汽車散熱風(fēng)扇注塑成形試驗(yàn)分析與優(yōu)化

陳卜寧，吳淑芳*，苗潤(rùn)忠

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

塑料材質(zhì)的散熱風(fēng)扇質(zhì)量較輕，不易生銹，運(yùn)行噪音低，越來(lái)越多地被應(yīng)用在汽車上。由于風(fēng)扇工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，如果注塑生產(chǎn)的風(fēng)扇變形過(guò)大將會(huì)影響其正常工作，因此需要進(jìn)一步提高注塑成形工藝，減少風(fēng)扇的翹曲變形，使其具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和較好的表面質(zhì)量。

王建康等[1]通過(guò)數(shù)值模擬研究電風(fēng)扇開(kāi)關(guān)按鈕熱流道疊層模，對(duì)熱流道普通模、疊層模的流動(dòng)填充過(guò)程進(jìn)行模擬，從充模時(shí)間、最大鎖模力、剪切速率、冷卻時(shí)間進(jìn)行比較，最終采用熱流道雙層疊模方案，降低了注塑成本，提高了生產(chǎn)效率。李銳傳[2]研究發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇罩注塑成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，以散熱風(fēng)扇罩為研究對(duì)象，分析注塑成形出現(xiàn)的翹曲變形、成形周期過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，對(duì)注塑工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善模具澆注系統(tǒng)。胡鄧平等[3]基于MoldFlow 分析薄壁風(fēng)扇葉注射工藝及流道設(shè)計(jì)，針對(duì)薄壁風(fēng)扇葉片在注射成形過(guò)程中容易產(chǎn)生熔接痕和氣穴等問(wèn)題，采用對(duì)稱3 點(diǎn)測(cè)澆口熔體的流動(dòng)方案，對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將熔接痕和氣穴減到最小值，為風(fēng)扇葉片的模具制造和生產(chǎn)工藝提供了參考。

本文結(jié)合散熱風(fēng)扇實(shí)際注塑成形的生產(chǎn)要求，通過(guò)ANSYS 對(duì)散熱風(fēng)扇進(jìn)行載荷分析，得到應(yīng)力分布圖和形變分布圖，然后利用Moldflow 軟件對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行模流分析，使用DOE 單變量試驗(yàn)法，分析注射時(shí)間對(duì)零件各質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響，生成2D 響應(yīng)圖，尋找最優(yōu)注射時(shí)間，再使用正交試驗(yàn)分析風(fēng)扇翹曲變形和體積收縮率的影響因素，尋找最優(yōu)的參數(shù)組合，對(duì)注塑成形工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特性及材料分析

汽車散熱風(fēng)扇尺寸參數(shù)：內(nèi)徑80 mm，外徑250 mm，高度50 mm，扇葉厚度約3 mm。葉片表面由樣條曲面構(gòu)成，整個(gè)葉片呈光滑圓弧狀，風(fēng)扇中間有用于安裝的卡槽結(jié)構(gòu)。利用Catia 軟件制作三維模型，在CAD doctor 中進(jìn)行簡(jiǎn)化和修復(fù)，將修復(fù)好的模型導(dǎo)入Moldflow 軟件中，然后采用3D 網(wǎng)格劃分，如圖1 所示。

圖1 散熱風(fēng)扇網(wǎng)格圖

散熱風(fēng)扇選用材料為聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱塑性好、易加工等特點(diǎn)。材料易吸收水分，使用前進(jìn)行干燥處理，選擇材料的加工參數(shù)如表1 所示。在風(fēng)扇的幾何中心位置選用直澆口澆注，選用一模兩腔對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選擇分析序列為：填充＋保壓＋翹曲分析，并分離出翹曲原因。冷卻回路按系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)，其他工藝條件選擇系統(tǒng)默認(rèn)工藝參數(shù)[4]。

表1 材料加工參數(shù)

2 利用ANSYS 分析風(fēng)扇受力情況

根據(jù)散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Ansys 軟件對(duì)散熱風(fēng)扇進(jìn)行應(yīng)力分析，主要研究對(duì)象為扇葉，因此將受力點(diǎn)設(shè)在扇葉的上表面，分析具體的受力狀況、載荷分布和變形情況。

先在ANSYS 的Import 中設(shè)置材料屬性，重新輸入材料Polyamide，設(shè)定密度1.25 g/cm3，彈性模量2 600 MPa，泊松比0.4，剪切模量929 MPa 等參數(shù)[5]。圖2 為網(wǎng)格劃分和載荷分布情況。風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到風(fēng)的阻力主要作用在扇葉上表面。模擬約束如下：如圖2(b)所示，圖中A表示中間軸受固定約束，B表示扇葉的上表面曲面處受壓力F作用(模擬風(fēng)的阻力)，C表示扇葉背面受無(wú)摩擦約束(在扇葉背面，圖中無(wú)顯示)。通過(guò)扇葉的應(yīng)力、形變的分布情況，模擬散熱風(fēng)扇在汽車上工作時(shí)的受力情況。

圖2 散熱風(fēng)扇網(wǎng)格劃分及載荷分布圖

散熱風(fēng)扇的等效應(yīng)力和總變形分布情況如圖3所示。根據(jù)扇葉背面應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況，可以得出風(fēng)扇最大變形區(qū)域是扇葉的中間靠上位置處，即圖中紅色區(qū)域，而且此位置受到的等效應(yīng)力也最大。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查，散熱風(fēng)扇此位置在工作時(shí)受到空氣阻力的沖擊較大，屬于應(yīng)力較集中的位置，因此在注塑生產(chǎn)中，應(yīng)減少此位置的熔接痕、氣穴等問(wèn)題，提高該位置的注塑質(zhì)量。

3 風(fēng)扇模流分析

圖3 散熱風(fēng)扇等效應(yīng)力圖及總形變圖

風(fēng)扇的尺寸較大，為尋找最合適的澆注條件，使用DOE 單變量試驗(yàn)法，分析注射時(shí)間對(duì)零件各質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響，生成2D 響應(yīng)圖，尋找最優(yōu)注射時(shí)間。如圖4 所示，注射時(shí)間在0.1 s 時(shí)，圖4(a)的體積收縮率最小，約為3.5%，圖4(b)的零件質(zhì)量最好。當(dāng)注射時(shí)間為0.11 s 時(shí)，圖4(c)冷卻時(shí)間最小，約為26.18 s。注射壓力隨注射時(shí)間的增加而逐漸降低，如圖4(d)所示。因此，0.1 s 是較合理的注射時(shí)間。

下面研究注射時(shí)間為0.1 s 時(shí)風(fēng)扇的變形情況。翹曲變形是由于材料的內(nèi)應(yīng)力不同而導(dǎo)致其收縮率不一致，使塑件形狀偏離模具型腔的形狀，是注塑成形中主要缺陷之一[6]。從圖5 可知，圖5(a)總的翹曲變化最小值為0.098 mm，圖5(b)在X方向最小變形量0.115 mm，圖5(c)在Y方向最小變形量0.114 mm，而圖5(d)在Z方向最大變形量0.095 mm，與前3 項(xiàng)不同，因此需要分析其他因素對(duì)翹曲變形的影響，尋找最優(yōu)參數(shù)。

在DOE 單變量試驗(yàn)法中，分析得出0.1 s 是最優(yōu)的注射時(shí)間，然后具體模擬出風(fēng)扇在0.1 s 時(shí)的填充時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、體積收縮率、總變形等數(shù)值[7]。

圖4 注射時(shí)間對(duì)各質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響

圖5 翹曲變形分析

填充結(jié)果如圖6(a)所示，填充所用時(shí)間為0.106 5 s 左右，填充流動(dòng)比較平衡，等值線分布得比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)短射的現(xiàn)象。圖6(b)為流動(dòng)前沿溫度示意圖，溫度在249.6～255.1 ℃之間，分布大致均勻，模型的最大溫差6 ℃，符合最大溫差小于20 ℃ 的注塑要求，不會(huì)引起翹曲變形。體積收縮率會(huì)造成制件翹曲、縮痕以及關(guān)鍵尺寸變小和制件內(nèi)部空洞等缺陷，會(huì)影響最終的成形尺寸和形狀。圖6(c)為體積收縮分布圖，收縮率基本為2.98%，收縮率整體分布均勻，成形質(zhì)量較好。如圖6(d)所示，總的變形為0.501 1 mm，翹曲變形較大，需進(jìn)行優(yōu)化，找到最優(yōu)的注塑工藝參數(shù)。

圖6 散熱風(fēng)扇流動(dòng)分析

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是利用正交表科學(xué)的分析和計(jì)算多因素試驗(yàn)的方法。本文采用三水平四因素正交表，試驗(yàn)指標(biāo)是翹曲變形量Q和體積收縮率T。經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)查確定影響因素為：熔體溫度A、模具溫度B、保壓時(shí)間C 和保壓壓力D，如表2 所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3 所示[8? 10]。

表2 因素水平表

對(duì)9 組試驗(yàn)進(jìn)行極差分析，通過(guò)極差分析能夠簡(jiǎn)單直觀地看出試驗(yàn)因素A、B、C、D 對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。計(jì)算處理得到的極差結(jié)果如表4 和表5 所示。

由表4 極差分析可得出，R 值代表著因素水平對(duì)翹曲變形量Q影響的程度，數(shù)值越大代表影響的程度越大。因此影響程度從大到小依次為：保壓壓力D ＞ 模具溫度B ＞ 保壓時(shí)間C=熔體溫度A。得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B3C3D3，即熔體溫度為240 ℃，模具溫度為70 ℃，保壓時(shí)間為12 s，保壓壓力為140 MPa。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 翹曲變形極差分析

由表5 極差分析可得出，Z 值代表著因素水平對(duì)體積收縮率T影響的程度，從大到小依次為：熔體溫度A ＞ 保壓時(shí)間C ＞ 保壓壓力D ＞ 模具溫度B。得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B2C3D2，即熔體溫度為240 ℃，模具溫度為60 ℃，保壓時(shí)間為12 s，保壓壓力為120 MPa。經(jīng)過(guò)上述分析，用Moldflow軟件對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行分析，所得的分析結(jié)果如圖7 所示，分析得到最小翹曲量為0.291 1 mm，最小體積收縮率11.94%。

表5 體積收縮率極差分析

圖7 最優(yōu)參數(shù)組合模擬圖

5 結(jié)論

1）通過(guò)Ansys 軟件對(duì)散熱風(fēng)扇進(jìn)行力學(xué)性能分析，得到散熱風(fēng)扇應(yīng)力集中在上表面的中間及靠上位置處，而且此位置總形變也最大。

2）通過(guò)DOE 單變量試驗(yàn)，分析2D 響應(yīng)曲線圖，得出0.1 s 是最優(yōu)的注射時(shí)間。

3）各因素對(duì)翹曲變形量Q影響程度從大到小依次為：保壓壓力D ＞ 模具溫度B ＞ 保壓時(shí)間C=熔體溫度A。最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B3C3D3，即熔體溫度為240 ℃，模具溫度為70 ℃，保壓時(shí)間為12 s，保壓壓力為140 MPa。

4）各因素對(duì)體積收縮率T影響的程度從大到小依次為：熔體溫度A ＞ 保壓時(shí)間C ＞ 保壓壓力D ＞模具溫度B。最優(yōu)參數(shù)組合為A1B2C3D2，即熔體溫度為240 ℃，模具溫度為60 ℃，保壓時(shí)間為12 s，保壓壓力為120 MPa。

5）選取最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，分析得出最小翹曲量為0.291 1 mm 和最小體積收縮率11.94%。