飛行器槳葉成型翹曲分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘" 要：為解決飛行器葉槳在注射成型工藝制造時(shí)容易產(chǎn)生翹曲的問題，研究其在Moldflow模流分析中的應(yīng)用方法，應(yīng)用Moldflow模流分析軟件對槳葉進(jìn)行注塑成型仿真分析，研究槳葉翹曲問題在模流分析中如何驗(yàn)證和優(yōu)化，先通過分析澆口位置，再對冷卻不均、收縮不均、取向效應(yīng)導(dǎo)致的幾種翹曲變形進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明模流分析在成型工藝方案制定后會(huì)運(yùn)用模流分析軟件對槳葉熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間及保壓時(shí)間等進(jìn)行模擬分析，獲得槳葉在成型時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)，為后續(xù)的模具制造和生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，減少盲目調(diào)機(jī)，降低不良率，降低成本增強(qiáng)競爭力。

關(guān)鍵詞：飛行器;槳葉注射;翹曲變形;注射成型;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V261" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0100-04

Abstract： In order to solve the problem that aircraft blade is easy to warp in injection molding process， its application method in Moldflow mold flow analysis is studied. The injection molding simulation analysis of blade is carried out by using Moldflow mold flow analysis software， and how to verify and optimize the blade warping problem in mold flow analysis is studied. Through the analysis of gate position， several warping deformations caused by uneven cooling， uneven shrinkage and orientation effect are simulated and analyzed. The results show that after the formulation of the molding process plan， the mold flow analysis software will be used to simulate and analyze the blade melt temperature， mold temperature， injection time， holding time and so on， and obtain the optimal process parameters of the blade during molding. This provides a solid foundation for follow-up mold manufacturing and production by reducing blind adjustment， defect rate and cost while enhancing competitiveness.

Keywords： aircraft; blade injection; warping deformation; injection molding; optimization design

高品質(zhì)的槳葉制造工藝在飛行器的使用過程起著非常重要的作用，對安全飛行和精準(zhǔn)飛行提出了更高的要求。隨著各種飛行器產(chǎn)業(yè)不斷壯大，槳葉的需求量也越來越大，高強(qiáng)度的復(fù)合材料涌現(xiàn)出來，凸顯出槳葉在批量生產(chǎn)中注射成型中的重要性?，F(xiàn)以三葉槳為例介紹其在成型方面的技術(shù)。

1" 槳葉外形分析

該槳葉是一款涵道式飛行器的三葉槳，外形尺寸直徑233.65 mm厚23.5 mm，呈現(xiàn)出中間槳舵厚;3個(gè)槳葉從根部葉尖由厚到薄，中間Φ8.1 mm的孔與固定電機(jī)軸配合，臺(tái)階2.04 mm是電機(jī)固定螺母法蘭的沉臺(tái)，漿葉工程圖如圖1所示。

2" 模流分析前處理

2.1" 模型網(wǎng)格劃分

把槳葉3D模型導(dǎo)入到Moldflow中，用Moldflow中的網(wǎng)格劃分模塊對槳葉進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型選用3D網(wǎng)格，對此類膠位厚度不均勻，形狀規(guī)整的產(chǎn)品，可使用Moldflow有限無格分析雙層網(wǎng)格或3D網(wǎng)格進(jìn)行MPI分析，分析結(jié)果基本一致，但會(huì)在分析運(yùn)算的時(shí)間上有所差異，雙層面的三角面數(shù)量63 668個(gè)，連接節(jié)點(diǎn)31 834個(gè)，3D實(shí)體網(wǎng)格的四面體1 102 174個(gè)，連接節(jié)點(diǎn)201 241個(gè)，網(wǎng)格的劃分與模型的外表形狀基本相同，3D實(shí)體四面體數(shù)量與雙層面三角面的數(shù)量相差較大，3D實(shí)體的分析時(shí)間較長，可根據(jù)電腦配置的實(shí)際情況做出選擇，本次分析采用3D實(shí)體網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)四面體1 102 174單元，已連接節(jié)點(diǎn)201 241個(gè)，連通區(qū)域1個(gè)，網(wǎng)格密度適宜。如圖2所示。

2.2" 材料分析

塑件材質(zhì)選用杜邦PA66牌號(hào)：Zytel PLS90G30D

R BK099是一款30%玻璃纖維增強(qiáng)材料（表1），因槳葉葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)空氣產(chǎn)生較大的反作用力，所以選擇的材料需要能承受較大應(yīng)力，強(qiáng)度和韌性要好，PA66加入玻璃纖維材料后各項(xiàng)性能參數(shù)符合使用需求。

2.3" 澆口位置的確定

通過槳葉的外形可以分析出膠口的位置大致在中間Φ39.14 mm的面上，這樣可以保證進(jìn)膠口到3個(gè)葉尖的走膠距離相等以此來實(shí)現(xiàn)最佳的填充效果，通過Moldflow模流分析可以更好地分析出澆口位置（圖3），方框標(biāo)注位置為最好進(jìn)膠位置，而橢圓標(biāo)注位置為最差，因槳葉中間有電機(jī)安裝孔無法設(shè)計(jì)出更好的澆口。澆口位置的選擇與對應(yīng)的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)置很重要，從圖1中的葉片尺寸可以看出從槳轂到葉尖的厚度分布不均勻，中間槳轂較厚葉尖較薄，由于葉片的形狀特點(diǎn)和材料特性，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該優(yōu)先選用尺寸較大的膠口和短路徑的流道，這樣可以有效減少玻璃纖維增強(qiáng)材料在注射過程中的成型周期和玻璃纖維的損壞程度，從而獲得更好的填充效果。為了保持動(dòng)平衡，3個(gè)葉片的質(zhì)量相同，三葉槳一般采用單點(diǎn)澆口進(jìn)膠或3個(gè)澆口進(jìn)膠如采用3個(gè)澆口進(jìn)膠，3股膠相結(jié)合后在產(chǎn)品表面產(chǎn)生熔接線或熔接痕，因此本產(chǎn)品選用單點(diǎn)澆口進(jìn)膠，如圖4所示由于槳葉中有電機(jī)安裝孔無法設(shè)計(jì)出更好的澆口，為了滿足需求先封閉中間的孔待注塑成型完成后再用CNC的方式加工中心孔，這樣也能更好地保證與電機(jī)安裝的配合精度。

3" 翹曲分析

翹曲變形一般是指注射成型后的塑件制品形狀和結(jié)構(gòu)偏離設(shè)計(jì)尺寸公差規(guī)定的范圍，是一種常見的塑件注射成型缺陷。這也是大型塑件在實(shí)際設(shè)計(jì)和注塑生產(chǎn)過程中遇到最多和最難解決的問題，塑件翹曲變形由多種因素導(dǎo)致，如塑件結(jié)構(gòu)不合理、材料特性、模具結(jié)構(gòu)、成型工藝等。塑件的膠位厚度和結(jié)構(gòu)變化都會(huì)影響翹曲變形，根據(jù)槳葉的結(jié)構(gòu)特性，3個(gè)中片尺寸較長且遠(yuǎn)離中心進(jìn)膠口位置，在模流分析中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)葉片的上下翹曲，該槳葉使用的PA66是一款添加了30%玻璃纖維的增強(qiáng)材料，雖然增加了槳葉的機(jī)械強(qiáng)度，但吸水性較強(qiáng)，因而尺寸穩(wěn)定較差。PA66的收縮率在1%～2%，加入玻璃纖維可以將收縮率降低到0.2%～1%。收縮率在流程方向和與流程方向相垂直的方向上的差異是較大的。加入了玻璃纖維后的PA66流動(dòng)性變差，所以給注射成型工藝增加了一定的難度。

3.1" 變形的因素

導(dǎo)致變形的原因通常是復(fù)雜的，如多種因素相互關(guān)聯(lián)耦合包含收縮不均、冷卻不均、取向、模具結(jié)構(gòu)缺陷、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和成型工藝因素等。如圖5所示方框標(biāo)注位置在5倍的變形量狀態(tài)下分析綜合因素導(dǎo)致的變形為0.926 3 mm，橢圓標(biāo)注位置最小變形量為0.011 3 mm。由于該槳葉尺寸較大變形量滿足要求，該模具結(jié)構(gòu)和注射工藝參數(shù)符合基本要求。

3.2" 冷卻不均導(dǎo)致的變形

冷卻系統(tǒng)對注射成型非常重要，模具冷卻水路設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)品不能快速得到冷卻，塑件在開模頂出時(shí)溫度過高就容易產(chǎn)生曲翹。冷卻系統(tǒng)應(yīng)盡可能地把注射的高溫塑料傳遞給模具的熱能帶走。在本設(shè)計(jì)中冷卻管道采用水平6路，間距為45 mm，直徑為12 mm。冷卻水溫25 ℃冷卻管道與塑件的排列方式呈現(xiàn)X水平，回路流動(dòng)速率為4.234 L/min，入口雷諾數(shù)為10 000，達(dá)到頂出的時(shí)間為141.4 s。如圖6所示方框標(biāo)注位置在5倍變形量冷卻不均，導(dǎo)致葉尖的最大變形量為0.015 mm，橢圓標(biāo)注位置為最小變形量0.000 9 mm?？梢钥闯隼鋮s變形不是影響全局變形的主要因素，證實(shí)該冷卻水路設(shè)計(jì)分布合理。

3.3" 收縮不均導(dǎo)致的形變

均勻的收縮是指產(chǎn)品在成型過程中各外收縮要保持一致，對于翹曲變形分析而言，產(chǎn)品各外收縮不一致就會(huì)引起翹曲變形，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須在不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用要求的前提下使產(chǎn)品的內(nèi)外壁厚度均勻，均勻的膠位厚度可以有效減少收縮，當(dāng)產(chǎn)品壁厚相差超過1.5倍，就會(huì)引起較大的翹曲變形。一般均勻收縮只會(huì)使其按比例縮小，造成不均勻收縮的原因：注射時(shí)制品內(nèi)部各處溫度變形不穩(wěn)定、塑膠材料在注射時(shí)結(jié)晶度高低差異、高溫熔體在高壓下密度和彈性不均等。如圖7所示5倍變形收縮不均的變形為2.044 mm，分析其變形原因主要是分子排序、溫度差異、壁厚差使填充過程中壓力降低等多重因素所致，要達(dá)到收縮均勻非常困難，收縮量較大的位置主要是3個(gè)葉片的外延伸方向，但不會(huì)對槳葉的整體性能產(chǎn)生較大影響，在槳葉收縮中主要關(guān)注Z軸方向的變形量0.237 7 mm，這個(gè)數(shù)據(jù)在預(yù)期之內(nèi)所以不會(huì)對槳葉性能產(chǎn)生較大影響。

3.4" 取向效應(yīng)導(dǎo)致的變形

取向是由注射材料剪切和凍結(jié)的混合效應(yīng)引起的。如圖8所示該類型收縮產(chǎn)生的翹曲與收縮不均產(chǎn)生的翹曲相似。顯示了水平收縮大于垂直收縮，除了材料選擇外還有3種影響取向的主要方法：更改成型條件、更改澆口位置、更改零件厚度。更改成型條件如模具溫度、熔體溫度和注射速度也會(huì)降低取向。這是最方便的解決辦法無需對設(shè)計(jì)做出變更。更改澆口位置或澆口類型、大小等，這樣的變更成本較低，對于具有復(fù)雜和厚度變化的零件可能是一種更簡單的解決方法。進(jìn)行必要的更改再進(jìn)行重新分析，直至取向程度可以接受。

4" 結(jié)束語

因?qū)е侣N曲的因素經(jīng)常是復(fù)雜多樣的，在實(shí)際當(dāng)中要綜合各方面的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如更換注塑材料要選用流動(dòng)性更好的材料、修改模流道和進(jìn)膠系統(tǒng)、優(yōu)化冷卻系統(tǒng)、調(diào)整注射工藝參數(shù)等方法，應(yīng)科學(xué)合理優(yōu)先選用低成本的方法?；贛oldflow軟件對槳葉因冷卻不均、收縮不均、取向因素產(chǎn)生的翹曲變形進(jìn)行分析，對于該槳葉各變形量滿足要求，在實(shí)際的生產(chǎn)中做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，分析結(jié)果驗(yàn)證了模具設(shè)計(jì)的冷卻和澆注系統(tǒng)符合要求，通過仿真分析為實(shí)際生產(chǎn)提供了有利的參考依據(jù)，讓設(shè)計(jì)和制造不再盲目，大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)制造周期，并且對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史勇.Moldflow模流分析實(shí)例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[2] 沈洪雷.Moldflow模流分析與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2022.

[3] 陳葉娣.Moldflow模流分析入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

[4] 李瑞友，張磊.注塑模具模流分析及工藝調(diào)試（中級(jí)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022.

[5] 付宏生.塑料成型工藝與注塑模具[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[6] 黃曉燕.注塑成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

[7] 高軍.注塑成型工藝分析及模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.