基于Moldflow的含玻纖塑料零部件翹曲變形優(yōu)化

溫英蘭　王剛　應(yīng)佳豪　嚴(yán)勝義　胡光良　林穎

【摘? 要】翹曲變形是注塑成型工藝中常見(jiàn)的缺陷之一，含玻纖增強(qiáng)的塑料件變形尤其難以控制。基于Moldflow軟件，以含玻纖增強(qiáng)的汽車內(nèi)飾塑料件為研究對(duì)象，分析其變形的根本原因，從結(jié)構(gòu)、工藝角度改善，并在Moldflow中進(jìn)行優(yōu)化模擬，最終在實(shí)際注塑時(shí)驗(yàn)證有效性，變形情況得到明顯改善，能滿足使用要求。

【關(guān)鍵詞】注塑成型；Moldflow；玻纖；翹曲變形；各向異性

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）09-0086-02

Optimization of Warping Deformation of Glass-fiber Reinforced Plastic Parts Based on Moldflow

WEN Yinglan，WANG Gang，YING Jiahao，YAN Shengyi，HU Guangliang，LIN Ying

（Zhejiang Changjiang Automobile Electronic Co.，Ltd.，Wenzhou 325025，China）

【Abstract】Warping deformation is one of the common defects in injection molding process，and the deformation of glass-fiber reinforced plastic parts is particularly difficult to control. Based on Moldflow software，taking the glass-fiber reinforced plastic part as the research object，the root cause of deformation was analyzed，and the structure and process were improved，and the optimization simulation was carried out in Moldflow. Finally，the effectiveness was verified in the actual injection molding，and the deformation was significantly improved to meet the requirements of use.

【Key words】injection molding；Moldflow；glass-fiber；warping deformation；anisotropy

作者簡(jiǎn)介

溫英蘭（1994—），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)槟Ａ鞣治觥?/p>

翹曲變形是指塑料件的成型偏離了模具型腔的形狀，是實(shí)際注塑過(guò)程中最常見(jiàn)的缺陷[1]，特別在含玻纖增強(qiáng)的塑料精密零部件裝配中，如果翹曲變形量太大會(huì)導(dǎo)致尺寸超差、裝配卡滯，以及裝配后內(nèi)應(yīng)力大，甚至使用過(guò)程中應(yīng)力集中處易損壞導(dǎo)致零部件失效，因此翹曲變形優(yōu)化研究一直是注塑業(yè)的熱門課題。本文基于Moldflow軟件，深度解析（含玻纖增強(qiáng)）零部件的翹曲變形關(guān)鍵因素，并從結(jié)構(gòu)、工藝角度優(yōu)化翹曲變形量，以保證滿足使用要求。

1? 翹曲變形機(jī)理

假設(shè)一個(gè)零部件在所有方向和所有位置都能均勻收縮，則零部件只會(huì)變得越來(lái)越小，不會(huì)發(fā)生翹曲。而所謂的翹曲是指不均勻收縮產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)零部件剛度或屈服強(qiáng)度后引起的變形，其中收縮不均表現(xiàn)為以下3點(diǎn)[2]：①不同區(qū)域間的收縮不均勻；②厚度方向上的收縮不均勻；③分子取向平行方向與垂直方向上的收縮不均。

當(dāng)考慮如何引發(fā)翹曲時(shí)，Moldflow將整體翹曲分為如下4個(gè)變量[3-4]：①冷卻不均；②收縮不均；③取向效應(yīng)；④角效應(yīng)。

2? 含玻纖塑料零部件的變形機(jī)理

纖維或塑料分子的取向排列會(huì)導(dǎo)致平行和垂直于材料取向方向上出現(xiàn)收縮率差異，這與流動(dòng)方向大致相同。通常情況下，無(wú)填充物的材料平行于流動(dòng)方向上的收縮率更大，而含玻纖增強(qiáng)的材料流動(dòng)方向上的收縮率往往會(huì)受阻，因此垂直于流動(dòng)方向上的收縮率會(huì)更大[5]，如圖1、圖2所示。含玻纖材料和一般材料相比，由玻纖取向引起的變形往往占主要因素，而常規(guī)材料的分子取向引起的變形一般比較小。

由于玻纖對(duì)收縮率的影響較為復(fù)雜，所以收縮行為可能會(huì)隨零部件結(jié)構(gòu)、澆口位置、工藝設(shè)置、玻纖含量和取向的變化而發(fā)生變化。采用Moldflow可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)零部件的翹曲變形量，通過(guò)分離和研究引起翹曲變形的原因，提出對(duì)應(yīng)的改善方案。

3? 含玻纖塑料零部件的翹曲變形優(yōu)化案例

3.1? 問(wèn)題描述

該零部件為某汽車空調(diào)面板總成的底座，產(chǎn)品最大外形尺寸為310×47×56mm，產(chǎn)品平均肉厚2mm，材料為PP-GF30，因零部件Z向（開(kāi)模方向）翹曲變形量達(dá)2.72mm，如圖3所示，變形較大不滿足使用要求，需通過(guò)Moldflow分析優(yōu)化零部件變形以滿足使用要求。

3.2? 分析前處理

要獲得準(zhǔn)確的填充、保壓、冷卻和翹曲結(jié)果，好的有限元模型和網(wǎng)格品質(zhì)至關(guān)重要。目前Moldflow的網(wǎng)格類型有3種，分別為中性面網(wǎng)格、雙層面網(wǎng)格和3D網(wǎng)格[3]。根據(jù)模型的特點(diǎn)，為簡(jiǎn)化模型和減小計(jì)算量，在導(dǎo)入時(shí)采用雙層面網(wǎng)格。另外，為了提高分析準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格縱橫比、交叉點(diǎn)及自由邊等問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，以確保網(wǎng)格沒(méi)有缺陷。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格優(yōu)化，有限元分析網(wǎng)格模型及網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

3.3? 優(yōu)化前分析

由零部件翹曲變形結(jié)果（圖5）可得零部件Z向變形2.73mm，與實(shí)際變形2.72mm相當(dāng)接近，不滿足結(jié)構(gòu)使用和要求。由零部件變形原因分離結(jié)果（圖6）可得出收縮不均、取向不均是零部件變形的主要原因。后續(xù)，我們將從這兩個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化。

3.4? 優(yōu)化改善

對(duì)于含玻纖的零部件，需優(yōu)先采用一頭進(jìn)膠，保證流動(dòng)平衡和收縮一致。因原始方案采用中間2點(diǎn)進(jìn)膠，且產(chǎn)品較大，澆口改動(dòng)成本較高。考慮到修模成本，優(yōu)先從工藝角度優(yōu)化零部件變形。

1）工藝方面：通過(guò)不同的保壓方式分析發(fā)現(xiàn)保壓大小對(duì)零部件Z向變形影響較大，采用先小后大的保壓壓力更有助于保證零部件Z向變形量，但變形量1.11mm仍不能滿足零部件設(shè)計(jì)及使用要求，如圖7所示。

不同模溫分布下的零部件變形如圖8所示，通過(guò)前后模溫的改變對(duì)比分析可知，模溫對(duì)零部件Z向變形幾乎沒(méi)有影響，需進(jìn)一步改善優(yōu)化。

2）零部件結(jié)構(gòu)：在零部件另一側(cè)添加高5mm、厚1.2mm紅色筋位，以增加零部件自身結(jié)構(gòu)的平衡性，采用“抽筋斷骨”法切斷零部件底部紅色標(biāo)識(shí)筋位來(lái)降低零部件底部筋位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及玻纖取向百分比（具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9），進(jìn)而減小零部件結(jié)構(gòu)和各向異性收縮對(duì)零部件變形帶來(lái)的影響，從而降低零部件的變形量。

優(yōu)化后產(chǎn)品Z向變形0.42mm左右，相比原始方案的變形值2.7mm減小了2.28mm，改善效果明顯，最終零部件實(shí)物平面度較好，如圖10、圖11所示，基本滿足零部件使用要求。

4? 結(jié)論

翹曲變形是汽車零部件經(jīng)常出現(xiàn)的一類問(wèn)題，此次變形優(yōu)化基于Moldflow軟件從結(jié)構(gòu)、工藝方面減小各向異性收縮和保壓壓力對(duì)變形的影響，從而降低零部件變形量，效果較為明顯，為實(shí)際工作中含玻纖零部件翹曲變形提供一個(gè)新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙建. 基于翹曲分析的注塑模工藝參數(shù)的優(yōu)化[J]. 中國(guó)塑料，2008，22（11）：61-65.

[2] 陸寶山. 注塑缺陷原因分析及改善對(duì)策[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009，38（4）：84-87.

[3] [美]Jay Shoemaker. Moldflow設(shè)計(jì)指南[M]. 成都：四川大學(xué)出版社，2010.

[4] 傅建鋼，盧炎麟. 基于模流分析技術(shù)的塑件翹曲變形優(yōu)化研究[J]. 機(jī)械，2016，43（2）：13-17，21

[5] 徐以國(guó). 基于Moldflow的玻纖類零部件翹曲優(yōu)化方法研究[J]. 上海汽車，2016（6）：57-62.

（編輯? 凌? 波）