汽車儲物盒導(dǎo)軌的翹曲變形分析及改進(jìn)

鄧愛林，薛 松，徐 斌，郭瑞東

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 前言

隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料制件在制造業(yè)中占的比例越來越高，對其精度要求也越來越高，翹曲變形是注射成型中常見的缺陷之一，它對產(chǎn)品的形狀和尺寸精度有很大影響，當(dāng)其變形量過大時，導(dǎo)致制件無法裝配使用。影響注塑制件翹曲變形的因素有很多，幾乎與整個注塑加工過程有關(guān)[1-2]。對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。四川大學(xué)的楊其等[3]根據(jù)塑料材料的性能研究了聚合物熔體流動性、分子取向等因素對聚碳酸酯(PC)成型收縮的影響。郭廣思發(fā)現(xiàn)結(jié)晶型材料制品比非結(jié)晶型材料制品更容易產(chǎn)生收縮，更容易翹曲[4]。錢志林針對裝飾板的局部結(jié)構(gòu)，設(shè)置卷邊，減小加強(qiáng)筋間距，成功降低了制品的翹曲變形[5]。日本的Nakayama等[6]研究了加強(qiáng)筋對塑件翹曲的影響。董斌斌等[7]將計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)和正交試驗(yàn)設(shè)計方法相結(jié)合，得到減少翹曲的最優(yōu)工藝參數(shù)。Matsuoka等[8]研究了成型工藝條件，如注射速度、保壓壓力、模具和熔體溫度對翹曲的影響。

以上研究都是從單方面來研究翹曲變形的影響因素，但在實(shí)際生產(chǎn)中對翹曲變形的影響因素有很多。本文以汽車儲物盒導(dǎo)軌作為研究對象，以減小翹曲變形為目標(biāo)，分別從材料、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)3個方面提出了一套較優(yōu)的工藝方案。

1 原始成型方案

汽車儲物盒導(dǎo)軌三維模型如圖1所示，制品材料采用塞拉尼斯公司生產(chǎn)的POM，牌號為M90XAP。該導(dǎo)軌需要與汽車儲物盒裝配使用，因而對制品的尺寸穩(wěn)定性提出了要求，要求制品成型后在x方向上內(nèi)收控制在0.5 mm以內(nèi)，z方向上的翹曲變形量控制在0.5 mm以內(nèi)。初始工藝設(shè)置為：動模常溫，定模接17 ℃冷水機(jī)，保壓時間9 s，保壓壓力90 MPa，冷卻時間20 s。采用側(cè)澆口進(jìn)澆。首次試模時，儲物盒導(dǎo)軌產(chǎn)生x向內(nèi)收變形量超過0.5 mm，導(dǎo)致后儲物盒x向滑動卡滯，運(yùn)動功能失效，且z向翹曲量大于規(guī)定值0.5 mm，導(dǎo)致后儲物盒產(chǎn)生z向晃動，如圖2所示。在產(chǎn)品的5個位置分別測量x方向的寬度，理論寬度為16.236 mm，如圖3所示，測量結(jié)果如表1所示(其中Δ表示均值與理論值之差)。在產(chǎn)品①點(diǎn)處測量z方向的翹曲量，如表2所示。

圖1 導(dǎo)軌三維模型Fig.1 3D model of the guide

(a)x向內(nèi)收 (b)z向翹曲圖2 初始導(dǎo)軌Fig.2 Initial guides

圖3 測量位置Fig.3 Measuring position

表1 x方向初始變形 mmTab.1 Initial deformation in x direction mm

表2 z方向初始變形 mmTab.2 Initial deformation in z direction mm

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料的選用

聚合物的性能，如結(jié)晶、取向、導(dǎo)熱率、流動等是決定塑件品質(zhì)的重要因素之一，其中聚合物的聚集態(tài)形式對塑件翹曲的影響較大。一般來說，結(jié)晶型聚合物的注塑制品比非結(jié)晶型的聚合物注塑制品產(chǎn)生的翹曲變形大[9]。聚合物本身的分子組成、微觀結(jié)構(gòu)都會影響到制品的翹曲變形。大分子鏈的運(yùn)動引起的內(nèi)應(yīng)力，使得塑料在冷卻過程中收縮不均，塑料中小顆粒組分發(fā)生移位。由于結(jié)晶造成了分子緊密聚集，分子間的作用力增強(qiáng)，各向異性顯著，內(nèi)應(yīng)力大，脫模后未結(jié)晶的分子有繼續(xù)結(jié)晶化的趨勢，處于能量不平衡狀態(tài)，容易發(fā)生翹曲變形。而非結(jié)晶型的聚合物分子排列處于無序狀態(tài)，各向同性，產(chǎn)生的收縮較小[10]。由于POM的減磨耐磨性較好，考慮到運(yùn)動功能件的自潤滑性能利于變形，擬采用塞拉尼斯公司生產(chǎn)的POM，牌號為M90XAP，其性能如表3所示。

表3 材料的性能Tab.3 Properties of the materials

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對翹曲變形的影響分析

本產(chǎn)品的外形為凹槽，其角落處容易積熱，認(rèn)為產(chǎn)品翹曲變形可能是由拐角處的“角效應(yīng)”引起的[11]。在制品的拐角處，外表面的冷卻速度高于內(nèi)部，充填結(jié)束后，隨著冷卻的進(jìn)行，熔體表面開始凝固，角落處由于熱量散失較難，外側(cè)壁比內(nèi)側(cè)壁凝固了更多的熔體，在保壓結(jié)束時，角落處由于得不到補(bǔ)縮，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致了產(chǎn)品的翹曲變形。為了減少角落效應(yīng)，采取在拐角處開設(shè)凹槽的形式，增加散熱面積。如圖4所示，在制品的拐角處開設(shè)1.0 mm×0.8 mm的偷膠槽。

利用計算機(jī)輔助工程(CAE)分析軟件Moldflow進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由角效應(yīng)引起的變形經(jīng)過改進(jìn)后降低了44.7 %。為了避免儲物盒左右晃動，在流動方向上增加限位筋條，可以有效增強(qiáng)橫向的匹配控制。加強(qiáng)筋走向與料流方向一致時，比與料流方向垂直時的翹曲小，在填充時，加強(qiáng)筋起導(dǎo)流作用，可減少填充過程中的阻力。如圖6所示。

圖4 偷膠槽Fig.4 Grooves

(a)初始方案 (b)改進(jìn)方案圖5 角效應(yīng)引起的變形Fig.5 Deformation caused by corner effect

圖6 橫向加強(qiáng)筋Fig.6 Transverse stiffeners

2.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

注塑過程中工藝參數(shù)在很大程度上都影響著制件的品質(zhì)。本文采用正交試驗(yàn)的方法，分析各工藝參數(shù)對翹曲變形的影響程度，獲取最佳的工藝參數(shù)組合，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)。選取的正交試驗(yàn)因素為模具溫度(A/℃)、保壓時間(B/s)、保壓壓力(C/MPa)、冷卻時間(D/s)，水平設(shè)置如表4所示。

這是一個混合水平的正交試驗(yàn)，采取組合法來安排試驗(yàn)，將2個二水平因子“組合”成一個三水平因素[12]。由于A、B兩個因素有4對水平組合(1,1)，(1,2)，(2,1)，(2,2)，從中選取3對，把這3對看成為一個組合因素的3個水平，令第一列的1,2,3分別對應(yīng)組合因素的3個水平：1→(1,1),2→(2,1),3→(2,2)，把組合因素置于一列，2個三水平因素各置為一列，如表5所示。其中Kjl表示第j列中對應(yīng)水平l在各方向的翹曲量之和，l=1,2,3.如第2列，K21(X)=1.415+1.219+0.600=3.234，k21(X)=K21/3,極差=max{kj1,kj2,kj3}-min{kj1,kj2,kj3}.如表5所示。

從上表來看，因素B的極差最大，因此因素B對試驗(yàn)影響最大。要使試驗(yàn)指標(biāo)x方向翹曲量最小，試驗(yàn)方案應(yīng)以A2B2C2D1為好，但要使試驗(yàn)指標(biāo)z方向翹曲量最小，試驗(yàn)方案應(yīng)以A2B2C1D2為好，試驗(yàn)方案A2B2C2D1在做過的9個試驗(yàn)中是沒有的，所以需再試驗(yàn)一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表所示。

對于試驗(yàn)方案A2B2C1D2，x向的翹曲量為0.600 mm，z向的翹曲量為1.471 mm，2個方向的翹曲量均大于試驗(yàn)方案A2B2C2D1，試驗(yàn)方案應(yīng)以A2B2C2D1為好。由此可見，降低產(chǎn)品溫度，增大保壓時間，適當(dāng)增加保壓壓力，降低冷卻時間可以有效的降低產(chǎn)品的翹曲量。由于保壓時間為影響翹曲量的最主要因素，故再進(jìn)行一組試驗(yàn)，其他條件不變的情況下，增加保壓時間，第三水平的保壓時間為18 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

比較試驗(yàn)10與試驗(yàn)11，繼續(xù)增加保壓時間，z向的翹曲量反而增加，因?yàn)樵诒弘A段，融體逐漸冷卻，延長保壓時間，對其改善量不大。從上述分析可以初步預(yù)測，塑件的翹曲量較小的最優(yōu)方案為A2B2C2D1，即動模和定模分別接8 ℃的冷卻水，保壓時間15 s，保壓壓力95 MPa，冷卻時間15 s，此時四因素對翹曲變形量的影響最小。將改善前后的工藝參數(shù)分別導(dǎo)入Moldflow進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過優(yōu)化后的工藝參數(shù)，使得導(dǎo)軌在x方向上翹曲變形量減少了62.26 %，在z方向上翹曲變形量減少了60.73 %。

表4 正交試驗(yàn)方案Tab.4 Experimental factors and levels

表5 混合水平正交試驗(yàn)設(shè)計方案Tab.5 Orthogonal experimental design

表6 試驗(yàn)10Tab.6 Test 10

表7 試驗(yàn)11Tab.7 Test 11

(a)改善前,x方向 (b)改善前,x方向 (c)改善后,z方向 (d)改善后,z方向圖7 工藝參數(shù)改善前后對比Fig.7 The comparison of process parameters before and after improvement

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 改進(jìn)后的導(dǎo)軌Fig.8 Guides after improvement

將上述優(yōu)化方案應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，注射成型后的零件如圖9所示。測試產(chǎn)品的翹曲情況，得到如表8和表8所示結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知：產(chǎn)品x方向的內(nèi)收最大變形量為0.26 mm，產(chǎn)品z方向翹曲變形為0.015 mm，均不超過規(guī)定值0.5 mm，滿足生產(chǎn)要求，故該工藝參數(shù)是合理的。

表8 改進(jìn)后x方向的變形 mmTab.8 Improved deformation in x direction mm

表9 改進(jìn)后z方向的變形 mmTab.9 Improved deformation in z direction mm

4 結(jié)論

(1)塑料件的翹曲變形與聚合物的分子排列狀態(tài)有關(guān)，綜合考慮到產(chǎn)品功能特性，選用結(jié)晶型材料POM是合適的；

(2)通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增設(shè)偷膠槽，使得由“角效應(yīng)”引起的翹曲變形，由原來的0.257 9 mm減少到0.142 6 mm;增加加強(qiáng)筋，減小了流動方向的阻力，使得產(chǎn)品的翹曲變形可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計上得到改善；

(3)利用正交試驗(yàn)設(shè)計方法，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合A2B2C2D1，由Moldflow翹曲分析可知，x方向的翹曲變形由原來的1.354 mm降低到0.511 mm，z方向的翹曲變形由原來的3.270 mm降低到1.284 mm;且經(jīng)過注塑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，翹曲變形量控制在生產(chǎn)要求范圍之內(nèi)。

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