帶金屬嵌件的汽車接插件翹曲變形與殘余應(yīng)力研究

姚建沖， 廖秋慧， 祝璐琨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

注塑成型因其便利性和高精度而被廣泛應(yīng)用，然而注塑過程中聚合物的內(nèi)部變化和應(yīng)力情況是較為復(fù)雜的，若注塑件內(nèi)部還存在金屬嵌件，情況則會更加復(fù)雜[1]。由于不同材料收縮率的差異，金屬嵌件周圍容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這可能導(dǎo)致翹曲變形和應(yīng)力開裂等各種問題。翹曲變形不僅影響產(chǎn)品的外觀，更會影響產(chǎn)品的功能[2]。而帶金屬嵌件的注塑件成型質(zhì)量比普通的注塑件更難預(yù)測，因此有必要分析和研究其注塑過程應(yīng)力分布情況和注塑成型工藝參數(shù)，以減少甚至消除產(chǎn)品成型缺陷，來滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量要求[3]。

在大多數(shù)研究中，翹曲變形被認(rèn)為是殘余應(yīng)力的一種反映，因?yàn)槠涫菤堄鄳?yīng)力的外部表現(xiàn)，郝如江等人[4-5]等研究了殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，并對其進(jìn)行了模擬和分析計(jì)算，Chen等人[6]認(rèn)為殘余應(yīng)力的主要成因是快速非均勻冷卻，因而認(rèn)為用模擬來分析應(yīng)力分布情況是很重要的；Zhou等人[7-8]發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力和翹曲密切相關(guān)。在這個(gè)問題上，早期研究試圖預(yù)測材料在成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并將殘余應(yīng)力引入有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，以獲得脫模后產(chǎn)品的最終變形，該方法稱為殘余應(yīng)力法，是計(jì)算翹曲的主要方法[9]。直到20世紀(jì)90年代，人們開始將變形模擬與殘余應(yīng)力計(jì)算相結(jié)合，使用扁平殼單元來計(jì)算脫模后產(chǎn)品的變形[10]。

帶金屬嵌件的汽車接插件是乘用車上常用的注塑件，用于確保汽車電路的穩(wěn)定運(yùn)行，其質(zhì)量和可靠性要求很高，本文以帶有多個(gè)金屬嵌件的汽車接插件為例，首先建立力學(xué)模型研究產(chǎn)品內(nèi)部殘余應(yīng)力；再通過Moldflow和ANSYS軟件分析討論金屬嵌件受力情況和翹曲變形[11]；最后則通過調(diào)整注塑工藝參數(shù)，對產(chǎn)品成型過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過以上這些步驟，來分析產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力情況及預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，并做出相應(yīng)調(diào)整確保產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。

1 理論模型與力學(xué)研究

嵌件注塑成型工藝比普通注塑成型工藝更為復(fù)雜，為了研究殘余應(yīng)力與翹曲變形之間的關(guān)系，有必要運(yùn)用CAE等軟件進(jìn)行模擬分析[12]，再結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)與現(xiàn)象來進(jìn)一步分析殘余應(yīng)力對產(chǎn)品形狀和功能的影響。

對于殘余應(yīng)力的研究，需要選擇適當(dāng)?shù)睦碚撃Ｐ筒⒁爰僭O(shè)和邊界條件，本文采用熱粘彈性模型并引入以下基本假設(shè)[9]：

(1)主應(yīng)力方向垂直于材料流動平面，即為Z厚度方向。

(2)當(dāng)有保壓壓力作用時(shí)，厚度方向沒有整體收縮。

(3)主應(yīng)力在厚度方向上沒有變化。

(4)不考慮模具的彈性變形和材料的各向異性。

由于熱殘余應(yīng)力數(shù)值較大且是影響翹曲的主要因素，因此本文忽略流動殘余應(yīng)力和頂出殘余應(yīng)力所帶來的影響[13]； 此外，由于金屬嵌件的存在，殘余應(yīng)力情況更加復(fù)雜，本文在使用熱粘彈性模型時(shí)采取以下近似值：

(1)在遠(yuǎn)離金屬嵌件的區(qū)域，即中心溫高區(qū)域，單元型腔壓力大于零，且厚度未完全凝固，即厚向最高溫度在玻璃化溫度之上。

(2)在靠近金屬嵌件的區(qū)域，金屬嵌件被近似視為模具壁，材料靠近嵌件，單元型腔壓力大于零，但厚度已完全凝固，即厚向最高溫度在玻璃化溫度之下。

本文擬著重研究充填、保壓、冷卻階段，即產(chǎn)品尚處于型腔內(nèi)時(shí)的應(yīng)力情況，對于產(chǎn)品脫模后的殘余應(yīng)力，由于其影響因素更為多樣，情況愈加復(fù)雜，本文不做詳細(xì)討論。

2 方案設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 方案設(shè)計(jì)

熱殘余應(yīng)力是因?yàn)樽⑺芗诶鋮s過程中的不均勻收縮造成的，在大多數(shù)情況下，熱殘余應(yīng)力要比流動殘余應(yīng)力大得多，甚至是數(shù)量級之間的差異[13]。雖然本文不考慮流動殘余應(yīng)力，但由于4個(gè)金屬嵌件位于澆口位置附近，噴嘴噴射出的高速熔體會對金屬嵌件產(chǎn)生一定程度的沖擊，這也可能導(dǎo)致金屬嵌件變形和位移。塑件內(nèi)部的壓力分布在注塑過程中較為復(fù)雜，僅使用ANSYS軟件來分析殘余應(yīng)力分布情況和金屬嵌件變形情況是較為困難的，必須對塑件成型過程的各個(gè)工藝參數(shù)加以綜合考慮，因此本文同時(shí)采用了Moldflow和ANSYS來進(jìn)行分析研究。整個(gè)注射過程中腔內(nèi)各點(diǎn)壓力與時(shí)間的關(guān)系由Moldflow模擬，再將所獲得的壓力數(shù)據(jù)傳遞給ANSYS來分析注射過程中金屬嵌件的變形和殘余應(yīng)力的影響，文中采用的設(shè)計(jì)分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

本文研究的汽車接插件模型如圖2所示，其中綠色部分為金屬嵌件。在充填過程中，選取了金屬嵌件周圍的5個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄壓力數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看出，在充填初期節(jié)點(diǎn)壓力隨時(shí)間穩(wěn)步上升，任意兩節(jié)點(diǎn)之間的壓力差基本保持不變；但在充填結(jié)束后，由于型腔已基本充滿，此時(shí)在熱殘余應(yīng)力的作用下，部分應(yīng)力作用在金屬嵌件上引起其變形，節(jié)點(diǎn)之間的壓力差不斷減小。

圖2 汽車接插件三維模型

圖3 壓力-時(shí)間關(guān)系圖

2.2 力學(xué)分析結(jié)果

由于熱殘余應(yīng)力主要是因?yàn)槔鋮s過程中的不均勻收縮造成的，因此本文對體積收縮也進(jìn)行了相關(guān)研究。冷卻過程中的平均體積收縮率如圖4所示。從體積收縮分析結(jié)果可以看出，體積收縮率在澆口和金屬嵌件周圍出現(xiàn)了較大的波動。金屬嵌件的存在使得其周圍的溫度變化和收縮較為復(fù)雜，這也產(chǎn)生了引起翹曲變形的額外殘余應(yīng)力。

圖4 體積收縮率云圖

本文將4根較為復(fù)雜的金屬嵌件簡化，選取其中的一根嵌件來進(jìn)行應(yīng)力分析。由于嵌件較長且不同部分受力情況不同，因此將嵌件分為10小段來加載應(yīng)力數(shù)據(jù)。加載情況如圖5所示，壓力數(shù)據(jù)由Moldflow導(dǎo)入ANSYS來模擬殘余應(yīng)力在嵌件上的作用效果。圖5中，藍(lán)色部分為嵌件兩端被固定部分，不施加應(yīng)力，紅色部分為應(yīng)力加載部分。其中，2個(gè)主要方向(Y向和Z向)的應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。

圖5 單根嵌件應(yīng)力加載圖

表1 單根嵌件的部分應(yīng)力數(shù)據(jù)

汽車接插件此類精密注塑件外形尺寸要求很高，分析殘余應(yīng)力的原因也是要確保其引起的翹曲變形量不得超過設(shè)計(jì)要求，即金屬嵌件的尺寸誤差控制在0.05 mm內(nèi)。在ANSYS后處理中，選取總變形量和較為關(guān)注的Z方向的變形量展開分析，可得金屬嵌件在這2個(gè)方向上的變形云圖如圖6、圖7所示，可以看出，嵌件中部的紅色最大變形區(qū)域，總的最大變形量約為0.036 mm，Z方向的最大變形量約為0.033 mm，變形量符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖6 總變形云圖

圖7 Z方向變形云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

基于此前對金屬嵌件的應(yīng)力分析，經(jīng)小批量試制后，在不修改注塑工藝參數(shù)的情況下，汽車接插件底部裝配區(qū)域的變形量仍然超過了產(chǎn)品尺寸要求，說明其翹曲不僅是金屬嵌件的變形引發(fā)的，前述提到本文研究殘余應(yīng)力并不涉及產(chǎn)品脫模后的情況，因此在脫模后產(chǎn)品可能發(fā)生了進(jìn)一步收縮和翹曲[9]，這就必須對注塑過程工藝參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整并優(yōu)化產(chǎn)品變形[14]。根據(jù)本文研究的汽車接插件所用材料和影響翹曲變形的各成型參數(shù)，選取模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間、保壓壓力這5個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明熔體溫度、模具溫度、保壓時(shí)間對翹曲影響較大。至此，經(jīng)過研究推導(dǎo)后得到的最佳工藝參數(shù)組合為模具溫度60 ℃、熔體溫度235 ℃、注射時(shí)間1.3 s、保壓時(shí)間8 s、保壓壓力35 MPa。

以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過優(yōu)化工藝參數(shù)后再次進(jìn)行小批量試制，并采用三坐標(biāo)測量儀測量產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)，尤其關(guān)注Z方向的變形情況。本文模具采用一模四穴結(jié)構(gòu)，因此在同一生產(chǎn)周期內(nèi)各穴均選取一個(gè)樣品、總計(jì)4個(gè)樣品進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖8所示。理論理想值數(shù)據(jù)為2.400 mm，經(jīng)測量Z方向的最大變形量小于0.01 mm ，滿足了產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖8 Z方向尺寸測量圖

4 結(jié)束語

本文主要針對帶金屬嵌件的汽車接插件進(jìn)行翹曲變形及殘余應(yīng)力研究，由此得到的研究結(jié)論可分述如下。

(1)由于金屬嵌件的存在，溫度分布不均以及較大的流動前沿溫度差會導(dǎo)致汽車接插件局部區(qū)域過度翹曲，并且在保壓冷卻過程中造成不均勻收縮的主要原因是熱殘余應(yīng)力。

(2)為克服單一CAE軟件分析的不足，本文結(jié)合Moldflow和ANSYS Workbench，分析了汽車接插件填充過程中金屬嵌件的殘余應(yīng)力和應(yīng)力變形過程，結(jié)果表明由殘余應(yīng)力引起的翹曲主要是Z方向。

(3)在殘余應(yīng)力分析結(jié)果比較理想的前提下，仍有必要進(jìn)行注塑工藝參數(shù)優(yōu)化和變形補(bǔ)償?shù)纫源_保產(chǎn)品尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。