王 月

（青島海爾空調(diào)器有限總公司， 山東 青島 266000）

0 引 言

注射成型中，由于不合適的塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成型工藝等因素，會(huì)使成型塑件收縮不均勻，引發(fā)內(nèi)部應(yīng)力不均，使其出現(xiàn)各種可能的變形，導(dǎo)致塑件失效、尺寸誤差與精度不足、裝配困難等問(wèn)題。

Moldex 3D作為行業(yè)內(nèi)的注射方案仿真分析軟件，伴隨著注射行業(yè)不斷發(fā)展也在逐步地迭代優(yōu)化，目前在注射模開(kāi)發(fā)的全流程過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析及問(wèn)題描述

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

塑件為條狀導(dǎo)軌，如圖1所示，結(jié)構(gòu)形狀較為簡(jiǎn)單，整體呈T字形，材料為PP+TD20%。塑件上有2個(gè)螺釘孔，螺釘孔周?chē)贾糜幸欢〝?shù)量的定位筋，用于后續(xù)塑件在使用和裝配過(guò)程中的固定。該塑件的主要功能是過(guò)濾網(wǎng)拆裝時(shí)的導(dǎo)向與過(guò)濾網(wǎng)的固定，塑件最大外形尺寸為188.0 mm×25.2 mm×8.0 mm，各個(gè)區(qū)域料厚如圖2所示，主體料厚為2.5 mm，筋條料厚為1.8 mm。

圖1 條狀導(dǎo)軌

圖2 塑件壁厚

在成型要求方面，塑件在脫模方向變形量不能過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)大的變形量會(huì)誘發(fā)裝配、精度、噪音等問(wèn)題，脫模方向的變形量要求＜1.0 mm。

1.2 問(wèn)題描述

成型塑件的模具為普通流道模具，澆口類(lèi)型為潛伏式牛角澆口，尺寸為1.6 mm×0.8 mm，型腔布局為1模2腔，如圖3所示。經(jīng)過(guò)調(diào)試，在獲得穩(wěn)定的塑件狀態(tài)后也獲得了穩(wěn)定的注射參數(shù)，工藝參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

圖3 型腔布局及澆注系統(tǒng)

表1 注射工藝參數(shù)

完成初次試模后，將塑件在常溫條件下放置48 h，觀察并測(cè)量其Z方向的變形趨勢(shì)及變形量，如圖4所示，塑件兩端呈翹曲變形趨勢(shì)，將其反向放置在水平平臺(tái)上，采用塞規(guī)測(cè)量實(shí)際變形量，約為1.95 mm，超出了要求的變形量，無(wú)法投入使用。為實(shí)現(xiàn)塑件快速投產(chǎn)和節(jié)約生產(chǎn)成本，借助仿真分析方法對(duì)塑件進(jìn)行變形模擬，分析其變形原因、機(jī)理及優(yōu)化方向。

圖4 塑件變形

2 仿真還原與機(jī)理分析及方案探究

2.1 仿真還原

為確保仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及參考價(jià)值，首先需要將塑件按照實(shí)際試模情況通過(guò)Moldex 3D模流仿真分析軟件再現(xiàn)，隨后結(jié)合改善方向予以優(yōu)化設(shè)計(jì)。將導(dǎo)軌與澆注系統(tǒng)共同在軟件中建模，完善模型直至符合軟件的分析要求，隨后按照軟件的操作步驟與要求完成網(wǎng)格、材料、成型條件、計(jì)算參數(shù)等邊界條件的一系列設(shè)定，最后執(zhí)行仿真分析。

在軟件中編輯成型條件時(shí)，工藝參數(shù)按實(shí)際試模進(jìn)行設(shè)定，如表2所示。模擬分析后塑件的變形結(jié)果如圖5所示，脫模方向（Z方向）變形趨勢(shì)與實(shí)際變形趨勢(shì)一致，其Z方向分析變形數(shù)值為1.74 mm，與實(shí)際測(cè)量變形數(shù)值接近，可以判定仿真結(jié)果準(zhǔn)確并有可靠的參考價(jià)值。

表2 工藝參數(shù)設(shè)定

圖5 脫模方向變形

2.2 機(jī)理分析

最終模具內(nèi)成型塑件偏離設(shè)計(jì)形狀的失真現(xiàn)象主要是由于收縮不均勻?qū)е拢芗湛s、變形受到整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)因素的影響，如塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料種類(lèi)、模具類(lèi)型、注射工藝等，各個(gè)階段的因素對(duì)變形均會(huì)有不同程度的影響。

從仿真結(jié)果中查看該塑件從高溫高壓狀態(tài)冷卻至常溫常壓狀態(tài)的體積百分比變化，即最終推出時(shí)的體積收縮率，如圖6所示，塑件上端面體積收縮率較大，筋條位置的體積收縮率較低，上端面平均體積收縮率為3.7%左右，筋條平均體積收縮率為2.8%左右，二者差異大約在0.9%左右。收縮率大的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力，導(dǎo)致塑件朝上端面發(fā)生翹曲變形。

圖6 體積收縮率

從熱量角度分析，塑件完成冷卻時(shí)的切面溫度如圖7所示，上端面溫度較高，筋條溫度較低，溫差大約14 ℃左右。厚的端面區(qū)域相對(duì)于薄的筋條區(qū)域更能保持注射過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，當(dāng)薄的筋條區(qū)域已經(jīng)固化達(dá)到尺寸的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，厚的區(qū)域仍然在進(jìn)行冷卻與收縮的過(guò)程，導(dǎo)致塑件推出后的變形。

圖7 切片溫度

2.3 方案探究

由于成型該塑件的模具已經(jīng)制造完成，模具類(lèi)型及澆注系統(tǒng)已經(jīng)確定，為節(jié)省成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)暫不考慮更改模具結(jié)構(gòu)。此外，由于塑件各類(lèi)試驗(yàn)及其應(yīng)用環(huán)境的限定，其材料也不進(jìn)行更改。結(jié)合上述2點(diǎn)，考慮從塑件結(jié)構(gòu)更改和注射工藝方面進(jìn)行方案優(yōu)化。

首先針對(duì)注射工藝，在不改變已經(jīng)確定的工藝參數(shù)的前提下，優(yōu)化方案從冷卻水路的溫度調(diào)節(jié)予以制定。針對(duì)塑件結(jié)構(gòu)更改，考慮從2個(gè)方向予以制定優(yōu)化方案：①改善塑件不同區(qū)域的體積收縮，盡量保證各個(gè)區(qū)域收縮的均勻性，減小其收縮差；②增加塑件剛度，使其能夠抵抗由于不均勻的收縮而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述分析與探究，再結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)、使用及功能特點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)了5種優(yōu)化方案：①動(dòng)、定模冷卻水路溫度調(diào)整；②增加塑件筋條厚度；③減小塑件上端面厚度；④增加筋條高度；⑤在塑件上端面增加對(duì)稱(chēng)筋條。針對(duì)這5種方案分別建立對(duì)應(yīng)的分析模型，使用Moldex 3D軟件的分析模塊進(jìn)行分析，從脫模方向變形量分析結(jié)果出發(fā)，結(jié)合原方案分析結(jié)果進(jìn)行如下對(duì)比。

3.1 方案1模擬分析

塑件的成型溫度條件如表3所示，冷卻水路建模如圖8所示，結(jié)合模具現(xiàn)有水路設(shè)計(jì)及材料對(duì)模具溫度范圍控制要求，設(shè)置動(dòng)模溫度高于定模溫度，以期改善塑件不同區(qū)域的收縮量。在該方案中動(dòng)模水路設(shè)定為45 ℃，定模水路設(shè)定為25 ℃，結(jié)合體積收縮率、溫度、脫模方向變形等分析結(jié)果查看該方案塑件的具體情況，判斷其優(yōu)化方案的可行性。

表3 成型溫度條件 ℃

圖8 冷卻水路建模

塑件脫模方向（Z方向）變形趨勢(shì)及變形量如圖9所示，與原方案變形趨勢(shì)一致，變形量為1.51 mm（最大變形數(shù)值需要將正值和負(fù)值相加，因?yàn)閮啥寺N中間凹，變形為二者綜合效果），較原方案有一定改善，但未能達(dá)到塑件允許的變形量要求。塑件體積收縮率如圖10所示，上端面的體積收縮率與筋條體積收縮率差異有一定程度的減小，約為0.7%。冷卻完成后塑件不同區(qū)域的溫度切片分布如圖11所示，上端面區(qū)域和筋條區(qū)域的溫度差異仍較大，較原方案無(wú)明顯變化。這說(shuō)明該方案對(duì)收縮均勻性有一定改善，但效果不明顯。

圖9 方案1脫模方向變形

圖10 方案1體積收縮率

圖11 方案1溫度分布

3.2 方案2模擬分析

方案2的建模如圖12所示，將塑件動(dòng)模側(cè)筋條在原方案基礎(chǔ)上加厚0.5 mm，以均衡不同區(qū)域的收縮。同時(shí)查看與該塑件尺寸相關(guān)的裝配位置，確認(rèn)該筋條壁厚修改0.5 mm對(duì)整體裝配無(wú)干涉。與方案1相同，結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果判斷方案效果。

圖12 方案2塑件厚度

塑件脫模方向（Z方向）變形趨勢(shì)及變形量如圖13所示，與原方案變形趨勢(shì)一致，其變形量為0.95 mm，較原方案有明顯改善，而且達(dá)到了塑件允許的變形量要求。塑件體積收縮率如圖14所示，上端面體積收縮率與筋條體積收縮率差異大幅減小，僅為0.3%左右。冷卻完成后塑件不同區(qū)域的溫度切片分布如圖15所示，上端面區(qū)域和筋條區(qū)域?qū)?yīng)位置的溫度差異也有明顯減小，約為5 ℃，說(shuō)明該方案從收縮均勻性方面有效地實(shí)現(xiàn)了控制變形的目標(biāo)。

圖13 方案2脫模方向變形

圖14 方案2體積收縮率

圖15 方案2溫度分布

由于料厚的增加，塑件芯部溫度也有了一定上升，相較原方案約有10 ℃的上升，導(dǎo)致塑件的冷卻時(shí)間增加，但是該部分冷卻時(shí)間可以放在塑件推出以后，塑件冷卻到推出溫度的時(shí)間變化不大，對(duì)周期的影響可以不予考慮。另外，由于動(dòng)模側(cè)成型塑件料厚的增加，可能會(huì)引起收縮痕的增大，通過(guò)圖16所示的分析結(jié)果對(duì)比，二者差異不大，均在可接受范圍內(nèi)。

圖16 收縮痕對(duì)比

3.3 方案3模擬分析

方案3的結(jié)構(gòu)修改及建模如圖17所示，將塑件在定模側(cè)的成型平面減薄0.7 mm，以均衡不同區(qū)域的收縮差異。由于裝配螺釘?shù)谋诿嬗泻穸认拗?，無(wú)法減薄，僅能減薄部分區(qū)域。塑件脫模方向變形趨勢(shì)及變形量如圖18所示，與原始方案變形趨勢(shì)一致，其變形量為1.53 mm，較原方案有所改善，但未能達(dá)到塑件的變形量要求。

圖17 方案3塑件厚度

圖18 方案3脫模方向變形

塑件體積收縮率結(jié)果如圖19所示，上端面料厚減薄區(qū)域的體積收縮率與筋條體積收縮率差異大幅減小，僅為0.4%左右，但是料厚未減薄部分的體積收縮率與筋條區(qū)域的體積收縮率差異仍較大，約為1.0%。

圖19 方案3體積收縮率

冷卻完成后塑件不同區(qū)域的溫度切片分布如圖20所示，料厚減薄的端面區(qū)域和筋條區(qū)域的溫度差異減小明顯，約為1 ℃，但是料厚未減薄區(qū)域的溫度與筋條區(qū)域仍然有14 ℃左右的差異。這說(shuō)明該方案僅使塑件局部收縮改善，受限于結(jié)構(gòu)限制，未能徹底改善整體問(wèn)題。

圖20 方案3溫度分布

3.4 方案4模擬分析

方案4的建模如圖21所示，將塑件在動(dòng)模側(cè)成型的筋條在原方案基礎(chǔ)上加高3.0 mm，以增加其剛性，同時(shí)查看與該尺寸相關(guān)的裝配位置，確認(rèn)對(duì)塑件整體裝配無(wú)干涉。塑件脫模方向變形趨勢(shì)及變形量如圖22所示，與原方案變形趨勢(shì)一致，其變形量為1.68 mm，較原方案有一定改善，但未能達(dá)到塑件允許的變形量要求。

圖21 方案4塑件更改后筋條高度

圖22 方案4脫模方向變形

塑件體積收縮率如圖23所示，由于塑件料厚未發(fā)生變化，上端面的體積收縮率與筋條體積收縮率差異與原方案基本無(wú)變化，約為1.0%。冷卻完成后塑件不同區(qū)域的溫度切片分布如圖24所示，上端面區(qū)域和筋條位置的溫度差異仍然較大，約為14 ℃。從體積收縮率與溫度分布結(jié)果來(lái)看，該方案對(duì)塑件收縮無(wú)改善，只是改善了塑件的剛性。

圖23 方案4體積收縮率

圖24 方案4溫度分布

3.5 方案5模擬分析

方案5的建模如圖25所示，在塑件上端面增加1條筋條，高度與原筋條一致，由于位于定模側(cè)成型，考慮脫模的順暢，設(shè)計(jì)了一定的拔模角，以此來(lái)增加塑件剛性。同時(shí)查看與該處相關(guān)的裝配位置，確認(rèn)在增加對(duì)稱(chēng)的筋條后對(duì)塑件整體裝配無(wú)干涉。

圖25 方案5塑件修改后模型

塑件脫模方向變形趨勢(shì)及變形量如圖26所示，與原方案變形趨勢(shì)一致，其變形量為0.27 mm，較原方案有明顯改善，而且達(dá)到了塑件的變形量要求。塑件體積收縮率如圖27所示，不同區(qū)域收縮率差異無(wú)較大變化，約為0.9%。冷卻完成后塑件不同區(qū)域的溫度切片分布如圖28所示，由于料厚未發(fā)生較大變更，不同區(qū)域溫度差異約為10 ℃。從體積收縮率及溫度分布結(jié)果來(lái)看，該方案對(duì)塑件的收縮無(wú)較大改善，可以判斷其變形量主要靠塑件的剛性保證。

圖26 方案5脫模方向變形

圖27 方案5體積收縮率

圖28 方案5溫度分布

4 方案對(duì)比

根據(jù)以上5種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的分析結(jié)果，再結(jié)合對(duì)應(yīng)方案更改的加工量、成本、工時(shí)等因素進(jìn)行匯總，如表4所示。雖然方案2與方案5的分析結(jié)果均達(dá)到了塑件的預(yù)期變形要求，但是方案5的更改成本高，加工難度也較大，故確定最終更改方案為方案2。

表4 方案匯總對(duì)比

5 試模驗(yàn)證

在完成上述仿真分析的還原、優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證后，按照最終確定的優(yōu)化方案進(jìn)行塑件更改，并試模驗(yàn)證。成型后的塑件在常溫條件下放置48 h，觀察并測(cè)量其Z方向變形，如圖29所示，已看不到縫隙，無(wú)明顯變形。將塑件反向放置在水平平臺(tái)上，采用塞規(guī)測(cè)量其實(shí)際變形量，約為0.50 mm，達(dá)到了塑件使用要求。

圖29 優(yōu)化后的塑件

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)塑件變形，尤其是條狀導(dǎo)軌塑件翹曲變形，改善其不同區(qū)域的收縮與提升剛性，均能夠有效改善翹曲變形缺陷，獲得合格的塑件。在確保塑件與其它零件裝配無(wú)干涉的情況下，為優(yōu)化變形、改善其不同區(qū)域收縮或者提升剛性有較多方法，但是優(yōu)化方案的最終確定不能只考慮改善單項(xiàng)問(wèn)題，還需要結(jié)合其它因素，如成本因素、實(shí)現(xiàn)難易程度、是否誘發(fā)其它問(wèn)題等。

通過(guò)仿真分析，可以節(jié)省試模的成本，針對(duì)該條狀導(dǎo)軌翹曲變形的問(wèn)題，基于Moldex 3D軟件的注射分析模塊，首先還原問(wèn)題，隨后在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證多種不同優(yōu)化方案，得到最優(yōu)的解決方案。