基于Moldflow的车载显示器后壳翘曲变形分析＊

池寅生，孙庆东，张翔

基于Moldflow的车载显示器后壳翘曲变形分析＊

池寅生，孙庆东，张翔

（扬州市职业大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009）

翘曲变形是导致车载显示器后壳塑件质量缺陷的重要原因之一。应用Moldflow软件对此产品注塑成型过程中引起翘曲变形的潜在原因如冷却不均、收缩不均等因素进行有限元分析与质量预测，发现了收缩不均是导致翘曲变形的主要原因。结合解决收缩不均的常用策略，对模温、料温、注射时间和保压压力进行了参数调整。通过分析发现降低模温、增加料温、延长注射时间和增加保压压力有利于减小翘曲变形量。获取了相对最佳的注塑成型工艺参数，即模具温度为40 ℃，熔体温度为255 ℃，注射时间为1.8 s，保压压力为最大注射压力的99%，可以将此产品的翘曲变形量比初始注塑工艺方案减少21.6%。

Moldflow；翘曲变形；注射压力；翘曲变形

当今，在注塑成型及模具设计工程技术中，基于高分子流变学、传热学、有限元数值计算和计算机图形学等理论的CAE技术已被广泛应用。其优势是在模具加工前，计算机CAE技术可对塑料熔体在模具型腔中的填充、保压、冷却等成型状况进行计算分析和动态模拟，进而预测模具结构和注塑成型工艺条件对产品质量的影响，发现潜在的产品缺陷。工程设计人员能够及时地进行设计更正和成型参数优化，从而极大地提高了一次试模的成功率，有助于模具制造企业缩短开发周期和降低生产成本。

车载显示器后壳属于典型的汽车内饰塑件，具有较为严格的装配和外观要求，因此尺寸精度要求较高，需要严格控制成型的翘曲变形量。采用传统的经验法，工艺人员通过不断改进试模的工艺参数寻求减少翘曲变形的最佳方案，但该方法对工艺人员的技术要求较高，且效率低下[1]。为此，需要在试模前运用注塑模CAE技术对此塑件的翘曲成型缺陷进行深入研究，实现注塑成型工艺参数的优化，并为注塑工艺和模具结构的合理性提供科学的依据。

谭安平等[2]利用Moldflow模流分析软件对PC/ABS汽车后视镜的翘曲变形进行预测，对模具浇口位置、冷却系统进行了优化，并调整了注塑时的保压参数；蔡国辉等[3]进行了水龙头成型的填充和翘曲分析，得到引起翘曲变形的主要原因，并对保压方案进行了优化；张军枚[4]采用CAE技术分析夹肉机上、下手柄发生翘曲变形的原因，优化了浇注系统的设计方案；魏翔宇等[5]运用信噪比和灰色关联分析法，对影响车灯装饰框体积收缩率和翘曲变形量的工艺参数进行优化。本文基于Moldflow软件对车载显示器后壳进行注塑成型仿真，从注塑成型工艺角度分析了此塑件产生翘曲的原因，并在此基础上对工艺参数进行了优化。

1 原设计方案描述

本文研究的车载显示器后壳是某公司开发的车载娱乐产品，外观如图1所示。此塑件总体尺寸为251.5 mm× 99.8 mm×26 mm，料厚2 mm，其材料选用的是奇美ABS777。为了保证浇口的位置尽量不影响制品的外观质量，因此设计中将浇口位置放置在偏离中心（﹣30，﹣20）的LOGO贴标处。主流道的小端直径为3.5 mm，锥度为1.5°，长度为80 mm；同时建立了直径为8 mm、间距为40 mm的上下两组冷却系统。

图1 车载显示器后壳

2 成型缺陷分析及解决策略

2.1 成型缺陷分析

该类制品在试模和生产过程中，其主要成型缺陷为翘曲变形，表现为塑件成品的形状偏离了模具型腔或塑件原本的形状。成型后的塑件发生翘曲变形的原因很多，其内在因素是注塑成型在塑件内部产生的残余应力释放。具体而言，模具结构、塑料收缩率以及注塑成型工艺条件均会对塑件的翘曲变形产生影响。因此，分析导致此塑件残余应力产生的因素显得极为重要。

为便于分析研究，本文设置了如下的初始工艺参数方案。其中，模具温度为50 ℃，熔体温度为230 ℃，注射时间为1.2 s，保压压力为最大注射压力的80%，冷却时间为20 s。在Moldflow软件中，完成了浇注系统和冷却系统的相关设置后实施了初步模拟分析。其分析结果如图2所示。

图2 原方案造成翘曲变形的各因素变形量

由图2可知，此塑件发生翘曲变形的主要原因为取向效应、冷却不均和收缩不均。其中，冷却不均造成的翘曲变形量为0.086 1 mm，占所有因素引起的翘曲变形量的8.6%；收缩不均引起的翘曲变形量为1.002 mm，为最大值；角效应引起的翘曲变形量为0.027 1 mm，仅占所有因素引起的翘曲变形量的2.7%。由结果可知，收缩不均是此塑件翘曲变形的主要原因。

2.2 解决收缩不均的常用策略

根据长期的注塑生产实践经验，塑件出现收缩不均现象的常见原因有[6]：①冷却系统设计不均匀；②模具成型面打磨、抛光质量不理想；③顶出结构位置设计不当；④前后模温差较大；⑤冷却时间太短；⑥模具温度过高或过低；⑦熔体温度不合理；⑧注射时间不当；⑨保压压力较小。其中，前三项与模具结构有关，经核对模具抛光和顶出位置均合理可行，而冷却不均引起的变形量并不在本论文研究的范畴内。另外，查询先前Moldflow的分析结果，在前后模对等位置处查询其温差不超过1.5°，冻结层因子在14.48 s时制品已经全部冻结，少于初始设置值20 s的冷却时间。因此，前述五项不是收缩不均产生的主要原因。本论文研究重点将聚焦第⑥～⑨项，应用Moldflow对不同的注塑成型工艺参数进行多次CAE试验模拟，以期获取较佳的工艺参数方案，实现减少收缩不均、克服翘曲变形的质量隐患。

3 改进方案的CAE模拟

3.1 CAE分析方案设计

结合以上分析判断，本次研究采用4组不同的工艺参数方案对此塑件的翘曲变形量进行CAE模拟分析。考查模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力对翘曲变形的影响，从而寻求最佳的解决方案，改进方案如表1所示。

表1 各改进方案的设计

方案序号模温/℃料温/℃注射时间/s保压压力，最大注射压力的百分数/（%）方案简述 1602301.280%增加模温 2502551.280%增加料温 3502301.880%延长注射时间 4502301.299%增大保压压力

3.2 CAE模拟结果分析

改进方案注塑模拟结果如图3所示。从图3（a）可以看出，增加模温后翘曲变形量为1.031 mm，比原方案的变形数值有所增加；由图3（b）、3（c）、3（d）可知，增加料温、增加注射时间和增加保压压力的翘曲变形量分别为 0.970 8 mm、0.988 4 mm和0.875 1 mm，比原方案的变形数值有所减小。可见，降低模温、增加料温、增加注射时间和增加保压压力有利于减小翘曲变形量。

4 优化设计方案

根据上述改进方案的分析结果和四个工艺参数对翘曲变形的影响趋势，进行了更多的CAE分析和仿真计算试验，获得了优化后的注塑工艺参数，如表2所示。经过Moldflow分析和计算，此优化方案的仿真结果详如图4所示。结果显示，所有因素变形量为0.787 8 mm，比最初方案减少了20.9%；收缩不均引起的变形量为0.786 0 mm，比最初方案减少了21.6%。

5 结论

应用CAE技术对车载显示器后壳塑件进行了注塑成型模拟与仿真，对引起该塑件翘曲变形的各因素进行了分析，并结合引起收缩不均的常见原因调整了模温、料温、注射时间和保压压力的参数数值。分析结果揭示了降低模温、增加料温、延长注射时间和增加保压压力均有利于减小翘曲变形量。通过多次CAE数值仿真试验，获得了一组优化后的成型工艺参数方案，此方案中塑件因收缩不均引起的变形量比初始方案减少了21.6%。为同类塑件产品减少翘曲变形提供了有益的参考。

图3 改进方案注塑模拟结果

表2 优化后的工艺参数方案

方案序号模温/℃料温/℃注射时间/s保压压力，最大注射压力的百分数/（%）冷却时间/s 5402551.899%20

图4 优化方案的模拟结果

［1］王博，蔡安江，李正迁，等.玻璃纤维增强尼龙66复合材料无人机桨叶注塑成型翘曲变形优化［J］.塑性工程学报，2020，27（1）：68-74.

［2］谭安平，刘克威.基于Moldflow的PC/ABS汽车后视镜翘曲变形优化分析［J］.合成树脂及塑料，2020，37（1）：67-72.

［3］蔡国辉，曹新鑫，吴梦林，等.基于 Moldflow 的ABS水龙头注塑模拟分析与优化［J］.塑料，2019，48（4）：105-107.

［4］张军枚.基于CAE技术的注塑件翘曲变形分析及模具改进［J］.模具技术，2020（4）：1-9.

［5］魏翔宇，王钊，倪传龙，等.基于灰色关联度的车灯装饰框注塑工艺优化［J］.现代塑料加工应用， 2020， 32（2）：34-37.

［6］张金标.注射CAE及Moldflow软件应用［M］.北京：机械工业出版社，2020：152-163.

池寅生（1974—），男，江苏扬州人，硕士，讲师，研究方向为模具设计、模具CAD/CAE。

扬州市职业大学2018年度校级科研课题（编号：2018ZR15）；扬州市科技计划项目（编号：YZ2018143）

2095－6835（2020）24－0077－03

U463.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.025

〔编辑：张思楠〕