基于預(yù)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.世紀(jì)華通車業(yè)有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引 言

塑料在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，主要包括內(nèi)飾件、外飾件和功能結(jié)構(gòu)件[1]。汽車水室屬于散熱器功能結(jié)構(gòu)件，因與多個(gè)零件裝配導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]，且制品質(zhì)量要求高，除了避免填充不足、飛邊、氣穴等缺陷外，對(duì)尺寸穩(wěn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間還有凸起，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)其翹曲變形量比常規(guī)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(dāng)前亟需解決的技術(shù)難題，引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重視[4]。目前關(guān)于控制塑料制品的翹曲變形集中在以下兩方面。

（1）仿真優(yōu)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(yōu)化制品結(jié)構(gòu)和注射工藝，還是優(yōu)化模具的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)[5，6]，雖然能減小成型制品翹曲量，但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車水室，由于模型建立、邊界條件確定、工藝參數(shù)選擇等的復(fù)雜程度，這種正向設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際情況有較大差異，難以滿足要求，該方法適合于制品結(jié)構(gòu)較簡單、精度要求不高的情況。

（2）采用預(yù)變形措施，對(duì)制品進(jìn)行反向變形設(shè)計(jì)，以達(dá)到減少翹曲變形量的目的[7]。國內(nèi)學(xué)者在特定的注射工藝條件下，對(duì)一些不等厚、薄壁制品的預(yù)變形補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了較好效果。張賓等[8]對(duì)方盒制品進(jìn)行數(shù)值模擬得出反變形模型，進(jìn)行逆行造型，減少模型的翹曲變形。曾蕾[9]在優(yōu)化注射工藝的前提下，通過數(shù)值模擬對(duì)不等厚制品進(jìn)行預(yù)變形補(bǔ)償以減少翹曲變形量。黃風(fēng)立等[10]提出經(jīng)過穩(wěn)健優(yōu)化的制品變形預(yù)補(bǔ)償方法。黃佳佳等[11]在通過實(shí)物與CAE 模擬的對(duì)比，并對(duì)碳罐蓋板的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行分析，通過預(yù)變形方法解決了翹曲變形問題，制品符合生產(chǎn)要求。

針對(duì)汽車水室在優(yōu)化注射工藝條件下，采取預(yù)變形補(bǔ)償技術(shù)，以誤差抵消的方式控制翹曲變形，從而滿足制品的成型質(zhì)量要求。

1 研究對(duì)象及工藝條件

1.1 制品分析及材料選用

研究對(duì)象為圖1 所示的汽車水室，質(zhì)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(gè)凸起特征和2 個(gè)卡扣，基體左右分布間隔為16 mm 的加強(qiáng)筋。水室的底面為裝配面，其平面度要求在1 mm以內(nèi)。

圖1 汽車水室模型

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

表1 汽車水室材料參數(shù)

1.2 工藝條件設(shè)置

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

將處理好的模型導(dǎo)入MoldFlow 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。汽車水室屬于功能件，不允許熔接痕出現(xiàn)在裝配面，因此只能使用1 個(gè)澆口，采取熱流道與普通流道結(jié)合的端部進(jìn)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(xiàn)冷卻不均現(xiàn)象，總體水路布置如圖2所示。模具為1模2腔結(jié)構(gòu)，現(xiàn)僅對(duì)右水室進(jìn)行分析，其水路具體布置如圖3、圖4所示。

圖3 右水室動(dòng)模水路布置

圖4 右水室定模水路布置

2 汽車水室預(yù)變形設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)外，還包括冷卻不均勻、收縮不均勻、取向不均勻、角效應(yīng)等因素[2]。對(duì)于長條形的水室類制品，僅通過注射工藝的優(yōu)化難以控制翹曲變形達(dá)到其精度要求。因此，針對(duì)水室類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，擬采取預(yù)變形補(bǔ)償技術(shù)，以誤差抵消的方式控制翹曲變形以滿足制品的成型質(zhì)量要求。

2.2 預(yù)變形原理及步驟

預(yù)變形補(bǔ)償法是在制品初始設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)反方向的變形量，達(dá)到抵消或減少出模后制品變形的目的，使制品達(dá)到初始設(shè)計(jì)狀態(tài)，然后根據(jù)反向模型進(jìn)行開模，就能成型滿足質(zhì)量要求的制品[12]。因此準(zhǔn)確預(yù)測水室的預(yù)變形方向、趨勢(shì)及預(yù)變形量是關(guān)鍵所在，現(xiàn)以水室的實(shí)際變形量為參考，通過MoldFlow 仿真模擬實(shí)際情況，并考慮模擬仿真的精度等因素，確定汽車水室的預(yù)變形方向和預(yù)變形量。根據(jù)以上原則，預(yù)變形設(shè)計(jì)步驟如圖5所示。

2.3 汽車水室實(shí)際變形量的獲取

基于汽車水室3D模型開模，考慮成型時(shí)內(nèi)應(yīng)力對(duì)制品變形的影響和尼龍材料的吸濕性，24 h 時(shí)后制品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定工藝條件下，將成型的制品在常溫環(huán)境中放置24 h，通過選取4 點(diǎn)找到錨平面，再選取不同的位置點(diǎn)，測量該點(diǎn)與錨平面的距離，得到水室的變形量。測量點(diǎn)位置如圖6所示，水平方向上第一個(gè)點(diǎn)的距離為5.8 mm，第二個(gè)點(diǎn)距離為9 mm，中間點(diǎn)距離為15 mm。豎直方向第一個(gè)點(diǎn)為6 mm，中間距離為3 mm 的間距測量。此模型共76個(gè)測量點(diǎn)，測量后最大變形量為1.24 mm。

2.4 CAE仿真結(jié)果及分析

按照汽車水室的實(shí)際生產(chǎn)工藝在MoldFlow 中進(jìn)行仿真模擬，經(jīng)冷卻+填充+保壓后得到汽車水室的變形結(jié)果，建立與實(shí)際制品一樣的測量位置，檢測水室裝配面上的76個(gè)測量點(diǎn)的變形量。

圖5 預(yù)變形設(shè)計(jì)步驟

模擬仿真技術(shù)對(duì)預(yù)變形設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用。未采用預(yù)變形時(shí)，汽車水室模擬仿真變形量C2與實(shí)物變形量C1對(duì)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(shì)與實(shí)物測量的變形趨勢(shì)一致，雖然二者在對(duì)應(yīng)位置上的數(shù)值有微小差距，且主要集中在水室的兩側(cè)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(diǎn)15 為第一個(gè)峰值最大變形-1.09 mm，實(shí)際變形量為-1.12 mm，點(diǎn)53為第二個(gè)峰值最大變形量為-1.29 mm，實(shí)際變形量為-1.25 mm。點(diǎn)15 和點(diǎn)53 在模型上處于相對(duì)應(yīng)的位置，也是模型壁厚最薄的位置，在幾何結(jié)構(gòu)上此處變形最大。

圖6 汽車水室的測量點(diǎn)位置

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

圖7 水室實(shí)物變形量與CAE模擬變形量對(duì)比

2.5 汽車水室的預(yù)變形設(shè)計(jì)

預(yù)變形補(bǔ)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(yù)變形時(shí)注射成型后的位置，f2表示采用預(yù)變形注射成型前的位置，f0′表示采用預(yù)變形注射成型后的位置。選取線上任意點(diǎn)d，通過點(diǎn)d位置的矢量位移可采用以下公式表示。

圖8 預(yù)變形補(bǔ)償

由式（1）～（3）可知，預(yù)變形系數(shù)λ的取值決定f2的形狀。實(shí)踐表明，制品的實(shí)際變形量是由于多個(gè)因素交互作用導(dǎo)致的。f2的形狀還需要參考汽車水室的實(shí)際變形量與仿真模擬的變形量，同時(shí)還需要參考水室主要變形趨勢(shì)、仿真模擬變形的精度及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以此進(jìn)行部分調(diào)整。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，以錨平面的中心位置為設(shè)計(jì)中心，對(duì)水室裝配面的變形進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。當(dāng)λ過大時(shí)，容易出現(xiàn)補(bǔ)償過量而導(dǎo)致矯枉過正的情況；當(dāng)λ過小時(shí)，預(yù)變形補(bǔ)償則起不到應(yīng)有的效果。根據(jù)學(xué)者對(duì)于長條狀或薄壁制品預(yù)變形的補(bǔ)償研究[7，11，13]，當(dāng)λ∈[0.6，1]時(shí)，f0′與f0的偏差較小。CAE模擬與實(shí)際情況存在誤差，預(yù)變形也會(huì)改變制品結(jié)構(gòu)和熔體流動(dòng)情況，導(dǎo)致變形量不同。由于制品端部進(jìn)澆方式和制品形狀特征的復(fù)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(cè)突起特征對(duì)變形的影響較大，測量點(diǎn)的測量值和模擬仿真變形量誤差較大。結(jié)合實(shí)物測量值和模擬仿真變形量對(duì)水室模型進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)，同時(shí)保證按照預(yù)變形模型與理論設(shè)計(jì)尺寸一樣，得到預(yù)補(bǔ)償汽車水室預(yù)變形模型。預(yù)變形模型測量位置的實(shí)際變形量如圖9所示。

圖9 預(yù)變形補(bǔ)償量設(shè)計(jì)

2.6 預(yù)變形模擬仿真分析

對(duì)完成預(yù)變形的汽車水室模型按上述工藝條件在MoldFlow 中進(jìn)行模擬分析，得到采用預(yù)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(yù)變形得到的模擬仿真變形量C2進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。結(jié)果表明，采用預(yù)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(diǎn)變形量均在誤差1 mm以內(nèi)。

圖10 采用預(yù)變形前后的模擬仿真變形量比較

3 開模驗(yàn)證

根據(jù)預(yù)變形設(shè)計(jì)完成模具設(shè)計(jì)，生產(chǎn)的汽車水室實(shí)物如圖11 所示。采用相同的檢測方法得到預(yù)變形后汽車水室實(shí)物的變形量C4，并與未采用預(yù)變形的變形量C1進(jìn)行比較，結(jié)果如圖12如示。由圖12可知，采用預(yù)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(shí)物

圖12 實(shí)物測量變形量比較

4 結(jié)束語

通過對(duì)實(shí)際注射工藝條件下汽車水室的CAE模擬仿真和實(shí)際測量數(shù)據(jù)對(duì)比，表明未采用預(yù)變形前兩者翹曲變形趨勢(shì)一致，其變形量差值在0.2 mm左右，說明模擬分析結(jié)果與實(shí)際翹曲變形結(jié)果較符合，同時(shí)最大變形量達(dá)到1.24 mm，不能滿足制品的質(zhì)量要求。

通過對(duì)預(yù)變形后汽車水室翹曲變形模擬仿真進(jìn)行分析，最大變形量在0.46 mm 左右。最后開模驗(yàn)證其實(shí)際翹曲變形量在0.47 mm 以內(nèi)，表明采取預(yù)變形補(bǔ)償措施可以有效控制翹曲變形。

預(yù)變形設(shè)計(jì)方法為類似制品翹曲變形的控制提供了參考，對(duì)保證制品成型質(zhì)量、縮短研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本具有較好的參考價(jià)值。