塑料制品翹曲變形的解決方案及應(yīng)用

羅孝輝，姜勇

（延鋒彼歐汽車外飾系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，上海 201805）

0 前言

注塑制品翹曲變形是指注塑制品的形狀偏離了模具型腔的形狀，它是塑料制品常見的缺陷之一，產(chǎn)生的主要原因是收縮不均勻。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對塑料制品的外觀和使用性能要求越來越高，翹曲變形的程度作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一也越來越多地受到模具設(shè)計者和工藝開發(fā)者的關(guān)注與重視。工藝開發(fā)人員希望在制造階段能夠消除產(chǎn)品翹曲造成的外觀匹配問題，模具設(shè)計者更希望能夠在設(shè)計階段預(yù)測出塑料件可能產(chǎn)生翹曲的原因及變形量，以便加以優(yōu)化設(shè)計，從而提高注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，縮短模具設(shè)計周期，降低后期開發(fā)成本。

文中著重介紹了運用不同的方法解決注塑件翹曲變形的實踐經(jīng)驗及預(yù)變形分析的應(yīng)用。

1 原始方案分析

如圖1所示，制件為某款車型的電鍍裝飾條，選定兩個進膠點，按默認工藝進行初步分析，具體設(shè)定見表1。

表1 工藝設(shè)置

此次分析的電鍍飾條，厚度均勻，基本料厚為2.5 mm，尺寸為680 mm×172 mm×25 mm，產(chǎn)品理論質(zhì)量73 g，選用Dow公司的3219 HH材料。分析結(jié)果如圖2所示:圖 （a）為充填時間，上下兩模流動基本平衡;圖 （b）為充填百分比，對于單一模腔，可以看出尖端頭的充填率較平端頭低，可能會導(dǎo)致尖端頭的收縮更大;圖 （c）為綜合變形的情況，平端頭的變形量在13 mm左右，尖端頭的變形量在32 mm左右。

按此設(shè)計工藝開發(fā)的產(chǎn)品實際變形量:平端頭10 mm，尖端頭16 mm。

由于此變形量的存在，導(dǎo)致零件在裝車過程中存在面差過大、間隙過大的外觀缺陷，如圖3所示。

針對此翹曲變形引起的質(zhì)量問題，作者考慮了多方面因素來消除此變形量，從而優(yōu)化匹配的效果，并在多個方面取得了重大的突破。

2 優(yōu)化方案分析

主要涉及的優(yōu)化方案:（1）預(yù)變形模具的開發(fā);（2）整形工裝 （工位器具）應(yīng)用;（3）其他 （如電鍍掛具、梅花樁、結(jié)構(gòu)更改）。下面將分別介紹這幾種方案的分析過程。

2.1 預(yù)變形模具的研究

說明1:實際變形量的計算。作者選擇固定的基準點，通過產(chǎn)品投影的方式，較精確地統(tǒng)計變形值，如圖4所示。

說明2:預(yù)變形產(chǎn)品中變形原點的選擇。以模流分析中的原點坐標 （即變形量最小值處）作為預(yù)變形下的原點坐標進行產(chǎn)品設(shè)計，如圖5所示。

2.1.1 工藝分析對比

通過調(diào)整注塑工藝，包括注射速度、保壓壓力時間等參數(shù)（由于影響較小未計入表格），統(tǒng)計兩端的實際變形量，見表2。

表2 二點澆口在不同工藝下的變形量 mm

由表2可知:在澆口形式、模具形式固定的情況下，調(diào)整澆口的打開順序和模具溫度，變形量差異在±1 mm之間，對減小變形量的意義不大。

2.1.2 二點澆口的模流分析對比

在基本工藝設(shè)置 （見第1節(jié)）不變的前提下，通過設(shè)置不同澆口形式和打開方式對比變形量。

由圖6、圖7、表3可以得到推論:不論工藝條件如何變化，模流分析與實際變形量之間對應(yīng)的趨勢基本一致，這對于選擇變形量數(shù)值具有重要的指導(dǎo)意義。

表3 二點澆口模流分析變形量與實際變形量對比 mm

2.1.3 二點與三點澆口的模流分析對比＆預(yù)變形量的確認

由圖8、圖9、表4可以得到推論:兩點和三點澆口下的翹曲變形量略有不同，但是變形趨勢一致，因此通過二點和三點變形量類比的方式，初步計算三點澆口下實際變形量:左側(cè)10 mm，右側(cè)14 mm。

表4 二點和三點模流分析及實際對比 mm

確定了基準原點和變形量后，進行新的產(chǎn)品設(shè)計，效果如圖10所示。

其中紅色為原產(chǎn)品三維圖，藍色為預(yù)變形產(chǎn)品三維圖。將預(yù)變形產(chǎn)品再次與原產(chǎn)品進行模流分析對比。

由圖11、圖12、表5進一步得到理論驗證:用Dow 3219 HH材料，用三點順序閥開的方法，分別用原數(shù)據(jù)和預(yù)變形數(shù)據(jù)進行模流分析對比，兩者變形量幾乎一致，即可以推測預(yù)變形后的產(chǎn)品變形趨勢、變形量 （左13.09 mm，右27.28 mm）與未預(yù)變形的產(chǎn)品變形趨勢、變形量 （左14.49 mm，右26.3 mm）基本一致。

表5 原產(chǎn)品與預(yù)變形產(chǎn)品模流及實際最大變形量對比 （三點順序閥開） mm

2.1.5 預(yù)變形產(chǎn)品的實際應(yīng)用

（1）制件自測效果展示。通過調(diào)整不同注塑工藝，將預(yù)變形后的產(chǎn)品 （圖13）上檢具測量長度，用卡尺測量寬度，用弧度檢測工裝測量弧度，目視檢測外觀狀態(tài)，通過與對手件匹配，得到的結(jié)果如表6所示。

表6 預(yù)變形飾條的實際測量結(jié)果

由表6可以看出:預(yù)變形產(chǎn)品的實際變形量與當(dāng)初設(shè)定的左側(cè)10 mm、右側(cè)14 mm基本接近，變形后與理論值偏差在±3 mm之內(nèi)，因此變形后能夠符合產(chǎn)品初始設(shè)計要求，達到了原先預(yù)計的變形效果。

（2）制件與對手件匹配效果展示。制件與對手件匹配情況見圖14，匹配效果見表7。

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表7 預(yù)變形飾條與對手件的實際匹配效果 （上檢具狀態(tài)）

由表7可以看出:預(yù)變形的產(chǎn)品與對手件匹配的間隙和面差均能保證在標準值±0.5 mm之內(nèi)，更進一步證明了，該預(yù)變形產(chǎn)品在變形后能夠滿足匹配的所有要求。

2.1.6 預(yù)變形方案的驗證結(jié)論

通過飾條類預(yù)變形產(chǎn)品的實例研究，找到了預(yù)測變形量的方法，對于類似長條類產(chǎn)品，在工藝設(shè)置相同的情況下，選擇固定的基準點后 （原點坐標），可以通過設(shè)計不同澆口下的模流分析變形量進行自身對比，同時根據(jù)目前研究的飾條變形量的比例趨勢去預(yù)測其他產(chǎn)品的變形趨勢。這樣就可以在開模前較準確地預(yù)測產(chǎn)品的理論變形量，直接根據(jù)分析結(jié)果來修改產(chǎn)品數(shù)據(jù)和調(diào)整模具結(jié)構(gòu)，可以有效地避免后期開發(fā)過程中因產(chǎn)品翹曲造成的匹配及外觀不良問題。

2.2 整形工裝的研究

對于已經(jīng)翹曲的產(chǎn)品，文中也對幾種方法進行了相關(guān)研究，并獲得了顯著的成效，特別是泡沫盤整形方案的成功對于以后項目有著重大的指導(dǎo)意義。雖然在其他很多項目中都會有各自的整形方案，但是在此次的飾條案例中，必然是目前最經(jīng)濟、最便捷、最實用的方法。

2.2.1 檢具、工裝整形

最常見的整形手段之一，如圖15所示。

由于這兩種方案是按照產(chǎn)品數(shù)據(jù)弧度整形，對于需要后處理的飾條產(chǎn)品，在整形后，短時間內(nèi)雖然可以保證弧度，但是在經(jīng)過高溫去應(yīng)力的工藝后，零件會重新反彈，整形效果消失。而且這兩種整形方式，操作不便捷、無法量化、成本高、時間長，因此局限性較大，不能推廣。

2.2.2 夾鉗＆梅花樁整形

用價格低廉的樹脂做基材，用金屬夾鉗或金屬定位柱做定量整形，如圖16所示。

圖16（a）所示為便攜工裝，可以在紅色圈位置處粘貼泡沫塑料塊來支持零件，用夾鉗固定住產(chǎn)品，且變形量可通過夾鉗調(diào)整;而圖16（b）所示的梅花樁整形方法也可以對變形量進行定量調(diào)整，且同一工裝可以應(yīng)用于幾套零件。這兩種方案雖然解決了之前檢具和工裝在變形量和后處理工藝上的局限性，且在整形后確實能達到消除翹曲的效果，但是由于工裝體積大、質(zhì)量大，操作仍不便捷，而且成本仍很高，無法大批量推廣。但是不可否認，這兩種整形方式達到了消除翹曲的效果，對于其他整形方案的研究有很大的借鑒意義。

2.2.3 掛具整形

通過掛具來控制零件的變形量也是比較常見的整形方案之一，見圖17。

在電鍍工藝過程中，選擇產(chǎn)品上的定位點，通過掛具上的結(jié)構(gòu)固定，并在電鍍過程中保持既定的變形量，從而在電鍍后實現(xiàn)消除翹曲的效果。此方案有很多優(yōu)點，操作便捷、成本低、可量化。但有兩個最大的缺陷:（1）電鍍后的變形量雖然可以有效控制，但是不穩(wěn)定，有的時候會超出預(yù)想的變形效果;（2）電鍍過程中是通過強行施加力使其達到消除翹曲的效果，其實零件本身仍存在著應(yīng)力，當(dāng)外界溫度較高時，應(yīng)力仍會釋放，翹曲也會重新反彈。這在很多項目上都曾發(fā)生，當(dāng)車輛在炎熱天氣中或者在陽光暴曬下時，飾條就會有翹曲的反應(yīng)。

2.2.4 注塑件定型

注塑件工位器具整形，這是一個全新的想法，也是非常成功的案例。

圖18（a）表面上看就是普通的飾條類周轉(zhuǎn)工裝——泡沫盤，但是考慮到翹曲問題，在設(shè)計時對泡沫盤進行了過定位設(shè)計，即零件放進泡沫盤后，就相當(dāng)于放進了一個定量整形工裝，過量的數(shù)值可通過試制驗證得到。零件隨著泡沫盤一起周轉(zhuǎn)，并在泡沫盤內(nèi)進行去應(yīng)力，這樣在注塑件的過程中就完成了零件的整形，如圖18（b）。這樣的整形方式成本低、操作性強、應(yīng)用廣、效果佳。

2.2.5 注塑整形與電鍍整形的對比

說明:弧度測量工裝，采用兩點定位，一點讀數(shù)的方式，進行簡易的弧度測量，如圖19所示。注塑件整形與電鍍掛具整形的對比見表8。

表8 注塑件整形與電鍍掛具整形的對比

2.2.6 整形方案的驗證結(jié)論

通過飾條類翹曲產(chǎn)品的實例研究，找到了消除翹曲變形量的方法，對于類似長條類產(chǎn)品，在翹曲已經(jīng)既成事實的情況下，選擇在工藝中不可缺少的環(huán)節(jié)，比如工位器具，加以設(shè)計，同時考慮將工藝條件與工位器具匹配，將周轉(zhuǎn)器具與產(chǎn)品一同進行去應(yīng)力，這樣可以準確地對產(chǎn)品進行矯正，達到整形的效果。

3 結(jié)論

對于易翹曲類產(chǎn)品的設(shè)計可以通過預(yù)變形的方式，參考此次案例中變形量的預(yù)測手法，利用Moldflow軟件，對制品進行澆口布置、工藝設(shè)置等分析，較準確地給出變形量參考數(shù)值，從而有效降低制品的翹曲情況，以達到產(chǎn)品設(shè)計的目的，避免后期開發(fā)過程中，因產(chǎn)品翹曲造成的匹配及外觀不良問題。

對于已經(jīng)翹曲的產(chǎn)品，解決的方案很多，文中采用工位器具進行整形是一個非常實用的方式，可以作為借鑒，但是在實際工作中應(yīng)根據(jù)具體情況靈活運用。

【1】貢曉潔，魏愛思，管旭明.運用Moldflow針對翹曲問題優(yōu)化塑料制品的應(yīng)用［J］.塑料制造，2010（7）:62－63.

【2】黃鋼華，張益華，魯世紅.Moldflow_MPI翹曲分析在注塑模中的應(yīng)用［J］.塑料制造，2008（8）:64－67.