jì)

2.1預(yù)變形設(shè)計(jì)原則和步驟

所謂預(yù)變形設(shè)計(jì)，即在制品初始設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)反方向的變形［8］，以達(dá)到抵消或降低出模后制品變形的目的，使制品恢復(fù)到初始設(shè)計(jì)狀態(tài)。因此，預(yù)變形設(shè)計(jì)首先要明確變形方向和變形量兩個(gè)核心問題，而CAE技術(shù)在預(yù)變形設(shè)計(jì)方面可起到重要指導(dǎo)作用，同時(shí)考慮到當(dāng)前CAE分析與實(shí)際生產(chǎn)還有一定誤差問題［9-10］，實(shí)施預(yù)變形設(shè)計(jì)要遵循以下原則：

（1）預(yù)變形設(shè)計(jì)要保證整體弧長一致，外觀面光順，不影響制品尺寸和裝配；

（2）考慮到CAE分析誤差、預(yù)變形改變了制品初始的幾何形狀和出模后的變形狀態(tài)等問題，要開展多次預(yù)變形CAE分析以確定最終變形曲線和變形量；

（3）預(yù)變形的目的是拓展成型工藝窗口，提高一次試模成功率，而非一味地追求預(yù)變形精準(zhǔn)度。

根據(jù)以上原則，基于CAE分析的多次預(yù)變形設(shè)計(jì)步驟為：

（1）首先，模擬初始設(shè)計(jì)制件在合理工藝下翹曲變形情況；

（2）根據(jù)翹曲變形模擬結(jié)果，確定預(yù)變形方向和預(yù)變形曲線，對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行一次預(yù)變形設(shè)計(jì)；

（3）模擬一次預(yù)變形設(shè)計(jì)制件在合理工藝下翹曲變形情況，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行二次預(yù)變形設(shè)計(jì)；

（4）依此反復(fù)，進(jìn)行多次預(yù)變形模擬和制品設(shè)計(jì)，直至翹曲量滿足生產(chǎn)裝配要求，此時(shí)的預(yù)變形設(shè)計(jì)即為型腔成型的制品設(shè)計(jì)。

2.2一次預(yù)變形設(shè)計(jì)

根據(jù)以上原則和步驟，首先針對圖1所示制品初始設(shè)計(jì)開展CAE分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對制品進(jìn)行一次預(yù)變形設(shè)計(jì)。CAE分析采用表面網(wǎng)格，劃分62 286個(gè)單元，考慮到長的流程比和大的充填壓力差會加劇制品翹曲變形，采用閥澆口設(shè)計(jì)，如圖2所示。材料為韓國錦湖ABS 710，注射時(shí)間3 s，熔體溫度230℃，模具溫度40℃，保壓時(shí)間15 s，保壓壓力為最大充填壓力的80%。

圖2　網(wǎng)格劃分與閥式澆口

CAE翹曲計(jì)算結(jié)束之后，為了直觀考察制品各個(gè)部位相對自身的變形情況，需要重新標(biāo)定翹曲參照坐標(biāo)系，新坐標(biāo)系原點(diǎn)位于體積平分面上，x軸指向長條制品長度方向，y軸指向?qū)挾确较?。重新?biāo)定參照坐標(biāo)系后的翹曲量如圖3所示，x，y和z 3個(gè)方向的最大變形分別為2.13，0.79，18.72 mm，其中制品在z向變形非常大，形成兩端翹起的形狀。同時(shí)，這種兩端翹起的變形導(dǎo)致x方向變形也較大，而y方向變形則較小。

因此，在這種y向變形較小、x向變形主要由z向翹起導(dǎo)致的情況下，可以確定z軸負(fù)方向?yàn)轭A(yù)變形方向，預(yù)變形量和曲線由圖3c確定，而預(yù)變形設(shè)計(jì)的參考坐標(biāo)即為重新標(biāo)定坐標(biāo)系。完成的一次預(yù)變形設(shè)計(jì)如圖4所示，可以看出，制品尖角端和平直端在z的負(fù)方向預(yù)變形量分別為18.72 mm和14.43 mm。

圖3　預(yù)變形前制品各方向翹曲變形

圖4　一次預(yù)變形設(shè)計(jì)

2.3二次預(yù)變形設(shè)計(jì)

理論上而言，如果CAE翹曲分析絕對準(zhǔn)確且不考慮預(yù)變形本身對制品變形影響的情況下，一次預(yù)變形后的制品出模后能回彈至初始形狀（圖1所示形狀），無需進(jìn)行二次預(yù)變形設(shè)計(jì)。然而事實(shí)上，CAE翹曲分析誤差的存在不可避免（通常模擬結(jié)果偏大），預(yù)變形也會改變制品初始幾何結(jié)構(gòu)和出模后的變形狀態(tài)，因此需要二次甚至多次預(yù)變形設(shè)計(jì)。

針對一次預(yù)變形設(shè)計(jì)的制品CAE翹曲分析結(jié)果如圖5所示，制品在x和y方向的最大變形分別為0.95 mm和0.61 mm，與初始設(shè)計(jì)分析結(jié)果相比，有明顯減少。尖角端和平直端的z向變形分別為13.83 mm和10.37 mm （圖5c所示），該變形是相對圖4所示的一次預(yù)變形制品的變形，而相對制品初始設(shè)計(jì)的變形量為（13.83-18.72）= -4.89 mm和（10.37-14.43）= -4.06 mm，表明制品出模后仍處于向下彎曲狀態(tài)，并未恢復(fù)到初始設(shè)計(jì)狀態(tài)，且超出制品所允許的最大變形量3 mm，說明一次預(yù)變形補(bǔ)償量過大，制品自身變形量不足以抵消補(bǔ)償量，需要進(jìn)行二次預(yù)變形設(shè)計(jì)。

圖5　一次預(yù)變形后制品各方向翹曲變形

相對于初始設(shè)計(jì)，二次預(yù)變形方向仍為z軸負(fù)方向，因一次預(yù)變形量過大，尖角端和平直端的預(yù)變形量調(diào)整為13.83 mm和10.37 mm，而參考坐標(biāo)與一次預(yù)變形設(shè)計(jì)時(shí)相同，完成的二次預(yù)變形設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　二次預(yù)變形設(shè)計(jì)

針對二次預(yù)變形設(shè)計(jì)的CAE分析結(jié)果如圖7所示，制品在尖角端和平直端的z向變形分別為14.77 mm和10.98 mm，相對初始設(shè)計(jì)的變 形 量 則 為（14.77-13.83）=0.94 mm和（10.98-10.37）=0.61 mm，此時(shí)制品出模后處于向上彎曲狀態(tài)，說明二次預(yù)變形補(bǔ)償量稍小，不足以抵消制品自身變形量，但制品變形在允許的最大變形量3 mm之內(nèi)，同時(shí)考慮到預(yù)變形設(shè)計(jì)的原則是拓展成型工藝窗口，而非一味地追求預(yù)變形精準(zhǔn)度，再進(jìn)行第三次預(yù)變形設(shè)計(jì)在實(shí)踐層面可能意義不大，因此圖6即為預(yù)變形后的制品最終設(shè)計(jì)。

圖7　二次預(yù)變形后制品z向變形

3　模具設(shè)計(jì)和制品成型

考慮到制品的實(shí)際尺寸，采用一模兩腔設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成的三維模具如圖8a所示，加工完成的模具如圖8b所示。該制品在實(shí)際注射過程中，輔以模具的冷卻系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)了一次試模成功，制品在特制的檢具上檢測（如圖9所示），變形量滿足裝配要求，無需進(jìn)行退火處理。與此形成對比的是，傳統(tǒng)的方法在處理此類問題時(shí)，通常需綜合采用優(yōu)化模具冷卻管道布置、加大動定模溫差、優(yōu)化保壓壓力和時(shí)間等辦法來減少翹曲變形，需要反復(fù)地調(diào)整相關(guān)參數(shù)，對模具結(jié)構(gòu)和成型工藝條件要求嚴(yán)苛，即使如此有時(shí)也不得不進(jìn)行退火處理。而筆者采用的預(yù)變形技術(shù)，則是采用反補(bǔ)償法來抵消或降低制品變形，實(shí)踐表明其對成型工藝條件通常沒有上述嚴(yán)苛要求，相關(guān)參數(shù)設(shè)置自由度較大。因此，該技術(shù)拓展了注射成型工藝窗口，是控制長條狀制品變形的有效方法，為一次試模成功提供了保障。

圖8　預(yù)變形設(shè)計(jì)制品注塑模具的設(shè)計(jì)及實(shí)物圖

圖9　制品變形量檢測

4　結(jié)論

（1）針對長條狀注塑制品比常規(guī)尺寸制品更易變形、變形量更大的問題，以汽車門板防擦條為例，采用預(yù)變形反補(bǔ)償法來降低制品的翹曲變形，生產(chǎn)出滿足精度和裝配要求的制品。實(shí)踐表明預(yù)變形是控制長條狀制品變形的有效方法，為降低制品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提供了保障。

（2） CAE技術(shù)是確定預(yù)變形方向和預(yù)變形曲線的有效手段，但考慮到CAE分析存在誤差以及預(yù)變形對制品初始變形狀態(tài)的影響，需開展多次預(yù)變形設(shè)計(jì)和CAE分析以確定最終變形曲線和變形量。

（3）預(yù)變形的目的是拓展成型工藝窗口，提高一次試模成功率和生產(chǎn)效率，降低模具開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，如在CAE分析時(shí)一味地追求預(yù)變形精準(zhǔn)度在實(shí)踐層面意義不大。

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Warpage Control of Injection-molded Strip-like Plastic Parts Based on Pre-deformed Design

Wang Chaofang1， 2， Huang Ming1， Zhao Zhenfeng1， Liu Chuntai1， Wu Haihong3
（1. National Engineering Research Center for Advanced Polymer Processing Technology， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China； 2. GuoKai Mold （Shanghai） Co. Ltd.， Shanghai 201108， China； 3. Mechatronics Engineering School， Henan University of Technology， Zhengzhou 450007， China）

For the injection-molded strip-like plastic parts，they are more easily deformed and have the larger deflection than the products with conventional size，the traditional method to control part warpage is not very effective for them. To solve the problems mentioned above，taking a typical strip-like plastic part，chafing strip on the automobile door as example，the pre-deformed reverse compensating method was adopted to control the plastic part warpage，and CAE technology was repeatedly employed to predict the warpage of the various pre-deformed parts for obtaining the final pre-deformation value and curve of the plastic part. Based on the final pre-deformed design，the mould was designed and made and the real product meeting the accuracy requirements was produced. The practice shows that the pre-deformed design expands the injection molding process window，effectively improves the success rate of once mould tryout and production efficiency and is the powerful technique for controlling strip-like plastic part warpage，moreover，CAE technology is an important tool for determining the pre-deformation direction and curve of strip-like plastic part.

strip-like part；pre-deformed design；warpage；injection molding；computer aided engineering

TQ320.6

A

1001-3539（2016）08-0046-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.010

*國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（11432003），河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15A430009）

聯(lián)系人：黃明，博士，講師，主要從事高分子成型加工數(shù)值模擬研究

2016-05-10