改善制品變形缺陷的模具調(diào)整方法研究

0 引 言

采用注射工藝成型的制品，受塑料熔體收縮特性影響，成型制品的尺寸與模具型腔對(duì)應(yīng)尺寸產(chǎn)生差異的同時(shí)，制品還會(huì)產(chǎn)生變形缺陷。變形產(chǎn)生的根本原因是收縮不均，當(dāng)制品內(nèi)部由收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)制品的剛度或屈服強(qiáng)度，會(huì)引起制品的翹曲變形。理想狀態(tài)下如果制品能均勻收縮，則制品的尺寸會(huì)均勻減小，但不會(huì)發(fā)生翹曲變形；如果制品的剛度足夠強(qiáng)，在較大的內(nèi)應(yīng)力下不會(huì)產(chǎn)生變形。因此控制制品的變形可以從降低收縮差異和增加制品剛度2 個(gè)方面考慮，這就需要CAE 模流分析工程師在制品前期設(shè)計(jì)階段對(duì)制品的結(jié)構(gòu)、壁厚及材料進(jìn)行定性定量分析，提供可行方案，減小成型制品的收縮，調(diào)整制品的筋位及壁厚分布，改善制品的變形問(wèn)題。在制品設(shè)計(jì)階段優(yōu)化其技術(shù)參數(shù)，防止制品產(chǎn)生變形缺陷，保證制品成型后的變形量控制在允許范圍。

在制品研制過(guò)程中，會(huì)遇到分析結(jié)果與實(shí)際試模結(jié)果不一致的情況，分析顯示制品的變形量較小，可以達(dá)到客戶(hù)要求，而實(shí)際試模樣件的變形量較大，影響制品使用功能或無(wú)法裝配，遇到這種問(wèn)題一般先從收縮不均方面分析，主要因素包括制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)條件、材料等。

制品設(shè)計(jì)方面查看實(shí)際樣件的壁厚和造型是否與分析數(shù)據(jù)一致；模具設(shè)計(jì)方面查看流道和澆口位置是否與分析數(shù)據(jù)一致，冷卻水路是否排布合理；生產(chǎn)條件方面查看試模工藝是否合理；試模材料是否與分析材料一致等。通過(guò)以上分析找出成型制品變形的主要原因，并再次進(jìn)行CAE 模流分析，根據(jù)分析結(jié)果制定改模方案。現(xiàn)以商用空調(diào)接水盤(pán)制品為例，為解決制品翹曲變形缺陷提供可行的指導(dǎo)方法。

1 問(wèn)題描述

制品造型及壁厚分布如圖1 所示，制品大面壁厚為3.0 mm，外形尺寸為1 510 mm×291mm×276 mm，材料為ABS，制品為商用空調(diào)主機(jī)的功能件，變形尺寸要求嚴(yán)格，銷(xiāo)孔處（圖1 所示圓圈處）和軸心處偏差需控制在0.5 mm 以?xún)?nèi)，主裝配邊變形量需控制在2 mm 以?xún)?nèi)。如果變形量超出允許范圍將導(dǎo)致裝配困難，同時(shí)還影響制品的使用性能。

在模具設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用CAE 模流分析軟件進(jìn)行變形分析，如圖2所示，銷(xiāo)孔處變形可控制在0.5 mm以?xún)?nèi)，主裝配邊變形基本在1.5 mm 以?xún)?nèi)，從分析數(shù)據(jù)上看可以滿足客戶(hù)要求。

在空間方面，計(jì)算域也進(jìn)行了相應(yīng)的剖分，網(wǎng)格為正方形，控制在100 m×100 m，從平面上來(lái)看，評(píng)價(jià)區(qū)在東西方向上有著160行的剖分，南北方向上有著160列的剖分，共25 600個(gè)單元格，將2013年8月—2014年7月做為模型驗(yàn)證期。計(jì)算的時(shí)間間隔為30 d，識(shí)別期和驗(yàn)證期分別為12個(gè)時(shí)段。本次數(shù)學(xué)模型采用Visual MODFlow軟件[5，7]進(jìn)行求解。

2 原因分析

對(duì)增加輔助流道后的制品進(jìn)行CAE 模流分析，如圖9 所示，增加輔助流道后制品脫模方向的變形得以改善，脫模方向最大變形量由原8 mm 減小至3.7 mm，改善較大，表明增加輔助流道可有效改善制品的變形，但仍未達(dá)到客戶(hù)要求的變形量范圍，需進(jìn)一步改善。

3 解決方案

制品結(jié)構(gòu)形狀是影響剛度性能的重要因素之一，如果制品結(jié)構(gòu)是平面，剛度性能低，可通過(guò)添加側(cè)壁加強(qiáng)筋、增加壁厚、拱形造型等方案增強(qiáng)制品的剛度。制品剛度越大，它對(duì)內(nèi)應(yīng)力的承受能力也越強(qiáng)，在較大的內(nèi)應(yīng)力下也不會(huì)產(chǎn)生變形。在不影響制品功能的前提下，增加2條加強(qiáng)筋，提高此區(qū)域剛性以達(dá)到減小此區(qū)域變形的目的，加強(qiáng)筋位置如圖6所示。

3.1 增加加強(qiáng)筋以提升制品結(jié)構(gòu)剛度

由于收縮不均是成型制品發(fā)生變形的主要原因，當(dāng)制品內(nèi)部由收縮不均產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)制品的剛度或屈服強(qiáng)度后引起制品翹曲變形，在不改變現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)、盡量減少模具改動(dòng)的前提下，需要從提升制品結(jié)構(gòu)剛度如增加加強(qiáng)筋，或減小制品區(qū)域之間的收縮不均如調(diào)整壁厚等方面考慮，以減小成型制品變形量。

對(duì)增加加強(qiáng)筋后的制品進(jìn)行CAE 模流分析，如圖7 所示，顯示主裝配邊的變形量由8 mm 減小至4.8 mm 左右，稍有改善但未達(dá)到客戶(hù)要求的變形量指標(biāo)，而且成型加強(qiáng)筋工藝復(fù)雜，模具零件需要進(jìn)行電火花加工，改模費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，因此考慮采用減小收縮差異、調(diào)整制品壁厚的方法解決。

3.具有基本讀寫(xiě)能力的成年人。該項(xiàng)培訓(xùn)是國(guó)家教育部負(fù)責(zé)的成人掃盲計(jì)劃。根據(jù)法國(guó)國(guó)家掃盲機(jī)構(gòu)2011年的調(diào)查結(jié)果，法國(guó)有250萬(wàn)年齡在18歲到65歲之間的人口只具備基本的讀寫(xiě)技能，占這個(gè)年齡段人口的7%。1998年，法國(guó)首次將成人掃盲列為國(guó)家優(yōu)先事項(xiàng)。2000年，法國(guó)成立了國(guó)家掃盲機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的主要作用是協(xié)調(diào)和支持來(lái)自政府、公共機(jī)構(gòu)和私人機(jī)構(gòu)的參與者更有效地進(jìn)行掃盲。

3.2 調(diào)整壁厚改善變形

根據(jù)發(fā)生的時(shí)點(diǎn)和確定方法的不同，施工安全管理成本分為實(shí)際安全成本Ca、實(shí)際安全保障水平Sa、計(jì)劃安全成本Cp和計(jì)劃安全保障水平Sp。

（2）制品靠近主裝配邊的面壁厚由3.0 mm 增至3.5 mm，減小與較厚處的壁厚差異以降低收縮差異，達(dá)到改善變形的目的，制品增厚區(qū)域如圖10表示。

通過(guò)排查分析，模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)條件、材料等方面均按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)置，對(duì)比制品設(shè)計(jì)方面，發(fā)現(xiàn)實(shí)際制品造型與分析數(shù)據(jù)局部造型不一致，主裝配邊處壁厚較厚，最厚處可達(dá)5.235 mm，如圖5 所示，通過(guò)確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，制品造型后期更改沒(méi)有重新進(jìn)行CAE 分析。為了確認(rèn)導(dǎo)致制品變形的主要原因，使用更改后的制品數(shù)據(jù)進(jìn)行CAE 模流分析，發(fā)現(xiàn)分析的變形結(jié)果與試模樣件一致，確認(rèn)制品造型更改是導(dǎo)致脫模方向變形加大的主要原因。根據(jù)制品結(jié)構(gòu)要求，此處裝配要求嚴(yán)格，不能更改造型，所以模具的改模只能在現(xiàn)有的造型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，解決變形超差問(wèn)題。

通過(guò)調(diào)整壁厚減小區(qū)域之間的收縮差異有2個(gè)方案：一是增加輔助流道，加強(qiáng)主裝配邊的保壓，使該區(qū)域成型更致密，減小區(qū)域的收縮，進(jìn)而減小與大平面的收縮差異；二是制品靠近主裝配邊附近的大平面壁厚加厚，減小因壁厚差異造成的收縮不均。

（1）待成型制品從澆口處向主裝配邊方向增加輔助流道，傳遞更高的注射壓力給主裝配邊，增強(qiáng)保壓效果。輔助流道形狀如圖8 所示，寬50 mm，深0.5 mm，與大平面壁厚相交處設(shè)計(jì)漸變壁厚過(guò)渡。

但制品的實(shí)際試模結(jié)果與分析結(jié)果出現(xiàn)較大差異，裝配邊的變形量較大，約為8 mm左右，銷(xiāo)孔處軸心偏差導(dǎo)致制品無(wú)法裝配，如圖3、圖4 所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)各種工藝調(diào)整，如保壓壓力、水溫分布等，均無(wú)法將變形量控制在合格范圍內(nèi)，模具需要制定改模方案，重新調(diào)整。

機(jī)器人的位姿估計(jì)是移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。移動(dòng)機(jī)器人的位姿是指移動(dòng)機(jī)器人的位置和姿態(tài)，需要解決移動(dòng)機(jī)器人定位和姿態(tài)獲取問(wèn)題。

對(duì)更改后制品進(jìn)行CAE 分析，如圖11 所示，采用此方案制品脫模方向的變形得到進(jìn)一步改善，主裝配邊脫模方向最大變形量由方案一的3.7 mm 減小至3.0 mm。為了減小變形量，進(jìn)一步擴(kuò)大制品壁厚增厚的區(qū)域，如圖12所示。CAE 模流分析結(jié)果如圖13 所示，制品脫模方向的變形問(wèn)題得到解決，脫模方向最大變形量減小至2.0 mm，銷(xiāo)孔處軸心差值控制在0.5 mm 以?xún)?nèi)，達(dá)到客戶(hù)要求的技術(shù)指標(biāo)，且此方案改模工藝簡(jiǎn)單，改模成本和工期都得到客戶(hù)認(rèn)可，確定為最終改模方案。

財(cái)政體制即政府間財(cái)政關(guān)系，通過(guò)不同層級(jí)之間政府的事權(quán)、財(cái)權(quán)、支出責(zé)任劃分以及配以科學(xué)的轉(zhuǎn)移支付制度，實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)政府之間的權(quán)責(zé)配置，推進(jìn)政府間治理的現(xiàn)代化。中國(guó)在從高度集中的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制邁向現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的過(guò)程中，財(cái)政體制相應(yīng)進(jìn)行了一系列改革，從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期的政府間關(guān)系的調(diào)整，到改革開(kāi)放以來(lái)行政性改革的探索，再到適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制改革要求的分稅制改革，核心問(wèn)題是在探索政府間權(quán)責(zé)劃分的問(wèn)題，總體上是由原來(lái)的部門(mén)“條條”決策為主轉(zhuǎn)向擴(kuò)大地方“塊塊”的自主權(quán)，從行政性分權(quán)到經(jīng)濟(jì)性分權(quán)，從收入端自有財(cái)力的自主決策到支出端自主權(quán)的訴求，逐步完善政府間治理體制機(jī)制。

4 試模驗(yàn)證

按照上述最終改模方案修改后進(jìn)行試模驗(yàn)證，制品主裝配邊的變形量控制在1.8 mm 以?xún)?nèi)，滿足制品裝配要求，銷(xiāo)孔與銷(xiāo)軸偏差控制在0.2 mm 以?xún)?nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)配合的銷(xiāo)軸可以裝配到位，轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，試模樣件如圖14所示。經(jīng)試模驗(yàn)證，模具更改方案解決了制品的變形量超差問(wèn)題，滿足制品裝配的各項(xiàng)技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

模具研制具有個(gè)性化定制的特點(diǎn)，制品結(jié)構(gòu)不同，模具結(jié)構(gòu)也隨之變化，因此模具設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些異常問(wèn)題，需要技術(shù)人員制定合理的方案進(jìn)行解決。針對(duì)改善變形缺陷的模具調(diào)整首先通過(guò)CAE 模流分析進(jìn)行模擬仿真，排查缺陷產(chǎn)生的原因，制定多種解決方案，根據(jù)分析結(jié)果的趨勢(shì)判斷方案的可行性，最終形成模具調(diào)整方案，原則上要求最終方案盡量簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，更改成本較低。

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