基于變形補(bǔ)償法研究汽車薄壁塑件的翹曲變形研究

張?zhí)飿s

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

翹曲變形一直是汽車薄殼常見的缺陷之一，不同材料和形狀的注塑件的翹曲變形有誤差性，翹曲的出現(xiàn)會影響注塑件的形狀、密度和表面質(zhì)量，會引起不可避免的缺陷，是難以完全消除的問題，后期主要做到優(yōu)化塑料零件的結(jié)構(gòu)、模具形態(tài)，以及成型工藝優(yōu)化，以減少翹曲變形。本文以某汽車薄壁塑件為例，論述合理設(shè)置注塑件的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和工藝參數(shù)。

1 翹曲變形原理及分析

1.1 翹曲變形的介紹

日益激烈的市場競爭對制造業(yè)的精度要求越來越高。對于翹曲變形問題，主要是考慮翹曲變形的模擬精度，研究補(bǔ)償工業(yè)實(shí)踐中它的誤差，調(diào)整過程參數(shù)的范圍來減少誤差，若缺陷較嚴(yán)重，可采用模具補(bǔ)償法或修改產(chǎn)品，以確保精度。模具工藝參數(shù)補(bǔ)償方法對翹曲變形問題具有重要的指導(dǎo)意義。

1.2 造成注塑翹曲變形的因素分析

在注射成型時，產(chǎn)品存在收縮，會導(dǎo)致薄壁塑件的形狀與模具中型腔的形狀不同，原定的尺寸會有誤差，影響產(chǎn)品的使用效果和觀感。對于薄壁塑件而言，翹曲變形是由多種因素引起的，受模具結(jié)構(gòu)、加工精度、強(qiáng)度以及表面粗糙度都會對翹曲變形產(chǎn)生影響。對于力學(xué)、塑件的物理性而言，還要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、表面電阻率、最低成型溫度、最高成型溫度等。

2 導(dǎo)致翹曲變形影響

2.1 殘余熱量對薄壁塑件翹曲變形的影響

在成形過程中，熔體會發(fā)生不均勻收縮，從力學(xué)角度影響并導(dǎo)致翹曲變形。在注塑冷卻階段，在溫度大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，為黏彈性流體，伴隨著應(yīng)力松弛，在溫度小于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，會變成固體。薄壁塑件由液體向固體的轉(zhuǎn)變，其中殘余熱對變形影響很大。

2.2 冷卻階段還有充模對翹曲變形的影響

薄壁塑件在注射壓力下，在冷卻和凝固過程中的兩種狀態(tài)是成型的關(guān)鍵因素。不同的溫度狀態(tài)會影響塑體的收縮程度，塑體之間的溫差會導(dǎo)致不同位置的收縮不均勻，從而影響塑件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。如果壓力和流量增加，會引起凍結(jié)應(yīng)力，引起翹曲變形。

2.3 脫膜階段對翹曲變形的影響

通常型腔流出的塑件脫模力不平衡，脫模強(qiáng)度大，運(yùn)動不平穩(wěn)，容易變形。當(dāng)模具冷卻后，薄壁塑件的應(yīng)力會以變形的形式失去約束，造成翹曲變形。塑料本體的質(zhì)量問題無法得到保證，這對脫模有一定的影響。成型后，必須室溫下使用校正器進(jìn)行維護(hù)，能略微防止變形。

3 變形補(bǔ)償法原理及依據(jù)

3.1 變形補(bǔ)償法原理、理論依據(jù)

為了減少翹曲變形，采用變形補(bǔ)償法對薄壁塑件的翹曲變形進(jìn)行了重新設(shè)計，簡而言之，就是根據(jù)數(shù)值建模得到的產(chǎn)品變形量或?qū)嶋H成型過程中產(chǎn)品的變形量，對產(chǎn)品進(jìn)行一定的預(yù)變形（逆向變形），達(dá)到改變模具工作零件的結(jié)構(gòu)和尺寸目標(biāo)。增加預(yù)變形產(chǎn)品和模具設(shè)計可以補(bǔ)償大部分變形，從而達(dá)到提高產(chǎn)品精度的目的。

注塑件變形預(yù)補(bǔ)償?shù)睦碚撌窃诔叽缈s小區(qū)域提高一個變形量，在尺寸增加區(qū)域減少一個變形量。通常，注塑件每個零件的翹曲變形量不一致，因此有必要反轉(zhuǎn)每個零件的翹曲變形，并將其附著到初始零件上。當(dāng)然，變形的增加或減少，在一般情況下，并不能完全補(bǔ)償翹曲變形，還會有一些偏差。

3.2 影響變形補(bǔ)償法實(shí)施因素

從理論上講，采用變形補(bǔ)償重新設(shè)計薄壁塑件，然后，根據(jù)重新設(shè)計的薄壁塑件塑件設(shè)計注塑模具，可以修正翹曲變形對尺寸精度的影響。但實(shí)際上，數(shù)值模擬軟件中存在一些誤差，尤其是翹曲變形與注射模的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和工藝參數(shù)息息相關(guān)，因此，在變形補(bǔ)償法試驗(yàn)中，應(yīng)考慮影響翹曲變形的不利因素。

4 防止成型收縮率的誤差

4.1 注塑壓力改變收縮率

收縮率會隨注射壓力的變化而變化，要使單腔模具內(nèi)的腔壓盡可能一致，對于多型腔模具，型腔彼此之間的膜腔壓力差別要小，但是，對于單型腔多交口，或者是多型腔多澆口的情況下，就必須以相同的注塑壓力注射，這樣就可以使型腔的壓力一致。要保持腔體壓力的平衡，首先，要保持流量的平衡，澆口處的壓力平衡與水流中的流動阻力有關(guān)。在精密注射模型腔的設(shè)計中，要注意型腔的布置，避免注射壓力改變收縮力。

4.2 熔體溫度和模具溫度對收縮力影響

熔體溫度和模具溫度對成型收縮率影響很大，這會導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)缺陷，必須持續(xù)在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，并確保模具溫度不會隨時間變化，應(yīng)特別注意溫差冷卻時回路的設(shè)計。為了減小每個空腔的溫差，應(yīng)特別注意溫度的變化，主要有串聯(lián)冷卻和并聯(lián)冷卻兩種方法。因?yàn)檫M(jìn)到每個回路的冷卻水溫度一樣，所以每個腔體的溫度將一樣。每個回路的熱量不一樣，每個回路的冷卻能力也不一樣，會造成腔體的溫度不同。冷卻水入口與出口之間的溫差隨熱量有所差異，對于汽車塑料件小型精密注塑模具的成本而言，使用串聯(lián)冷卻回路比較恰當(dāng)。在冷卻回路的設(shè)計中，腔體和芯體的取熱量不一樣，回路結(jié)構(gòu)的熱阻也不一樣。然后，腔體溫度和堆芯入口溫度將出現(xiàn)誤差。用于一般汽車塑料件的小型注射模芯非常小，有著冷卻水系統(tǒng)使用困難問題。

4.3 保持模具的精度

為了使注射壓力和模具精度提高，在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要顧及研磨和拋光型腔零件的實(shí)用性，盡管腔體等加工已經(jīng)達(dá)到高精度需求，但在成型過程中，會出現(xiàn)中心偏移，這樣成型的內(nèi)側(cè)還有外側(cè)尺寸仍舊無法滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的需求，為了讓模具表面型腔的標(biāo)準(zhǔn)尺寸準(zhǔn)確，除了常規(guī)模具中應(yīng)用的導(dǎo)套設(shè)置中心外，還要求使用錐形定位銷等，以確保尺寸的準(zhǔn)確性。注塑模具的材料采用具有良好機(jī)械性能的合金工具鋼，它具有很強(qiáng)的耐腐蝕性、很強(qiáng)的熱壓性和很強(qiáng)的耐磨性。在模具設(shè)計中，對精密注塑模具容易損壞零件，要考慮可修復(fù)的可能性，以保證模具修復(fù)的準(zhǔn)確性。

5 優(yōu)化措施

5.1 構(gòu)建強(qiáng)化建模

由于穩(wěn)健優(yōu)化模型的強(qiáng)化結(jié)果是為變形預(yù)補(bǔ)償提供參照，因此，在建模過程中應(yīng)考慮變形預(yù)補(bǔ)償后的尺寸精確度。

5.2 參數(shù)的優(yōu)化

一般而言，減輕整個注塑過程中最大翹曲變形的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以提升大多數(shù)注塑零件的尺寸精確度。因此，最大翹曲變形指數(shù)仍然是穩(wěn)健強(qiáng)化模型的最終目標(biāo)函數(shù)。由于最大翹曲變形的平均值可以通過注塑件的預(yù)變形來消除，因此，穩(wěn)健優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)不同于以往穩(wěn)健優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。穩(wěn)健強(qiáng)化后是最優(yōu)化的模具參數(shù)及工藝參數(shù)，將最優(yōu)化的參數(shù)代入Moldflow做分析，得到若干個塑料物性參數(shù)取不同值的分析數(shù)據(jù)。然后，可將初始的網(wǎng)格模型及若干個翹曲結(jié)構(gòu)借由Patout輸出，并可應(yīng)用高級編程語言對文件中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、變形數(shù)據(jù)進(jìn)行算出。

6 結(jié)語

隨著各種車型的不斷增多和不斷改進(jìn)，翹曲變形是注塑成型中最常見的缺陷之一，也是最難完全解決的問題，嚴(yán)重的翹曲變形會影響產(chǎn)品的外觀和性能。因此，如何減少薄壁塑件的翹曲變形是塑料生產(chǎn)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。通過變形補(bǔ)償方法，根據(jù)最佳補(bǔ)償方案進(jìn)行開模生產(chǎn)，并與實(shí)際制件的裝配精度要求進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的可行性。實(shí)踐證明，該方法可以提高開模成功率，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。