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

（揚州市職業大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225009）

翹曲變形是導致車載顯示器后殼塑件質量缺陷的重要原因之一。應用Moldflow軟件對此產品注塑成型過程中引起翹曲變形的潛在原因如冷卻不均、收縮不均等因素進行有限元分析與質量預測，發現了收縮不均是導致翹曲變形的主要原因。結合解決收縮不均的常用策略，對模溫、料溫、注射時間和保壓壓力進行了參數調整。通過分析發現降低模溫、增加料溫、延長注射時間和增加保壓壓力有利于減小翹曲變形量。獲取了相對最佳的注塑成型工藝參數，即模具溫度為40 ℃，熔體溫度為255 ℃，注射時間為1.8 s，保壓壓力為最大注射壓力的99%，可以將此產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

當今，在注塑成型及模具設計工程技術中，基于高分子流變學、傳熱學、有限元數值計算和計算機圖形學等理論的CAE技術已被廣泛應用。其優勢是在模具加工前，計算機CAE技術可對塑料熔體在模具型腔中的填充、保壓、冷卻等成型狀況進行計算分析和動態模擬，進而預測模具結構和注塑成型工藝條件對產品質量的影響，發現潛在的產品缺陷。工程設計人員能夠及時地進行設計更正和成型參數優化，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縮短開發周期和降低生產成本。

車載顯示器后殼屬于典型的汽車內飾塑件，具有較為嚴格的裝配和外觀要求，因此尺寸精度要求較高，需要嚴格控制成型的翹曲變形量。采用傳統的經驗法，工藝人員通過不斷改進試模的工藝參數尋求減少翹曲變形的最佳方案，但該方法對工藝人員的技術要求較高，且效率低下[1]。為此，需要在試模前運用注塑模CAE技術對此塑件的翹曲成型缺陷進行深入研究，實現注塑成型工藝參數的優化，并為注塑工藝和模具結構的合理性提供科學的依據。

譚安平等[2]利用Moldflow模流分析軟件對PC/ABS汽車后視鏡的翹曲變形進行預測，對模具澆口位置、冷卻系統進行了優化，并調整了注塑時的保壓參數；蔡國輝等[3]進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，并對保壓方案進行了優化；張軍枚[4]采用CAE技術分析夾肉機上、下手柄發生翹曲變形的原因，優化了澆注系統的設計方案；魏翔宇等[5]運用信噪比和灰色關聯分析法，對影響車燈裝飾框體積收縮率和翹曲變形量的工藝參數進行優化。本文基于Moldflow軟件對車載顯示器后殼進行注塑成型仿真，從注塑成型工藝角度分析了此塑件產生翹曲的原因，并在此基礎上對工藝參數進行了優化。

1 原設計方案描述

本文研究的車載顯示器后殼是某公司開發的車載娛樂產品，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量，因此設計中將澆口位置放置在偏離中心（﹣30，﹣20）的LOGO貼標處。主流道的小端直徑為3.5 mm，錐度為1.5°，長度為80 mm；同時建立了直徑為8 mm、間距為40 mm的上下兩組冷卻系統。

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過程中，其主要成型缺陷為翹曲變形，表現為塑件成品的形狀偏離了模具型腔或塑件原本的形狀。成型后的塑件發生翹曲變形的原因很多，其內在因素是注塑成型在塑件內部產生的殘余應力釋放。具體而言，模具結構、塑料收縮率以及注塑成型工藝條件均會對塑件的翹曲變形產生影響。因此，分析導致此塑件殘余應力產生的因素顯得極為重要。

為便于分析研究，本文設置了如下的初始工藝參數方案。其中，模具溫度為50 ℃，熔體溫度為230 ℃，注射時間為1.2 s，保壓壓力為最大注射壓力的80%，冷卻時間為20 s。在Moldflow軟件中，完成了澆注系統和冷卻系統的相關設置后實施了初步模擬分析。其分析結果如圖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，此塑件發生翹曲變形的主要原因為取向效應、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

根據長期的注塑生產實踐經驗，塑件出現收縮不均現象的常見原因有[6]：①冷卻系統設計不均勻；②模具成型面打磨、拋光質量不理想；③頂出結構位置設計不當；④前后模溫差較大；⑤冷卻時間太短；⑥模具溫度過高或過低；⑦熔體溫度不合理；⑧注射時間不當；⑨保壓壓力較小。其中，前三項與模具結構有關，經核對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。另外，查詢先前Moldflow的分析結果，在前后模對等位置處查詢其溫差不超過1.5°，凍結層因子在14.48 s時制品已經全部凍結，少于初始設置值20 s的冷卻時間。因此，前述五項不是收縮不均產生的主要原因。本論文研究重點將聚焦第⑥～⑨項，應用Moldflow對不同的注塑成型工藝參數進行多次CAE試驗模擬，以期獲取較佳的工藝參數方案，實現減少收縮不均、克服翹曲變形的質量隱患。

3 改進方案的CAE模擬

3.1 CAE分析方案設計

結合以上分析判斷，本次研究采用4組不同的工藝參數方案對此塑件的翹曲變形量進行CAE模擬分析。考查模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力對翹曲變形的影響，從而尋求最佳的解決方案，改進方案如表1所示。

表1 各改進方案的設計

方案序號模溫/℃料溫/℃注射時間/s保壓壓力，最大注射壓力的百分數/（%）方案簡述 1602301.280%增加模溫 2502551.280%增加料溫 3502301.880%延長注射時間 4502301.299%增大保壓壓力

3.2 CAE模擬結果分析

改進方案注塑模擬結果如圖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，比原方案的變形數值有所增加；由圖3（b）、3（c）、3（d）可知，增加料溫、增加注射時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，比原方案的變形數值有所減小。可見，降低模溫、增加料溫、增加注射時間和增加保壓壓力有利于減小翹曲變形量。

4 優化設計方案

根據上述改進方案的分析結果和四個工藝參數對翹曲變形的影響趨勢，進行了更多的CAE分析和仿真計算試驗，獲得了優化后的注塑工藝參數，如表2所示。經過Moldflow分析和計算，此優化方案的仿真結果詳如圖4所示。結果顯示，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 結論

應用CAE技術對車載顯示器后殼塑件進行了注塑成型模擬與仿真，對引起該塑件翹曲變形的各因素進行了分析，并結合引起收縮不均的常見原因調整了模溫、料溫、注射時間和保壓壓力的參數數值。分析結果揭示了降低模溫、增加料溫、延長注射時間和增加保壓壓力均有利于減小翹曲變形量。通過多次CAE數值仿真試驗，獲得了一組優化后的成型工藝參數方案，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%。為同類塑件產品減少翹曲變形提供了有益的參考。

圖3 改進方案注塑模擬結果

表2 優化后的工藝參數方案

方案序號模溫/℃料溫/℃注射時間/s保壓壓力，最大注射壓力的百分數/（%）冷卻時間/s 5402551.899%20

圖4 優化方案的模擬結果

［1］王博，蔡安江，李正遷，等.玻璃纖維增強尼龍66復合材料無人機槳葉注塑成型翹曲變形優化［J］.塑性工程學報，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，吳夢林，等.基于 Moldflow 的ABS水龍頭注塑模擬分析與優化［J］.塑料，2019，48（4）：105-107.

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

［5］魏翔宇，王釗，倪傳龍，等.基于灰色關聯度的車燈裝飾框注塑工藝優化［J］.現代塑料加工應用， 2020， 32（2）：34-37.

［6］張金標.注射CAE及Moldflow軟件應用［M］.北京：機械工業出版社，2020：152-163.

池寅生（1974—），男，江蘇揚州人，碩士，講師，研究方向為模具設計、模具CAD/CAE。

揚州市職業大學2018年度校級科研課題（編號：2018ZR15）；揚州市科技計劃項目（編號：YZ2018143）

2095－6835（2020）24－0077－03

U463.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.025

〔編輯：張思楠〕