基于Moldflow的車載顯示器后殼翹曲變形分析＊

池寅生，孫慶東，張翔

基于Moldflow的車載顯示器后殼翹曲變形分析＊

池寅生，孫慶東，張翔

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

翹曲變形是導(dǎo)致車載顯示器后殼塑件質(zhì)量缺陷的重要原因之一。應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)此產(chǎn)品注塑成型過程中引起翹曲變形的潛在原因如冷卻不均、收縮不均等因素進(jìn)行有限元分析與質(zhì)量預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了收縮不均是導(dǎo)致翹曲變形的主要原因。結(jié)合解決收縮不均的常用策略，對(duì)模溫、料溫、注射時(shí)間和保壓壓力進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整。通過分析發(fā)現(xiàn)降低模溫、增加料溫、延長注射時(shí)間和增加保壓壓力有利于減小翹曲變形量。獲取了相對(duì)最佳的注塑成型工藝參數(shù)，即模具溫度為40 ℃，熔體溫度為255 ℃，注射時(shí)間為1.8 s，保壓壓力為最大注射壓力的99%，可以將此產(chǎn)品的翹曲變形量比初始注塑工藝方案減少21.6%。

Moldflow；翹曲變形；注射壓力；翹曲變形

當(dāng)今，在注塑成型及模具設(shè)計(jì)工程技術(shù)中，基于高分子流變學(xué)、傳熱學(xué)、有限元數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等理論的CAE技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。其優(yōu)勢(shì)是在模具加工前，計(jì)算機(jī)CAE技術(shù)可對(duì)塑料熔體在模具型腔中的填充、保壓、冷卻等成型狀況進(jìn)行計(jì)算分析和動(dòng)態(tài)模擬，進(jìn)而預(yù)測(cè)模具結(jié)構(gòu)和注塑成型工藝條件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)潛在的產(chǎn)品缺陷。工程設(shè)計(jì)人員能夠及時(shí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)更正和成型參數(shù)優(yōu)化，從而極大地提高了一次試模的成功率，有助于模具制造企業(yè)縮短開發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本。

車載顯示器后殼屬于典型的汽車內(nèi)飾塑件，具有較為嚴(yán)格的裝配和外觀要求，因此尺寸精度要求較高，需要嚴(yán)格控制成型的翹曲變形量。采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法，工藝人員通過不斷改進(jìn)試模的工藝參數(shù)尋求減少翹曲變形的最佳方案，但該方法對(duì)工藝人員的技術(shù)要求較高，且效率低下[1]。為此，需要在試模前運(yùn)用注塑模CAE技術(shù)對(duì)此塑件的翹曲成型缺陷進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)注塑成型工藝參數(shù)的優(yōu)化，并為注塑工藝和模具結(jié)構(gòu)的合理性提供科學(xué)的依據(jù)。

譚安平等[2]利用Moldflow模流分析軟件對(duì)PC/ABS汽車后視鏡的翹曲變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)模具澆口位置、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并調(diào)整了注塑時(shí)的保壓參數(shù)；蔡國輝等[3]進(jìn)行了水龍頭成型的填充和翹曲分析，得到引起翹曲變形的主要原因，并對(duì)保壓方案進(jìn)行了優(yōu)化；張軍枚[4]采用CAE技術(shù)分析夾肉機(jī)上、下手柄發(fā)生翹曲變形的原因，優(yōu)化了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；魏翔宇等[5]運(yùn)用信噪比和灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)影響車燈裝飾框體積收縮率和翹曲變形量的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文基于Moldflow軟件對(duì)車載顯示器后殼進(jìn)行注塑成型仿真，從注塑成型工藝角度分析了此塑件產(chǎn)生翹曲的原因，并在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 原設(shè)計(jì)方案描述

本文研究的車載顯示器后殼是某公司開發(fā)的車載娛樂產(chǎn)品，外觀如圖1所示。此塑件總體尺寸為251.5 mm× 99.8 mm×26 mm，料厚2 mm，其材料選用的是奇美ABS777。為了保證澆口的位置盡量不影響制品的外觀質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)中將澆口位置放置在偏離中心（﹣30，﹣20）的LOGO貼標(biāo)處。主流道的小端直徑為3.5 mm，錐度為1.5°，長度為80 mm；同時(shí)建立了直徑為8 mm、間距為40 mm的上下兩組冷卻系統(tǒng)。

圖1 車載顯示器后殼

2 成型缺陷分析及解決策略

2.1 成型缺陷分析

該類制品在試模和生產(chǎn)過程中，其主要成型缺陷為翹曲變形，表現(xiàn)為塑件成品的形狀偏離了模具型腔或塑件原本的形狀。成型后的塑件發(fā)生翹曲變形的原因很多，其內(nèi)在因素是注塑成型在塑件內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力釋放。具體而言，模具結(jié)構(gòu)、塑料收縮率以及注塑成型工藝條件均會(huì)對(duì)塑件的翹曲變形產(chǎn)生影響。因此，分析導(dǎo)致此塑件殘余應(yīng)力產(chǎn)生的因素顯得極為重要。

為便于分析研究，本文設(shè)置了如下的初始工藝參數(shù)方案。其中，模具溫度為50 ℃，熔體溫度為230 ℃，注射時(shí)間為1.2 s，保壓壓力為最大注射壓力的80%，冷卻時(shí)間為20 s。在Moldflow軟件中，完成了澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)置后實(shí)施了初步模擬分析。其分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 原方案造成翹曲變形的各因素變形量

由圖2可知，此塑件發(fā)生翹曲變形的主要原因?yàn)槿∠蛐?yīng)、冷卻不均和收縮不均。其中，冷卻不均造成的翹曲變形量為0.086 1 mm，占所有因素引起的翹曲變形量的8.6%；收縮不均引起的翹曲變形量為1.002 mm，為最大值；角效應(yīng)引起的翹曲變形量為0.027 1 mm，僅占所有因素引起的翹曲變形量的2.7%。由結(jié)果可知，收縮不均是此塑件翹曲變形的主要原因。

2.2 解決收縮不均的常用策略

根據(jù)長期的注塑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，塑件出現(xiàn)收縮不均現(xiàn)象的常見原因有[6]：①冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不均勻；②模具成型面打磨、拋光質(zhì)量不理想；③頂出結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)不當(dāng)；④前后模溫差較大；⑤冷卻時(shí)間太短；⑥模具溫度過高或過低；⑦熔體溫度不合理；⑧注射時(shí)間不當(dāng)；⑨保壓壓力較小。其中，前三項(xiàng)與模具結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)核對(duì)模具拋光和頂出位置均合理可行，而冷卻不均引起的變形量并不在本論文研究的范疇內(nèi)。另外，查詢先前Moldflow的分析結(jié)果，在前后模對(duì)等位置處查詢其溫差不超過1.5°，凍結(jié)層因子在14.48 s時(shí)制品已經(jīng)全部?jī)鼋Y(jié)，少于初始設(shè)置值20 s的冷卻時(shí)間。因此，前述五項(xiàng)不是收縮不均產(chǎn)生的主要原因。本論文研究重點(diǎn)將聚焦第⑥～⑨項(xiàng)，應(yīng)用Moldflow對(duì)不同的注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行多次CAE試驗(yàn)?zāi)M，以期獲取較佳的工藝參數(shù)方案，實(shí)現(xiàn)減少收縮不均、克服翹曲變形的質(zhì)量隱患。

3 改進(jìn)方案的CAE模擬

3.1 CAE分析方案設(shè)計(jì)

結(jié)合以上分析判斷，本次研究采用4組不同的工藝參數(shù)方案對(duì)此塑件的翹曲變形量進(jìn)行CAE模擬分析?？疾槟＞邷囟取⑷垠w溫度、注射時(shí)間、保壓壓力對(duì)翹曲變形的影響，從而尋求最佳的解決方案，改進(jìn)方案如表1所示。

表1 各改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)

方案序號(hào)模溫/℃料溫/℃注射時(shí)間/s保壓壓力，最大注射壓力的百分?jǐn)?shù)/（%）方案簡(jiǎn)述 1602301.280%增加模溫 2502551.280%增加料溫 3502301.880%延長注射時(shí)間 4502301.299%增大保壓壓力

3.2 CAE模擬結(jié)果分析

改進(jìn)方案注塑模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）可以看出，增加模溫后翹曲變形量為1.031 mm，比原方案的變形數(shù)值有所增加；由圖3（b）、3（c）、3（d）可知，增加料溫、增加注射時(shí)間和增加保壓壓力的翹曲變形量分別為 0.970 8 mm、0.988 4 mm和0.875 1 mm，比原方案的變形數(shù)值有所減小?？梢?，降低模溫、增加料溫、增加注射時(shí)間和增加保壓壓力有利于減小翹曲變形量。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述改進(jìn)方案的分析結(jié)果和四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響趨勢(shì)，進(jìn)行了更多的CAE分析和仿真計(jì)算試驗(yàn)，獲得了優(yōu)化后的注塑工藝參數(shù)，如表2所示。經(jīng)過Moldflow分析和計(jì)算，此優(yōu)化方案的仿真結(jié)果詳如圖4所示。結(jié)果顯示，所有因素變形量為0.787 8 mm，比最初方案減少了20.9%；收縮不均引起的變形量為0.786 0 mm，比最初方案減少了21.6%。

5 結(jié)論

應(yīng)用CAE技術(shù)對(duì)車載顯示器后殼塑件進(jìn)行了注塑成型模擬與仿真，對(duì)引起該塑件翹曲變形的各因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合引起收縮不均的常見原因調(diào)整了模溫、料溫、注射時(shí)間和保壓壓力的參數(shù)數(shù)值。分析結(jié)果揭示了降低模溫、增加料溫、延長注射時(shí)間和增加保壓壓力均有利于減小翹曲變形量。通過多次CAE數(shù)值仿真試驗(yàn)，獲得了一組優(yōu)化后的成型工藝參數(shù)方案，此方案中塑件因收縮不均引起的變形量比初始方案減少了21.6%。為同類塑件產(chǎn)品減少翹曲變形提供了有益的參考。

圖3 改進(jìn)方案注塑模擬結(jié)果

表2 優(yōu)化后的工藝參數(shù)方案

方案序號(hào)模溫/℃料溫/℃注射時(shí)間/s保壓壓力，最大注射壓力的百分?jǐn)?shù)/（%）冷卻時(shí)間/s 5402551.899%20

圖4 優(yōu)化方案的模擬結(jié)果

［1］王博，蔡安江，李正遷，等.玻璃纖維增強(qiáng)尼龍66復(fù)合材料無人機(jī)槳葉注塑成型翹曲變形優(yōu)化［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2020，27（1）：68-74.

［2］譚安平，劉克威.基于Moldflow的PC/ABS汽車后視鏡翹曲變形優(yōu)化分析［J］.合成樹脂及塑料，2020，37（1）：67-72.

［3］蔡國輝，曹新鑫，吳夢(mèng)林，等.基于 Moldflow 的ABS水龍頭注塑模擬分析與優(yōu)化［J］.塑料，2019，48（4）：105-107.

［4］張軍枚.基于CAE技術(shù)的注塑件翹曲變形分析及模具改進(jìn)［J］.模具技術(shù)，2020（4）：1-9.

［5］魏翔宇，王釗，倪傳龍，等.基于灰色關(guān)聯(lián)度的車燈裝飾框注塑工藝優(yōu)化［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用， 2020， 32（2）：34-37.

［6］張金標(biāo).注射CAE及Moldflow軟件應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020：152-163.

池寅生（1974—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，講師，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)、模具CAD/CAE。

揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)2018年度校級(jí)科研課題（編號(hào)：2018ZR15）；揚(yáng)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：YZ2018143）

2095－6835（2020）24－0077－03

U463.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.025

〔編輯：張思楠〕