基于Moldflow的薄壁件翹曲變形研究

郭建東，楊 濤

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

薄殼塑料件注塑成型過程中最常見的缺陷為薄殼的翹曲變形，然而影響注塑制品翹曲變形的因素有很多，如模具的結(jié)構(gòu)、塑料材料的熱物理性能以及成型過程的條件和參數(shù)對(duì)制品的翹曲變形均有著不同程度的影響。翹曲變形會(huì)影響到注塑件的表面質(zhì)量和形狀精度，倘若翹曲變形過大，會(huì)影響到產(chǎn)品的裝配。對(duì)薄殼塑料件的翹曲變形進(jìn)行研究有著很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為此，本文應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響進(jìn)行仿真研究，進(jìn)而找出其主要影響因素，并進(jìn)行分析和處理，以縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高注塑件的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 研究方向

注塑成型是一種注射兼模塑的成型方法，此方法是將聚合物組分的粒料或粉料放入注塑機(jī)的料筒內(nèi)，經(jīng)過加熱、壓縮、剪切、混合和輸送，使其均勻化，然后再借助柱塞或螺桿向熔化好的聚合物熔體施加壓力，則高溫熔體通過料筒前面的噴嘴和模具的澆道系統(tǒng)，注射到預(yù)先閉合好的低溫模腔中，經(jīng)冷卻定型，開啟模具，頂出，得到具有一定幾何形狀和精度的塑料制品。整個(gè)過程是時(shí)變性、高非線性、多個(gè)參數(shù)作用的過程，由于多參數(shù)的相互作用而且擁有隨時(shí)間變化的特征，因此每個(gè)參數(shù)對(duì)于塑件的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。為保證塑件的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，我們需要對(duì)成型周期中的各參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和控制，確保對(duì)塑件質(zhì)量影響較大的參數(shù)能夠維持在最佳取值范圍內(nèi)，使塑件的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。本文從以下幾個(gè)方面對(duì)薄殼注塑件成形的工藝參數(shù)進(jìn)行研究：

（1）選用薄殼注塑件為模型，通過大量的計(jì)算來(lái)確定滿足工藝要求的工藝參數(shù)，以對(duì)工藝的制定做出指導(dǎo)。

（2）通過對(duì)影響薄殼注塑件翹曲變形的工藝參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化，進(jìn)而找出對(duì)其影響的主次因素，最終得出在工藝制定過程中需要考慮的各影響參數(shù)的先后順序。

1.2 總體路線

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普遍性，我們選用常見的薄殼注塑件作為研究對(duì)象，然后應(yīng)用三維軟件（UG、Pro／E）對(duì)其澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模，把模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、澆口位置的選擇、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建、冷卻－流動(dòng)－翹曲分析，然后創(chuàng)建新的冷卻管道，對(duì)保壓壓力的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，重新進(jìn)行冷卻－流動(dòng)－翹曲分析，對(duì)其過程進(jìn)行仿真，最后通過比較來(lái)得出結(jié)論。

1.3 分析過程

選用的模型為某電器的活動(dòng)后蓋，為了不影響分析工藝條件，設(shè)定模溫為默認(rèn)值（40℃），熔體溫度為230℃，所需的開模時(shí)間為5s，注塑過程的保壓冷卻時(shí)間總和為30s，其他的如填充控制、速度／壓力控制轉(zhuǎn)換通常設(shè)定為自動(dòng)設(shè)置。對(duì)于經(jīng)常用到的保壓控制，我們也設(shè)定為默認(rèn)值。模型尺寸為183mm×46mm×51mm。

通過Moldflow分析得出最佳澆口位置為兩個(gè)板的中心位置，選取圓柱形凸起所在板面中心作為澆口位置。為方便起見，本案例采用點(diǎn)澆口。然后進(jìn)行填充分析，觀察該澆口能否獲得平衡的流動(dòng)，再進(jìn)行冷卻－流動(dòng)－翹曲分析，從結(jié)果列表中可以看到，沒有發(fā)生較大的變形。注塑件總體翹曲如圖1所示，翹曲的最大值為0.669 0mm，出現(xiàn)在X方向上（見圖2）。導(dǎo)致Y方向上翹曲大小不對(duì)稱的原因是冷卻效果不對(duì)稱，為進(jìn)一步分析翹曲產(chǎn)生的原因，需要修改工藝條件。

圖1 總體翹曲圖

圖2 X方向翹曲圖

再次進(jìn)行冷卻－流動(dòng)－翹曲分析，結(jié)果列表發(fā)生了相應(yīng)變化，原來(lái)的4項(xiàng)翹曲結(jié)果增加為16項(xiàng)，包括總體翹曲結(jié)果、由分子趨向引起的翹曲結(jié)果、由收縮引起的翹曲結(jié)果、由冷卻不均勻引起的翹曲結(jié)果。第2次分析得到的結(jié)果更為詳細(xì)，總體翹曲結(jié)果與圖1相同；由冷卻不均勻引起的翹曲如圖3所示，其最大值為0.016 6mm，顯然這不是翹曲的主要原因。

圖3 由冷卻不均勻引起的翹曲圖

由收縮引起的翹曲結(jié)果如圖4所示，最大值為0.669 0mm，其中僅在X方向上產(chǎn)生的翹曲值就為0.654 4，由此斷定收縮是引起翹曲的主要原因。由于模型選用的材料不含有填充物，因此由分子趨向而引起的翹曲可以視為零。

采用修改冷卻系統(tǒng)和調(diào)整成型工藝條件的方法解決翹曲問題，結(jié)果顯示：總體翹曲的最大值由改進(jìn)前分析的0.669 0mm 降為0.213 7mm（見圖5），優(yōu)化效果顯著；Y方向上的翹曲最大值也由改進(jìn)前分析的0.064 1mm降低為0.041 1mm，而且Y方向上的翹曲不對(duì)稱現(xiàn)象消除；由冷卻不均勻引起的翹曲，最大值為0.011 4mm，比改進(jìn)前有所降低，看來(lái)手工創(chuàng)建的冷卻系統(tǒng)要比由向?qū)?chuàng)建的冷卻系統(tǒng)具有較高的冷卻效率。進(jìn)而通過優(yōu)化保壓曲線的方法，可以將由收縮引起的翹曲降為0.214 5，X方向上的翹曲也降為0.140 1。

圖4 由收縮引起的翹曲圖

圖5 改進(jìn)后生成的總體翹曲圖

2 結(jié)語(yǔ)

注塑件產(chǎn)生翹曲的主要原因是收縮，收縮產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)：保壓壓力和材料。

（1）若保壓壓力過高，塑件成型時(shí)的內(nèi)應(yīng)力會(huì)過高，脫模后，內(nèi)應(yīng)力的不均衡釋放將使塑件產(chǎn)生翹曲變形，對(duì)此，應(yīng)適當(dāng)降低保壓壓力。

（2）材料的高分子鍵在應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部移位，在脫模時(shí)，由于塑件不同的形狀，內(nèi)應(yīng)力的存在常會(huì)使塑件產(chǎn)生不同程度的變形。

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