基于CAE和DOE技术的薄壁塑件翘曲变形分析及优化

孙健华　顾海　张捷

摘要：

以某型号仪表显示器外壳为研究对象，采用CAE和DOE技术对其在注塑过程中出现的翘曲变形缺陷进行数值模拟试验，研究熔体温度、模具温度、保压压力和保压时间等成型工艺参数对翘曲变形的影響，并根据试验数据进行极差分析，进而对工艺参数进行优化，获得最佳工艺参数组合.该工艺参数组合可提高塑件注塑质量和生产效率，缩短试模周期，对薄壁塑件的生产实践具有参考意义.

关键词：

薄壁塑件； 仪表外壳； 注塑成型； 翘曲变形

中图分类号： TQ320.66

文献标志码： B

1 引 言

注塑成型具有可以生产和制造形状较为复杂的制品、易与计算机技术结合、易于实现自动化生产等优点，已成为主要的塑料成型方法.[1]薄壁件壁面较薄、流长比大，所以熔体达到较长流动距离的能力弱，成型难度大.翘曲变形程度是衡量薄壁件注塑质量的重要指标之一.[2]张继祥等[3]采用Moldflow模流分析研究各工艺参数对翘曲变形的影响规律，通过优化分析得到最优工艺方案，可显著减少塑件翘曲变形；ERZURUMLU等[4]利用Moldflow分析研究不同材料及结构的塑料发生翘曲变形量，并通过优化参数减小变形量.

研究表明，在薄壁塑件成型研究过程中，结合CAE技术，可以确定对研究指标的影响较大的工艺条件.利用DOE，应用正交矩阵执行最少的实验次数而获得有效的实验信息，使用该技术查看某些干预（如更改实验工艺变量）对零件质量的影响.与传统的试凑法实验相比，DOE可从测试数据的生成阵列获得数量显著增多的高质量信息.

本文选取薄壁塑件——某型号仪表显示器外壳——作为研究对象，采用基于AMI软件的DOE技术对其进行数值模拟，预测其注塑缺陷，并提出优化方案，为改善薄壁件注塑质量提供依据.

2 薄壁塑件翘曲原因及成型工艺参数影响分析

薄壁注塑成型容易出现翘曲变形、熔接痕及欠注等问题，这是由于塑料熔体进入模腔后，容易形成流动性较差的冷凝层，熔体在模腔内流动的区域变小，导致流动阻力增大、压力损失增大，以及在冷却时收缩不均匀等[56]，除此之外，内部残余应力也是造成薄壁塑件翘曲变形的重要因素.[7]

根据实际生产经验，影响塑件翘曲变形的因素包括模具结构、产品结构、制品材料及成型工艺参数等，其中成型工艺参数的影响巨大.[89]

2.1 模具温度的影响

在薄壁件注塑时，模具温度高会降低聚合物熔体的冷却速度，导致收缩过大，延长冷却时间；但是模具温度会使熔体填充不充分，形成欠注，同时在离浇口位置较远处的保压压力得不到有效传递，易引起塑件各部位收缩差异大而产生翘曲及熔接痕等问题.

2.2 熔体温度的影响

诸多研究表明，薄壁件注塑过程中当熔体温度较低时，在充模过程中所受的应力由于冷却速度过快而来不及释放，会使塑件产生翘曲变形；当熔体温度过高时，流动性提高，利于充模，但是会导致塑件体积收缩增大，易产生变形，必须加大保压压力来满足较好的保压效果.因此，选取合适的熔体温度可降低翘曲变形程度.

2.3 保压时间的影响

保压时间的设定与薄壁件注塑过程中浇口的凝固时间有关：若保压时间缩短，则浇口在保压完成时没有完全凝固，会使熔体回流，影响浇口处收缩；若保压时间延长，则浇口在保压时间完成前就完成凝固，对塑件影响不大，但保压时间过长会降低生产效率.因此，选择合适的保压时间可提高塑件注塑质量及生产效率.

2.4 保压压力的影响

一般情况下，增加保压压力会减少塑件的体积收缩率，改善翘曲变形问题，但是过高的保压压力会使塑件产生残余应力，过低的保压压力会使塑件在各部位的收缩大小不同，进一步增加塑件翘曲变形.

综上所述，成型工艺参数的合理确定直接影响薄壁塑件的翘曲变形量大小，因此，基于CAE与DOE技术，合理选择成型工艺参数非常重要.

3 实验准备

3.1 塑件三维建模

分析对象选择某型号仪表显示器外壳，结构尺寸为72.5 mm×138.0 mm×27.2 mm，壁厚为1 mm，见图1.制件表面要求光滑，不能有明显的注塑缺陷，同时需具备良好的力学性能以及优良的耐热性、电性能和化学稳定性等，聚丙烯PP材料能满足要求，牌号为Polyfort FIPP MKF 4025.

3.2 网格划分与最佳浇口位置选择

塑件进行数值模拟分析的前提是将CAD模型生成合适的有限元分析模型.AMI软件可以利用Midplane分析技术进行模流分析仿真三维熔体流动，具有分析速度快、效率高的特点，同时可得到较准确的结果.模型网格划分见图2.修改模型后的网格单元数为10 034 个，纵横比最大为29.7，平均为3.48，匹配百分比达到89.7%，符合AMI分析要求.利用Best Location功能分析塑件的最佳浇口位置，结果见图3.

3.3 浇注及冷却系统设置

浇注系统和冷却系统设计正确与否直接关系到注塑成型的效率和塑件质量，只有顺利将压力传递到型腔的各个部位，才能获得组织细密、外形清晰、表面光洁、尺寸稳定的塑件.根据文献[10]的研究结果，结合最佳浇口位置分析结果，浇注系统和冷却系统设置结果见图4.

3.4 确定试验方案

将翘曲变形量作为衡量塑件表面质量的指标.根据实践经验，将注塑工艺参数熔体温度θmelt，模具温度θmold，保压压力P，保压时间t列为试验因素，确定试验因素和水平表，见表1.

4 试验结果分析

计算各因素在不同水平下的平均值，并计算极差R，结果见表3.Kij代表j因素在i水平的作用下的翘曲变形量指标的平均值，由Kij计算极差Rj，根据极差大小，可以判断各因素的影响大小：Rj越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，说明该因素就越重要；反之，Rj越小，影响就小，说明该因素的重要性相对较小.[1012]根据表3结果，为直观分析指标与各因素水平波动的关系，绘制因素与试验指标趋势图，见图5.

对显著性进行检验，列出方差分析表，见表4.由表4可以看出，在不考虑工艺参数相互影响的情况下，对于该PP材料，各因素对翘曲变形的影响大小顺序依次为熔体温度>保压压力>模具温度>保压时间.过高的熔体温度将增大成型固化时的温降，导致因快速冷却残留大量内应力而出现翘曲，因此，适当降低熔体温度有助于减少翘曲变形.另外，适当增加保压压力，型腔内的熔体被压实，也有助于减少体积收缩率，进而改善翘曲变形缺陷.

5 优化结果分析

选取各因素中均值最小的水平即为各工艺参数的最优组合，最佳工艺方案是A3B2C3D2，即选用熔体温度260 ℃，模具温度90 ℃，保压压力90 MPa，保压时间13 s.根据最佳工艺方案模拟试验，得到的最终翘曲变形量为0.290 8 mm.

6 结 论

（1）选取的4个主要影响因素中，熔体温度对薄壁塑件翘曲变形的影响最大，若要减少变形量，须首先考虑降低熔体温度.

（2）4个因素对薄壁塑件翘曲变形量均有不同程度影响且共同作用，当熔体温度为260 ℃，保压压力为90 MPa，保压时间为13 s时，翘曲变形量最小，为最优组合.

（3）利用CAE与DOE相结合的技术，可以优化薄壁塑件成型工艺参数，通过较少的模拟试验，能够获得较好反映研究指标的结果，解决传统试凑的盲目性，对提高塑件质量，降低企业生产成本具有积极的意义.

（4）薄壁塑件的外观质量缺陷不止翘曲变形，还有欠注、熔接痕等缺陷.本文仅对翘曲变形的4个影响因素进行研究.实际上，成型工艺参数仅是一方面，薄壁塑件的外观质量的影响因素涉及产品结构、模具结构、制品材料等方面，各方面相互牵连，影响程度不尽相同，需要系统性考虑.

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（编辑 武晓英）