伸縮套管殼注塑成型的缺陷分析

□ 金志偉 □ 周小林 □ 李繼承 □ 張 浩 □ 王 驥

1.寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

2.寧波富佳實業有限公司 浙江余姚 315400

注塑成型工藝可以生產結構復雜、尺寸精度要求高和材料相對單一的塑料制品，產品廣泛應用于汽車工業、醫療衛生、航空航天及日常生活等領域。隨著注塑成型產品的不斷推廣應用，注塑件的翹曲、收縮、熔接痕等缺陷問題廣受關注。借助于有限元方法，工程技術人員分別對這些缺陷進行了分析并從工藝參數方面進行優化。王桂龍等［1］以電視機面板為研究對象，把注塑過程中的熔體溫度和模具溫度等6個參數作為翹曲的影響因素，對各工藝組合進行了有限元仿真試驗。吳真繁等［2］對某一薄壁零件從熔體溫度、保壓壓力等4個參數著手對翹曲進行了優化。徐剛、王麗霞等［3，4］采用有限元方法研究了注射時間和保壓壓力等工藝參數對不同注塑制品體積收縮率變化的影響，并用正交試驗方法找到一組工藝參數，使制品的體積收縮率變化最小。鐘皓東等［5］采用有限元軟件并結合遺傳算法獲得了對應于熔接痕長度與位置最佳的注塑時間、模具溫度、熔體溫度和澆口位置4個參數的組合。

有限元分析對解決工程中的復雜問題很有幫助，但作為一種數值求解方法，許多因素都會對計算結果造成影響。在具體的計算過程中，結構模型前處理中的網格劃分就對分析精度有很大影響。如果網格質量不佳或密度不夠，都會使數值結果不精確，失去實用價值。在這方面，虞俊波等［6］通過細化構件的有限元網格和對比網格質量，檢驗了有限元分析結果的收斂性，并在最大翹曲的估計上取得了與實驗結果一致的良好結果。

本文是筆者在翹曲分析方面研究工作的深入和延伸，研究對象來自于寧波富佳實業有限公司最新設計的產品，是一個應用在吸塵器上的伸縮套管殼，其關鍵質量指標是伸縮配合部分的翹曲變形量，它對產品的質量和性能有重要影響。在對其注塑缺陷進行分析預測前，需要以翹曲值為目標，對比不同網格密度和網格質量下的結果，檢驗有限元分析的精度。然后在工藝參數范圍內進行數值試驗分析，加上優化技術，找到一組工藝參數，使翹曲值最小，同時對熔接痕、收縮和氣穴缺陷進行預測，最后綜合這些結果，提供注塑過程的改進方案，整個分析過程是基于注塑分析軟件Moldflow來完成的。

1 注塑件模型和網格劃分

伸縮套管殼的三維模型如圖1所示，零件尺寸大約為 500 mm×100 mm×50 mm，壁厚約為 3.5 mm，材料為ABS 750，主要材料屬性見表1，塑件的三維模型在Pro/E中建立。

▲圖1 套管殼三維模型

表1 ABS 750的主要材料屬性

對零件的幾何模型進行網格劃分有三種方法：中性面、雙層面和3D網格［7］。中性面網格需要采集模型的壁厚信息，忽略熔體在厚度方向的速度分量和壓力梯度，計算量相對較小，但結果誤差通常較大；雙層面網格在模型的表面生成二維網格，并要求保證頂面和底面網格的單元相互匹配；3D網格通過四面體單元填充模型，對中性面或雙層面網格中的假設結果以額外的計算來獲得。相對而言，3D網格更適合形狀復雜的塊狀模型，中性面和雙層面網格更適合薄壁殼狀零件［8-9］。綜合上述分析，在綜合計算資源耗費和計算精度的情況下，本文計算采用雙層面網格劃分幾何模型，網格劃分如圖2所示。

▲圖2 套管殼的網格劃分

雙層面網格中的每個單層由三節點的二維三角形單元組成，網格劃分后的單元總數為40 080，節點總數為20 026。在利用Moldflow的網格劃分過程中，網格質量的一個重要評判指標是網格縱橫比［10］，一般縱橫比越小，網格質量越高。而Moldflow中的雙層面網格劃分還有一個對網格匹配率的要求。本例中，雙層面網格的匹配率為93.4%，縱橫比低于3，匹配率和縱橫比均符合Moldflow使用手冊對分析模擬的推薦要求。

2 工藝窗口分析

產品的生產使用海天塑機公司的SA3200/1700u注塑機，公稱注射量為929 cm3，注射壓力182 MPa，螺桿轉速0～220 r/min，鎖模力3 200 kN。在后續分析前，先結合此設備的主要技術參數進行工藝窗口的分析，分析結果顯示了對于注塑模具設計約束下的特定材料的模具溫度、熔體溫度和注射時間的推薦值。工藝窗口分析范圍的模具溫度為30～60℃，熔體溫度為205～245℃，注射時間0.35～8.64 s，結果如圖3所示。

由圖3可以看到，首選區域范圍并不小，只要選擇的參數落在該范圍內，應該可以得到較為良好的成型質量。根據Moldflow的推薦結果，選取模具溫度44.4℃，熔體溫度240.8℃，注射時間1.365 s。由此計算得到了成型質量曲線，如圖4所示。成型質量是Moldflow將最低流動前沿溫度、注射壓力、最長冷卻時間、最大剪切速率和最大剪切應力等結果綜合后的一個塑件質量評價指標，該指標隨著注射壓力、最長冷卻時間、最大剪切速率和最大剪切應力的減小而增大，隨著最低流動前沿溫度的升高而增大。

▲圖3 模具溫度為40℃時的熔體溫度與注射時間

▲圖4 Moldflow推薦參數下的成型質量曲線

3 以翹曲值為目標的網格精度驗證

網格密度隨著全局網格邊長減小而增大，計算精度也將得到改善，但是相應的計算量耗時會更長［11］。為了驗證分析結果的收斂性，對模型分別劃分為網格全局邊長 10 mm、8 mm、5 mm、4 mm、3.5 mm、3 mm 和2.5 mm的有限元模型，然后以成型缺陷分析中的翹曲值來考察在其它參數不變情況下的結果變化 （如圖5所示）。計算結果表明，在不同的網格邊長下，翹曲變形分布位置是一致的。在翹曲變形較小的位置，不同的網格邊長下的結果相差很小，基本一致。在翹曲值最大區域、網格邊長大于4 mm的分析中，最大翹曲值的偏差較大，并隨著網格的增大而減小。網格邊長小于3.5 mm，翹曲最大值的偏差為0.002 5 mm；誤差遠不到1%，可認為已經收斂。由此可知，翹曲的計算結果隨著網格的加密而趨于平穩，最后計算結果收斂。網格密度影響計算時間，10 mm網格邊長下的分析耗時34 min，4 mm網格耗時 79 min，2.5 mm網格耗時 253 min。注意到網格邊長3 mm以下的計算，耗時大大增加，而且對計算的結果影響極小，繼續細化已無實際意義，為在后來的分析過程中兼顧精度和計算資源，采用3.5 mm網格。

▲圖5 不同全局網格邊長下零件的最大翹曲值

4 針對翹曲變形的工藝參數優化分析結果

套管對配合部分的翹曲變形要求盡可能低，可以采用Moldflow的實驗設計方法對工藝參數進行優化［12-14］。其中變量影響實驗采用田口方法，由此判斷哪些變量對零件質量標準的影響最大。變量響應實驗采用面心立方方法，計算各項質量標準對輸入變量的敏感度，為各項標準生成響應面，以此對各個變量的值進行優化。使用的變量為模具溫度、熔體溫度、保壓時間和保壓壓力，見表2。

表2 實驗設計方法的變量

在確定變量及范圍后，用田口方法得出套管殼零件翹曲影響最大的是保壓時間，而采用面心立方方法確定的最佳工藝參數見表3。

表3 工藝優化后的參數

從圖6中可以看到，經過優化后的翹曲與驗證網格精度時選用的初期參數相比有了明顯降低，最大翹曲變形量減小了24%。配合部分的翹曲在0.38 mm以下，可以保證較高的配合質量。

5 套管殼的注塑缺陷分析結果

套管殼由于裝配時的配合要求，對滑動配合部分要求變形量盡可能小，也是這一零件最為關鍵的質量要求。以翹曲為目標進行工藝優化可以將變形大大減小，如果考慮以塑件整體的綜合質量為目標，應繼續對套管殼的其它重要缺陷進行分析，以更好地綜合指導零件設計、模具開發和工藝參數的改進。鑒于套管殼的結構特點和應用環境，對強度的要求不高，而對外觀質量有較高要求，需要選取氣穴、熔接痕和體積收縮率3個缺陷作進一步分析。這些缺陷能在Moldflow中的流動分析結果中得到，在分析參數的工況設置中，充填方式采用自動方式，即軟件在流動前沿達到最后一個節點時自動停止注射。V/P轉換點方式設置為填充量的百分比控制，設置值為98%。保壓控制以保壓壓力和保壓時間方式進行，數值分別為60 MPa和10 s。

氣穴缺陷來源于兩股或多股熔體流動前沿包圍并困住的氣泡，當熔體冷卻后，困住的氣體由于密度比熔體小，往往在塑件表面形成小孔狀的瑕疵，此外，保壓階段被困空氣壓縮升溫，極端情況下產品由此出現焦痕。氣穴產生的原因主要有跑道效應、遲滯現象和排氣不足［15］等，跑道效應是熔體在厚薄不均的部位分流，先填充較厚的區域，之后再匯合來填充較薄的區域；遲滯是在包含多個流動路徑的零件中，熔體會緩慢流動或停滯在窄小的區域；排氣不足是指最后填充的區域中缺少排氣口或者排氣口尺寸不夠大，根據這3個因素，以采用合理的黏度模型，利用Moldflow可以對氣穴的位置進行預測。在軟件的工程面板中將分析序列設置為填充+保壓，黏度模型采用Cross-WLK，充填方式設為自動，運行分析后得到的氣穴分布如圖7所示，圖中深色點表示可能產生氣穴的位置，可以看到氣穴主要集中在套管殼兩個端部的邊緣位置。

熔接痕是在填充過程中，兩股或多股熔體相遇而造成的瑕疵或可見缺陷。如果不同流動前沿在相遇時過早冷卻，則它們無法很好地熔合成一體，從而在成型零件中產生熔接痕。零件中熔融材料在流動至孔或鑲件、下個澆口或可變壁厚處時，均可能出現熔接痕。熔接痕會造成結構的強度變弱，同時也影響外觀，在注塑過程中應盡可能消除熔接痕。對于無法消除的熔接痕，也應盡量使其位于不易受影響的區域。

圖8中的明暗條紋代表熔接痕的分布位置，不同灰度代表兩股熔體相遇時的液面夾角不同。注塑件的熔接痕主要分布在兩端的孔狀結構附近，角度較小，相應的熔接痕對結構強度的損害也越小，對外觀的影響也越小，中間部分只有兩條位于內側面的熔接痕。

體積收縮是由于溫度從熔體溫度變化為環境溫度而造成的聚合物收縮，體積收縮過大會造成零件翹曲、縮痕、關鍵尺寸過小和內部縮孔，壁厚過大和保壓不足都是造成零件高體積收縮的原因。

▲圖6 優化后的翹曲結果

▲圖7套管殼的氣穴預測

▲圖8 套管殼的熔接痕預測

▲圖9 套管殼的體積收縮預測

根據最佳注塑條件參數計算所得的收縮率如圖9所示，得到的套管其整體收縮率在2%左右，少部分區域在4%以上，在實際生產中，2%～4%是可以接受的。

經過上述分析，得到了對套管殼質量有顯著影響的主要缺陷結果。利用這些結果，結合產品開發和模具設計中的實際情況，提出以下幾個工藝調整策略來提高塑件質量：①將排氣口或模具的分型面盡量設計在氣穴出現的位置，利于減少氣穴以及由此造成的小孔瑕疵和焦痕；②對于塑件背部中間位置的熔接痕缺陷，由于其剛好與分型面在同一平面內，可以考慮在模具中熔接痕對應的位置上開很淺的槽，將熔接痕轉移到飛邊上，并在塑件脫模后將飛邊去除；③根據體積收縮率的預測結果，可以找出塑件中局部收縮最嚴重的區域，可以考慮將模具的預留容量適當加大一些，彌補塑料熔體在冷卻脫模后的收縮，使產品的形狀和尺寸更為精準。

6 結論

利用Moldflow進行注塑過程分析時，網格劃分質量對有限元仿真分析有重要影響。網格質量和Moldflow翹曲分析結果有密切的關聯性，粗糙的網格和網格缺陷會導致計算結果不收斂。在計算之初需要考慮網格的合理選擇，目的在于保證計算質量，得到可靠的注塑缺陷分析結果。根據上述分析計算結果，可以得到以下結論。

（1）數值模擬越趨近實際的注塑過程，網格越需要加密，但是過大的網格密度勢必增加計算量。合適的網格密度在計算結果精度足夠的情況下，減少了計算資源的耗費，提高了模擬計算的效率。在資源有限的情況下，應該靈活地細化網格，兼顧分析精度和計算效率。

（2）Moldflow分析在一些主要缺陷的預測上能夠提供一定的指導原則，但與實際結果還可能存在一定偏差。例如氣穴和熔接痕預測，Moldflow從實踐中歸納整理了這些缺陷的產生條件，根據經驗在可能的位置作出預判。在實際生產中，許多難以預料的干擾因素，例如設備折舊、材料參數不精確、生產環境氣溫變化等，都會對結果的精度產生影響。在實際應用中，一定要與實際產品的測試相結合，從計算模型、參數、環境條件等方面積累經驗，逐步保證計算結果與實際結果的相似和一致，這是一個長期的數值分析與加工過程的互動過程，應該制定一個完整的工作計劃來保證最大限度地利用Moldflow的計算結果和設計、加工過程的匹配。

（3）充分利用計算機輔助設計技術，引入并行制造的理念，協調零件和模具的設計開發，可以提高產品的開發效率，縮短開發周期，降低開發成本，對塑料加工行業有重要意義。因此，應用有限元分析對注塑工藝進行優化，幫助工藝參數擇優，有深入研究的必要。數值計算結果提供了最佳設計和工藝的實驗出發點，需要在計算與實驗相結合的基礎上，改進目前的產品設計和加工流程，不斷發揮計算分析方法的重要作用。

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