汽車儲物盒導軌的翹曲變形分析及改進

鄧愛林，薛 松，徐 斌，郭瑞東

(西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

0 前言

隨著塑料工業的發展，塑料制件在制造業中占的比例越來越高，對其精度要求也越來越高，翹曲變形是注射成型中常見的缺陷之一，它對產品的形狀和尺寸精度有很大影響，當其變形量過大時，導致制件無法裝配使用。影響注塑制件翹曲變形的因素有很多，幾乎與整個注塑加工過程有關[1-2]。對此，國內外學者進行了大量的研究。四川大學的楊其等[3]根據塑料材料的性能研究了聚合物熔體流動性、分子取向等因素對聚碳酸酯(PC)成型收縮的影響。郭廣思發現結晶型材料制品比非結晶型材料制品更容易產生收縮，更容易翹曲[4]。錢志林針對裝飾板的局部結構，設置卷邊，減小加強筋間距，成功降低了制品的翹曲變形[5]。日本的Nakayama等[6]研究了加強筋對塑件翹曲的影響。董斌斌等[7]將計算機數值模擬技術和正交試驗設計方法相結合，得到減少翹曲的最優工藝參數。Matsuoka等[8]研究了成型工藝條件，如注射速度、保壓壓力、模具和熔體溫度對翹曲的影響。

以上研究都是從單方面來研究翹曲變形的影響因素，但在實際生產中對翹曲變形的影響因素有很多。本文以汽車儲物盒導軌作為研究對象，以減小翹曲變形為目標，分別從材料、結構和工藝參數3個方面提出了一套較優的工藝方案。

1 原始成型方案

汽車儲物盒導軌三維模型如圖1所示，制品材料采用塞拉尼斯公司生產的POM，牌號為M90XAP。該導軌需要與汽車儲物盒裝配使用，因而對制品的尺寸穩定性提出了要求，要求制品成型后在x方向上內收控制在0.5 mm以內，z方向上的翹曲變形量控制在0.5 mm以內。初始工藝設置為：動模常溫，定模接17 ℃冷水機，保壓時間9 s，保壓壓力90 MPa，冷卻時間20 s。采用側澆口進澆。首次試模時，儲物盒導軌產生x向內收變形量超過0.5 mm，導致后儲物盒x向滑動卡滯，運動功能失效，且z向翹曲量大于規定值0.5 mm，導致后儲物盒產生z向晃動，如圖2所示。在產品的5個位置分別測量x方向的寬度，理論寬度為16.236 mm，如圖3所示，測量結果如表1所示(其中Δ表示均值與理論值之差)。在產品①點處測量z方向的翹曲量，如表2所示。

圖1 導軌三維模型Fig.1 3D model of the guide

(a)x向內收 (b)z向翹曲圖2 初始導軌Fig.2 Initial guides

圖3 測量位置Fig.3 Measuring position

表1 x方向初始變形 mmTab.1 Initial deformation in x direction mm

表2 z方向初始變形 mmTab.2 Initial deformation in z direction mm

2 實驗部分

2.1 材料的選用

聚合物的性能，如結晶、取向、導熱率、流動等是決定塑件品質的重要因素之一，其中聚合物的聚集態形式對塑件翹曲的影響較大。一般來說，結晶型聚合物的注塑制品比非結晶型的聚合物注塑制品產生的翹曲變形大[9]。聚合物本身的分子組成、微觀結構都會影響到制品的翹曲變形。大分子鏈的運動引起的內應力，使得塑料在冷卻過程中收縮不均，塑料中小顆粒組分發生移位。由于結晶造成了分子緊密聚集，分子間的作用力增強，各向異性顯著，內應力大，脫模后未結晶的分子有繼續結晶化的趨勢，處于能量不平衡狀態，容易發生翹曲變形。而非結晶型的聚合物分子排列處于無序狀態，各向同性，產生的收縮較小[10]。由于POM的減磨耐磨性較好，考慮到運動功能件的自潤滑性能利于變形，擬采用塞拉尼斯公司生產的POM，牌號為M90XAP，其性能如表3所示。

表3 材料的性能Tab.3 Properties of the materials

2.2 產品結構對翹曲變形的影響分析

本產品的外形為凹槽，其角落處容易積熱，認為產品翹曲變形可能是由拐角處的“角效應”引起的[11]。在制品的拐角處，外表面的冷卻速度高于內部，充填結束后，隨著冷卻的進行，熔體表面開始凝固，角落處由于熱量散失較難，外側壁比內側壁凝固了更多的熔體，在保壓結束時，角落處由于得不到補縮，從而產生拉應力，導致了產品的翹曲變形。為了減少角落效應，采取在拐角處開設凹槽的形式，增加散熱面積。如圖4所示，在制品的拐角處開設1.0 mm×0.8 mm的偷膠槽。

利用計算機輔助工程(CAE)分析軟件Moldflow進行分析，結果如圖5所示。由角效應引起的變形經過改進后降低了44.7 %。為了避免儲物盒左右晃動，在流動方向上增加限位筋條，可以有效增強橫向的匹配控制。加強筋走向與料流方向一致時，比與料流方向垂直時的翹曲小，在填充時，加強筋起導流作用，可減少填充過程中的阻力。如圖6所示。

圖4 偷膠槽Fig.4 Grooves

(a)初始方案 (b)改進方案圖5 角效應引起的變形Fig.5 Deformation caused by corner effect

圖6 橫向加強筋Fig.6 Transverse stiffeners

2.3 工藝參數優化

注塑過程中工藝參數在很大程度上都影響著制件的品質。本文采用正交試驗的方法，分析各工藝參數對翹曲變形的影響程度，獲取最佳的工藝參數組合，為實際生產提供一定的指導。選取的正交試驗因素為模具溫度(A/℃)、保壓時間(B/s)、保壓壓力(C/MPa)、冷卻時間(D/s)，水平設置如表4所示。

這是一個混合水平的正交試驗，采取組合法來安排試驗，將2個二水平因子“組合”成一個三水平因素[12]。由于A、B兩個因素有4對水平組合(1,1)，(1,2)，(2,1)，(2,2)，從中選取3對，把這3對看成為一個組合因素的3個水平，令第一列的1,2,3分別對應組合因素的3個水平：1→(1,1),2→(2,1),3→(2,2)，把組合因素置于一列，2個三水平因素各置為一列，如表5所示。其中Kjl表示第j列中對應水平l在各方向的翹曲量之和，l=1,2,3.如第2列，K21(X)=1.415+1.219+0.600=3.234，k21(X)=K21/3,極差=max{kj1,kj2,kj3}-min{kj1,kj2,kj3}.如表5所示。

從上表來看，因素B的極差最大，因此因素B對試驗影響最大。要使試驗指標x方向翹曲量最小，試驗方案應以A2B2C2D1為好，但要使試驗指標z方向翹曲量最小，試驗方案應以A2B2C1D2為好，試驗方案A2B2C2D1在做過的9個試驗中是沒有的，所以需再試驗一次。實驗結果如表所示。

對于試驗方案A2B2C1D2，x向的翹曲量為0.600 mm，z向的翹曲量為1.471 mm，2個方向的翹曲量均大于試驗方案A2B2C2D1，試驗方案應以A2B2C2D1為好。由此可見，降低產品溫度，增大保壓時間，適當增加保壓壓力，降低冷卻時間可以有效的降低產品的翹曲量。由于保壓時間為影響翹曲量的最主要因素，故再進行一組試驗，其他條件不變的情況下，增加保壓時間，第三水平的保壓時間為18 s。實驗結果如表7所示。

比較試驗10與試驗11，繼續增加保壓時間，z向的翹曲量反而增加，因為在保壓階段，融體逐漸冷卻，延長保壓時間，對其改善量不大。從上述分析可以初步預測，塑件的翹曲量較小的最優方案為A2B2C2D1，即動模和定模分別接8 ℃的冷卻水，保壓時間15 s，保壓壓力95 MPa，冷卻時間15 s，此時四因素對翹曲變形量的影響最小。將改善前后的工藝參數分別導入Moldflow進行分析，結果如圖7所示。經過優化后的工藝參數，使得導軌在x方向上翹曲變形量減少了62.26 %，在z方向上翹曲變形量減少了60.73 %。

表4 正交試驗方案Tab.4 Experimental factors and levels

表5 混合水平正交試驗設計方案Tab.5 Orthogonal experimental design

表6 試驗10Tab.6 Test 10

表7 試驗11Tab.7 Test 11

(a)改善前,x方向 (b)改善前,x方向 (c)改善后,z方向 (d)改善后,z方向圖7 工藝參數改善前后對比Fig.7 The comparison of process parameters before and after improvement

3 實驗驗證

圖8 改進后的導軌Fig.8 Guides after improvement

將上述優化方案應用于生產實際，注射成型后的零件如圖9所示。測試產品的翹曲情況，得到如表8和表8所示結果。從表中數據可知：產品x方向的內收最大變形量為0.26 mm，產品z方向翹曲變形為0.015 mm，均不超過規定值0.5 mm，滿足生產要求，故該工藝參數是合理的。

表8 改進后x方向的變形 mmTab.8 Improved deformation in x direction mm

表9 改進后z方向的變形 mmTab.9 Improved deformation in z direction mm

4 結論

(1)塑料件的翹曲變形與聚合物的分子排列狀態有關，綜合考慮到產品功能特性，選用結晶型材料POM是合適的；

(2)通過對產品結構進行改進，增設偷膠槽，使得由“角效應”引起的翹曲變形，由原來的0.257 9 mm減少到0.142 6 mm;增加加強筋，減小了流動方向的阻力，使得產品的翹曲變形可以從結構設計上得到改善；

(3)利用正交試驗設計方法，獲得最優工藝參數組合A2B2C2D1，由Moldflow翹曲分析可知，x方向的翹曲變形由原來的1.354 mm降低到0.511 mm，z方向的翹曲變形由原來的3.270 mm降低到1.284 mm;且經過注塑實驗驗證，翹曲變形量控制在生產要求范圍之內。

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