基于預變形的汽車水室翹曲變形控制

熊邦彥，歐陽八生，吳家雄

（1.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001；2.世紀華通車業有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引 言

塑料在汽車上的應用越來越廣泛，主要包括內飾件、外飾件和功能結構件[1]。汽車水室屬于散熱器功能結構件，因與多個零件裝配導致其結構復雜[2]，且制品質量要求高，除了避免填充不足、飛邊、氣穴等缺陷外，對尺寸穩定性、密封性和裝配面平面度要求較高。汽車水室呈薄壁長條狀，為非對稱結構，中間還有凸起，經實際生產發現其翹曲變形量比常規尺寸制品大，且與模擬仿真的翹曲變形量也有較大差別，因此翹曲變形成為水室最主要的成型缺陷[3]。如何有效控制注射成型長條狀制品的翹曲變形，是當前亟需解決的技術難題，引起了相關領域專家學者的重視[4]。目前關于控制塑料制品的翹曲變形集中在以下兩方面。

（1）仿真優化分析，這是最常用并且研究較多的方法。影響翹曲變形的因素較多，無論優化制品結構和注射工藝，還是優化模具的澆注系統和冷卻系統[5，6]，雖然能減小成型制品翹曲量，但對于結構復雜的汽車水室，由于模型建立、邊界條件確定、工藝參數選擇等的復雜程度，這種正向設計的優化結果與實際情況有較大差異，難以滿足要求，該方法適合于制品結構較簡單、精度要求不高的情況。

（2）采用預變形措施，對制品進行反向變形設計，以達到減少翹曲變形量的目的[7]。國內學者在特定的注射工藝條件下，對一些不等厚、薄壁制品的預變形補償技術進行了研究，取得了較好效果。張賓等[8]對方盒制品進行數值模擬得出反變形模型，進行逆行造型，減少模型的翹曲變形。曾蕾[9]在優化注射工藝的前提下，通過數值模擬對不等厚制品進行預變形補償以減少翹曲變形量。黃風立等[10]提出經過穩健優化的制品變形預補償方法。黃佳佳等[11]在通過實物與CAE 模擬的對比，并對碳罐蓋板的結構剛度進行分析，通過預變形方法解決了翹曲變形問題，制品符合生產要求。

針對汽車水室在優化注射工藝條件下，采取預變形補償技術，以誤差抵消的方式控制翹曲變形，從而滿足制品的成型質量要求。

1 研究對象及工藝條件

1.1 制品分析及材料選用

研究對象為圖1 所示的汽車水室，質量約為244 g，外形尺寸為136 mm×45 mm×74 mm。整體呈長條狀，中空壁薄，壁厚為2.7 mm；左右有3 個凸起特征和2 個卡扣，基體左右分布間隔為16 mm 的加強筋。水室的底面為裝配面，其平面度要求在1 mm以內。

圖1 汽車水室模型

汽車水室材料為PA66+30%玻璃纖維，具有強度高、滲透率低、耐熱耐老化等優良性能，材料參數如表1所示。

表1 汽車水室材料參數

1.2 工藝條件設置

工藝參數的設定首先在保證制品沒有外觀缺陷的前提下，再考慮生產效率和生產成本等因素。通過理論模擬仿真優化，并結合實際工作條件和工況，確定注射工藝參數為：注射周期為61 s，熔體溫度為290 ℃，注射時間為2.52 s，冷卻時間為25 s，模具溫度為60 ℃，保壓時間為3 s，保壓壓力為50 MPa。

將處理好的模型導入MoldFlow 進行網格劃分，創建澆注系統和冷卻系統。汽車水室屬于功能件，不允許熔接痕出現在裝配面，因此只能使用1 個澆口，采取熱流道與普通流道結合的端部進澆方式。冷卻水路直徑為φ10 mm，在凸起特征處增加直徑為φ8 mm的水路，以避免出現冷卻不均現象，總體水路布置如圖2所示。模具為1模2腔結構，現僅對右水室進行分析，其水路具體布置如圖3、圖4所示。

圖3 右水室動模水路布置

圖4 右水室定模水路布置

2 汽車水室預變形設計步驟

2.1 翹曲變形原因分析及解決思路

制品翹曲的原因除了模具結構外，還包括冷卻不均勻、收縮不均勻、取向不均勻、角效應等因素[2]。對于長條形的水室類制品，僅通過注射工藝的優化難以控制翹曲變形達到其精度要求。因此，針對水室類復雜結構件，擬采取預變形補償技術，以誤差抵消的方式控制翹曲變形以滿足制品的成型質量要求。

2.2 預變形原理及步驟

預變形補償法是在制品初始設計基礎上預設反方向的變形量，達到抵消或減少出模后制品變形的目的，使制品達到初始設計狀態，然后根據反向模型進行開模，就能成型滿足質量要求的制品[12]。因此準確預測水室的預變形方向、趨勢及預變形量是關鍵所在，現以水室的實際變形量為參考，通過MoldFlow 仿真模擬實際情況，并考慮模擬仿真的精度等因素，確定汽車水室的預變形方向和預變形量。根據以上原則，預變形設計步驟如圖5所示。

2.3 汽車水室實際變形量的獲取

基于汽車水室3D模型開模，考慮成型時內應力對制品變形的影響和尼龍材料的吸濕性，24 h 時后制品達到穩定狀態，在穩定工藝條件下，將成型的制品在常溫環境中放置24 h，通過選取4 點找到錨平面，再選取不同的位置點，測量該點與錨平面的距離，得到水室的變形量。測量點位置如圖6所示，水平方向上第一個點的距離為5.8 mm，第二個點距離為9 mm，中間點距離為15 mm。豎直方向第一個點為6 mm，中間距離為3 mm 的間距測量。此模型共76個測量點，測量后最大變形量為1.24 mm。

2.4 CAE仿真結果及分析

按照汽車水室的實際生產工藝在MoldFlow 中進行仿真模擬，經冷卻+填充+保壓后得到汽車水室的變形結果，建立與實際制品一樣的測量位置，檢測水室裝配面上的76個測量點的變形量。

圖5 預變形設計步驟

模擬仿真技術對預變形設計有重要的指導作用。未采用預變形時，汽車水室模擬仿真變形量C2與實物變形量C1對比如圖7 所示，變形量偏差ΔC=C1-C2。從圖7 可知，基于MoldFlow 仿真模擬所得到的翹曲趨勢與實物測量的變形趨勢一致，雖然二者在對應位置上的數值有微小差距，且主要集中在水室的兩側位置，差值在0.2 mm 左右，但在峰值位置和最大變形量基本吻合。點15 為第一個峰值最大變形-1.09 mm，實際變形量為-1.12 mm，點53為第二個峰值最大變形量為-1.29 mm，實際變形量為-1.25 mm。點15 和點53 在模型上處于相對應的位置，也是模型壁厚最薄的位置，在幾何結構上此處變形最大。

圖6 汽車水室的測量點位置

上述分析表明，采用的CAE 模擬仿真分析結果與實際翹曲變形量結果較符合，且趨勢一致，說明模擬分析的正確性和有效性；在未采用預變形的情況下，其最大變形量超過設計的精度，說明成型制品難以滿足質量要求，因此需要采用預變形措施解決變形量過大的問題。

圖7 水室實物變形量與CAE模擬變形量對比

2.5 汽車水室的預變形設計

預變形補償如圖8 所示，選擇水室模型裝配面上的一條線，f0表示理想位置，f1表示未采用預變形時注射成型后的位置，f2表示采用預變形注射成型前的位置，f0′表示采用預變形注射成型后的位置。選取線上任意點d，通過點d位置的矢量位移可采用以下公式表示。

圖8 預變形補償

由式（1）～（3）可知，預變形系數λ的取值決定f2的形狀。實踐表明，制品的實際變形量是由于多個因素交互作用導致的。f2的形狀還需要參考汽車水室的實際變形量與仿真模擬的變形量，同時還需要參考水室主要變形趨勢、仿真模擬變形的精度及其結構特點，以此進行部分調整。

在實際設計過程中，以錨平面的中心位置為設計中心，對水室裝配面的變形進行控制設計。當λ過大時，容易出現補償過量而導致矯枉過正的情況；當λ過小時，預變形補償則起不到應有的效果。根據學者對于長條狀或薄壁制品預變形的補償研究[7，11，13]，當λ∈[0.6，1]時，f0′與f0的偏差較小。CAE模擬與實際情況存在誤差，預變形也會改變制品結構和熔體流動情況，導致變形量不同。由于制品端部進澆方式和制品形狀特征的復雜性，考慮制品壁厚為2.7 mm，變形量最大值為1.29 mm，故λ的值暫定為0.8。水室左側突起特征對變形的影響較大，測量點的測量值和模擬仿真變形量誤差較大。結合實物測量值和模擬仿真變形量對水室模型進行預變形設計，同時保證按照預變形模型與理論設計尺寸一樣，得到預補償汽車水室預變形模型。預變形模型測量位置的實際變形量如圖9所示。

圖9 預變形補償量設計

2.6 預變形模擬仿真分析

對完成預變形的汽車水室模型按上述工藝條件在MoldFlow 中進行模擬分析，得到采用預變形后汽車水室裝配面的模擬仿真變形量C3，并與未采用預變形得到的模擬仿真變形量C2進行對比，如圖10所示。結果表明，采用預變形后的模擬變形量C3的峰值較大程度減少，其最大變形量為0.46 mm，其他測量點變形量均在誤差1 mm以內。

圖10 采用預變形前后的模擬仿真變形量比較

3 開模驗證

根據預變形設計完成模具設計，生產的汽車水室實物如圖11 所示。采用相同的檢測方法得到預變形后汽車水室實物的變形量C4，并與未采用預變形的變形量C1進行比較，結果如圖12如示。由圖12可知，采用預變形后汽車水室的翹曲變形量C4改善明顯，最大變形量為0.47 mm，滿足汽車水室裝配面的精度要求。

圖11 汽車水室實物

圖12 實物測量變形量比較

4 結束語

通過對實際注射工藝條件下汽車水室的CAE模擬仿真和實際測量數據對比，表明未采用預變形前兩者翹曲變形趨勢一致，其變形量差值在0.2 mm左右，說明模擬分析結果與實際翹曲變形結果較符合，同時最大變形量達到1.24 mm，不能滿足制品的質量要求。

通過對預變形后汽車水室翹曲變形模擬仿真進行分析，最大變形量在0.46 mm 左右。最后開模驗證其實際翹曲變形量在0.47 mm 以內，表明采取預變形補償措施可以有效控制翹曲變形。

預變形設計方法為類似制品翹曲變形的控制提供了參考，對保證制品成型質量、縮短研發周期、降低生產成本具有較好的參考價值。