基于CAE技术的注塑法兰翘曲变形研究

撰文/徐铭辛 吕育儒 张百年

■中原大学工学院机械工程学系



基于CAE技术的注塑法兰翘曲变形研究

撰文/徐铭辛 吕育儒 张百年

■中原大学工学院机械工程学系

基于CAE技术，利用Moldex3D软件研究不同材料及注塑成型工艺参数对承插式DN32型法兰翘曲变形的影响。通过对法兰的注塑成型工艺过程的数值模拟，分析了不同料温、射出压力及保压压力模式等工艺参数对产品翘曲变形的影响规律。法兰；注塑成型；Moldex3D；翘曲变形

注塑成型是重要的塑料制品成型方式，适于大批量生产形状复杂、尺寸要求精确的塑料制品［1］。计算机辅助工程（CAE）通过建立产品模型网格、设定成型参数，以计算机数值方法进行模拟测试，预测产品性能，并寻找最佳成型参数。注塑工艺参数的设定对制件的翘曲变形有着直接的影响［2］。

翘曲是注塑件变形的重要特征之一。曹雄刚［3］研究了注射时间、熔胶温度、保压压力、保压时间、冷却时间等工艺参数对塑料齿轮翘曲变形的影响。朱宏峰［4］指出翘曲变形主要由收缩不均、冷却不均、取向效应所导致。

注塑法兰的翘曲变形问题会影响法兰的形状精度和表面质量。法兰在接合面有较高的平坦度要求；翘曲变形还会影响到法兰孔位排列的真圆度。不良的平坦度与真圆度可能会导致法兰的应力集中。此研究针对不同料温、不同注塑压力和保压压力模式等成型参数的模拟结果进行比较，并找出最佳成型参数。

产品结构分析与工艺参数

本研究选用DN32 mm型承插式注塑成型法兰件。本文使用Creo Parametric 软件进行法兰件的结构设计，导入Moldex3D Designer建立实体三维网格模型。该法兰采用四浇口设计，浇口分布于法兰螺孔中间位置，浇口尺寸为3 mm × 5 mm针点浇口，冷却水管为6条平行水管，分布于零件上部及下部。建立的三维网格模型元素个数为175419个，模穴体积为199.146 mL。

图1　注塑成型三维模型

探究注塑成型工艺参数对注塑成型法兰产品翘曲变形的影响是基于A.Schulman公司生产的Polyman HH 型ABS材料。根据材料特性，本研究设定在空气温度25 ℃、模具温度60℃、充填时间4.2 sec、开模时间5 sec、顶出温度108.8 ℃下进行。

注塑成型工艺参数如表1所示。

为考察不同注塑成型工艺参数对于注塑成型法兰产品翘曲变形的影响，在不同注塑成型工艺参数下，对零件注塑成型过程中充填、保压、翘曲变形进行分析。

注塑成型分析结果与讨论

在不同的注塑成型参数下，基于空气温度25℃、模具温度60℃、充填时间4.2 sec、开模时间5 sec、顶出温度108.8℃，产品的X/Y/Z方向位移、总位移、体积收缩率及平坦度量测结果如表2、表3、表4、表5所示。

对照组的参数为料温235℃、注塑压力70%（一段式）、保压压力（参照充填结束压力）70.3%（9.9 sec时）、56.2%（13.2 sec时）、45.0%（16.5 sec时）。对照组的翘曲变形分析结果如表2所示。

当料温设定为210℃及260℃时，翘曲变形分析结果如表3所示。当料温为210℃时可以获得最小的位移，在此温度下，体积收缩率和平坦度均为最佳。根据材料的黏度图及P-ν-T图，可以发现该材料在210℃下有较高的黏度及较小的比容。

通过充填结果及保压结果可以发现，料温为210℃时的固化层的厚度比对照组及料温260℃时的固化层厚度厚，这意味着在低料温时固化程度较高。固化比例增加会减少流动路径的截面积，同时也会增加流动阻力和浇口压力及分子配向性等，但产品顶出后中心温度较低，温度差异较小，其冷却较为平衡，收缩也较为均衡，因此在210℃的料温下，产品的翘曲变形结果较佳。此外，ABS材料在料温过高时容易分解，因此料温不宜设定过高。

当注塑压力由一段式70%变更为三段式40%-70%-100%及三段式100%-70%-40%，转变时间分别为25%和50%。翘曲变形分析结果如表4所示。当注塑压力为一段式70%时可以获得最佳结果，根据进浇口压力及锁模力数据，可以发现熔胶将在0.81 s，约20%时间下通过浇口进入模穴。在初始低注塑压力模式下，注塑流动速率受到影响，流道位置将产生较厚的固化层，使流动管路变得狭窄。在三段式初始高注塑压力模式下，浇口处的高注塑速度易导致喷射流和高剪切力。

保压压力由三段式70.3%-56.2%-45.0%并参照充填结束压力变更为一段式100%并分别参照充填结束和参照设备压力上限。翘曲变形分析结果如表5所示。在保压压力为一段式100%并参照机器压力上限时获得最佳结果。

不足的保压压力或时间会导致补偿收缩作用较小，从而可能使产品表面产生缩凹。虽然在较大的保压压力下一般会减少体积收缩，但是也需要较高的夹模力，也可能产生高残留应力。

结论

本文基于CAE技术，利用Moldex3D软件研究了注塑成型工艺参数对承插式DN32型法兰翘曲变形的影响，考察了零件翘曲变形随料温、注塑压力及保压压力等注塑成型工艺参数的变化。

对于该ABS承插式DN32型法兰，料温、注塑压力及注塑压力等工艺参数对产品的翘曲变形具有显著影响。其中，料温及保压压力模式对翘曲变形影响较为显著。

产品的翘曲变形与其注塑压缩参数的原理有关。一方面料温影响熔胶的流动性、固化程度等；另一方面注塑压力要考虑到材料的流动性以及产品的物性等，高速注塑还需考虑由于摩擦而产生的剪切热；此外，通常保压压力越大，产品的体积收缩率越小，但需要考虑到机台需要有较大的夹模力，还应避免产生高残留应力。

表1 注塑成型工艺参数

表2 对照组翘曲变形分析结果（最大位移）

表3 不同料温的翘曲变形分析结果（最大位移）

表4 不同注塑压力模式的翘曲变形分析结果（最大位移）

表5 不同保压压力模式的翘曲变形分析结果（最大位移）

参考：

［1］王利霞，余晓容，申长雨.CAE技术在注塑成型中的应用［J］.化工进展，2004，23（3）：260

［2］孙普，李永泉，李峰.注塑成型工艺参数对汽车保险杠翘曲变形的影响研究［J］.塑料工业，2011，39（5）：49

［3］曹雄刚.基于模具CAE技术的塑料齿轮注射成型工艺参数的优化研究［D］.甘肃：兰州理工大学，2007：38-52

［4］朱宏峰.随形冷却对注塑成型制品翘曲变形影响研究［D］.江西：南昌大学，2014：11