基于Moldflow和全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的翹曲變形優(yōu)化

聶恒，金欣

(延鋒彼歐汽車外飾系統(tǒng)有限公司，上海 201805)

0 引言

塑件的翹曲變形是薄壁類零件較為常見(jiàn)的缺陷之一，產(chǎn)品未開(kāi)模前，如何預(yù)測(cè)翹曲變形，是注塑行業(yè)的難題之一，這其中涉及到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，所選用的材料，注塑成型參數(shù)等多方面的影響。對(duì)于汽車尾門(mén)而言，為了達(dá)到節(jié)省電力和油耗的目的，尾門(mén)實(shí)施輕量化策略，以塑代鋼變的越來(lái)越流行，目前市面上有很多PP+LGF40復(fù)合材料尾門(mén)，如何解決PP+LGF40注塑零件的變形問(wèn)題也成為復(fù)合材料尾門(mén)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。本文中，筆者以PP+LGF40尾門(mén)上飾板為例，利用Moldflow的翹曲變形預(yù)測(cè)功能來(lái)達(dá)到優(yōu)化變形的目的，使前期設(shè)計(jì)階段翹曲變形最小，再?gòu)哪＞咴O(shè)計(jì)角度采取措施，最后使得產(chǎn)品符合公差要求，交付客戶。

1 翹曲變形機(jī)理介紹

注塑產(chǎn)品產(chǎn)生翹曲變形的根本原因是由于注塑成型過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于產(chǎn)品本身剛度時(shí)，內(nèi)應(yīng)力會(huì)以產(chǎn)品變形的方式進(jìn)行釋放，而影響產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力的因素有很多，比如結(jié)構(gòu)方面的尖銳R角，不能平滑做過(guò)渡，在注射成型方面，由于澆口的設(shè)置，保壓壓力和保壓時(shí)間設(shè)置不當(dāng)而引起的體積收縮不均；如果有長(zhǎng)玻璃纖維的產(chǎn)品，玻璃纖維產(chǎn)品沿著注射的方向，纖維取向排列，會(huì)引起取向不均；冷卻水路設(shè)計(jì)的不當(dāng)引起的冷卻不均；在產(chǎn)品的角落部位那里，形成集熱，帶來(lái)彎曲變形。以上4點(diǎn)是引起塑料制品變形的根本原因。

對(duì)于本文所講的PP+LGF40尾門(mén)上飾板，由于產(chǎn)品的功能性和空間布置要求，例如黏膠面和安裝線束空間，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的更改有限，只能通過(guò)注射成型工藝的優(yōu)化來(lái)達(dá)到優(yōu)化變形的目的，在本文中，利用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮各種因素的影響，來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化變形的目的。

2 過(guò)程分析

2.1 文獻(xiàn)敘述

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作為科學(xué)有效的一種工具，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的理念，能夠快速得到不同因素對(duì)最終的結(jié)果的影響，并能夠得到模型，其與Moldflow的結(jié)合使用也越來(lái)越流行，筆者也閱覽許多國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)資料，例如，南京理工大學(xué)的孫蒙蒙[1]分析了汽車內(nèi)飾件注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化，利用Moldflow，以體積收縮率的差異和翹曲分析為指標(biāo)，分析工藝參數(shù)對(duì)制品質(zhì)量的影響，并獲取工藝參數(shù)的優(yōu)化組合；華南理工大學(xué)的張昉昀[2]等人利用Taguchi設(shè)計(jì)方法，利用較少的實(shí)驗(yàn)，就得到注塑工藝對(duì)翹曲變形的影響，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院的國(guó)的牛吉梅[3]等人也是通過(guò)Moldflow軟件并結(jié)合采用正交試驗(yàn)法對(duì)其注塑成型過(guò)程進(jìn)行分析模擬，最終獲得了最佳澆口位置和翹曲變形量分布的準(zhǔn)確信息，優(yōu)化了注射工藝參數(shù)，并分析了翹曲變形量與熔體溫度和保壓壓力之間的耦合關(guān)系。以上等作者都是將模流和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，達(dá)到快速優(yōu)化產(chǎn)品變形的目的，所用的方法都是Taguchi方法，此方法可以識(shí)別單個(gè)因素的影響，但是對(duì)于因素之間的交互作用的分析有欠缺，本文作用采用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化變形的目的。

2.2 模流分析

尾門(mén)上飾板如圖1，圖2所示，零件壁厚2.5 mm，230 mm×1 200 mm×170 mm，由于尾門(mén)為特殊的功能件，有性能的要求，故選擇了PP+LGF40材料，以增加產(chǎn)品的強(qiáng)度，牌號(hào)為STAMAX 40YM240，生產(chǎn)商為沙比克，由于此零件的黏膠面和空間布置的要求，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的手段有限，只能通過(guò)工藝的方法，使翹曲變形減少。此產(chǎn)品根據(jù)客戶提供采用的A面數(shù)據(jù)，然后利用UG軟件對(duì)塑件進(jìn)行三維實(shí)體建模，將數(shù)模轉(zhuǎn)換為stp格式后導(dǎo)入CAD doctor進(jìn)行數(shù)模修補(bǔ)和完善，轉(zhuǎn)換成為udm格式，然后導(dǎo)入到moldflow2019中去，采用雙層面網(wǎng)格，利用Moldflow網(wǎng)格診斷工具完善網(wǎng)格模型以提高分析的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格數(shù)量為64 565個(gè)，最大縱橫比為19.3，平均縱橫比為2.01，最小縱橫比為1.16，匹配百分比為90.4%，相互百分比為90.2%，符合大于90%的要求。

圖1 網(wǎng)格模型

圖2 壁厚顯示

2.3 澆口位置和數(shù)量選擇

由于是PP+LGF40長(zhǎng)玻璃纖維材料，如果設(shè)置側(cè)澆口，模具型腔涂膠面會(huì)產(chǎn)生沖痕，如圖3所示；所以在產(chǎn)品非涂膠面區(qū)域設(shè)定直澆口，澆口的位置根據(jù)moldflow提供的澆口位置分析工具，如圖4所示，此分析工具基于最小的注射壓力，零件放置在厚壁區(qū)域，填充的單向性等一系列因素選取最佳澆口位置，結(jié)果如圖5所示，根據(jù)圖中結(jié)果，最佳的澆口位置放置在中心位置。

圖3 沖痕

圖4 澆口位置

圖5 最佳澆口位置結(jié)果

2.4 全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的定義是所有因子的所有水平組合都至少要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，由于包含了所有組合，全因子實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)總次數(shù)會(huì)很多，優(yōu)點(diǎn)是可以估計(jì)所有的主效應(yīng)和各階交互作用[4],針對(duì)本文產(chǎn)品，首先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，判斷影響變形的主要因素有哪些，本文產(chǎn)品中，由于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，沒(méi)有水路，不考慮動(dòng)定模具溫度的差異對(duì)其變形的影響，選取的主要因素為模具溫度，熔體溫度，保壓壓力，保壓時(shí)間。然后確定不同因素的工藝范圍，模具溫度60～80 ℃，熔體溫度230～260 ℃，保壓壓力25～60 MPa，保壓時(shí)間5～15 s。利用Minitab中，全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)下表1。

表1 工藝參數(shù)范圍

且為了更準(zhǔn)確的模擬實(shí)際檢具測(cè)量狀態(tài)，在模流中按照實(shí)際產(chǎn)品的檢測(cè)定位增加固定約束，為3個(gè)Z，1個(gè)Y，2個(gè)X，如下圖6所示。

圖6 定位點(diǎn)圖

2.5 結(jié)果討論

表2顯示不同的工藝條件下，產(chǎn)品不同的變形大小，根據(jù)不同因子的pareto圖7顯示，影響變形的顯著因子包括模具溫度，熔體溫度，保壓壓力，保壓時(shí)間，且包含交互作用，保壓壓力與保壓時(shí)間（CD）有交互作用，熔體溫度與保壓時(shí)間（BD）交互，模具溫度與熔體溫度（AB）交互，模具溫度與保壓時(shí)間（AD）交互，模具溫度與保壓壓力（AC）交互。如主效應(yīng)圖8所示，隨著模具溫度升高，變形增大。熔體溫度升高，變形增大。保壓壓力，保壓時(shí)間增大，變形變小。如交互作用圖9顯示，當(dāng)熔體溫度為260 ℃時(shí)，模具溫度升高，變形增加，在230 ℃時(shí)，變形影響不大。在保壓壓力為60 MPa時(shí)，模具溫度升高，變形增加。當(dāng)保壓時(shí)間為5 s時(shí)，隨著熔體溫度升高，變形增加。當(dāng)保壓時(shí)間為15 s時(shí)，隨著熔體溫度升高，變形減小。為了選取最小變形值，利用minitab中的響應(yīng)優(yōu)化器功能，如下圖10所示，得到結(jié)果如圖11所示。

圖7 不同因素pareto圖

圖8 因子的主效應(yīng)圖

圖9 不同因子的交互作用

圖10 響應(yīng)優(yōu)化器功能

圖11 響應(yīng)優(yōu)化器結(jié)果

表2 不同工藝變形值 mm

選取最小的工藝組合為模具溫度為30 ℃，熔體溫度為260 ℃，保壓壓力為60 MPa，保壓時(shí)間為15 s。模流變形見(jiàn)下圖12。

圖12 變形圖

圖13 HT1600ton

圖14 模具溫控機(jī)

3 實(shí)際試模驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模流與實(shí)際的一致性，將模流通過(guò)全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)工藝參數(shù)完全輸入到實(shí)際的注塑機(jī)中，工藝參數(shù)見(jiàn)下表3。

表3 工藝參數(shù)設(shè)定

實(shí)際注塑機(jī)選用的是HT1600ton,螺桿直徑為80 mm，為了產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，選用川田的模溫機(jī)控制模具溫度的穩(wěn)定性，選取溫控箱控制溫度的一致性。

利用此產(chǎn)品的檢具進(jìn)行尺寸測(cè)量，產(chǎn)品的定位方式與模流保持一致，產(chǎn)品關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)圖見(jiàn)圖16，圖17。

圖15 熱流道溫控箱

圖16 檢具示意圖

圖17 關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)

產(chǎn)品實(shí)際測(cè)量值與模流測(cè)點(diǎn)值數(shù)據(jù)，及兩者的差值見(jiàn)下表4。

表4 實(shí)際與模流對(duì)比 mm

由表4和圖可見(jiàn)：模流與實(shí)際測(cè)量值趨勢(shì)一致，差值在0.5 mm左右，基本都能反應(yīng)實(shí)際情況，由于此產(chǎn)品為非外觀件，模具開(kāi)發(fā)初期設(shè)置了鑲件，方便修模更改，見(jiàn)下圖18。

圖18 模具示意圖

4 結(jié)論

（1）將尾門(mén)上飾板導(dǎo)入模流分析后，首先找尋最佳澆口位置，在根據(jù)變形值大小，確認(rèn)最終選擇1個(gè)澆口。

（2）利用全因子試驗(yàn)分析方法，確認(rèn)了關(guān)鍵因子，熔體溫度為關(guān)鍵顯著因子?？梢缘玫阶畲笞冃瘟颗c不同因素之間的關(guān)系模型，并非簡(jiǎn)單地線性關(guān)系。

（3）將在模流中變形最小的最佳工藝輸入到實(shí)際工藝中，模流基本能夠預(yù)測(cè)實(shí)際的變形情況，差異在0.5 mm，在最大變形處，模具前期已經(jīng)預(yù)留好鑲件，方便修模。