基于MoldFlow的暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)格柵翹曲變形優(yōu)化研究*

趙慶晨，王瑞靜，陳明星，蔡國旗，陳瑞珠

(珠海格力精密模具有限公司，廣東 珠海 519000)

關(guān)鍵字： 玻纖取向；翹曲變形；Moldflow

0 引言

翹曲變形是注塑成型中最常見的缺陷，零件翹曲變形量大會(huì)引起尺寸超差，裝配困難等問題。因此優(yōu)化翹曲變形一直是注塑從業(yè)者研究的重點(diǎn)課題。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者利用Moldflow對高分子材料的翹曲進(jìn)行仿真[1-2]，并在仿真的基礎(chǔ)上對注塑成型進(jìn)行了優(yōu)化[3-7]。對于家電行業(yè)某些使用性能要求較高的場合，一般會(huì)采用含有玻纖等填充物的材料以提高產(chǎn)品強(qiáng)度。而含玻纖材料的產(chǎn)品，由于玻纖在注塑過程中的取向作用，玻纖沿流動(dòng)方向和垂直流動(dòng)方向的收縮率不同，使產(chǎn)品的變形量非常難控制。本文采用Moldflow仿真分析方法，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并調(diào)整澆口位置以尋求最佳的注塑工藝參數(shù)，解決了加纖產(chǎn)品翹曲變形問題，保障產(chǎn)品達(dá)到質(zhì)量要求。

1 基于Moldflow的仿真優(yōu)化方法

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常采用優(yōu)化工藝參數(shù)的方法來減少產(chǎn)品的翹曲變形。但是影響變形的因素有很多，實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)候多數(shù)參數(shù)值已經(jīng)固定，筆者在解決實(shí)際工程案例的過程中，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，提出優(yōu)化方法，調(diào)整工藝參數(shù)，減少產(chǎn)品變形[8]。首先將引起變形的原因進(jìn)行拆解，分析引起翹曲變形的最根本原因并提出解決方案，在開制模具之前將產(chǎn)品變形量控制在裝配公差范圍內(nèi)。

2 基于Moldflow研究變形機(jī)理

2.1 研究對象

暖風(fēng)機(jī)是一種重要的冬季取暖設(shè)備，其對外觀造型有較高要求。市場上流行的一款方形暖風(fēng)機(jī)，其出風(fēng)格柵在加熱元器件前方，要求耐高溫達(dá)140 ℃以上，并且不發(fā)生變形。如圖1所示，暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)格柵產(chǎn)品最大外形尺寸： 281.0 mm×100.3 mm×51.7 mm，產(chǎn)品平面主體料厚2.8 mm，筋條料厚1.5 mm。材料采用Solvay Engineering Plastics公司生產(chǎn)的PA66+GF30材料，即基材為PA66且添加30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))玻璃纖維填充物(玻纖)。其中，玻纖為短玻纖。進(jìn)膠方式采用冷流道側(cè)澆口，矩形澆口尺寸為5.0 mm×1.2 mm，分流道直徑為6 mm。零件兩端有裝配要求，格柵兩側(cè)與外殼裝配公差不能超過1 mm。

圖1 格柵料厚分析

2.3 材料及變形原因分析

PA66材料中添加的玻璃纖維填充物在注塑過程中會(huì)發(fā)生取向作用，嚴(yán)重影響材料流動(dòng)分布和變形情況。采用Moldflow軟件對零件進(jìn)行纖維取向分析，在仿真結(jié)果中數(shù)字代表纖維取向張量。其中，結(jié)果數(shù)字為1，表示纖維沿塑膠流動(dòng)方向取向；結(jié)果數(shù)字為0，表示纖維取向完全隨機(jī)分布。纖維沿流動(dòng)方向收縮率小，沿垂直流動(dòng)方向收縮率大，相同壁厚下，纖維取向不均是引起變形的重要原因。

3 翹曲原因及優(yōu)化分析

3.1 翹曲原因分析

在Moldflow軟件中，將產(chǎn)品模型劃分網(wǎng)格進(jìn)行CAE分析，結(jié)果如圖2所示。產(chǎn)品裝配位置分析變形量約1.5 mm，不滿足裝配公差要求。將翹曲原因拆分為4個(gè)因子，由分析可知，冷卻不均、角效應(yīng)2個(gè)原因引起的翹曲變形較??；收縮不均引起約0.2 mm的翹曲變形，取向不均引起1.0 mm的翹曲變形，重點(diǎn)從后兩點(diǎn)進(jìn)行翹曲優(yōu)化分析。

圖2 原始模型變形量分析

3.2 翹曲優(yōu)化分析

由圖1可知，產(chǎn)品主體料厚為2.8 mm，料厚較為均勻，因此料厚不是收縮不均的主要原因，需要增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將產(chǎn)品兩端非外觀側(cè)盡量增加平行于產(chǎn)品長度方向的筋條，如圖3所示。筋條與產(chǎn)品平面接觸的大端料厚是主體壁厚的0.4倍，可以避免外觀側(cè)縮水，又最大限度地增加了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，按照此原則進(jìn)行更改。更改前產(chǎn)品體積為114 410 mm3，更改后產(chǎn)品體積為123 655 mm3，體積增加9 245 mm3，體積占比8.08%。改性PA66+GF30原材料單價(jià)28元/kg，單件增加成本0.26元。因出風(fēng)格柵為關(guān)鍵零件，且作為外觀件對于產(chǎn)品表面質(zhì)量和裝配要求極高，成本增加可接受。

(a) 更改前

(b) 更改后

圖4為在Z方向上的變形結(jié)果圖。如圖4(a)所示，在原澆口位置保持不變的情況下(澆口在產(chǎn)品長度方向一側(cè))，對產(chǎn)品兩端部動(dòng)模側(cè)增加筋條后的模型進(jìn)行CAE分析。由圖4可知，增加筋條之后，產(chǎn)品裝配位置最大變形約0.73 mm，小于1.0 mm的裝配公差要求。由于PA66材料的高結(jié)晶性，成型后分子鏈能夠進(jìn)一步定向排列二次結(jié)晶，引起產(chǎn)品后收縮，仍能夠?qū)е庐a(chǎn)品進(jìn)一步翹曲變形，0.27 mm的理論公差不能夠滿足要求。如圖4(b)所示，在不影響裝配的前提下，將澆口位置移到端部且增加筋條，進(jìn)一步分析翹曲變形，變形量明顯減小。由圖4(b)可知，兩端翹曲變形量約為0.3 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0 mm的公差要求，能夠達(dá)到變形量優(yōu)化效果。

圖5為Moldflow軟件中纖維取向局部分布圖。如圖5(a)所示，在不改變澆口位置的情況下(澆口在產(chǎn)品長度方向一側(cè))，增加筋條，端部裝配位置纖維取向數(shù)值為0.52～0.72，平均值為0.62，產(chǎn)品中間格柵部分纖維取向數(shù)值為0.76～0.90，平均值為0.83。由圖5(a)可知，產(chǎn)品端部相較于產(chǎn)品中間格柵部分，纖維分布雜亂，沿產(chǎn)品長度方向，端部收縮率大。如圖5(b)所示，在不影響裝配的前提下，將澆口位置移到端部且增加筋條，對比前后纖維取向可以發(fā)現(xiàn)，澆口移動(dòng)到端部后，除澆口點(diǎn)附近纖維雜亂分布，產(chǎn)品端部纖維取向?yàn)?.59～0.82，平均值為0.70，產(chǎn)品中間格柵部分纖維取向數(shù)值為0.81～0.94，平均值為0.87。說明移動(dòng)澆口后，產(chǎn)品沿長度方向纖維取向數(shù)值更趨向于1，纖維沿同一方向流動(dòng)；且端部纖維取向與中間格柵部分纖維取向差值減小，產(chǎn)品沿長度方向的體積收縮率差異也會(huì)減小。

(a) 增加筋條，未優(yōu)化澆口位置

(b) 增加筋條，優(yōu)化澆口位置

綜上所述，在不影響裝配的前提下，將澆口位置移到端部且增加筋條，比原澆口位置增加筋條或不增加筋條，變形結(jié)果均有所改善。

(a) 增加筋條，未優(yōu)化澆口位置

(b) 增加筋條，優(yōu)化澆口位置

4 效果驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果將模型進(jìn)行優(yōu)化，再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示： 產(chǎn)品變形量明顯減少，邊緣平齊，裝配匹配度較高。實(shí)際裝配效果如圖6所示，出風(fēng)格柵和外殼之間的裝配段差實(shí)測為0.2 mm，與分析結(jié)果高度吻合，滿足質(zhì)量要求。

圖6 效果驗(yàn)證

5 總結(jié)

以實(shí)際工件為案例，基于理論分析，并利用Moldflow仿真軟件對優(yōu)化方案進(jìn)行迭代驗(yàn)證，找到能夠解決問題的最優(yōu)方案，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，獲得合格的產(chǎn)品?？偨Y(jié)得出以下結(jié)論。

1) 含玻纖類零件，注塑過程中玻纖取向是引起變形的主要原因，通過移動(dòng)澆口位置，改變玻纖取向，可以有效控制產(chǎn)品變形。

2) 材料本身收縮率的差異，同樣是引起變形的因素，增加產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是解決變形問題的有效補(bǔ)充手段。

3) 通過移動(dòng)澆口位置結(jié)合增加產(chǎn)品局部強(qiáng)度，可以解決實(shí)際翹曲變形問題。