基于模流分析的塑件翹曲成因分析及結構優化

王小龍 林國漢 李亞明

（廣東萬家樂燃氣具有限公司 佛山 528300）

引言

注塑成型過程是將高溫塑料熔體注入閉合模腔，經過保壓冷卻形成塑件的過程[1]。因其快速、高效的特點在生成中廣泛使用[2]。在塑件冷卻的過程中，各向的均勻會使塑件體積變小，但是當發生不均勻收縮時，塑件內部會產生內應力，當內應力超過塑件的剛度時就會發生翹曲現象[3]～[6]。翹曲過大會導致無法裝配，影響整體美觀，因此尺寸的穩定已成為衡量塑件品質的一項重要指標。

對于復雜的塑件，設計者很難依據個人經驗進行判斷。設計出來的模具要經過多次修改才能滿足設計要求。這樣的方法需要消耗大量的人力物力。通過模流分析軟件，可以在模具加工前，模擬整個注塑過程，準確預測塑件翹曲變形[7]。通過仿真分析，確定優化方案，最后以優化方案為參考進行模具設計和加工。

本文以某塑件翹曲變形為例，通過對注塑過程的模擬，分析了塑件翹曲產生的原因，并以此為依據指定相應的優化方案，通過對優化方案的模擬，最終確定模具設計方案。

1 翹曲產生原因及改善方法

常見塑膠翹曲產生原因有：①非均勻冷卻，由于溫度的差異導致收縮不均勻，從而產生彎曲內應力；②非均勻收縮，包括不同厚度方向收縮不均勻等；③取向效應，纖維沿流向和垂向的收縮不同引起的翹曲；④角效應，角落處熱量集中，易產生較大的產品變形[8]。

目前常用的減小翹曲的方法有以下幾種：①優化冷卻系統，解決非均勻冷卻導致的翹曲；②更換材料類型，通過使用收縮率小的材料來減少翹曲；③調整注塑成型工藝，例如保壓曲線，通過延長保壓時間來減少翹曲。④更改塑件結構，減少非均勻收縮和角效應的影響，同時也能改變纖維的流向。⑤優化流道系統。

2 塑件翹曲原因分析

塑件的幾何模型如圖1所示。在實際生產中由于塑件出模時產生了很大的變形，影響到整體的裝配。通過多次試模修改注塑成型參數后，依然無法解決翹曲問題。現利用有限元軟件分析塑件產生翹曲的原因，并根據問題的成因來制定解決方案，使得翹曲問題得到改善。

2.1 模流分析

將模型導入軟件中，劃分網格，賦予材料屬性，并進行模流分析。生成的有限元網格如圖3所示。

塑件材質為PP7633，根據實際模具的幾何模型建立好冷卻水道，澆筑系統根據幾何模型的參數控制好澆口和流道大小手工建立。塑件成型參數選用CAE模式，提交求解計算。

坐標系設置如圖4所示。

計算結果如圖5～7所示。各方向的變形位移分別為X向：-4.041～4.053 mm；Y向：-2.465～2.108 mm；Z向：-5.281～5.352 mm 。

圖1 幾何模型（正面）

圖2 幾何模型（反面）

圖3 網格模型

圖4 坐標系

2.2 成因分析

圖5 X向位移

圖6 Y向位移

圖7 Z向位移

塑件翹曲較大的區域如圖8所示，與實際出模結果基本吻合。根據變形結果，分析出塑件變形的原因為非均勻收縮，因此可以從修改塑件結構和優化流道系統兩方面來減少翹曲。由于該塑件必須滿足裝配后的強度要求，考慮到成本等因素，沒法選擇更換收縮率更小的材料。

3 優化方案

根據塑件成型原因，選取更改結構和優化流道系統兩種方案來減小翹曲。

3.1 優化方案1

重新設計塑件結構如圖9所示，修改部分區域的厚度，并在底部加了幾條加強筋。

計算結果如圖10～12所示。各方向的變形位移分別為X向：-3.513～3.536 mm；Y向：-2.422～1.321 mm；Z向：-4.919～5.25 mm。

3.2 優化方案2

更改流道設計如圖13所示，更改原始的兩點進膠為四點進膠。

圖8 變形最大區域

圖9 優化方案1

圖10 X向位移

圖11 Y向位移

圖12 Z向位移

圖13 優化方案2

計算結果如圖14～16所示。各方向的變形位移分別為X向：-3.806～3.793 mm；Y向：-1.668～2.096 mm；Z向：-4.632～4.353 mm。

圖14 X向位移

圖15 Y向位移

圖16 Z向位移

4 關注區域位移

提取影響裝配的區域位移如圖17～19所示。原始方案的位移為2.077 mm，優化方案1的位移為-0.511 9 mm，優化方案2的位移為0.158 1 mm，各方案計算結果匯總如表1所示。

5 結論

本文結合有限元軟件對塑件成型進行了性能分析，根據仿真結果對結構進行優化設計，經過仿真對比，翹曲得到了改善，關注區域的位移有了明顯降低，從表1數據可知，優化方案1對關注區域的位移改善約75 %，優化方案2對關注區域的位移改善約92 %，優化效果顯著。

圖17 原始方案

圖18 優化方案1

圖18 優化方案2

表1 結果匯總

將仿真分析應用于實際工程問題有著十分重要的意義，為后續模具的修改和研發提供了一種新思路，與傳統設計方法相比較，該方法研發速度更快，更好的改進了塑件的性能，消耗的成本更低。