注塑制品翹曲變形的研究進展

趙 苗，辛 勇

（南昌大學機電工程學院，江西南昌330031）

注塑制品翹曲變形的研究進展

趙 苗，辛 勇＊

（南昌大學機電工程學院，江西南昌330031）

介紹了翹曲變形的分類、產生原因及表征方法，分析了影響翹曲變形的因素，包括成型材料、塑件結構、模具結構和工藝參數等，并介紹了計算機輔助工程技術在注塑制品翹曲變形分析中的應用及解決翹曲變形的方法。

注射成型；翹曲變形；計算機輔助工程

0 前言

翹曲變形是指塑件的形狀偏離了模具型腔的形狀所規定的范圍，是塑件常見的缺陷之一。隨著塑料工業的發展，特別是電子信息產業的發展，人們對塑料制品的外觀品質和使用性能的要求越來越高。由于翹曲變形不僅影響產品裝配和使用性能，而且影響產品外觀品質［1－2］，甚至會造成制品的報廢，翹曲變形程度作為評定產品品質的重要指標之一也越來越多地受到模具設計者的關注與重視［3］。因此，分析研究塑件翹曲變形的形成機理，找出消除或減少翹曲的對策，對提高塑料制品的品質具有重要的意義。本文介紹了翹曲變形的分類和產生原因，分析了影響翹曲變形的因素，并介紹了計算機輔助工程（CAE）技術在注塑制品翹曲變形分析中的應用以及解決翹曲變形的方法，對全面了解翹曲變形缺陷及其研究進展有一定幫助。

1 翹曲的分類

翹曲的主要表觀現象是塑件的形狀在脫模后或者稍后一段時間內產生旋轉或者扭曲現象。典型的表現為塑件平坦部分有起伏，直邊向里或向外彎曲或扭曲。Moldflow軟件中的翹曲分析將翹曲分為2類，一類為穩定翹曲［圖1（a）］，翹曲變形與收縮應變成正比；另一類為非穩定翹曲［圖1（b）］，由于塑件彎曲而產生，在這種情況下，收縮應變表現為平面應變，由于平面應變過大導致塑件失穩而彎曲，一般這種彎曲變形較大［4］。

圖1 翹曲的分類Fig.1 Classification of warpage

2 翹曲變形產生的原因

一般均勻收縮只引起塑料件體積上的變化，只有不均勻收縮才會引起翹曲變形。Moldflow Plastic Insight（MPI）／WARP模塊把翹曲產生的原因歸結為3點：

（1）冷卻不均勻。不均勻冷卻導致制品的溫差很大，使制品在頂出后的二次收縮值相差很大，這種收縮差別導致彎曲力矩的產生而使制品發生翹曲；

（2）收縮不均勻（區域收縮）。指的是不同區域之間的收縮不同而導致制品翹曲，可以用面積收縮（即由于水平和垂直收縮引起的面積變化）來比較區域與區域之間的收縮；

（3）分子取向效應。由于分子平行方向和垂直方向上的收縮不均勻而造成翹曲。

3 翹曲變形的表征

采用注射成型CAE進行設計質量預測時，對翹曲變形模擬結果的評價一般直接用最大翹曲變形量來進行，有時也將總平均翹曲變形量、10%最大翹曲變形節點的平均翹曲量等統計量作為評價翹曲變形的指標［5］。但是，在很多情況下，用最大翹曲變形量或其他統計量表征制品的翹曲變形存在很大的局限性，不能很好地反映產品的變形情況。

翹曲度的概念主要應用于復合木質板材中，但近幾年，隨著注射成型的發展，尤其是對注塑模缺陷研究的深入，翹曲度也開始用于注塑件翹曲變形的表征。李吉泉等［6］針對生產中對塑件翹曲變形的要求，提出以描述指定特征翹曲程度的特征翹曲度來評價塑件的翹曲變形。通過優化特征翹曲度，將數值模擬和優化技術相結合，提出了一種注塑模具澆口位置設計方法。

劉紅迎等［7］以節點變形距離的標準差來表征翹曲變形程度。在默認工藝參數作用下，應用CAE平臺導出翹曲結果，分別用X＿Comp，Y＿Comp和Z＿Comp表示變形后各個節點在X、Y、Z軸3個方向偏離原始位置的距離，用l表示節點的綜合變形量，以節點變形距離的標準差（L）表征翹曲變形程度，如式（1）、（2）所示。通過對模流分析軟件的二次開發實現了制件有限元節點3坐標位移綜合計算，得到制件總體的翹曲程度表征與量化，并以其作為評價指標，運用軟件結合正交實驗設計，獲取了最優工藝參數組合及工藝參數對翹曲的影響規律，實現了注塑件翹曲的優化。

式中 n——變形節點數

li——第i個節點變形距離

l——平均變形距離

4 影響翹曲變形的因素

4.1 成型材料

用結晶材料（如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等）制成的制品比非結晶材料（如聚苯乙烯、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯等）更容易產生縮壁，更容易翹曲［8］。在塑件中添加纖維易導致翹曲變形。Matsuoka［9］采用三維薄壁模型，預測了纖維增強材料制品的翹曲變形。通常，不含充填物的材料在平行于流動方向的收縮大于垂直于流動方向的收縮，而含充填物的材料的收縮情況正好相反。當成型薄殼塑件時，一般選擇流動性較好的塑料，但流動性好的塑料往往剛度不高，這樣即使殘余應力不大，也有可能造成大的翹曲變形。

4.2 塑件結構

一般帶筋板的塑件比平板類塑件更能抵抗翹曲變形。大平面的制品必須增加加強筋，這樣可以防止制品翹曲變形。在注射成型非均勻壁厚的塑件時，如產品有改變厚度的地方，同樣會面臨收縮不均勻的問題［10］，收縮的差異很容易引起塑件產生翹曲變形。對此，可采用厚度過渡的方式改善收縮不同引起的翹曲，也可以使用加強筋等來提高產品硬度和避免塑件收縮不均勻。

4.3 模具結構

澆道、流道、澆口太小或太長都會使得流長、流阻過大，相應的注射壓力也須提高，同時高分子易被拉伸、壓擠，殘余應力大，容易翹曲。澆口位置是減少翹曲的關鍵［11］，應在厚斷面處開澆口，因為在薄的斷面處開澆口會造成較高的內應力而產生翹曲。

冷卻部位溫度控制不均勻會導致翹曲。在設計模具時，應注意溫控系統的設計，合理地調整凸模和凹模、型芯和模壁之間的溫差，防止變形的產生。

頂出脫模時，塑件溫度較高，頂出不直、不勻、不一致，會形成機械應力，制品容易翹曲變形。為避免機械應力，應用時要檢查頂出系統，并作必要的調整，適度潤滑所有運動零件。大模具的頂出板須采用引導套，防止模板中央因自重下垂而改變頂出方向和位置。

4.4 工藝參數

在注射成型過程中模具溫度、熔體溫度、注射速度（注射時間）、注射壓力、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間這些參數都不同程度地影響著制品的品質［12］。

（1）模具溫度設置過低，則塑件的冷卻速率高，導致制品內產生較大的殘余應力，容易產生翹曲變形；

（2）熔體溫度過低，則熔體的流動性較差，在流動過程中受到較大的應力，由于沒有足夠的時間釋放，會產生翹曲；料溫太高時模具的載熱量增大，冷卻系統負荷加重，使得制件出模時并未完全冷卻，因而熱的制件在出模后易受外力和自然冷卻作用而變形［13］；

（3）注射速度越高，型腔內的熔體流動速度越高，殘余應力、表面應力和分子取向差異就越大，從而導致塑件的翹曲變形；另一方面，高的注射速度可減小充填過程中的冷凝層厚度，有利于壓力的傳遞。對于熔體流動前沿面面積不同的部件，恒定的注射速率能夠導致熔體流動前沿面速度差異很大，從而使得分子取向差異大，進而導致翹曲變形［14－16］；

（4）較高的注射壓力和流速會產生高剪切速率，從而引起平行于和垂直于流動方向的分子取向的差異，同時產生“凍結效應”。分子取向上的差異會引起塑件在不同方向上彈性模量和剛度上的差異。“凍結效應”將產生凍結應力，形成塑件的內應力。該內應力在塑件脫模后將會進一步引起翹曲變形［3］；

（5）保壓壓力太低時，塑件會發生短射，澆口附近發生回流，不僅形成流動殘余剪切應力，而且會形成較大的體積收縮率差異而產生較高的殘余拉、壓應力，使制品翹曲變形。增大保壓壓力，以使得補料充足，但是也不能太高，否則會造成溢料和模具損傷，增大塑件的殘余應力導致翹曲；

（6）保壓時間過短時，澆口沒有冷凝而導致熔體回流，或者因為補料不足而產生較大的收縮；

（7）冷卻時間過短時，型腔內熔體沒有達到出模溫度，若被頂出，在沒有約束的狀況下，收縮變形比較厲害，出模后會產生較大的變形。

5 CAE在塑件翹曲變形分析中的應用

由于翹曲與塑料類型、產品、模具設計、成型工藝等有關，而成型過程涉及眾多參數，所以一般情況下僅依靠設計人員的經驗難以準確、快速地解決翹曲問題。在模具設計前進行必要的CAE模擬，預測塑件的翹曲變形，分析主要影響因素并進行優化，從而縮短試模周期，降低開發成本，提高經濟效益。許多學者對CAE技術在注射成型翹曲變形中的應用進行了研究。

康俊遠等［17］用有限元方法研究了溫度場、壓力場對塑件殘余應力及翹曲變形的影響。以空調器風門葉片為例，給出翹曲變形的CAE分析步驟，提出了收縮不均、冷卻不均及分子取向不一致是翹曲變形產生的原因，然后給出了相應的改進措施并在生產實際中取得較好的效果。

于盛睿等［18］針對液晶電視前面框在生產實際中出現的翹曲變形問題，利用CAE數值模擬技術，結合塑件的結構、外觀特點對液晶電視前面框塑件進行翹曲集成分析，分析冷卻溫度、分子取向、收縮率等對翹曲變形的影響，提出了針對性的模具優化方案：將背面除4個角落處的整圈加強筋去除，同時，在塑件的背面外輪廓周邊加一圈厚度為3mm、高度為4mm的筋條。利用優化方案改進的模具進行注塑生產，得到了合格塑件。

黃丹彤等［19］針對洗衣機底板在注射成型中產生的翹曲問題，利用CAE軟件進行計算機數值模擬，結果表明，收縮不均是影響翹曲變形的主要因素。通過二級保壓方式和根據材料的PVT曲線進行等比容保壓來減小翹曲。對比后發現，第二種保壓方式下得到的塑件的翹曲量更小。

6 改善及消除翹曲變形的方法

6.1 常用的優化方法

目前國內外主要采用單因素法［20－21］、綜合有限元分析法、反應曲面法、遺傳算法、神經網絡算法、模擬實驗以定量統計分析法和通過正交試驗等優化方法來研究尋找最優參數。這些研究是以某種算法為理論基礎，通過模擬實驗例證，說明注塑過程工藝參數對翹曲有必然的影響與交聯關系。

董斌斌等［22］介紹了薄壁件注射成型過程中充填、保壓、冷卻和殘余應力的數學模型，并使用集成后的模擬分析程序，以Taguchi正交試驗方法研究了手機外殼的翹曲變形與收縮問題，分析了熔體溫度、模具溫度、保壓時間、保壓壓力、澆口尺寸和注射速率對收縮與翹曲的影響的顯著性。得出影響翹曲變形與收縮最顯著的因素是保壓壓力和熔體溫度，優化模具溫度、熔體溫度、保壓壓力以及保壓時間等工藝參數可以減少殘余熱應力，進而減小制件的翹曲變形。

Ozcelik等［23］對方差分析法、神經網絡法和基因算法在注塑模的翹曲優化處理上做了比較。結合設計經驗和Taguchi正交實驗矩陣及Moldflow軟件確定薄殼件的注塑工藝參數。用基于方差分析方法的有限元分析來確定對翹曲影響最大的工藝參數，用神經網絡和基因算法尋找翹曲的最小值。

Hasan等［24］利用響應曲面法和基因算法對薄殼件的注塑工藝參數進行了優化控制。為了對薄殼件的翹曲變形進行有效控制，他們使用了有限元分析、實驗方法的統計設計、響應曲面法以及基因算法等多種方法，得出了模溫、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間這些工藝參數的最佳組合。

Yen等［25］將有限元法和人工神經網絡相結合，將流道的直徑和長度作為流道系統的主要控制參數，以減小制件的翹曲變形為優化目標。在建模階段，有限元仿真數據用來生成精確的網格模型，用其預測不同控制參數下的翹曲變形量。在優化處理階段，采用模擬退火法，其可以在最優化過程和有限元仿真之間不用進行復雜的迭代就可以高效地找到一組最優化參數。

仇亞莉等［26］將Taguchi穩健設計和CAE模擬技術相結合，應用于注塑工藝參數的優化。以某電器殼體的注射成型為例，以減小制品的翹曲變形為試驗目標，研究模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力及澆口位置等對翹曲變形的影響規律，運用變量分析，確定了工藝參數對翹曲變形的影響度。

陳哲等［27］把CAE與均勻試驗設計方法相結合，對塑件翹曲工藝參數進行試驗設計和優化。結果表明，均勻試驗設計法能使試驗點在試驗范圍內均勻分布，有效減少試驗次數，獲得較好的優化結果。

6.2 新的優化方法

隨著注射成型技術的發展，學者們對翹曲變形的探索越來越深入，出現了不少新的方法，為該領域的進一步研究不斷奠定基礎，同時也為實際生產提供了更好的指導。

針對工程優化設計通常需要完成大規模的數值計算且耗時過長的問題，崔振東等［28］提出了網格環境中一種基于近似函數的注塑翹曲優化網格算法。該算法是一種基于黑箱分析程序的優化設計方法，收斂速度較快，能有效地利用網格中的閑置資源，高效地完成對注塑產品翹曲的優化設計。

針對傳統的基于CAE的注塑產品工藝優化方法精度不高、效率低的缺點，陳巍等［29］提出了基于Kriging代理模型和自適應粒子群優化算法（Adaptive Particle Swarm Optimization，APSO）相結合的注塑產品翹曲優化策略。Kriging模型代替CAE分析作為粒子群算法迭代過程中的適應函數，大大減少了優化算法的計算量；同時，通過在粒子群算法中引入自適應慣性權系數，加快了粒子群算法的收斂速度。算例表明，該優化策略可以在小樣本情況下獲取較高的求解精度，并通過與標準遺傳算法做比較，表明該優化策略同時具有較高的計算效率。

黃風立等［30］針對翹曲量這一成型質量指標，將可拓關聯引入到注射成型的工藝參數優化中，提出了基于可拓關聯的設計變量篩選及基于可拓關聯度評價的工藝參數優化方法。在結合一個帶有凸沿杯子的注射成型實例研究中，利用基于可拓關聯、神經網絡響應面及蟻群算法的方法進行了注射成型工藝參數的優化。優化后的結果利用數值模擬和實際注射成型實驗驗證，結果表明，基于可拓關聯及神經網絡響應面模型的注射成型工藝參數優化方法可靠，并具有較好的實用價值。

目前對于翹曲變形的研究主要集中在對翹曲變形的形成理論研究和對注塑工藝參數的優化控制上。而在實際生產過程中，如果制品出現了嚴重的翹曲變形，僅僅通過調整注塑工藝參數往往不能取得良好的效果。黃強［31］提出了一種有效的解決辦法：變形補償設計。借助Moldflow軟件對塑件的翹曲變形進行模擬分析，并結合實際生產的情況，找出軟件預測的參考翹曲變形量與實際變形量的關系，在此基礎上，確定變形補償量的大小。根據變形補償量對制品進行反變形設計，利用變形補償來抵消翹曲。

蘇文斌等［32］首次把廣泛應用于土木工程、生物醫藥等領域中的多因素敏感性分析方法應用在注射成型工藝參數優化方面。以某監控系統設備外殼成型為例，對影響產品翹曲的工藝參數進行了敏感性分析和優化，利用優化參數指導生產，最終得到了滿足要求的合格產品。

7 結語

翹曲變形影響塑件的外觀、品質、裝配及使用性能，是注射成型中經常遇到且較難解決的問題。雖然很多學者在研究塑件的翹曲變形問題，并取得了不少成績，但該領域仍有進一步研究的必要性和可能性。翹曲的分析研究及優化設計依賴于對注塑過程的模擬仿真。目前注射成型的黏彈性模擬分析的發展尚不成熟，模擬結果和實驗結果還不能達到高度吻合。大力發展三維實體模型技術，將三維實體模型技術推廣到注射成型過程中的各個方面，也是提高模擬準確性的一個重要措施。提高仿真分析的精度，使模擬分析的翹曲變形與實際更加接近，是當前一個亟待解決的重要研究課題。構造合理的優化模型可以比較準確地描述制品的翹曲量并使其最小化，能夠更有效地提高產品的品質，所以研究合理的優化模型是今后該領域應該深入研究的問題。建立可行的注射成型全過程模擬數學模型，綜合考慮注射成型流動、保壓和冷卻過程的相互影響，是提高注射成型模擬準確性和精度的關鍵問題。參考文獻：

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Research Progress in Warpage of Injection Molded Parts

ZHAO Miao，XIN Yong＊

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

The classification of warpage，causes of forming warpage，and the characterizations of warpage were summarized.The factors that affected warpage，including materials，parts structure，mould structure，and processing parameter，were analyzed.The application of computer aided engineering technique in analysis of warpage of injection molded plastic parts was introduced.Besides，the methods for solving warpage were presented.

injection molding；warpage；computer aided engineering

TQ320.66＋2

A

1001－9278（2012）04－0066－06

2011－10－25

江西省自然科學基金資助項目（GZC0022）

＊聯系人，xinyong＿sh＠sina.com

（本文編輯：劉 學）