譚安平，劉克威

（成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川省樂(lè)山市 614000）

傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)主要依靠設(shè)計(jì)者與制造者自身的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)來(lái)進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，后期通過(guò)不斷試模、修模來(lái)修正設(shè)計(jì)方案，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程缺乏科學(xué)依據(jù)，模具質(zhì)量的好壞取決于相關(guān)人員的水平與素質(zhì)［1］。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，而且模具的質(zhì)量也難以保證。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，尤其是模具技術(shù)方面，采用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以縮短生產(chǎn)周期［2］。本工作以某款汽車(chē)的后視鏡外殼為例，為預(yù)測(cè)和降低翹曲風(fēng)險(xiǎn)，在模具設(shè)計(jì)及制造前，利用Moldflow模流分析軟件對(duì)其翹曲變形進(jìn)行CAE分析及預(yù)測(cè)。

1 產(chǎn)品三維建模及Moldflow模流分析軟件的前處理

汽車(chē)后視鏡外殼的三維Unigraphics軟件建模（見(jiàn)圖1），尺寸248.06 mm×122.45 mm×86.20 mm，體積為134.52 cm3，平均壁厚2.70 mm。查看制件特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)：制件為深腔制件，外表面比較光滑，內(nèi)部特征比較多，左邊非鏤空的部位需要大面積的抽芯，為復(fù)雜塑料制件。

制件的材質(zhì)采用聚碳酸酯（PC）與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）的混合物，m（PC）∶ m（ABS）為7∶3。PC/ABS共混物結(jié)合了ABS的成型性與PC的沖擊強(qiáng)度、耐高溫和耐紫外光照射等優(yōu)異特性。在Moldflow模流分析軟件的材質(zhì)庫(kù)里選擇廣州金發(fā)科技股份有限公司的牌號(hào)為JH960-6900的PC/ABS共混物。

為了保證模擬的準(zhǔn)確性，先把制件導(dǎo)入到CADdoctor軟件里進(jìn)行三維數(shù)據(jù)修復(fù)，刪除破折面、自由邊、溝槽臺(tái)階、細(xì)小邊倒圓等［3］，然后導(dǎo)入Moldflow模流分析軟件里進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格采用雙層面網(wǎng)格，劃分后三角形數(shù)量為19 942個(gè)，網(wǎng)格匹配率為91.5%，符合模流分析要求。

2 翹曲變形分析及優(yōu)化

翹曲變形的原因，歸根到底是成型過(guò)程中殘余應(yīng)力的釋放。塑料制件的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的因素主要為取向效應(yīng)、冷卻不均、收縮不均。

2.1 優(yōu)化取向效應(yīng)

注塑成型過(guò)程中，大部分聚合物分子平行于流動(dòng)方向排列，較垂直于流動(dòng)方向的分子取向大，產(chǎn)生取向效應(yīng)。取向效應(yīng)會(huì)造成塑料制件不同方向的收縮不勻，發(fā)生翹曲變形。分子或纖維取向主要由流動(dòng)路徑?jīng)Q定，制件一定的情況下，澆口位置對(duì)其影響最大。在注塑模具設(shè)計(jì)中，澆口位置設(shè)計(jì)直接影響制件的成型性能和質(zhì)量［4］。因此，改變澆注系統(tǒng)可以改善分子流動(dòng)的取向效應(yīng)。為此，設(shè)計(jì)幾種澆注方案，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)各種澆注系統(tǒng)的翹曲變形量大小來(lái)確定最佳方案。

對(duì)此塑料制件，在設(shè)計(jì)澆口方案前需注意：1）澆口不能設(shè)置在影響外觀的表面上；2）澆口不能設(shè)置在抽芯的區(qū)域。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及制件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了4種澆口方案，分別是直接澆口（記作方案1）、潛伏式澆口（記作方案2）、多點(diǎn)澆口（記作方案3）、扇形側(cè)澆口（記作方案4），其建模見(jiàn)圖2。

圖2 4種澆口方案的模型Fig.2 Models of four gating schemes

注塑工藝采用系統(tǒng)默認(rèn)冷卻系統(tǒng)及保壓方案，冷卻時(shí)間為20 s，保壓壓力為速度控制轉(zhuǎn)為壓力控制切換點(diǎn)的80%，保壓時(shí)間10 s。注塑成型時(shí)的熔體溫度240.0 ℃，模具溫度60.0 ℃。模擬方式為“填充+保壓+翹曲”，模擬完成后得到4種澆口方案所有因素（取向、冷卻和收縮）的翹曲總變形量見(jiàn)圖3。

記錄所有因素的總變形量及x，y，z方向上的翹曲變形量，整理數(shù)據(jù)后得到不同澆口方案的翹曲變形量大小及對(duì)比。從表1可以看出：方案4的總變形量，以及x，y，z方向上的翹曲變形量均最小。分析原因發(fā)現(xiàn)：后視鏡外殼屬于深腔制件，特征多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極易產(chǎn)生許多與流動(dòng)方向垂直的分子取向，造成不均勻取向而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使制件發(fā)生翹曲變形。若熔體通過(guò)一個(gè)逐漸展開(kāi)的扇形澆口進(jìn)入型腔，熔體在橫向可得到更均勻的分配，取向效應(yīng)大為減少，制件的內(nèi)應(yīng)力降低，變形量減小。

圖3 4種進(jìn)澆方案所有因素的翹曲總變形量Fig.3 Total wrapage deformation of all factors in four gating schemes

表1 4種澆口方案的翹曲變形量及對(duì)比Tab.1 Warpage deformation magnitude and comparison in four gating schemes

2.2 優(yōu)化冷卻不均

模具冷卻系統(tǒng)設(shè)置不合理會(huì)造成不均勻冷卻。不均勻冷卻會(huì)造成凸模和凹模的溫度不一致，從而使塑料制件的上、下表面產(chǎn)生熱應(yīng)力及熱變形，制件變形時(shí)會(huì)向較熱的一側(cè)彎曲。另外，塑料制件不同區(qū)域間的溫差將引起不同區(qū)域間的不均勻收縮。

一般說(shuō)來(lái)，深腔制件的凸模冷卻水路的布置在空間上受到一定限制。而本工作的后視鏡塑料制件，其大面積的抽芯又使空間進(jìn)一步受限。另外，制件內(nèi)部特征較多，斜頂?shù)臄?shù)量相應(yīng)增加，為了使水路避開(kāi)斜頂，凸模的冷卻系統(tǒng)可用空間進(jìn)一步減少，水路布置更加困難。如果水路過(guò)少或布置不合理，凸模的冷卻效果將受到影響，凸模、凹模將冷卻不勻，熱應(yīng)力與熱變形隨之產(chǎn)生。因此，深腔復(fù)雜制件的冷卻系統(tǒng)是否合理，是模流分析的重點(diǎn)。

以方案4為模型，為了得到更小的翹曲變形量，在Moldflow模流分析軟件中建立了合理的冷卻方案（見(jiàn)圖4）。需要注意的是：抽芯的水路應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，不能與凸模水路混在一起。另外，為了對(duì)凸模進(jìn)行充分冷卻，需要在冷卻水路里加入隔水板。從圖4可以看出：凹模2條水路，抽芯1條水路，凸模3條水路。水路采用6 mm直徑的管道，冷卻介質(zhì)為水，進(jìn)水溫度為25.0 ℃，雷諾數(shù)為10 000。冷卻系統(tǒng)建模完成后，仍使用推薦的PC/ABS共混物加工溫度及系統(tǒng)默認(rèn)的保壓參數(shù)，采用“冷卻+填充+保壓+翹曲”的分析序列進(jìn)行模擬分析。分析后得知：6條水路出水溫度最高26.5 ℃，與進(jìn)水溫度最高相差1.5 ℃，溫差較小，冷卻效果比較好，符合要求。

圖4 基于方案4優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)Fig.4 Optimized cooling system based on scheme 4

從圖5看出：翹曲變形量進(jìn)一步減小。優(yōu)化前翹曲變形量為：總變形量1.316 mm，x方向變形量1.152 mm，y方向變形量2.149 mm，z方向變形量1.053 mm；優(yōu)化后翹曲變形量為：總變形量1.228 mm，x方向變形量1.010 mm，y方向變形量1.994 mm，z方向變形量1.004 mm。優(yōu)化后翹曲變形量分別為優(yōu)化前的93.31%，87.67%，92.79%，95.39%；翹曲變形量平均降低約8.0%。因此，冷卻系統(tǒng)優(yōu)化獲得成功。

圖5 采用方案4優(yōu)化冷卻后的翹曲變形量Fig.5 Warpage deformation of scheme 4 after cooling optimization

2.3 優(yōu)化收縮不均

通常，不均勻收縮會(huì)使塑料制件的內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，如果內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了塑料制件的極限強(qiáng)度，塑料制件會(huì)通過(guò)翹曲變形來(lái)釋放內(nèi)應(yīng)力。不均勻收縮的解決方案包括調(diào)整制件壁厚和保壓參數(shù)。此制件壁厚較勻，且一般不改動(dòng)制件參數(shù)，因此，僅嘗試調(diào)整保壓參數(shù)來(lái)進(jìn)一步降低翹曲變形量?；趦?yōu)化冷卻后的方案4，自定義3種保壓方案，見(jiàn)表2。使用推薦的PC/ABS共混物加工溫度，采用“冷卻+填充+保壓+翹曲”的分析序列進(jìn)行模擬分析。

從表3看出：優(yōu)化保壓參數(shù)后，翹曲變形量再一次減小，與“方案4+優(yōu)化冷卻+默認(rèn)保壓”的方案相比，保壓壓力85 MPa，保壓時(shí)間分10，5 s兩段的“方案4+優(yōu)化冷卻+保壓方案3”最優(yōu)，翹曲變形量降幅約10.0%。

值得說(shuō)明的是，表2中的壓力85 MPa已接近由速度控制轉(zhuǎn)為壓力控制切換點(diǎn)（94.7 MPa）的90%，不建議設(shè)置更大的保壓壓力來(lái)獲得更低的翹曲變形量。這是因?yàn)椋?）太大的保壓壓力有可能使制件密度偏大、收縮率減小，導(dǎo)致制件尺寸偏大，不符合制件質(zhì)量要求；2）過(guò)高的保壓壓力會(huì)出現(xiàn)脫模困難、脫模后制件龜裂等問(wèn)題。由于保壓方案3的翹曲變形量已滿(mǎn)足制件質(zhì)量要求，因此，“方案4+優(yōu)化冷卻+保壓方案3”為最終的優(yōu)化方案。采用最終優(yōu)化方案后的翹曲變形量見(jiàn)圖6。

表3 不同保壓方案的翹曲變形量及對(duì)比Tab.3 Warpage deformation magnitude and comparison in different holding parameter settings

圖6 采用最終優(yōu)化方案后的翹曲變形量Fig.6 Warpage deformation of final optimization scheme

3 模具設(shè)計(jì)

最終方案確定后，模具設(shè)計(jì)就可按最終方案設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。模具設(shè)計(jì)制作完成后，調(diào)試人員在試模時(shí)就可參考最終方案的保壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。按照最終方案設(shè)計(jì)的模具三維模型見(jiàn)圖7。

圖7 模具三維模型Fig.7 3D mold models

4 結(jié)論

a）針對(duì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的3個(gè)因素（取向效應(yīng)、冷卻不均、收縮不均）進(jìn)行了理論分析，然后采取相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化或工藝優(yōu)化。

b）為了改善取向效應(yīng)，設(shè)計(jì)了4種澆口方案，采用方案4后制件的翹曲變形量最小。

c）制件為深腔制件，且有大面積抽芯，對(duì)凹模、凸模、抽芯分別做了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，共計(jì)6條水路。另外，凸模的冷卻采用隔板式冷卻系統(tǒng)。優(yōu)化后，采用方案4的制件翹曲變形量進(jìn)一步降低，變形量平均降低8.0%。

d）針對(duì)收縮不均，調(diào)整保壓參數(shù)，保壓方案3使方案4的翹曲變形量再一次降低10.0%。因此，“方案4+優(yōu)化冷卻+保壓方案3”為最終的優(yōu)化方案。

e）借助CAE仿真軟件，可以在設(shè)計(jì)流程中更早地預(yù)測(cè)和降低翹曲風(fēng)險(xiǎn)。