汽车散热风扇注塑成形试验分析与优化

陈卜宁，吴淑芳*，苗润忠

（1.长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；2.长春理工大学生命科学技术学院，吉林 长春 130022）

塑料材质的散热风扇质量较轻，不易生锈，运行噪音低，越来越多地被应用在汽车上。由于风扇工作时高速旋转，如果注塑生产的风扇变形过大将会影响其正常工作，因此需要进一步提高注塑成形工艺，减少风扇的翘曲变形，使其具有较高的结构强度和较好的表面质量。

王建康等[1]通过数值模拟研究电风扇开关按钮热流道叠层模，对热流道普通模、叠层模的流动填充过程进行模拟，从充模时间、最大锁模力、剪切速率、冷却时间进行比较，最终采用热流道双层叠模方案，降低了注塑成本，提高了生产效率。李锐传[2]研究发动机散热风扇罩注塑成形工艺优化设计，以散热风扇罩为研究对象，分析注塑成形出现的翘曲变形、成形周期过长等问题，对注塑工艺参数和模具结构进行优化，改善模具浇注系统。胡邓平等[3]基于MoldFlow 分析薄壁风扇叶注射工艺及流道设计，针对薄壁风扇叶片在注射成形过程中容易产生熔接痕和气穴等问题，采用对称3 点测浇口熔体的流动方案，对流道结构进行优化，将熔接痕和气穴减到最小值，为风扇叶片的模具制造和生产工艺提供了参考。

本文结合散热风扇实际注塑成形的生产要求，通过ANSYS 对散热风扇进行载荷分析，得到应力分布图和形变分布图，然后利用Moldflow 软件对风扇进行模流分析，使用DOE 单变量试验法，分析注射时间对零件各质量标准的影响，生成2D 响应图，寻找最优注射时间，再使用正交试验分析风扇翘曲变形和体积收缩率的影响因素，寻找最优的参数组合，对注塑成形工艺进行优化。

1 散热风扇的结构特性及材料分析

汽车散热风扇尺寸参数：内径80 mm，外径250 mm，高度50 mm，扇叶厚度约3 mm。叶片表面由样条曲面构成，整个叶片呈光滑圆弧状，风扇中间有用于安装的卡槽结构。利用Catia 软件制作三维模型，在CAD doctor 中进行简化和修复，将修复好的模型导入Moldflow 软件中，然后采用3D 网格划分，如图1 所示。

图1 散热风扇网格图

散热风扇选用材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，具有机械强度高、热塑性好、易加工等特点。材料易吸收水分，使用前进行干燥处理，选择材料的加工参数如表1 所示。在风扇的几何中心位置选用直浇口浇注，选用一模两腔对称结构，选择分析序列为：填充＋保压＋翘曲分析，并分离出翘曲原因。冷却回路按系统默认参数，其他工艺条件选择系统默认工艺参数[4]。

表1 材料加工参数

2 利用ANSYS 分析风扇受力情况

根据散热风扇的结构设计，利用Ansys 软件对散热风扇进行应力分析，主要研究对象为扇叶，因此将受力点设在扇叶的上表面，分析具体的受力状况、载荷分布和变形情况。

先在ANSYS 的Import 中设置材料属性，重新输入材料Polyamide，设定密度1.25 g/cm3，弹性模量2 600 MPa，泊松比0.4，剪切模量929 MPa 等参数[5]。图2 为网格划分和载荷分布情况。风扇运转时受到风的阻力主要作用在扇叶上表面。模拟约束如下：如图2(b)所示，图中A表示中间轴受固定约束，B表示扇叶的上表面曲面处受压力F作用(模拟风的阻力)，C表示扇叶背面受无摩擦约束(在扇叶背面，图中无显示)。通过扇叶的应力、形变的分布情况，模拟散热风扇在汽车上工作时的受力情况。

图2 散热风扇网格划分及载荷分布图

散热风扇的等效应力和总变形分布情况如图3所示。根据扇叶背面应力、应变的分布情况，可以得出风扇最大变形区域是扇叶的中间靠上位置处，即图中红色区域，而且此位置受到的等效应力也最大。经过实际调查，散热风扇此位置在工作时受到空气阻力的冲击较大，属于应力较集中的位置，因此在注塑生产中，应减少此位置的熔接痕、气穴等问题，提高该位置的注塑质量。

3 风扇模流分析

图3 散热风扇等效应力图及总形变图

风扇的尺寸较大，为寻找最合适的浇注条件，使用DOE 单变量试验法，分析注射时间对零件各质量标准的影响，生成2D 响应图，寻找最优注射时间。如图4 所示，注射时间在0.1 s 时，图4(a)的体积收缩率最小，约为3.5%，图4(b)的零件质量最好。当注射时间为0.11 s 时，图4(c)冷却时间最小，约为26.18 s。注射压力随注射时间的增加而逐渐降低，如图4(d)所示。因此，0.1 s 是较合理的注射时间。

下面研究注射时间为0.1 s 时风扇的变形情况。翘曲变形是由于材料的内应力不同而导致其收缩率不一致，使塑件形状偏离模具型腔的形状，是注塑成形中主要缺陷之一[6]。从图5 可知，图5(a)总的翘曲变化最小值为0.098 mm，图5(b)在X方向最小变形量0.115 mm，图5(c)在Y方向最小变形量0.114 mm，而图5(d)在Z方向最大变形量0.095 mm，与前3 项不同，因此需要分析其他因素对翘曲变形的影响，寻找最优参数。

在DOE 单变量试验法中，分析得出0.1 s 是最优的注射时间，然后具体模拟出风扇在0.1 s 时的填充时间、流动前沿温度、体积收缩率、总变形等数值[7]。

图4 注射时间对各质量标准的影响

图5 翘曲变形分析

填充结果如图6(a)所示，填充所用时间为0.106 5 s 左右，填充流动比较平衡，等值线分布得比较均匀，没有出现短射的现象。图6(b)为流动前沿温度示意图，温度在249.6～255.1 ℃之间，分布大致均匀，模型的最大温差6 ℃，符合最大温差小于20 ℃ 的注塑要求，不会引起翘曲变形。体积收缩率会造成制件翘曲、缩痕以及关键尺寸变小和制件内部空洞等缺陷，会影响最终的成形尺寸和形状。图6(c)为体积收缩分布图，收缩率基本为2.98%，收缩率整体分布均匀，成形质量较好。如图6(d)所示，总的变形为0.501 1 mm，翘曲变形较大，需进行优化，找到最优的注塑工艺参数。

图6 散热风扇流动分析

4 正交试验设计

正交试验是利用正交表科学的分析和计算多因素试验的方法。本文采用三水平四因素正交表，试验指标是翘曲变形量Q和体积收缩率T。经过相关调查确定影响因素为：熔体温度A、模具温度B、保压时间C 和保压压力D，如表2 所示，试验方案及结果如表3 所示[8− 10]。

表2 因素水平表

对9 组试验进行极差分析，通过极差分析能够简单直观地看出试验因素A、B、C、D 对试验指标的影响程度。计算处理得到的极差结果如表4 和表5 所示。

由表4 极差分析可得出，R 值代表着因素水平对翘曲变形量Q影响的程度，数值越大代表影响的程度越大。因此影响程度从大到小依次为：保压压力D ＞ 模具温度B ＞ 保压时间C=熔体温度A。得到的最优工艺参数组合为A1B3C3D3，即熔体温度为240 ℃，模具温度为70 ℃，保压时间为12 s，保压压力为140 MPa。

表3 试验方案及结果

表4 翘曲变形极差分析

由表5 极差分析可得出，Z 值代表着因素水平对体积收缩率T影响的程度，从大到小依次为：熔体温度A ＞ 保压时间C ＞ 保压压力D ＞ 模具温度B。得到的最优工艺参数组合为A1B2C3D2，即熔体温度为240 ℃，模具温度为60 ℃，保压时间为12 s，保压压力为120 MPa。经过上述分析，用Moldflow软件对最优参数组合进行分析，所得的分析结果如图7 所示，分析得到最小翘曲量为0.291 1 mm，最小体积收缩率11.94%。

表5 体积收缩率极差分析

图7 最优参数组合模拟图

5 结论

1）通过Ansys 软件对散热风扇进行力学性能分析，得到散热风扇应力集中在上表面的中间及靠上位置处，而且此位置总形变也最大。

2）通过DOE 单变量试验，分析2D 响应曲线图，得出0.1 s 是最优的注射时间。

3）各因素对翘曲变形量Q影响程度从大到小依次为：保压压力D ＞ 模具温度B ＞ 保压时间C=熔体温度A。最优工艺参数组合为A1B3C3D3，即熔体温度为240 ℃，模具温度为70 ℃，保压时间为12 s，保压压力为140 MPa。

4）各因素对体积收缩率T影响的程度从大到小依次为：熔体温度A ＞ 保压时间C ＞ 保压压力D ＞模具温度B。最优参数组合为A1B2C3D2，即熔体温度为240 ℃，模具温度为60 ℃，保压时间为12 s，保压压力为120 MPa。

5）选取最优工艺参数进行模拟，分析得出最小翘曲量为0.291 1 mm 和最小体积收缩率11.94%。