基于Moldflow的柜機空調傳動齒輪翹曲變形優化方法

趙慶晨，張國超，王瑞靜，黃國軍，蔡國旗，翁衛軍，王云飛，胡遠勝

(珠海格力精密模具有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

翹曲變形是注塑成型中最常見的工藝缺陷。根據應用位置、裝配結構等，一款產品中各零件均有變形公差要求。零件翹曲變形量大會導致尺寸超差，裝配困難等問題。因此翹曲變形優化一直是注塑業的重點課題。隨著CAE技術的發展，一些學者利用Moldflow對高分子材料的翹曲進行仿真[1-2]，并在仿真的基礎上進行了優化[3-5]，目前對翹曲量優化的研究多集中在工藝參數方面。曹雄剛等[6]以塑料齒輪為研究對象，用正交實驗研究了各個參數及參數之間的交互作用對產品翹曲變形的影響。潘柏松等[7]以發動機殼為研究對象，對塑件成型后的體積收縮率、表面沉降指數和最大翹曲變形量3個目標值進行綜合評判。高月華等[8]提出了一個最小化制品翹曲變形的近似優化方法。本文通過設計DOE實驗，研究產品結構及注塑工藝參數等對翹曲變形量的影響，為優化柜機空調傳動齒輪的翹曲變形提供了一個新思路。

1 基于Moldflow的翹曲變形優化方法

目前研究的大多數成果集中在工藝參數對翹曲量變形的影響，而實際生產過程中引起翹曲變形的因素有很多，工藝參數有時候并不一定起決定作用。結合公司質量要求，本文從解決實際問題的角度出發，結合Moldflow分析，提出一套翹曲優化方法，具體操作流程如圖1所示。

此方法的核心在于，當翹曲量不滿足設計公差要求時，將引起翹曲變形的原因進行拆解，從產品結構、模具結構、注塑工藝參數各層面分析引起零件翹曲的原因。將優化后的參數，在Moldflow中重新分析，直到滿足產品設計公差要求。形成“產品結構-模具結構-注塑工藝”的閉環回路。

2 基于Moldflow的柜機空調傳動齒輪翹曲變形案例應用

2.1 研究對象

以某款柜機傳動齒輪為研究對象。齒輪為運動部件，強度要求高，同時材料自潤滑性必須很好，因此選擇“賽鋼料”-POM，產品最大外形尺寸為209 mm×65 mm×25 mm，產品料厚診斷如圖2所示，可以看出，料厚分布不均。產品進膠位置如圖3所示，進膠方式為冷流道點澆口，澆口直徑為1.2 mm，分流道為梯形結構，具體尺寸為6.8 mm×5.0 mm×3.0 mm，此種進膠方式充填平衡，注塑壓力小。

由于產品有運動結構要求，高度方向變形量必須小于0.8 mm，而經分析此產品反翹變形量達2.6 mm=0.926 mm+1.673 mm，如圖4所示。實際生產過程中，產品出模后還需增加一道人工整形工序(見圖5)，整形后的產品需在冷水中浸泡3 min，以達到定型效果。此種生產方式費時又費力，同時翹曲值的均一性很難保證。

圖1 基于Moldflow的翹曲量優化分析流程

圖2 產品料厚診斷

圖3 產品進膠位置

圖4 原模型產品分析翹曲變形量

圖5 原有方案人工整形效果

2.2 翹曲原因分析及解決方案

在Moldflow中，將引起翹曲變形的因素拆解為： 冷卻不均、收縮不均、取向效應及角落效應。在此案例中，收縮不均是引起變形的最大因素。傳動齒輪因功能要求選用POM材料，POM結晶度高，收縮率為2%。由圖2可知，產品料厚分布不均，主體壁厚為2.0～2.5 mm，而筋條部分厚度只有1.5 mm，料位薄的地方先冷卻，收縮值小，注塑過程中保壓參數對收縮變形同樣有很大影響，同時模具溫度影響澆口凍結時間，從而影響保壓壓力對收縮變形的效果。

基于上述分析，從產品的角度分析，在外觀不變的前提下，優化筋條的厚度可以改善收縮差異，同時結合實際生產工藝，調整模具溫度與保壓時間同樣可以優化收縮差異。因此將此3個因素作為研究對象，考慮到各影響因素之間對翹曲變形影響的相互耦合作用，進行單純的參數排列組合不一定能夠找到最優的組合方案，結合Moldflow的DOE實驗設計版塊，將現有條件設置為中間值，每個影響因素都設定一個上下浮動區間，通過軟件分析找到最優組合條件。圖6為Moldflow中DOE實驗設計流程。

分析完成之后，在結果欄右下角選擇相應的影響因素，將其中筋條尺寸設置為第1個影響因素，保壓時間設置為第2個影響因素，冷卻液溫度設置為第3個影響因素，在軟件中任意調整自變量組合，找到翹曲變形量最小的組合。圖7為Moldflow中的DOE實驗設計結果。

2.3 實驗驗證

根據軟件分析，筋條需加厚50%，但如果筋條料厚超過主體料厚，外觀面縮水會很嚴重。基于此，制定最終改模方案： 將筋條料厚由1.5 mm增加至2.0 mm，同時，試模時將動定模模溫設置為40 ℃，以改善翹曲變形量。優化后模型參數組合在Moldflow中的DOE實驗結果如圖8所示。

圖6 Moldflow中DOE試驗設計流程

將確定好的改模方案參數組合，帶入Moldflow軟件中重新分析，產品翹曲變形量分析值為0.49 mm。經過改模優化后，實際上機試模，按照DOE分析設置工藝參數，生產出的產品用三坐標測試變形量，實際測試值為0.6 mm，與分析值接近，滿足設計公差要求(變形量小于0.8 mm)。

圖7 Moldflow中DOE試驗設計結果

圖8 優化后模型參數組合分析翹曲變形量

3 結語

以實際生產過程中出現的問題為研究對象，基于Moldflow仿真分析，采用DOE實驗設計方法，對影響柜機傳動齒輪翹曲變形的因素進行分析，找到最優參數組合。改模后經過實際試模測試變形量，驗證了Moldflow軟件DOE實驗的準確性。結果表明：

(1) 零件的收縮與產品筋條的料厚有很大關系，當筋條料厚趨于主體壁厚，產品翹曲變形量小；

(2) 優化模溫、保壓時間可以改善翹曲變形；

(3) 由于是開模后產品翹曲的優化，后續新開傳動齒輪可以采用此種分析方法，開模前優化好模型，節約試模及生產成本。