基于CAE技術的注塑法蘭翹曲變形研究

撰文/徐銘辛 呂育儒 張百年

■中原大學工學院機械工程學系

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基于CAE技術的注塑法蘭翹曲變形研究

撰文/徐銘辛 呂育儒 張百年

■中原大學工學院機械工程學系

基于CAE技術，利用Moldex3D軟件研究不同材料及注塑成型工藝參數對承插式DN32型法蘭翹曲變形的影響。通過對法蘭的注塑成型工藝過程的數值模擬，分析了不同料溫、射出壓力及保壓壓力模式等工藝參數對產品翹曲變形的影響規律。法蘭；注塑成型；Moldex3D；翹曲變形

注塑成型是重要的塑料制品成型方式，適于大批量生產形狀復雜、尺寸要求精確的塑料制品［1］。計算機輔助工程（CAE）通過建立產品模型網格、設定成型參數，以計算機數值方法進行模擬測試，預測產品性能，并尋找最佳成型參數。注塑工藝參數的設定對制件的翹曲變形有著直接的影響［2］。

翹曲是注塑件變形的重要特征之一。曹雄剛［3］研究了注射時間、熔膠溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間等工藝參數對塑料齒輪翹曲變形的影響。朱宏峰［4］指出翹曲變形主要由收縮不均、冷卻不均、取向效應所導致。

注塑法蘭的翹曲變形問題會影響法蘭的形狀精度和表面質量。法蘭在接合面有較高的平坦度要求；翹曲變形還會影響到法蘭孔位排列的真圓度。不良的平坦度與真圓度可能會導致法蘭的應力集中。此研究針對不同料溫、不同注塑壓力和保壓壓力模式等成型參數的模擬結果進行比較，并找出最佳成型參數。

產品結構分析與工藝參數

本研究選用DN32 mm型承插式注塑成型法蘭件。本文使用Creo Parametric 軟件進行法蘭件的結構設計，導入Moldex3D Designer建立實體三維網格模型。該法蘭采用四澆口設計，澆口分布于法蘭螺孔中間位置，澆口尺寸為3 mm × 5 mm針點澆口，冷卻水管為6條平行水管，分布于零件上部及下部。建立的三維網格模型元素個數為175419個，模穴體積為199.146 mL。

圖1　注塑成型三維模型

探究注塑成型工藝參數對注塑成型法蘭產品翹曲變形的影響是基于A.Schulman公司生產的Polyman HH 型ABS材料。根據材料特性，本研究設定在空氣溫度25 ℃、模具溫度60℃、充填時間4.2 sec、開模時間5 sec、頂出溫度108.8 ℃下進行。

注塑成型工藝參數如表1所示。

為考察不同注塑成型工藝參數對于注塑成型法蘭產品翹曲變形的影響，在不同注塑成型工藝參數下，對零件注塑成型過程中充填、保壓、翹曲變形進行分析。

注塑成型分析結果與討論

在不同的注塑成型參數下，基于空氣溫度25℃、模具溫度60℃、充填時間4.2 sec、開模時間5 sec、頂出溫度108.8℃，產品的X/Y/Z方向位移、總位移、體積收縮率及平坦度量測結果如表2、表3、表4、表5所示。

對照組的參數為料溫235℃、注塑壓力70%（一段式）、保壓壓力（參照充填結束壓力）70.3%（9.9 sec時）、56.2%（13.2 sec時）、45.0%（16.5 sec時）。對照組的翹曲變形分析結果如表2所示。

當料溫設定為210℃及260℃時，翹曲變形分析結果如表3所示。當料溫為210℃時可以獲得最小的位移，在此溫度下，體積收縮率和平坦度均為最佳。根據材料的黏度圖及P-ν-T圖，可以發現該材料在210℃下有較高的黏度及較小的比容。

通過充填結果及保壓結果可以發現，料溫為210℃時的固化層的厚度比對照組及料溫260℃時的固化層厚度厚，這意味著在低料溫時固化程度較高。固化比例增加會減少流動路徑的截面積，同時也會增加流動阻力和澆口壓力及分子配向性等，但產品頂出后中心溫度較低，溫度差異較小，其冷卻較為平衡，收縮也較為均衡，因此在210℃的料溫下，產品的翹曲變形結果較佳。此外，ABS材料在料溫過高時容易分解，因此料溫不宜設定過高。

當注塑壓力由一段式70%變更為三段式40%-70%-100%及三段式100%-70%-40%，轉變時間分別為25%和50%。翹曲變形分析結果如表4所示。當注塑壓力為一段式70%時可以獲得最佳結果，根據進澆口壓力及鎖模力數據，可以發現熔膠將在0.81 s，約20%時間下通過澆口進入模穴。在初始低注塑壓力模式下，注塑流動速率受到影響，流道位置將產生較厚的固化層，使流動管路變得狹窄。在三段式初始高注塑壓力模式下，澆口處的高注塑速度易導致噴射流和高剪切力。

保壓壓力由三段式70.3%-56.2%-45.0%并參照充填結束壓力變更為一段式100%并分別參照充填結束和參照設備壓力上限。翹曲變形分析結果如表5所示。在保壓壓力為一段式100%并參照機器壓力上限時獲得最佳結果。

不足的保壓壓力或時間會導致補償收縮作用較小，從而可能使產品表面產生縮凹。雖然在較大的保壓壓力下一般會減少體積收縮，但是也需要較高的夾模力，也可能產生高殘留應力。

結論

本文基于CAE技術，利用Moldex3D軟件研究了注塑成型工藝參數對承插式DN32型法蘭翹曲變形的影響，考察了零件翹曲變形隨料溫、注塑壓力及保壓壓力等注塑成型工藝參數的變化。

對于該ABS承插式DN32型法蘭，料溫、注塑壓力及注塑壓力等工藝參數對產品的翹曲變形具有顯著影響。其中，料溫及保壓壓力模式對翹曲變形影響較為顯著。

產品的翹曲變形與其注塑壓縮參數的原理有關。一方面料溫影響熔膠的流動性、固化程度等；另一方面注塑壓力要考慮到材料的流動性以及產品的物性等，高速注塑還需考慮由于摩擦而產生的剪切熱；此外，通常保壓壓力越大，產品的體積收縮率越小，但需要考慮到機臺需要有較大的夾模力，還應避免產生高殘留應力。

表1 注塑成型工藝參數

表2 對照組翹曲變形分析結果（最大位移）

表3 不同料溫的翹曲變形分析結果（最大位移）

表4 不同注塑壓力模式的翹曲變形分析結果（最大位移）

表5 不同保壓壓力模式的翹曲變形分析結果（最大位移）

參考：

［1］王利霞，余曉容，申長雨.CAE技術在注塑成型中的應用［J］.化工進展，2004，23（3）：260

［2］孫普，李永泉，李峰.注塑成型工藝參數對汽車保險杠翹曲變形的影響研究［J］.塑料工業，2011，39（5）：49

［3］曹雄剛.基于模具CAE技術的塑料齒輪注射成型工藝參數的優化研究［D］.甘肅：蘭州理工大學，2007：38-52

［4］朱宏峰.隨形冷卻對注塑成型制品翹曲變形影響研究［D］.江西：南昌大學，2014：11