改善塑件磁性嵌件翹曲的模流分析

周大路

(華東交通大學工程訓練中心，江西 南昌 330013)

機械與模具

改善塑件磁性嵌件翹曲的模流分析

周大路

(華東交通大學工程訓練中心，江西 南昌330013)

以剪刀架與磁性嵌件的注塑為分析實例，闡述了丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)材料在嵌入磁性嵌件后注塑中產生的翹曲問題及解決方法；采用Moldflow軟件對制品結構、模具結構和成型工藝參數3個方面的影響因素進行了對比分析。結果表明，通過對工藝參數的極差分析以及制品結構、澆口位置的改變分析所得到的數據發現，改變工藝參數翹曲優化程度為15%，改變制品結構翹曲優化程度為53.7%，改變澆口位置翹曲優化程度可達76.5%；改善澆口位置是解決翹曲因素最主要的方法，可以得到遠小于翹曲要求的翹曲值。

Moldflow軟件；模流分析；翹曲；嵌件；澆口

0 前言

磁性嵌件注塑是在注塑前在模具型腔內裝入磁性嵌件，然后通過注塑將其包絡。本次分析所選用的材料為ABS，針對ABS材料來進行制品的模流翹曲分析。翹曲變形是嵌件注射成型中嚴重的成型缺陷。而衡量嵌件塑件品質的一個重要指標就是翹曲變形，其不但影響制品的外觀品質，還影響制品的使用性能。因此，改善塑料制品的翹曲變形就是需要解決的問題。我們考慮過如改變冷卻結構、改變保壓壓力、改變冷卻時間、改變制品厚度、改變澆口位置等方案。本文針對模具型腔內裝入磁性嵌件而產生的翹曲問題，通過對工藝參數的極差值以及制品結構、澆口位置的改變分析所得到一系列的數據進行了分析，發現了解決翹曲問題的關鍵[1]。

1 翹曲變形的影響因素分析

翹曲變形的原因有很多，主要有收縮不均勻、分子取向、冷卻不均勻。而影響翹曲變形的因素也有很多，每一個環節從制品設計到注射成型都會對翹曲變形產生影響。但主要有制品結構、模具結構和成型工藝參數3個方面，而改善翹曲變形的措施，則應從上述各因素考慮。

2 翹曲變形的具體影響因素和解決方案

本文選用的材料為ABS，生產廠家為韓國LG化學公司，牌號為HI-100,熔體流動速率為10 g/10 min，密度為1.03 g/cm3，熱變形溫度為87 ℃，收縮率為0.3 %～0.5 %，根據以往的經驗，該收縮率不會影響對翹曲的要求。

2.1 制品厚度

制品的結構是決定其翹曲變形程度的關鍵因素。本制品為錐形結構，一頭大一頭小。壁厚不均勻、大頭壁薄，小頭壁厚，容易引起不均勻收縮，從而導致翹曲。此嵌件的外形受制品功能限制，壁厚不可能做到完全均勻。但翹曲范圍必須在合理范圍內，否則變形過大會影響吸附力。

2.2 澆口位置

澆口的位置、形式和數量均會影響熔融塑料在模具型腔中的填充狀態，這里將設置不同的澆口位置和數量。

2.3 成型工藝參數

模具溫度過低，冷卻速率就增大，較大的熱應力就會形成，導致翹曲變形；保壓壓力過高，也會使得流動殘余應力增大，使得塑件翹曲變形；保壓壓力太低，就會產生回流，熔體難以壓實，產生較大的體積收縮率，使制品翹曲變形；冷卻時間過短，塑件來不及冷卻到脫模溫度，就會產生較大的翹曲變形。針對以上工藝所產生的缺陷進行正交試驗，然后進行方差分析。

3 制品分析

所研究的制品是一個剪刀架，剪刀架要可以吸附在冰箱門上，因此中間部位有一個如圖1所示的磁性嵌件。嵌件與塑件之間有傾斜角契合以防止脫落。為保證剪刀架與冰箱壁表面能牢固吸合，對注塑件的平整度要求較高，要求小于0.5 mm。因此要求制品的Z向變形也小于0.5 mm(Z向為垂直于嵌件吸合面方向)。

圖1 含有嵌件的制件Fig.1 Parts with insert workpieces

3.1 模型前處理

對含有嵌件制品的變形分析前，首先要在Pro/E中建模并從中導出制件和嵌件的數據，然后導入Moldflow軟件；在Moldfow軟件中將制件和嵌件的igs格式處理為雙面模型。然后如圖2所示，劃分網格，邊長設置為4.17 mm。然后設置成型方式，選擇“熱塑性塑料重疊注塑”；導入嵌件模型并對嵌件模型表面進行參數設置(圖3)。最后設計好澆注系統，進行模流分析[2]。

圖2 網格劃分Fig.2 Generation of meshes

圖3 嵌件表面Fig.3 Surface of the insert

3.2 分析方案

本文所選用的ABS材料屬于收縮性較小的材料。因此只要對制品結構、模具結構和成型工藝參數3個方面進行分析比較即可。設計要求Z向翹曲值要小于0.5mm。

3.2.1成型工藝參數的各項翹曲值

翹曲方向，厚度/mm：(a)Z向，4 (b)綜合，4 (c)Z向，3 (d)綜合，3 (e)Z向，1.5 (f)綜合，1.5圖4 不同厚度的翹曲變形結果Fig.4 Warpage of parts with different thickness

本文分析用模具溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間、熔體溫度為參數進行正交試驗，然后進行極差分析，如表1所示。優化成型工藝參數的確可以減小翹曲變形，但效果不明顯。因此不是解決翹曲變形最有效的手段，經過若干次優化工藝參數，翹曲變形的改善在0.2～0.6mm之間。以4mm的材料厚度來計算，優化程度在5 %～15 %之間[3-4]。

表1 極差分析Tab.1 Range analysis

3.2.2制品厚度的各項翹曲值

從圖4可以看出，圖4(a)、4(c)、4(e)的制品Z向翹曲值分別為0.4387、0.4346、0.9388mm。當制品厚度從1.5mm增大到3mm時，制品的翹曲值從2.640mm減小到1.248mm；繼續增大嵌件高度至4mm，制品的翹曲值減小到1.222mm，變形減少了52.7%。因此，制品厚度是一個重要的因素。Z向翹曲值從0.9388mm減小到0.4346mm，減少了53.7%。但增大到一定程度后，變形程度降低并趨于穩定。考慮到制品厚度的增加，導致嵌件所使用的原材料用量增大，成本上升，所以盡管Z向翹曲變形達到要求，但結果依然不太理想。

3.2.3澆口位置的各項翹曲值

翹曲方向：(a)、(b)、(c)Z向 (d)、(e)、(f)綜合圖5 不同澆口的翹曲變形結果Fig.5 Different gate warpage results

從澆注系統著手，分析翹曲變形在不同澆口位置狀態下的情況。如圖5所示，根據零件形狀設置了3種澆口位置。圖5(a)、5(d)2個澆口位置的綜合翹曲值為0.6974mm，Z向翹曲值為0.2205mm；圖5(b)、5(e)2個澆口位置的綜合翹曲值為1.5520mm，Z向翹曲值為0.5288mm；圖5(c)、5(f)澆口位置的綜合翹曲值為0.6612mm，Z向翹曲值為0.4107mm。可以看出，圖5(a)、5(c)、5(d)、5(f)澆口的位置可以明顯降低翹曲值，且圖5(a)澆口的Z向翹曲值只有0.2205mm，比預測的翹曲值降低了76.5%，遠低于設計所要求的數值(0.5mm)。圖5(c)、5(f)澆口的結構工藝明顯比圖5(a)、5(d)復雜，且Z向翹曲值不如圖5(a)的理想，因此選擇圖5(a)、5(d)的澆口方案最為理想[5]。

4 結論

(1)優化工藝參數和增加制品厚度均可降低翹曲值，前者效果有限，如果對翹曲值要求不高的情況下可以使用；增加制品厚度雖然效果明顯，但會導致成本增加，且降低的翹曲值有限；

(2)降低翹曲效果最明顯的是改變和優化澆注系統，工藝并不復雜、負面影響小;在模具結構允許的情況下，是可以優先考慮的實施方案。

[1] 賀燦輝，劉 斌.帶金屬嵌件的手機外殼注塑成刑翹曲變形分析[J].工程塑料應用，2011，39(11)：29-31.

He Canhui，Liu Bin.Mobile Phone Case with Metal Insert Analysis of Warpage of Injection Molded into Penalty[J]. Engineering Plastics Application, 2011,39(11)：29-31.

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FlowAnalysisofImprovementofWarpageinMagneticInsertsofPlasticParts

ZHOU Dalu

(Engineering Training Center East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Taking the injection-molding process of a cutting tool holder with magnetic inserts as a case study, this paper reported an investigation on the warpage defect occurring in injection-molded magnetic inserts by using acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS) resin as a thermoplastic material and also proposed the resolution for this defect. A comparative analysis was conducted by means of Moldflow software for the influence factors derived from part structures, mould structures and process parameters. The results indicated that, through range analysis of process parameters and data analyses of product structures and gate locations, the warpage level could be improved by 15 % through optimizing the process parameters, improved by 53.7 % through optimizing the part structure, and improved by 76.5 % through optimizing the gate location. It was concluded that the optimization of gate location was the optimal method to diminish the warpage defect.

Moldflow software; mold flow analysis; warpage; insert; gate

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)09-0133-04

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.021

2017-02-28

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