基于Moldflow分析的模具預(yù)變形技術(shù)的研究及應(yīng)用

權(quán)傳斌 鐘長浩 沈大剛

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

注塑件變形是指注塑制品的形狀偏離了模具成型系統(tǒng)的輪廓形狀，它是塑料制品常見的缺陷之一，雖然對產(chǎn)品強度及使用壽命影響不大，可以忽略不計，但卻影響了產(chǎn)品裝配及美觀，易引起客戶的投訴。

注塑件變形在注塑成型生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到，注塑成型與零件結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計、注塑工藝優(yōu)化三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)緊密相聯(lián)，零件的結(jié)構(gòu)直接影響模具設(shè)計；注塑工藝環(huán)節(jié)往往只能在一定程度上改善，而不能徹底消除零件結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計所造成的缺陷。模具設(shè)計為兼顧產(chǎn)品及注塑工藝中間環(huán)節(jié)，考慮的因素較多，提前預(yù)測產(chǎn)品變形的趨勢以便于優(yōu)化模具設(shè)計，從而提高注塑生產(chǎn)的效率及產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

本文在闡述注塑件變形因素同時，結(jié)合我司冰箱面罩注塑件對其采用Mold flow分析，模具采用預(yù)變形設(shè)計，分析對比模具未采用預(yù)變形設(shè)計產(chǎn)品變形系數(shù)及模具在實際使用中產(chǎn)品變形滿足裝配外觀要求。

1 注塑件變形的影響因素

1.1 注塑件收縮不均對變形的影響

注塑件的收縮不均直接造成注塑件的變形。模具設(shè)計階段不考慮填充過程中材料的收縮，則產(chǎn)品的幾何形狀無法滿足設(shè)計的要求，產(chǎn)品嚴(yán)重的變形將無法滿足裝配要求，這也是我們經(jīng)常提到模具收縮率的設(shè)計。模具設(shè)計除了考慮收縮率設(shè)計，還需要通過Moldflow模流分析成型系統(tǒng)中塑料熔體PVT特性（P為壓力、V為體積、T為溫度）。PVT特性曲線如圖1所示。

由PVT曲線得知:

1）在相同的壓力下，溫度越高，體積比容越大，材料的流動性就越好。

2）在相同的溫度下，壓力越小，體積比容越大，材料的流動性就越好。

所以在確定產(chǎn)品進(jìn)膠的點數(shù)時,盡量在合理范圍增加點位數(shù)量,進(jìn)而減小型腔壓力。

1.2 冷卻過程對注塑件變形影響

在注塑冷卻過程中，塑件表面冷卻速率不一致造成塑件收縮不均勻，收縮不均勻?qū)е庐a(chǎn)品變形。因產(chǎn)品局部特征復(fù)雜導(dǎo)致其局部冷卻速率慢，使其各部位的溫度差異較大。因為產(chǎn)品壁厚不均勻或模具型腔、型芯或滑塊的冷卻系統(tǒng)設(shè)計無法保證模具表面溫度趨于平衡且溫差不大，所以注塑件在冷卻過程中，由于產(chǎn)品表面溫度的不同，溫度高（特征復(fù)雜或壁厚較厚）部位收縮大。在模具型腔、型芯等兩側(cè)溫度不一致的情況下，產(chǎn)品變形方向傾向模溫相對較低的一側(cè)。

1.3 注塑件內(nèi)部及外部應(yīng)力對變形的影響

圖1 PVT曲線圖

在塑件成型過程中，殘余的應(yīng)力也是引起變形的重要因素。塑件內(nèi)部應(yīng)力是因為分子取向、材料收縮及溫度、壓力變化造成，情況非常復(fù)雜；在脫模的過程中塑料件內(nèi)應(yīng)力在無成型系統(tǒng)輪廓的約束下將會收縮變形。而外應(yīng)力主要集中在模具脫模頂出階段。塑件在脫離型腔并冷卻至室溫的過程中為半熔融狀態(tài)。脫模力不平衡，頂出機構(gòu)不平衡或頂出面積不當(dāng)造成塑件產(chǎn)生變形。

2 注塑件變形的優(yōu)化措施

在注塑成型過程中，注塑件變形的優(yōu)化措施可分為四種：①零件材質(zhì)的選擇；②塑件結(jié)構(gòu)優(yōu)化；③模具設(shè)計優(yōu)化；④注塑工藝改善。然而零件材質(zhì)選擇需綜合考慮零件性能、環(huán)保要求，所以零件材質(zhì)選擇范圍小；注塑工藝的改善只能起到優(yōu)化作用；因此注塑件變形優(yōu)化主要從以下幾方面實現(xiàn)。

2.1 塑件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

注塑件特征是否是設(shè)計最優(yōu)，在冷卻成型后對塑件變形影響較大，例如產(chǎn)品的主體壁厚、筋位壁厚及高度是否均勻合理及特征分布是否對稱，均會導(dǎo)致注塑件冷卻不均變形。所以注塑件壁厚設(shè)計應(yīng)盡量保證壁厚的均勻性，當(dāng)塑件壁厚無法保證其均勻性，應(yīng)力求做到如圖2所示的壁厚均勻變化。舉例分析以抽屜面罩為例，零件長度約690 mm，如圖3對面罩把手位置進(jìn)行壁厚優(yōu)化，A-A截面優(yōu)化為B-B截面。

對于基于平面注塑件，也可增加合理的對變形有改善的結(jié)構(gòu)特征。如飾條局部增加筋，即增加產(chǎn)品強度也改善了變形。對此抽屜面罩（圖3）進(jìn)行結(jié)構(gòu)改善如圖4，通過模流分析對產(chǎn)品變形系數(shù)對比如圖5。

2.2 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2 壁厚優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具結(jié)構(gòu)中澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)及頂出系統(tǒng)是優(yōu)化注塑件變形重要部分

2.2.1 澆注系統(tǒng)在成型過程中的填充壓力、時間、溫度及保壓壓力及時間，與制件成型的質(zhì)量關(guān)系較大，合理的澆注系統(tǒng)既可以減少成型周期，又能減小注塑壓力，注塑工藝范圍廣。如圖6通過Mlod Flow分析對比不同的澆口位置及澆口數(shù)量，塑料溶體填充及注塑壓力分布不同，對產(chǎn)品的變形效應(yīng)的影響。

2.2.2 冷卻系統(tǒng)即通過模具水路來調(diào)節(jié)模具溫度，包括注塑工藝對模溫的影響。冷卻系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容包含：冷卻水路的尺寸規(guī)格、布置形式及冷卻介質(zhì)的流速、溫度等參數(shù)。冷卻時間占整個注塑成型周期的1/2到2/3，因此冷卻系統(tǒng)設(shè)計是否最優(yōu)是該模具成型周期短及效率高的保障。模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)盡量保證使注塑件各處的冷卻速率一致，收縮均衡防止變形發(fā)生。Moldflow分析面罩把手位置采用水路設(shè)計對比產(chǎn)品的變形系數(shù)如圖7。

圖3 壁厚優(yōu)化實例設(shè)計

圖4 結(jié)構(gòu)改善實例

圖5 Moldflow變形分析

圖6 Moldflow變形分析

圖7 Moldflow變形分析

圖8 Moldflow變形分析

圖9 Moldflow變形分析

圖10 Moldflow變形分析

2.2.3 頂出系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下兩點：①開模時，能夠保證制件不變形的前提下順路脫模；②合模時，能保證模具頂出能正常復(fù)位，并順利進(jìn)行下一次的頂出動作。在模具頂出系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)在不影響注塑件質(zhì)量前提下，盡可能多設(shè)計頂桿以減少產(chǎn)品的變形。

2.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

注塑成型全過程中涉及的主要工藝參數(shù)有：模具溫度、熔體溫度、注射時間、注射壓力、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間。其中對塑件變形影響較大的是保壓時間、注射速率和熔體溫度，其中保壓對變形的影響較為顯著。一般情況在最佳工藝參數(shù)情況下，通過增加保壓時間來改善塑件的變形。

3 模具預(yù)變形設(shè)計

以上對于目前可以改善變形的方法，如改變產(chǎn)品壁厚、增加可改善變形結(jié)構(gòu)、澆口形狀、澆口位置、模具水路、頂出平衡、增加保壓時間等的確可以改善變形。但在注塑成型過程中仍然有變形出現(xiàn)，若采用定型工裝，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定且生產(chǎn)效率低下，因此我們通過Moldflow分析，導(dǎo)出產(chǎn)品的變形模型，然后采用逆向建模在進(jìn)行模流分析，最終確認(rèn)無誤后生成開模的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

以此抽屜面罩為例，通過模流分析下圖中紅色箭頭所指位置存在變形趨勢，變形量達(dá)到3.5 mm。為此對產(chǎn)品模型中對應(yīng)區(qū)域做反向變形量的補償如圖8。為了讓變形補償量更加安全，結(jié)合塑件在使用過程中的變形及裝配情況適當(dāng)增加作為最終的變形補償量，并依次對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行反變形設(shè)計，以達(dá)到產(chǎn)品最終變形量滿足客戶認(rèn)可的狀態(tài)。

對產(chǎn)品反向預(yù)變性設(shè)計后，通過模流分析對比，如圖9為未做預(yù)變形設(shè)計產(chǎn)品區(qū)域位置的變形比例因子為2.1，圖10為采用預(yù)變形設(shè)計產(chǎn)品變形區(qū)域比例因子為1.1。

并且通過Moldflow模擬對比產(chǎn)品做預(yù)變形前后體積收縮率，如圖11和圖12所示。

圖11預(yù)變形的產(chǎn)品，最大體積收縮為9.7，整個產(chǎn)品在2-6之間。

圖11 預(yù)變性設(shè)計實例

圖12 Moldflow變形分析

圖13 Moldflow變形分析

圖14 Moldflow體積收縮率分析圖

圖15 Moldflow體積收縮率分析圖

圖12未做過預(yù)變形的產(chǎn)品，最大體積收縮為17，整個產(chǎn)品在5-9之間。

通過圖11和圖12可知，做過預(yù)變形的產(chǎn)品的收縮是小于未做過預(yù)變形產(chǎn)品的收縮。在實際生產(chǎn)過程中該產(chǎn)品通過模具預(yù)變形設(shè)計滿足產(chǎn)品外觀裝配要求，產(chǎn)品注塑工藝范圍廣，產(chǎn)品成型周期約50 s。

4 結(jié)束語

本文闡述了注塑件變形的因素及變形的優(yōu)化措施，并通過冰箱抽屜面罩實例分析，對其基于Moldflow分析并進(jìn)行了模具預(yù)變形量設(shè)計，產(chǎn)品變形的效果得到明顯改善。基于Moldflow分析模具預(yù)變形設(shè)計是改善塑件變形的有效手段，希望能給模具設(shè)計人員起到一定的借鑒作用。