薄壁塑件注射成型翹曲變形的工藝優(yōu)化分析

邱志文 劉軍輝 曾天文 溫語詩

摘要：在薄壁塑件生產(chǎn)過程中由于設計不合理會出現(xiàn)翹曲變形，塑件的翹曲變形量不只影響外觀，還影響產(chǎn)品的裝配和使用性能，是產(chǎn)品是否合格的極其重要影響因素之一。針對上述問題，詳細分析了薄壁塑件成型中常見的翹曲變形問題，以薄壁塑件注射成型過程為研究對象，借助正交表來組織展開試驗，應用專門的CAE軟件的“冷卻+流動+翹曲”模塊進行分析，通過充填、流動管理、冷卻和翹曲分析等數(shù)據(jù)的整合分析，探究各工藝參數(shù)對翹曲變形量影響程度的大小，旨在獲得一種提高薄壁塑件注射成型效率的方法，有效減小注射缺陷和塑件變形。模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了塑件生產(chǎn)質(zhì)量，同時提高了企業(yè)生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：薄壁塑件;注射成型;翹曲變形;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TQ320.6

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492 f 2022）02-0170-03

0 引言

注射成型技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域的一種常用且重要的技術(shù)形式，與之相關(guān)的模具技術(shù)、工藝技術(shù)成為模具行業(yè)研究的重點領(lǐng)域問題。其中，在注射成型薄壁件的過程中，塑件的薄壁特性會加快型腔中熔體的冷卻速度，使得薄壁塑件注射成型過程變得異常復雜，使其成為注射成型技術(shù)研究的重難點。

模具的型腔壁溫度較熔融塑料要低，在熔融塑料充填模腔時模具的型腔壁會形成冷凝層，因而降低了可流動通道的厚度，壁厚越薄該現(xiàn)象越嚴重[1]。當熔體的長度達到300 mm，塑件壁厚度為3 mm的時候，如果還是使用常規(guī)意義上的注射成型技術(shù)很難完成塑件成型。在塑件壁厚下降到不足1 mm的時候，塑件成型操作更是無法使用常規(guī)注射成型技術(shù)完成。

在薄壁件生產(chǎn)過程中，塑件或模具的設計不合理，不能解決所選材料和成型參數(shù)設定的差異問題，會導致塑件可能出現(xiàn)缺料、燒焦、熔接痕、收縮痕、翹曲等諸多質(zhì)量問題，其中翹曲變形對塑件質(zhì)量的影響最顯廿[2-3]。塑件的翹曲變形量不只影響外觀，還影響產(chǎn)品的裝配和使用性能，是產(chǎn)品是否合格的極其重要的影響因素之一，因此，對塑件翹曲變形量的控制顯得非常必要[4]。為解決翹曲變形的問題，應結(jié)合薄壁塑件的結(jié)構(gòu)特點，深入探究熔體流動的切應力和保壓時間，使應力得到較完全的釋放，最終解決塑件的翹曲變形問題[5]。在注射成型技術(shù)實施應用時，借助計算機技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對注射模的輔助設計，塑件的模具設計及制造水平得以提升，縮短了塑件從設計到成品的周期，有效推進注射成型技術(shù)的發(fā)展。

郭建東等[6]以薄壁件某電器的活動后蓋為研究對象，運用Moldflow軟件對其成型過程進行模擬分析，研究其翹曲變形的主要原因，以分析結(jié)果為基礎(chǔ)優(yōu)化工藝參數(shù)組合，減小翹曲變形量，改善了塑件的質(zhì)量。王博等[7]以薄壁筆記本電池蓋為研究對象，采用多因素下次試驗法，并借助Moldflow進行數(shù)值模擬試驗16次，找出塑件變形量與成型工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)，最終找到翹曲變形的原因，獲得最優(yōu)的成型工藝參數(shù)組合，極大改善了制品翹曲變形缺陷。朱俊杰等[8]采用正交試驗設計方法，并借助Moldflow軟件對塑件成型過程中保壓時間、模具溫度等工藝參數(shù)進行模擬分析，并運用塑料加工流變學、計算機圖學等理論，取得最優(yōu)工藝參數(shù)組合。張繼祥等[9]以薄壁塑件例，對模具溫度、熔體溫度等工藝參數(shù)進行研究，探究各工藝參數(shù)與翹曲變形的關(guān)系，以獲得最小的翹曲變形。

本文結(jié)合薄壁塑件注射成型翹曲變形現(xiàn)象，應用專業(yè)的MPI分析軟件來對薄壁塑件面板進行注射仿真成型，預判薄壁塑件可能產(chǎn)生的缺陷并分析其成因，采取對應的措施來解決，旨在能夠提高一次試模的成功率，縮短模具生產(chǎn)制造周期，降低模具的生產(chǎn)加工成本。

1 實驗設計

借助正交表來組織開展試驗，正交表能夠在因素變化的范圍內(nèi)完成均衡抽樣操作，且每次試驗所獲得的數(shù)據(jù)信息都具備很強的代表性。薄壁塑件注射成型操作工藝如圖1所示。

2 CAE的分析和優(yōu)化

依據(jù)標準，薄壁塑件注射成型管壁的厚度為0.5 mm，長度為97 mm，寬度為56 mm，在確定好以上參數(shù)信息之后進行一體化加工生產(chǎn)制作，對制作完成的模型開展成型模擬分析，得到薄壁塑件注射成型翹曲變形，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，薄壁塑件存在注射成型翹曲變形、成型件取出后金屬嵌件和塑件分離的問題。

經(jīng)過一系列的分析發(fā)現(xiàn)，薄壁塑件注射成型翹曲變形問題出現(xiàn)的原因是其結(jié)構(gòu)設計不合理。在具體設計的時候，由于制品底部鐵框面積較大，阻礙了塑框的正常收縮，導致鐵框與塑造框結(jié)合力下降，使得兩者產(chǎn)生分離現(xiàn)象。

在經(jīng)過一系列分析之后可以發(fā)現(xiàn)，鐵框和塑框平底形狀的結(jié)合部位影響兩者的結(jié)合力，導致成型后兩者產(chǎn)生分離。為了解決這個問題需要采取以下的措施。

（1）在開展施工操作的時候需要施工人員能夠加強對薄壁塑件注射成型翹曲變形問題的關(guān)注，為了能夠達到理想的施工效果，會選擇鋼材料、塑性材料來作為基本加工材料，在實施加工的時候要調(diào)整比熱容基本參數(shù)。需要注意的是，注射成型時，成型面積較大，且熔體溫度高于鐵框的溫度，在設計的過程中容易出現(xiàn)因溫度不均衡所引發(fā)的塑料收縮率不一致問題。為了能夠解決這個問題，在薄壁塑件注射成型設計中需要注重溫度控制，通過優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)合理把控溫度外，還需對鐵框進行預熱處理。

（2）優(yōu)化鐵框和塑框的結(jié)合結(jié)構(gòu)，在開展薄壁塑件注射成型翹曲變形施工操作的時候需要將之前的平底根據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變來進行調(diào)整，即將以往平底結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛⌒谓Y(jié)合結(jié)構(gòu)，并在設計的過程中采取積極的措施增加孔隙結(jié)構(gòu)的設置，增強塑框和鐵框的結(jié)合力。

3 實驗操作模擬

在Moldflow分析序列中選擇“冷卻+流動+翹曲”模塊進行模擬分析，針對模擬結(jié)果進行分析與處理，獲得塑件的合理成型工藝參數(shù)。借助分析結(jié)果來解決薄壁塑件注射成型翹曲變形問題，為零部件的正常使用提供重要支持[10]。

3.1 填充時間分析

對填充時間進行分析可得出，從熔料進入澆口直至產(chǎn)品的取出，注射成型周期中的任何一個時刻熔料都會流動到前峰的位置上，塑件填充末端4個位置上的填充時間分別為0.993 8 s、0.996 3 s、1.051 s、1.055 s，所有成型基本上都能夠在同一時間點完成填充，有較好的熔體流動平衡性，可證澆口位置設計科學、合理。

3.2 填充過程分析

對塑料填充成型結(jié)果進行分析，深入了解塑件在填充和保壓階段各個時間點的熔體流速、鎖模力、壓力、填充進度等情況。在薄壁塑件注射成型加工過程中，模型填充階段、壓力、鎖模力的填充時間會處于一種不斷變化的狀態(tài)，在VIP轉(zhuǎn)換點位置時壓力會達到最大的狀態(tài)。經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換后，壓力會降低到92.46 MPa，在此期間鎖模力仍較大，熔體的流率迅速變小，但在壓力的作用下，熔體仍能完成整個型腔的填充。

3.3 保壓引起的翹曲分析

運用專業(yè)的軟件進行一系列的分析，可發(fā)現(xiàn)薄壁塑件注射成型翹曲變形的產(chǎn)生原因歸納為3點，分別是冷卻不均勻、塑件收縮不均勻、分子方向不一致。按照最開始設定的參數(shù)數(shù)值來對塑件翹曲現(xiàn)象進行分析，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)塑件的總變形量超出了規(guī)定的合理數(shù)值范圍。另外，冷卻因素導致的薄壁塑件注射變形尺寸為0.017 4 mm，收縮導致的薄壁塑件注射成型翹曲變形量為0.560 3 mm。

分析冷卻結(jié)果后可知，經(jīng)過冷卻循環(huán)后冷卻介質(zhì)進出中的溫差為0.17℃，冷卻管壁和模壁的溫差為2.34℃，可見薄壁塑件注射成型時表面溫度分布均勻，冷卻系統(tǒng)的設計科學、合理，冷卻效果理想。

3.4 保壓曲線優(yōu)化和模擬分析結(jié)果

根據(jù)有關(guān)理論和操作經(jīng)驗分析可知，為減少因塑件收縮不均勻而產(chǎn)生的翹曲現(xiàn)象及其變形量，可通過制品結(jié)構(gòu)和澆口設計、保壓曲線等措施而實現(xiàn)壓力分布的優(yōu)化而實現(xiàn)。在具體實施操作時，可以通過優(yōu)化最初方案保壓曲線的方法，使薄壁塑件注射成型的翹曲量得到降低。

經(jīng)過一系列的分析優(yōu)化之后發(fā)現(xiàn)，薄壁塑件注射成型翹曲變形零部件注射成型翹曲變形的壓力保持時間會從6s提升到8s的狀態(tài)，在薄壁塑件注射成型翹曲變形發(fā)生變化并持續(xù)一定的時間后，最大注射壓力將線性遞減到60%，保壓完成時的保壓壓力為零。在這個過程中如果將之前的方案信息保持在最開始的設定數(shù)值，薄壁塑件注射成型翹曲變形周期會從23 s增加到25 s。在一系列設置完成之后重新進行分析計算。

3.5 熔體流動前沿溫度

在薄壁塑件注射成型的過程中，熔體流動前沿溫度降低速度比較快，導致流動動性變差、黏度增加，注射壓力也需適當?shù)卦龃?。同時，塑料表面熔接痕缺陷變得更明顯，光滑度下降低，粗糙度數(shù)值增大。想要模型的溫度較平穩(wěn)，那么熔體流動前沿溫度應該是合理、均勻的。在塑件充填時熔體的流動性能將隨溫度的變化而發(fā)生相應的變化。通過對這種變化的深入分析可以發(fā)現(xiàn)，摩擦會補充損失的熱量，并使兩者處于一種平衡的狀態(tài)，從而避免發(fā)生熱衰變的可能。

3.6 熔接痕

熔接痕一般呈現(xiàn)為細線狀，這種缺陷直接影響塑件機械性能和外觀，它往往出現(xiàn)在注射成型過程中多股熔體料流的匯合處。熔接痕的總體分析結(jié)果證明，熔接痕數(shù)量不多，它偏離了塑件結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位。根據(jù)熔體前沿溫度情況發(fā)現(xiàn)，熔接痕位置上的熔體溫度不會出現(xiàn)明顯的降低，最終證明彼此之間的熔接痕能比較好地融合，使塑件的力學性能和表面質(zhì)量得到保證。

3.7 氣穴

氣穴是一種填充不完全的現(xiàn)象，塑料粉體填充模具型腔時，原因是多股塑料熔體前沿包裹形成空腔或是集中在填充末端的氣體無法及時排出。在填充不完全的情況下，塑件的厚壁也會出現(xiàn)比較大的差距，熔體傾向于向厚壁位置上流動。聚集在塑件周圍的氣泡是由于熔體前沿匯集在型腔表層或者塑件內(nèi)部所形成的，大都聚集在塑件成型模具的分型面上，分型面的間隙使氣體較容易從模具型腔里排出，避免因困氣而導致塑件表面缺陷的產(chǎn)生。

Moldflow為企業(yè)產(chǎn)品的設計及成型工藝的優(yōu)化提供了整體的解決方案，致力于幫助塑膠產(chǎn)品設計工程師、成型工程師、CAE分析師和模具生產(chǎn)制造者創(chuàng)建精準的數(shù)字樣機，驗證和優(yōu)化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。從薄壁零件到厚壁、堅固的零件，通過仿真模擬的參數(shù)設定和結(jié)果分析來揭示塑件壁厚大小、形狀改變、材料種類、澆口位置等與成型過程的內(nèi)在聯(lián)系，從而花更少的成本將更好的產(chǎn)品推向市場[11-12]。

4 結(jié)束語

本文詳細分析了薄壁塑件成型的翹曲變形問題，借助正交表來組織展開試驗，對薄壁塑件成型過程中的填充時間、填充過程、保壓壓力、熔體流動前沿溫度、熔接痕、氣穴等進行深入研究，以獲取保壓時間及壓力、模具及熔體溫度等參數(shù)對翹曲變形影響程度的大小。運用Moldflow這款注塑成型仿真工具，對薄壁塑件進行有效分析，對翹曲變形進行預測，并通過優(yōu)化工藝使翹曲變形量有效降低，進而優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高了塑件生產(chǎn)質(zhì)量的同時，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益。

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