厚壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件注塑成型翹曲變形優(yōu)化

張心言,夏琴香*,劉圻銘,肖剛鋒

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 明門幼童用品有限公司，廣東 東莞 523660)

0 引言

開(kāi)口結(jié)構(gòu)件常作為連接件與承力件，如打印機(jī)驅(qū)動(dòng)連接件、嬰兒車的前輪軸和前輪座、汽車門把手等等[1]，通常整體型結(jié)構(gòu)呈“U”字型。由于產(chǎn)品開(kāi)口位置兩側(cè)結(jié)構(gòu)缺少支撐，在產(chǎn)品注塑成型的正常收縮過(guò)程中，產(chǎn)品U型底部拐角位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的轉(zhuǎn)角翹曲變形，在產(chǎn)品兩側(cè)結(jié)構(gòu)末端將產(chǎn)生較大的位移偏差。吳夢(mèng)月等[2]提出在開(kāi)口結(jié)構(gòu)件的變形部位增加加強(qiáng)筋的方案，利用Moldflow進(jìn)行了分析驗(yàn)證，并進(jìn)行了生產(chǎn)試制，解決了POM打印機(jī)驅(qū)動(dòng)連接件的翹曲變形問(wèn)題；高奇等[3]基于Moldflow軟件對(duì)ABS薄壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件翹曲變形進(jìn)行了正交試驗(yàn)?zāi)M分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)翹曲變形有顯著性影響的因素依次為保壓壓力、模具溫度、熔體溫度、保壓時(shí)間、注射時(shí)間，并得到了優(yōu)化工藝參數(shù)組合。然而，當(dāng)前對(duì)于開(kāi)口結(jié)構(gòu)件翹曲變形的研究大多集中在工藝優(yōu)化上，往往忽視了對(duì)翹曲變形機(jī)理的研究，無(wú)法全面指導(dǎo)類似零件的生產(chǎn)。同時(shí)，相比于薄壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件，厚壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件內(nèi)部熱量傳遞較慢，若注塑參數(shù)設(shè)置不合理，零件在頂出后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)變形，導(dǎo)致其翹曲變形比薄壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件更難控制。

本文以某嬰兒車前輪軸為例，首先對(duì)出模后零件的翹曲變形宏觀數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，得到了翹曲變形趨勢(shì)圖與溫度變化趨勢(shì)圖。然后基于Moldflow軟件構(gòu)建該前輪軸注塑過(guò)程的有限元模型，并利用高壓毛細(xì)管流變儀對(duì)材料的黏度進(jìn)行了測(cè)量。基于有限元模擬結(jié)果，對(duì)引起零件翹曲變形的原因進(jìn)行了分析，最后采用正交試驗(yàn)的方法得到注塑工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律及最優(yōu)參數(shù)組合，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 翹曲變形變化歷程分析

1.1 零件特征

圖1 前輪軸零件簡(jiǎn)圖(單位： mm)

圖2 前輪軸零件壁厚分析圖

1.2 翹曲變形宏觀數(shù)據(jù)觀測(cè)

取15件產(chǎn)品，在產(chǎn)品出模后8 min內(nèi)，每隔30 s對(duì)該零件出模后的開(kāi)口寬度L(圖1)進(jìn)行多次測(cè)量，并取平均數(shù)，然后通過(guò)Matlab對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，獲得L隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。L在出模后的前30 s內(nèi)從49.0 mm快速變寬至51.6 mm，這可能是由于零件在出模前，內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力，在出模后應(yīng)力迅速釋放，導(dǎo)致L迅速增大。在30 s以后，L不斷變小，直到產(chǎn)品冷卻，最終穩(wěn)定在40.8 mm左右，產(chǎn)生了嚴(yán)重的內(nèi)縮翹曲變形。

由于零件拐角位置壁厚較厚，出模后零件拐角內(nèi)側(cè)溫度極高，具體位置如圖1所示，而溫度是影響零件翹曲變形的重要因素之一，故利用接觸式測(cè)溫儀測(cè)量了零件拐角內(nèi)側(cè)出模后8 min內(nèi)的溫度，每隔30 s測(cè)量3次，并通過(guò)Matlab對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，獲得拐角位置溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，如圖4所示，拐角內(nèi)側(cè)溫度會(huì)在出模后的前50 s內(nèi)從89.4℃提升到95.0℃，這說(shuō)明零件拐角內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于其表面溫度，導(dǎo)致表面溫度上升。在50 s以后，拐角內(nèi)側(cè)溫度不斷下降至室溫。

圖3 出模后前輪軸開(kāi)口寬度L隨時(shí)間變化趨勢(shì)擬合圖

圖4 出模后前輪軸拐角內(nèi)側(cè)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)擬合圖

2 有限元模型建立

前輪軸所使用的材料為聚甲醛POM(Delrin 100P NC010)，其材料參數(shù)從Moldflow材料庫(kù)獲得，其中Cross-WLF黏度模型系數(shù)如表1所示，其材料壓力-體積-溫度(PVT)曲線如圖5所示。該材料在壓力為0時(shí)的熔點(diǎn)為180℃，熱變形溫度在160℃左右，且整體收縮率為2.438%。同時(shí)，該材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)在0.22～0.29 W·m-1·K-1之間，遠(yuǎn)小于正常鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)，而較低熱傳導(dǎo)系數(shù)不利于熱量的快速擴(kuò)散?？梢灶A(yù)見(jiàn)，采用該材料制備的零件極易因內(nèi)外層冷卻速度不均勻，而形成內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形。

表1 Delrin 100P NC010材料黏度模型系數(shù)

圖5 Delrin 100P NC010材料PVT曲線

前輪軸在注塑過(guò)程中采用一點(diǎn)側(cè)進(jìn)膠，其模具的成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。由于產(chǎn)品壁厚較大，采用雙層面網(wǎng)格轉(zhuǎn)3D網(wǎng)格進(jìn)行模擬[4]，其中雙層面網(wǎng)格共有32 168個(gè)三角形單元，最大與最小縱橫比為6.00和1.16，平均縱橫比為1.71，網(wǎng)格匹配率為85.7%。在轉(zhuǎn)3D網(wǎng)格后，共有358 231個(gè)四面體，最大與最小縱橫比為30.00和1.06，平均縱橫比為3.81。具體澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)如圖7所示，實(shí)際生產(chǎn)的注塑參數(shù)如表2所示，注塑機(jī)日鋼JSW-220參數(shù)如表3所示。

以實(shí)際生產(chǎn)的注塑參數(shù)與注塑機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)MoldFlow模流分析得到前輪座L值為47.4 mm，模擬結(jié)果如圖8(a)所示，而實(shí)際前輪軸L值為40.8 mm，模擬翹曲變形結(jié)果與實(shí)際翹曲變形誤差為16.15%。檢查模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬最大注塑壓力為69.8 MPa，如圖8(b)所示，而實(shí)際最大注塑壓力為123.5 MPa，模擬最大注塑壓力為實(shí)際最大注塑壓力的56.5%，進(jìn)而影響了翹曲變形的模擬結(jié)果。

圖6 模具的成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖7 前輪軸澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)圖

表2 實(shí)際生產(chǎn)注塑參數(shù)

表3 JSW-220型注塑機(jī)具體參數(shù)表

(a) 翹曲變形圖

(b) 注塑壓力曲線

在模流分析中，模擬注塑壓力大小主要由Cross-WLF黏度系數(shù)[5-7]決定。因此，采用高壓毛細(xì)管流變儀Rheologic5000(產(chǎn)自意大利Ceast公司)對(duì)Delrin 100P NC010材料進(jìn)行黏度檢測(cè)，獲得材料在190， 200， 210， 220℃的剪切速率-黏度數(shù)據(jù)，再通過(guò)Moldflow Data Fitting軟件進(jìn)行擬合，得到Cross-WLF黏度曲線，如圖9所示；并計(jì)算得到Cross-WLF黏度模型系數(shù)，如圖10所示。

以實(shí)測(cè)黏度模型系數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬，模擬最大注塑壓力變?yōu)?08.4 MPa，模擬最大注塑壓力為實(shí)際最大注塑壓力的87.8%；模擬前輪軸L

圖9 實(shí)測(cè)Cross-WLF黏度曲線圖

圖10 實(shí)測(cè)黏度模型系數(shù)圖

值為43.4 mm，模擬翹曲變形結(jié)果與實(shí)際翹曲變形誤差為7.6%，故認(rèn)為該模型結(jié)果可靠，模擬結(jié)果如圖11所示。

(a) 翹曲變形圖

(b) 注塑壓力曲線

3 翹曲變形原因分析

翹曲變形是由零件不同部位的不均勻收縮造成，其中，不均勻收縮主要包括冷卻不均收縮、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分布不均收縮，以及纖維取向不均收縮。不同部位的不均勻收縮產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)翹曲變形，而控制塑料件收縮情況的是聚合物注塑過(guò)程中每個(gè)點(diǎn)的壓力狀態(tài)和溫度狀態(tài)。故以下會(huì)根據(jù)零件的壓力狀態(tài)與溫度狀態(tài)兩個(gè)方面來(lái)對(duì)產(chǎn)品的翹曲變形原因進(jìn)行分析。

3.1 壓力狀態(tài)分析

注塑成型過(guò)程主要包括填充、保壓、冷卻3個(gè)階段，在填充過(guò)程中，隨著模具型腔逐漸被填滿，注塑壓力會(huì)不斷增大，最終達(dá)到最大值，并進(jìn)行保壓切換。保壓切換點(diǎn)又稱為速度/壓力切換點(diǎn)，本文首先取該時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行壓力分析，如圖12所示。模擬結(jié)果表明： 注射點(diǎn)位置(1號(hào))壓力為108.4 MPa，進(jìn)膠口位置(2號(hào))壓力為28.4 MPa，降低了73.79個(gè)百分點(diǎn)，這表明由于該材料黏度較高，同時(shí)壁厚較厚，導(dǎo)致注塑過(guò)程中流道壓力損失較大，產(chǎn)品內(nèi)部壓力較小。此外，零件中心位置(3號(hào))、零件水平終點(diǎn)位置(4號(hào))與注塑終點(diǎn)位置(5號(hào))的壓力分別為16.22， 15.01， 11.86 MPa，三者壓力大小十分接近，都較小。

圖12 速度/壓力切換壓力圖

為了進(jìn)一步分析整個(gè)注塑成型過(guò)程中的壓力狀態(tài)，從Moldflow中導(dǎo)出了1～5號(hào)位置在注塑成型過(guò)程中所受的壓力，并繪制了壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖13所示。其中零件內(nèi)部壓力(2～5號(hào))均在30 MPa以下，壓力分布均勻，因此可以得出零件內(nèi)部由注塑壓力引起的殘余應(yīng)力較小，即零件的壓力狀態(tài)對(duì)翹曲變形影響較小。

圖13 節(jié)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化圖

3.2 溫度狀態(tài)分析

零件在出模后的8 min內(nèi)持續(xù)變形，且表面溫度較高，這說(shuō)明零件尚未完全冷卻定型，因此這里主要分析零件冷卻結(jié)束時(shí)的溫度狀態(tài)。冷卻結(jié)束時(shí)零件拐角位置溫度模擬結(jié)果剖面圖如圖14(a)所示。模擬結(jié)果表明： 前輪軸出模后拐角位置表面溫度為94.09℃，而通過(guò)接觸式測(cè)溫儀測(cè)得該位置出模溫度為89.4℃，實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果的誤差為7.9%，驗(yàn)證了模型的可靠性。由于拐角以下位置的壁厚為5 mm，相對(duì)較小，中心溫度在160℃左右，而材料的熱變形溫度在160℃，因此拐角以下的位置翹曲變形較小。而零件拐角位置壁厚為8.55 mm，是零件最厚的位置，導(dǎo)致前輪軸在出模后，拐角位置中心溫度依然在194.4℃左右，如圖14(b)所示，而材料的熔點(diǎn)為180℃，故在拐角位置中心處，膠料依然處于熔融狀態(tài)，出模后會(huì)產(chǎn)生較大的收縮，導(dǎo)致零件出模后翹曲變形。因此，零件的溫度狀態(tài)對(duì)翹曲變形影響較大。

(b) 前輪軸溫度結(jié)果局部放大圖

3.3 翹曲變形機(jī)理分析

結(jié)合零件翹曲變形宏觀數(shù)據(jù)以及零件壓力狀態(tài)與溫度狀態(tài)分析，可以得出以下推論：

在實(shí)際注塑過(guò)程中，由于零件外側(cè)的兩個(gè)滑塊模溫均為65℃，零件內(nèi)側(cè)前后模模溫為28℃，如圖15所示，而模具溫度會(huì)直接影響零件在模具型腔內(nèi)的冷卻速度，因此零件內(nèi)側(cè)冷卻速度高于外側(cè)，進(jìn)而內(nèi)側(cè)的材料結(jié)晶率低于外側(cè)，前輪軸外側(cè)收縮量高于內(nèi)側(cè)，形成內(nèi)應(yīng)力，使零件L增大，其原理如圖16所示。但在頂出前，模具對(duì)產(chǎn)品有定型作用，故零件的內(nèi)應(yīng)力會(huì)以殘余應(yīng)力(使L增大)的方式存在于零件內(nèi)部。因此零件在頂出后的前30 s內(nèi)，隨著產(chǎn)品內(nèi)的殘余應(yīng)力快速釋放，L快速增大至51.6 mm。在零件內(nèi)的殘余應(yīng)力釋放完畢后，由于角效應(yīng)[8]，導(dǎo)致出模后的產(chǎn)品拐角外側(cè)冷卻速率高于拐角內(nèi)側(cè)，進(jìn)而使前輪軸內(nèi)側(cè)的結(jié)晶度較高、收縮較大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使L不斷下降。隨著溫度的不斷下降，產(chǎn)品的結(jié)晶速度也不斷下降，最終L穩(wěn)定在40.8 mm左右。

圖15 前輪軸零件受熱簡(jiǎn)圖

圖16 翹曲變形原理圖

綜上所述，造成零件出模后翹曲變形的是零件拐角內(nèi)外側(cè)的溫度差，溫度高的一側(cè)收縮大，溫度低的一側(cè)收縮小。由于零件各個(gè)點(diǎn)是連續(xù)的，零件為了平衡各點(diǎn)應(yīng)力，兩側(cè)收縮量的不同會(huì)在零件內(nèi)部各個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)變，從宏觀上表現(xiàn)為翹曲變形。因此可以推出結(jié)論： 零件外側(cè)溫度越高，內(nèi)側(cè)溫度越低，其翹曲變形量越低。

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證翹曲變形機(jī)理的正確性，設(shè)計(jì)了五因素五水平的正交試驗(yàn)，該試驗(yàn)以圖1中的L值來(lái)表征零件翹曲變形的程度，其值越小，翹曲變形程度越小，產(chǎn)品質(zhì)量越好。根據(jù)Moldflow系統(tǒng)推薦的工藝參數(shù)范圍并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選取A定模模溫、B動(dòng)模模溫、C兩側(cè)滑塊模溫、D注射時(shí)間、E保壓壓力這5個(gè)因素作為研究過(guò)程參數(shù)，并將每個(gè)工藝參數(shù)賦以5個(gè)水平等級(jí)。表4為正交試驗(yàn)的因素水平排列表，其中，A定模模溫、B動(dòng)模模溫、C兩側(cè)滑塊模溫主要影響產(chǎn)品注塑過(guò)程中的溫度狀態(tài)，模溫越高，產(chǎn)品在注塑過(guò)程中冷卻的速度越慢。D注射時(shí)間、E保壓壓力主要影響產(chǎn)品注塑過(guò)程中的壓力狀態(tài)，D越長(zhǎng)、E越小，產(chǎn)品在注射過(guò)程中所受壓力越小。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

選用正交表L25(55)，正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表5中的第一組試驗(yàn)A1B1C1D1E1，表示在定模模溫30℃、動(dòng)模模溫30℃、兩側(cè)滑塊模溫40℃、注射時(shí)間6.8 s、保壓壓力為注塑機(jī)最大注塑壓力的25%的條件下進(jìn)行注塑的。

對(duì)25組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，以直觀地看出試驗(yàn)因素A～E對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。計(jì)算所得的極差結(jié)果如表6所示，其中R值代表著因素水平對(duì)翹曲變形量的影響程度，數(shù)值越大代表影響程度越大[9-10]。根據(jù)極差繪制各影響因素下的翹曲變形量均值曲線，如圖17所示。由表6可知；對(duì)翹曲變形量的影響程度從大到小依次： B動(dòng)模模溫>C兩側(cè)滑塊模溫>A定模模溫>E保壓壓力>D注射時(shí)間。排在前三位的影響因子均與溫度狀態(tài)有關(guān)，故零件的溫度狀態(tài)對(duì)翹曲變形的影響更大，與分析結(jié)論一致。

表6 翹曲變形極差分析

(a) 定模模溫

(b) 動(dòng)模模溫

(c) 兩側(cè)滑塊模溫

(d) 注射時(shí)間

(e) 保壓壓力

由圖17可知： 前模模溫與滑塊兩側(cè)模溫越高、后模模溫越低，則翹曲變形量越低，而注射時(shí)間與保壓壓力對(duì)零件翹曲變形影響不大，與分析結(jié)論一致。根據(jù)圖17，得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A5B1C5D3E3，即定模模溫70℃、動(dòng)模模溫30℃、兩側(cè)滑塊模溫80℃、注射時(shí)間8.8 s、保壓壓力為注塑機(jī)最大注塑壓力的40%。對(duì)比表5，該組參數(shù)不在其中，不能直接獲得該組的影響數(shù)值。將該組參數(shù)重新輸入至模流分析軟件中，所得結(jié)果如圖18所示，翹曲變形量為-0.17 mm，該數(shù)值小于表5中的最小值，說(shuō)明了極差分析的科學(xué)性，也佐證了正交試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

A5B1C5D3E3組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證成型后產(chǎn)品如圖19所示，通過(guò)測(cè)量30組產(chǎn)品，測(cè)得L平均值為50.3 mm，符合零件尺寸設(shè)計(jì)精度要求。

圖18 最優(yōu)工藝參數(shù)組合模擬翹曲變形結(jié)果

圖19 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果圖

5 結(jié)論

(1) 運(yùn)用高壓毛細(xì)管流變儀Rheologic5000對(duì)Delrin 100P NC010材料進(jìn)行黏度檢測(cè)，并通過(guò)Moldflow Data Fitting擬合出該材料的Cross-WLF黏度模型系數(shù)：n=0.274，Tau*=234 515 Pa，D1=1.44×1015Pa·s,D2=233.15 K，D3=4.5×10-7K·Pa-1，A1=32.09，A2=51.6 K。

(2) 造成厚壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件出模后翹曲變形的主要因素是滑塊和后模芯溫度差以及前模芯與后模芯的模溫差，模溫差使零件內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生收縮差，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變，宏觀上表現(xiàn)為翹曲變形。

(3) 以定模模溫、動(dòng)模模溫、兩側(cè)滑塊模溫、注射時(shí)間、保壓壓力為因素，構(gòu)建了五因素五水平正交試驗(yàn)表，并通過(guò)極差分析法發(fā)現(xiàn)，對(duì)厚壁開(kāi)口結(jié)構(gòu)件翹曲變形有影響的因素，影響力由高到低為動(dòng)模模溫、兩側(cè)滑塊模溫、定模模溫、保壓壓力、注射時(shí)間。

(4) 對(duì)某前輪軸件進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)極差分析結(jié)果獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)組合與最小翹曲變形量的前輪軸。