基于Moldflow的保壓優(yōu)化改善塑料制品的翹曲變形

【摘要】通過Moldflow軟件進(jìn)行注塑模擬仿真，分析汽車空調(diào)面板裝飾圈的翹曲變形，在Moldflow軟件中通過優(yōu)化保壓改善塑料制品的變形，再由模流分析軟件的參數(shù)指導(dǎo)零件的實(shí)際注塑生產(chǎn)，達(dá)到首次試模得到變形滿足要求的制品。

【關(guān)鍵詞】模流分析；翹曲變形；保壓優(yōu)化；翹曲原因；注塑成型

中圖分類號(hào)：U463.83+9 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " "文章編號(hào)：1003-8639（2023）

Improvement of Deformation of Plastic Part Base on Packing Optimization of Moldflow

HU Guang-liang，ZHU Li-kai，YAN sheng-yi，LIN ying，WEN ying-lan

（Zhejiang Changjiang Automotive Electronics Co.，Ltd.，Wenzhou 325000，China）

［Abstract］ By injection molding simulating with Moldflow software，we analyzed the warpage deformation of the trim ring of automobile air conditioning panel，optimized the pressure-holding in Moldflow software to improve the deformation of plastic parts，and then guided the actual injection molding production of the parts by the parameters of Moldflow analysis software，to achieve the first test mold to get the products with deformation meeting the requirements.

［Key words］ Moldflow；warpage deformation；pressure-holding optimization；warpage causes；injection molding

作者簡介：胡光良（1986—），男，工程師，高級(jí)技師，Moldflow高級(jí)工程師，主要從事注塑成型工藝及模具技術(shù)研究；朱立凱（1989—），男，碩士，工程師，主要從事高分子材料及注塑成型工藝研究。

收稿日期：2022-03-06

1 "引言

在注塑成型過程中，塑料制品在模具中會(huì)出現(xiàn)不同程度的收縮與變形，而較大的體積收縮差異往往會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生一定的翹曲變形以致不能滿足設(shè)計(jì)要求而失去其原本的使用價(jià)值。塑料制品的翹曲變形一直以來都是注塑成型行業(yè)較難解決的問題，隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，客戶對(duì)塑料制品的尺寸精度和品質(zhì)要求也越來越高，這就間接導(dǎo)致了塑料制品翹曲變形的問題愈加顯眼。為獲得合格的制品，目前多數(shù)模廠針對(duì)塑料制品的翹曲變形問題都是通過反復(fù)不斷地修模和改模來獲取合格的塑膠制品，這無疑增加了模具的制造成本和周期，因此采用科學(xué)合理的方法解決塑料制品的翹曲變形問題顯然已是迫在眉睫[1]。

本文基于Moldflow軟件注塑仿真分析及其科學(xué)理論，以汽車內(nèi)飾塑料零件為例，分析其產(chǎn)生翹曲變形的原因，并針對(duì)導(dǎo)致塑件翹曲變形的關(guān)鍵因素深入剖析，結(jié)合Moldflow保壓優(yōu)化功能和多段保壓工藝策略有效改善零件的翹曲變形問題，使其滿足零件的設(shè)計(jì)和使用要求。

2 "塑料制品的翹曲原因

引起塑膠制品翹曲變形的原因主要包括：收縮不均、冷卻不均、取向效應(yīng)以及角效應(yīng)等[2]。其中收縮不均基本是所有塑膠制品翹曲變形不可避免的問題，由于塑膠制品的壁厚不均，整體的收縮也會(huì)有明顯的不同；即使結(jié)構(gòu)簡單的平板件，也會(huì)因?yàn)樗芰先垠w填充型腔時(shí)的壓力梯度而導(dǎo)致制品收縮的差異[3]。而消除收縮不均首先會(huì)想到更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將制品壁厚盡量設(shè)計(jì)均勻，然而由于塑料制品結(jié)構(gòu)和使用功能的限制，塑料制品很難做到壁厚絕對(duì)的均勻，這時(shí)就需要優(yōu)化注塑成型工藝參數(shù)來改善零件的翹曲變形問題，而決定收縮不均的主要成型參數(shù)除模具溫度外就是保壓優(yōu)化[4]。

聚合物熔體在保壓過程中的流動(dòng)是可壓縮的非牛頓流體在非等溫狀態(tài)下的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程，熔體流動(dòng)行為非常復(fù)雜。在此階段由于冷卻作用明顯，溫度、壓力的變化大，不僅存在熔體密度的變化，還存在著聚合物相態(tài)的轉(zhuǎn)變，由于保壓過程的極其復(fù)雜性，準(zhǔn)確地確定保壓壓力和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)由人工完成是相對(duì)困難的，通常憑借經(jīng)驗(yàn)、直覺和反復(fù)地嘗試來確定，這樣浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力，而且延長了模具的生產(chǎn)周期。

而Moldflow模流分析軟件很好地解決了此方面的難題，它借助于CAE技術(shù)，從流體力學(xué)的基本方程入手，通過合理的假設(shè)和簡化建立保壓過程的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，從而預(yù)測(cè)出聚合物在型腔內(nèi)的流動(dòng)情況及成型后產(chǎn)品的品質(zhì)，把試模過程放在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，從而幫助工藝人員確定科學(xué)合理的保壓壓力和保壓時(shí)間，大大提高了一次試模成功率。

3 "翹曲變形的實(shí)例優(yōu)化

3.1 "零件信息及相關(guān)要求

該制品為某汽車后空調(diào)面板裝飾圈，其形狀如圖1所示，制品整體外形尺寸為55.2mm*341.5mm*8.6mm，主體厚度2.5mm，筋位壁厚1.6mm左右，材料為電鍍級(jí)PC+ABS MC1300，制品設(shè)計(jì)要求實(shí)際翹曲變形在±0.3mm以內(nèi)。

3.2 "網(wǎng)格創(chuàng)建及模型建立

網(wǎng)格是CAE分析的基礎(chǔ)，其品質(zhì)直接決定了分析結(jié)果的準(zhǔn)確與否，目前主流注塑CAE分析軟件為Moldflow，其網(wǎng)格的種類有3種：中性面、雙層面和3D網(wǎng)格[4]，一般中性面和雙層面適用于薄殼的零件。由圖2可知該塑料制品長度和寬度小于局部厚度的4倍，且產(chǎn)品表面大部分為曲面，采用雙層面網(wǎng)格匹配率較低，無法達(dá)到翹曲分析要求的90%以上，綜上因素推薦使用3D網(wǎng)格分析技術(shù)。

將UG中建好的模型以STP格式導(dǎo)入Moldflow中，作FUSION網(wǎng)格單元的劃分，消除可能存在的網(wǎng)格單元缺陷后再轉(zhuǎn)為3D網(wǎng)格，最后進(jìn)行水路和澆注系統(tǒng)的建模，完成后對(duì)制品網(wǎng)格、水路及澆注系統(tǒng)進(jìn)行診斷檢查，確保制品網(wǎng)格品質(zhì)及其建模滿足分析要求，見圖3。

3.3 "初始工藝參數(shù)設(shè)置

該塑件采用SABIC公司生產(chǎn)的PC+ABS MC1300熱塑性材料，成型加工條件為：模具溫度80℃，熔體溫度255℃，頂出溫度125℃，冷卻管道直徑為10mm，冷卻介質(zhì)為水，入口雷諾數(shù)為10000。整個(gè)注塑成型周期為30s，其中注射、保壓及冷卻時(shí)間為25s，用于頂出的時(shí)間為5s，初始保壓參數(shù)為時(shí)間10s，填充壓力80%。材料PVT屬性見圖4，Moldflow軟件默認(rèn)的初始保壓曲線見圖5.

3.4 "塑件優(yōu)化前分析結(jié)果

由圖6可知，零件呈中間下凹兩頭上翹的變形趨勢(shì)，總變形量達(dá)3.318mm，嚴(yán)重超出零件設(shè)計(jì)的變形公差±0.3mm，不能滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致零件翹曲變形的主要原因是收縮不均，由零件截面圖1可以看出，該零件屬于主平面壁厚較厚而筋位相對(duì)較薄的結(jié)構(gòu)，采用默認(rèn)的一段保壓參數(shù)將導(dǎo)致零件的主壁區(qū)域收縮大于筋位區(qū)域。見圖11主壁區(qū)域平均體積收縮率基本在4%以上，而筋位平均體積收縮率基本在2%以下，說明主壁區(qū)域和筋位的收縮差異較大，這種收縮差異將導(dǎo)致零件主壁區(qū)域相較于底部的筋位產(chǎn)生更大的收縮力，最終將產(chǎn)品拉扯成兩端上翹而中間下凹的變形現(xiàn)象。

產(chǎn)品主壁較厚，熱量不易散失，溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的時(shí)間相對(duì)較長，收縮的時(shí)間長，自然收縮量也相對(duì)較大。反之，筋位壁厚較薄，溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的時(shí)間相對(duì)較短，收縮的時(shí)間短，自然收縮量也相對(duì)較小[5]。為了從根本上解決這個(gè)問題，首先采取的方案是將零件的主壁和筋位壁厚盡量設(shè)計(jì)接近，使其擁有相同的固化時(shí)間和相近的收縮率，但由于零件外觀要求及功能結(jié)構(gòu)限制，且存在其它缺陷風(fēng)險(xiǎn)，因此該方案不合理，被排除，初始保壓填充時(shí)間結(jié)果見圖6。

除調(diào)整主壁和筋位壁厚差異外，還可通過保壓優(yōu)化來調(diào)整壁厚不均導(dǎo)致的收縮翹曲問題，這是由于零件在沒有完全凍結(jié)時(shí)，通過保壓可以在膠料充填滿模具型腔后繼續(xù)使熔塑膠進(jìn)入模具型腔來補(bǔ)償零件的收縮[7]。由于零件的壁厚不一致，其完全凍結(jié)時(shí)間也有所不同，由圖10可以看出，零件筋位是在整個(gè)周期的4.36s時(shí)基本上完全凍結(jié)，而主壁區(qū)域則是在8.61s時(shí)基本完全凍結(jié)，也就是說主壁區(qū)域比筋位多出近4.25s的保壓補(bǔ)縮時(shí)間，因此可通過采用先低壓后高壓的多段保壓策略來減小主壁區(qū)域和筋位的收縮差異，進(jìn)而降低零件翹曲變形。

由圖11可知，V/P切換時(shí)間為2.26s，零件筋位凍結(jié)時(shí)間為4.36s，第1段保壓時(shí)間4.36-2.26≈2.1s，由圖10可知，澆口封凍時(shí)間為8.61s，也即保壓結(jié)束的時(shí)間，8.61s-4.36s≈4.25s即為第2段保壓壓力的時(shí)間。

第1段保壓是為了補(bǔ)償筋位的收縮，筋位相對(duì)較薄收縮較小，所以需盡量降低保壓壓力避免筋位過薄，適當(dāng)提高筋位的收縮，減小主壁區(qū)域和筋位的收縮差異，但同時(shí)又不能完全取消，這樣熔體會(huì)因?yàn)槟＞咝颓粔毫Υ笥诒簤毫Χ霈F(xiàn)回流現(xiàn)象，引發(fā)其它注塑問題，因此第1段保壓壓力設(shè)定為10MPa較合理。當(dāng)?shù)?段保壓2.1s結(jié)束時(shí)，筋位已基本凍結(jié)，持續(xù)保壓無法補(bǔ)償筋位的收縮，但零件主壁區(qū)域還有4.25s的時(shí)間才會(huì)完全凍結(jié)，此時(shí)采用較大保壓可以補(bǔ)償主壁區(qū)域收縮，減小主壁區(qū)域和筋位的收縮差異，所以第2段保壓壓力設(shè)定為接近V/P切換時(shí)的壓力45MPa，優(yōu)化后的保壓曲線及參數(shù)見圖12。

3.5 "塑件優(yōu)化后分析結(jié)果

由圖13可以發(fā)現(xiàn)零件經(jīng)過保壓優(yōu)化后整體的平均體積收縮率基本在2%～3%之間，主壁區(qū)域和筋位的平均體積收縮率基本上接近，整體的收縮差異較優(yōu)化前要均勻許多；由圖14可知，優(yōu)化后的零件變形量也減小到0.2841mm，小于公差要求的±0.3mm，滿足零件設(shè)計(jì)及使用要求。

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，將模流軟件默認(rèn)的初始保壓參數(shù)和優(yōu)化后的保壓參數(shù)分別輸入注塑機(jī)進(jìn)行調(diào)試生產(chǎn)，由于模流分析軟件計(jì)算的參數(shù)與實(shí)際工藝有一定偏差，在注塑生產(chǎn)調(diào)試時(shí)，參數(shù)有少許修正。最終得到的零件變形情況如圖15所示，模流軟件默認(rèn)的初始保壓參數(shù)生產(chǎn)的零件實(shí)際翹曲量為3.02mm，而保壓參數(shù)優(yōu)化后的零件實(shí)際翹曲量為0.27mm，滿足零件設(shè)計(jì)及使用要求。

4 "結(jié)論

由Moldflow分析可知，零件變形的主要原因是由于壁厚不均導(dǎo)致的收縮不均，零件主壁的收縮大于筋位收縮，導(dǎo)致零件產(chǎn)生兩端上翹[8]而中間下凹的變形現(xiàn)象。為了平衡零件各區(qū)域收縮使其均勻，利用不同壁厚的冷卻凍結(jié)速度不同的機(jī)理，通過采用先低后高的多段保壓工藝策略，在薄壁的筋位凍結(jié)前使用低保壓，使其收縮大，在筋位凍結(jié)后再使用較高的保壓，使相對(duì)較厚的主壁區(qū)域收縮小，從而減小主壁區(qū)域和筋位因壁厚差異而帶來的收縮差，以此改善零件的變形，對(duì)比結(jié)果可知改善效果較明顯，該方法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中改善非結(jié)晶性塑件的翹曲變形問題有較好的參考價(jià)值和借鑒意義。

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（編輯 "楊凱麟）