基于模流分析的塑件翹曲成因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王小龍 林國(guó)漢 李亞明

（廣東萬(wàn)家樂燃?xì)饩哂邢薰?佛山 528300）

引言

注塑成型過程是將高溫塑料熔體注入閉合模腔，經(jīng)過保壓冷卻形成塑件的過程[1]。因其快速、高效的特點(diǎn)在生成中廣泛使用[2]。在塑件冷卻的過程中，各向的均勻會(huì)使塑件體積變小，但是當(dāng)發(fā)生不均勻收縮時(shí)，塑件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過塑件的剛度時(shí)就會(huì)發(fā)生翹曲現(xiàn)象[3]～[6]。翹曲過大會(huì)導(dǎo)致無(wú)法裝配，影響整體美觀，因此尺寸的穩(wěn)定已成為衡量塑件品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

對(duì)于復(fù)雜的塑件，設(shè)計(jì)者很難依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。設(shè)計(jì)出來(lái)的模具要經(jīng)過多次修改才能滿足設(shè)計(jì)要求。這樣的方法需要消耗大量的人力物力。通過模流分析軟件，可以在模具加工前，模擬整個(gè)注塑過程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)塑件翹曲變形[7]。通過仿真分析，確定優(yōu)化方案，最后以優(yōu)化方案為參考進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和加工。

本文以某塑件翹曲變形為例，通過對(duì)注塑過程的模擬，分析了塑件翹曲產(chǎn)生的原因，并以此為依據(jù)指定相應(yīng)的優(yōu)化方案，通過對(duì)優(yōu)化方案的模擬，最終確定模具設(shè)計(jì)方案。

1 翹曲產(chǎn)生原因及改善方法

常見塑膠翹曲產(chǎn)生原因有：①非均勻冷卻，由于溫度的差異導(dǎo)致收縮不均勻，從而產(chǎn)生彎曲內(nèi)應(yīng)力；②非均勻收縮，包括不同厚度方向收縮不均勻等；③取向效應(yīng)，纖維沿流向和垂向的收縮不同引起的翹曲；④角效應(yīng)，角落處熱量集中，易產(chǎn)生較大的產(chǎn)品變形[8]。

目前常用的減小翹曲的方法有以下幾種：①優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，解決非均勻冷卻導(dǎo)致的翹曲；②更換材料類型，通過使用收縮率小的材料來(lái)減少翹曲；③調(diào)整注塑成型工藝，例如保壓曲線，通過延長(zhǎng)保壓時(shí)間來(lái)減少翹曲。④更改塑件結(jié)構(gòu)，減少非均勻收縮和角效應(yīng)的影響，同時(shí)也能改變纖維的流向。⑤優(yōu)化流道系統(tǒng)。

2 塑件翹曲原因分析

塑件的幾何模型如圖1所示。在實(shí)際生產(chǎn)中由于塑件出模時(shí)產(chǎn)生了很大的變形，影響到整體的裝配。通過多次試模修改注塑成型參數(shù)后，依然無(wú)法解決翹曲問題?，F(xiàn)利用有限元軟件分析塑件產(chǎn)生翹曲的原因，并根據(jù)問題的成因來(lái)制定解決方案，使得翹曲問題得到改善。

2.1 模流分析

將模型導(dǎo)入軟件中，劃分網(wǎng)格，賦予材料屬性，并進(jìn)行模流分析。生成的有限元網(wǎng)格如圖3所示。

塑件材質(zhì)為PP7633，根據(jù)實(shí)際模具的幾何模型建立好冷卻水道，澆筑系統(tǒng)根據(jù)幾何模型的參數(shù)控制好澆口和流道大小手工建立。塑件成型參數(shù)選用CAE模式，提交求解計(jì)算。

坐標(biāo)系設(shè)置如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果如圖5～7所示。各方向的變形位移分別為X向：-4.041～4.053 mm；Y向：-2.465～2.108 mm；Z向：-5.281～5.352 mm 。

圖1 幾何模型（正面）

圖2 幾何模型（反面）

圖3 網(wǎng)格模型

圖4 坐標(biāo)系

2.2 成因分析

圖5 X向位移

圖6 Y向位移

圖7 Z向位移

塑件翹曲較大的區(qū)域如圖8所示，與實(shí)際出模結(jié)果基本吻合。根據(jù)變形結(jié)果，分析出塑件變形的原因?yàn)榉蔷鶆蚴湛s，因此可以從修改塑件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化流道系統(tǒng)兩方面來(lái)減少翹曲。由于該塑件必須滿足裝配后的強(qiáng)度要求，考慮到成本等因素，沒法選擇更換收縮率更小的材料。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)塑件成型原因，選取更改結(jié)構(gòu)和優(yōu)化流道系統(tǒng)兩種方案來(lái)減小翹曲。

3.1 優(yōu)化方案1

重新設(shè)計(jì)塑件結(jié)構(gòu)如圖9所示，修改部分區(qū)域的厚度，并在底部加了幾條加強(qiáng)筋。

計(jì)算結(jié)果如圖10～12所示。各方向的變形位移分別為X向：-3.513～3.536 mm；Y向：-2.422～1.321 mm；Z向：-4.919～5.25 mm。

3.2 優(yōu)化方案2

更改流道設(shè)計(jì)如圖13所示，更改原始的兩點(diǎn)進(jìn)膠為四點(diǎn)進(jìn)膠。

圖8 變形最大區(qū)域

圖9 優(yōu)化方案1

圖10 X向位移

圖11 Y向位移

圖12 Z向位移

圖13 優(yōu)化方案2

計(jì)算結(jié)果如圖14～16所示。各方向的變形位移分別為X向：-3.806～3.793 mm；Y向：-1.668～2.096 mm；Z向：-4.632～4.353 mm。

圖14 X向位移

圖15 Y向位移

圖16 Z向位移

4 關(guān)注區(qū)域位移

提取影響裝配的區(qū)域位移如圖17～19所示。原始方案的位移為2.077 mm，優(yōu)化方案1的位移為-0.511 9 mm，優(yōu)化方案2的位移為0.158 1 mm，各方案計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

5 結(jié)論

本文結(jié)合有限元軟件對(duì)塑件成型進(jìn)行了性能分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過仿真對(duì)比，翹曲得到了改善，關(guān)注區(qū)域的位移有了明顯降低，從表1數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化方案1對(duì)關(guān)注區(qū)域的位移改善約75 %，優(yōu)化方案2對(duì)關(guān)注區(qū)域的位移改善約92 %，優(yōu)化效果顯著。

圖17 原始方案

圖18 優(yōu)化方案1

圖18 優(yōu)化方案2

表1 結(jié)果匯總

將仿真分析應(yīng)用于實(shí)際工程問題有著十分重要的意義，為后續(xù)模具的修改和研發(fā)提供了一種新思路，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較，該方法研發(fā)速度更快，更好的改進(jìn)了塑件的性能，消耗的成本更低。