基于Moldflow的含玻纤塑料零部件翘曲变形优化

温英兰　王刚　应佳豪　严胜义　胡光良　林颖

【摘  要】翘曲变形是注塑成型工艺中常见的缺陷之一，含玻纤增强的塑料件变形尤其难以控制。基于Moldflow软件，以含玻纤增强的汽车内饰塑料件为研究对象，分析其变形的根本原因，从结构、工艺角度改善，并在Moldflow中进行优化模拟，最终在实际注塑时验证有效性，变形情况得到明显改善，能满足使用要求。

【关键词】注塑成型；Moldflow；玻纤；翘曲变形；各向异性

中图分类号：U463.6    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）09-0086-02

Optimization of Warping Deformation of Glass-fiber Reinforced Plastic Parts Based on Moldflow

WEN Yinglan，WANG Gang，YING Jiahao，YAN Shengyi，HU Guangliang，LIN Ying

（Zhejiang Changjiang Automobile Electronic Co.，Ltd.，Wenzhou 325025，China）

【Abstract】Warping deformation is one of the common defects in injection molding process，and the deformation of glass-fiber reinforced plastic parts is particularly difficult to control. Based on Moldflow software，taking the glass-fiber reinforced plastic part as the research object，the root cause of deformation was analyzed，and the structure and process were improved，and the optimization simulation was carried out in Moldflow. Finally，the effectiveness was verified in the actual injection molding，and the deformation was significantly improved to meet the requirements of use.

【Key words】injection molding；Moldflow；glass-fiber；warping deformation；anisotropy

作者简介

温英兰（1994—），女，助理工程师，主要研究方向为模流分析。

翹曲变形是指塑料件的成型偏离了模具型腔的形状，是实际注塑过程中最常见的缺陷[1]，特别在含玻纤增强的塑料精密零部件装配中，如果翘曲变形量太大会导致尺寸超差、装配卡滞，以及装配后内应力大，甚至使用过程中应力集中处易损坏导致零部件失效，因此翘曲变形优化研究一直是注塑业的热门课题。本文基于Moldflow软件，深度解析（含玻纤增强）零部件的翘曲变形关键因素，并从结构、工艺角度优化翘曲变形量，以保证满足使用要求。

1  翘曲变形机理

假设一个零部件在所有方向和所有位置都能均匀收缩，则零部件只会变得越来越小，不会发生翘曲。而所谓的翘曲是指不均匀收缩产生的应力超过零部件刚度或屈服强度后引起的变形，其中收缩不均表现为以下3点[2]：①不同区域间的收缩不均匀；②厚度方向上的收缩不均匀；③分子取向平行方向与垂直方向上的收缩不均。

当考虑如何引发翘曲时，Moldflow将整体翘曲分为如下4个变量[3-4]：①冷却不均；②收缩不均；③取向效应；④角效应。

2  含玻纤塑料零部件的变形机理

纤维或塑料分子的取向排列会导致平行和垂直于材料取向方向上出现收缩率差异，这与流动方向大致相同。通常情况下，无填充物的材料平行于流动方向上的收缩率更大，而含玻纤增强的材料流动方向上的收缩率往往会受阻，因此垂直于流动方向上的收缩率会更大[5]，如图1、图2所示。含玻纤材料和一般材料相比，由玻纤取向引起的变形往往占主要因素，而常规材料的分子取向引起的变形一般比较小。

由于玻纤对收缩率的影响较为复杂，所以收缩行为可能会随零部件结构、浇口位置、工艺设置、玻纤含量和取向的变化而发生变化。采用Moldflow可准确预测零部件的翘曲变形量，通过分离和研究引起翘曲变形的原因，提出对应的改善方案。

3  含玻纤塑料零部件的翘曲变形优化案例

3.1  问题描述

该零部件为某汽车空调面板总成的底座，产品最大外形尺寸为310×47×56mm，产品平均肉厚2mm，材料为PP-GF30，因零部件Z向（开模方向）翘曲变形量达2.72mm，如图3所示，变形较大不满足使用要求，需通过Moldflow分析优化零部件变形以满足使用要求。

3.2  分析前处理

要获得准确的填充、保压、冷却和翘曲结果，好的有限元模型和网格品质至关重要。目前Moldflow的网格类型有3种，分别为中性面网格、双层面网格和3D网格[3]。根据模型的特点，为简化模型和减小计算量，在导入时采用双层面网格。另外，为了提高分析准确性，对网格纵横比、交叉点及自由边等问题进行优化，以确保网格没有缺陷。通过对网格优化，有限元分析网格模型及网格信息统计如图4所示。

3.3  优化前分析

由零部件翘曲变形结果（图5）可得零部件Z向变形2.73mm，与实际变形2.72mm相当接近，不满足结构使用和要求。由零部件变形原因分离结果（图6）可得出收缩不均、取向不均是零部件变形的主要原因。后续，我们将从这两个角度进行优化。

3.4  优化改善

对于含玻纤的零部件，需优先采用一头进胶，保证流动平衡和收缩一致。因原始方案采用中间2点进胶，且产品较大，浇口改动成本较高。考虑到修模成本，优先从工艺角度优化零部件变形。

1）工艺方面：通过不同的保压方式分析发现保压大小对零部件Z向变形影响较大，采用先小后大的保压压力更有助于保证零部件Z向变形量，但变形量1.11mm仍不能满足零部件设计及使用要求，如图7所示。

不同模温分布下的零部件变形如图8所示，通过前后模温的改变对比分析可知，模温对零部件Z向變形几乎没有影响，需进一步改善优化。

2）零部件结构：在零部件另一侧添加高5mm、厚1.2mm红色筋位，以增加零部件自身结构的平衡性，采用“抽筋断骨”法切断零部件底部红色标识筋位来降低零部件底部筋位的结构强度以及玻纤取向百分比（具体结构见图9），进而减小零部件结构和各向异性收缩对零部件变形带来的影响，从而降低零部件的变形量。

优化后产品Z向变形0.42mm左右，相比原始方案的变形值2.7mm减小了2.28mm，改善效果明显，最终零部件实物平面度较好，如图10、图11所示，基本满足零部件使用要求。

4  结论

翘曲变形是汽车零部件经常出现的一类问题，此次变形优化基于Moldflow软件从结构、工艺方面减小各向异性收缩和保压压力对变形的影响，从而降低零部件变形量，效果较为明显，为实际工作中含玻纤零部件翘曲变形提供一个新思路。

参考文献：

[1] 赵建. 基于翘曲分析的注塑模工艺参数的优化[J]. 中国塑料，2008，22（11）：61-65.

[2] 陆宝山. 注塑缺陷原因分析及改善对策[J]. 机械制造与自动化，2009，38（4）：84-87.

[3] [美]Jay Shoemaker. Moldflow设计指南[M]. 成都：四川大学出版社，2010.

[4] 傅建钢，卢炎麟. 基于模流分析技术的塑件翘曲变形优化研究[J]. 机械，2016，43（2）：13-17，21

[5] 徐以国. 基于Moldflow的玻纤类零部件翘曲优化方法研究[J]. 上海汽车，2016（6）：57-62.

（编辑  凌  波）