基于MoldFlow的暖风机出风格栅翘曲变形优化研究*

赵庆晨，王瑞静，陈明星，蔡国旗，陈瑞珠

(珠海格力精密模具有限公司，广东 珠海 519000)

关键字： 玻纤取向；翘曲变形；Moldflow

0 引言

翘曲变形是注塑成型中最常见的缺陷，零件翘曲变形量大会引起尺寸超差，装配困难等问题。因此优化翘曲变形一直是注塑从业者研究的重点课题。随着CAE技术的发展，一些学者利用Moldflow对高分子材料的翘曲进行仿真[1-2]，并在仿真的基础上对注塑成型进行了优化[3-7]。对于家电行业某些使用性能要求较高的场合，一般会采用含有玻纤等填充物的材料以提高产品强度。而含玻纤材料的产品，由于玻纤在注塑过程中的取向作用，玻纤沿流动方向和垂直流动方向的收缩率不同，使产品的变形量非常难控制。本文采用Moldflow仿真分析方法，优化了产品结构并调整浇口位置以寻求最佳的注塑工艺参数，解决了加纤产品翘曲变形问题，保障产品达到质量要求。

1 基于Moldflow的仿真优化方法

在实际生产过程中，通常采用优化工艺参数的方法来减少产品的翘曲变形。但是影响变形的因素有很多，实际生产的时候多数参数值已经固定，笔者在解决实际工程案例的过程中，结合产品结构特征，提出优化方法，调整工艺参数，减少产品变形[8]。首先将引起变形的原因进行拆解，分析引起翘曲变形的最根本原因并提出解决方案，在开制模具之前将产品变形量控制在装配公差范围内。

2 基于Moldflow研究变形机理

2.1 研究对象

暖风机是一种重要的冬季取暖设备，其对外观造型有较高要求。市场上流行的一款方形暖风机，其出风格栅在加热元器件前方，要求耐高温达140 ℃以上，并且不发生变形。如图1所示，暖风机出风格栅产品最大外形尺寸： 281.0 mm×100.3 mm×51.7 mm，产品平面主体料厚2.8 mm，筋条料厚1.5 mm。材料采用Solvay Engineering Plastics公司生产的PA66+GF30材料，即基材为PA66且添加30%(质量分数)玻璃纤维填充物(玻纤)。其中，玻纤为短玻纤。进胶方式采用冷流道侧浇口，矩形浇口尺寸为5.0 mm×1.2 mm，分流道直径为6 mm。零件两端有装配要求，格栅两侧与外壳装配公差不能超过1 mm。

图1 格栅料厚分析

2.3 材料及变形原因分析

PA66材料中添加的玻璃纤维填充物在注塑过程中会发生取向作用，严重影响材料流动分布和变形情况。采用Moldflow软件对零件进行纤维取向分析，在仿真结果中数字代表纤维取向张量。其中，结果数字为1，表示纤维沿塑胶流动方向取向；结果数字为0，表示纤维取向完全随机分布。纤维沿流动方向收缩率小，沿垂直流动方向收缩率大，相同壁厚下，纤维取向不均是引起变形的重要原因。

3 翘曲原因及优化分析

3.1 翘曲原因分析

在Moldflow软件中，将产品模型划分网格进行CAE分析，结果如图2所示。产品装配位置分析变形量约1.5 mm，不满足装配公差要求。将翘曲原因拆分为4个因子，由分析可知，冷却不均、角效应2个原因引起的翘曲变形较小；收缩不均引起约0.2 mm的翘曲变形，取向不均引起1.0 mm的翘曲变形，重点从后两点进行翘曲优化分析。

图2 原始模型变形量分析

3.2 翘曲优化分析

由图1可知，产品主体料厚为2.8 mm，料厚较为均匀，因此料厚不是收缩不均的主要原因，需要增加产品结构强度，将产品两端非外观侧尽量增加平行于产品长度方向的筋条，如图3所示。筋条与产品平面接触的大端料厚是主体壁厚的0.4倍，可以避免外观侧缩水，又最大限度地增加了产品结构强度，按照此原则进行更改。更改前产品体积为114 410 mm3，更改后产品体积为123 655 mm3，体积增加9 245 mm3，体积占比8.08%。改性PA66+GF30原材料单价28元/kg，单件增加成本0.26元。因出风格栅为关键零件，且作为外观件对于产品表面质量和装配要求极高，成本增加可接受。

(a) 更改前

(b) 更改后

图4为在Z方向上的变形结果图。如图4(a)所示，在原浇口位置保持不变的情况下(浇口在产品长度方向一侧)，对产品两端部动模侧增加筋条后的模型进行CAE分析。由图4可知，增加筋条之后，产品装配位置最大变形约0.73 mm，小于1.0 mm的装配公差要求。由于PA66材料的高结晶性，成型后分子链能够进一步定向排列二次结晶，引起产品后收缩，仍能够导致产品进一步翘曲变形，0.27 mm的理论公差不能够满足要求。如图4(b)所示，在不影响装配的前提下，将浇口位置移到端部且增加筋条，进一步分析翘曲变形，变形量明显减小。由图4(b)可知，两端翘曲变形量约为0.3 mm，远远小于1.0 mm的公差要求，能够达到变形量优化效果。

图5为Moldflow软件中纤维取向局部分布图。如图5(a)所示，在不改变浇口位置的情况下(浇口在产品长度方向一侧)，增加筋条，端部装配位置纤维取向数值为0.52～0.72，平均值为0.62，产品中间格栅部分纤维取向数值为0.76～0.90，平均值为0.83。由图5(a)可知，产品端部相较于产品中间格栅部分，纤维分布杂乱，沿产品长度方向，端部收缩率大。如图5(b)所示，在不影响装配的前提下，将浇口位置移到端部且增加筋条，对比前后纤维取向可以发现，浇口移动到端部后，除浇口点附近纤维杂乱分布，产品端部纤维取向为0.59～0.82，平均值为0.70，产品中间格栅部分纤维取向数值为0.81～0.94，平均值为0.87。说明移动浇口后，产品沿长度方向纤维取向数值更趋向于1，纤维沿同一方向流动；且端部纤维取向与中间格栅部分纤维取向差值减小，产品沿长度方向的体积收缩率差异也会减小。

(a) 增加筋条，未优化浇口位置

(b) 增加筋条，优化浇口位置

综上所述，在不影响装配的前提下，将浇口位置移到端部且增加筋条，比原浇口位置增加筋条或不增加筋条，变形结果均有所改善。

(a) 增加筋条，未优化浇口位置

(b) 增加筋条，优化浇口位置

4 效果验证

根据仿真结果将模型进行优化，再进行试验验证。结果显示： 产品变形量明显减少，边缘平齐，装配匹配度较高。实际装配效果如图6所示，出风格栅和外壳之间的装配段差实测为0.2 mm，与分析结果高度吻合，满足质量要求。

图6 效果验证

5 总结

以实际工件为案例，基于理论分析，并利用Moldflow仿真软件对优化方案进行迭代验证，找到能够解决问题的最优方案，并应用于实际生产中，获得合格的产品。总结得出以下结论。

1) 含玻纤类零件，注塑过程中玻纤取向是引起变形的主要原因，通过移动浇口位置，改变玻纤取向，可以有效控制产品变形。

2) 材料本身收缩率的差异，同样是引起变形的因素，增加产品局部结构强度是解决变形问题的有效补充手段。

3) 通过移动浇口位置结合增加产品局部强度，可以解决实际翘曲变形问题。