1塑件結構分析及問題描述
1.1 塑件結構分析
塑件為條狀導軌，如圖1所示，結構形狀較為簡單，整體呈T字形，材料為PP+TD20%。塑件上有2個螺釘孔，螺釘孔周圍布置有一定數量的定位筋，用于后續塑件在使用和裝配過程中的固定。該塑件的主要功能是過濾網拆裝時的導向與過濾網的固定，塑件最大外形尺寸為188.0 mm×25.2 mm×8.0 mm，各個區域料厚如圖2所示，主體料厚為2.5 mm，筋條料厚為1.8 mm。
圖1 條狀導軌
圖2 塑件壁厚
在成型要求方面，塑件在脫模方向變形量不能過大，因為過大的變形量會誘發裝配、精度、噪音等問題，脫模方向的變形量要求＜1.0 mm。
1.2 問題描述
成型塑件的模具為普通流道模具，澆口類型為潛伏式牛角澆口，尺寸為1.6 mm×0.8 mm，型腔布局為1模2腔，如圖3所示。經過調試，在獲得穩定的塑件狀態后也獲得了穩定的注射參數，工藝參數匯總如表1所示。
圖3 型腔布局及澆注系統
表1 注射工藝參數
完成初次試模后，將塑件在常溫條件下放置48 h，觀察并測量其Z方向的變形趨勢及變形量，如圖4所示，塑件兩端呈翹曲變形趨勢，將其反向放置在水平平臺上，采用塞規測量實際變形量，約為1.95 mm，超出了要求的變形量，無法投入使用。為實現塑件快速投產和節約生產成本，借助仿真分析方法對塑件進行變形模擬，分析其變形原因、機理及優化方向。
圖4 塑件變形
2仿真還原與機理分析及方案探究
2.1 仿真還原
為確保仿真優化設計的準確性及參考價值，首先需要將塑件按照實際試模情況通過Moldex 3D模流仿真分析軟件再現，隨后結合改善方向予以優化設計。將導軌與澆注系統共同在軟件中建模，完善模型直至符合軟件的分析要求，隨后按照軟件的操作步驟與要求完成網格、材料、成型條件、計算參數等邊界條件的一系列設定，最后執行仿真分析。
在軟件中編輯成型條件時，工藝參數按實際試模進行設定，如表2所示。模擬分析后塑件的變形結果如圖5所示，脫模方向（Z方向）變形趨勢與實際變形趨勢一致，其Z方向分析變形數值為1.74 mm，與實際測量變形數值接近，可以判定仿真結果準確并有可靠的參考價值。
表2 工藝參數設定
圖5 脫模方向變形
2.2 機理分析
最終模具內成型塑件偏離設計形狀的失真現象主要是由于收縮不均勻導致，塑件收縮、變形受到整個開發過程中各個因素的影響，如塑件結構設計、材料種類、模具類型、注射工藝等，各個階段的因素對變形均會有不同程度的影響。
從仿真結果中查看該塑件從高溫高壓狀態冷卻至常溫常壓狀態的體積百分比變化，即最終推出時的體積收縮率，如圖6所示，塑件上端面體積收縮率較大，筋條位置的體積收縮率較低，上端面平均體積收縮率為3.7%左右，筋條平均體積收縮率為2.8%左右，二者差異大約在0.9%左右。收縮率大的區域會產生更大的應力，導致塑件朝上端面發生翹曲變形。
圖6 體積收縮率
從熱量角度分析，塑件完成冷卻時的切面溫度如圖7所示，上端面溫度較高，筋條溫度較低，溫差大約14 ℃左右。厚的端面區域相對于薄的筋條區域更能保持注射過程中產生的熱量，當薄的筋條區域已經固化達到尺寸的穩定狀態時，厚的區域仍然在進行冷卻與收縮的過程，導致塑件推出后的變形。
圖7 切片溫度
2.3 方案探究
由于成型該塑件的模具已經制造完成，模具類型及澆注系統已經確定，為節省成本，優化設計暫不考慮更改模具結構。此外，由于塑件各類試驗及其應用環境的限定，其材料也不進行更改。結合上述2點，考慮從塑件結構更改和注射工藝方面進行方案優化。
首先針對注射工藝，在不改變已經確定的工藝參數的前提下，優化方案從冷卻水路的溫度調節予以制定。針對塑件結構更改，考慮從2個方向予以制定優化方案：①改善塑件不同區域的體積收縮，盡量保證各個區域收縮的均勻性，減小其收縮差；②增加塑件剛度，使其能夠抵抗由于不均勻的收縮而產生的收縮應力。
3優化設計及仿真驗證
根據上述分析與探究，再結合塑件結構、使用及功能特點，初步設計了5種優化方案：①動、定模冷卻水路溫度調整；②增加塑件筋條厚度；③減小塑件上端面厚度；④增加筋條高度；⑤在塑件上端面增加對稱筋條。針對這5種方案分別建立對應的分析模型，使用Moldex 3D軟件的分析模塊進行分析，從脫模方向變形量分析結果出發，結合原方案分析結果進行如下對比。
3.1 方案1模擬分析
塑件的成型溫度條件如表3所示，冷卻水路建模如圖8所示，結合模具現有水路設計及材料對模具溫度范圍控制要求，設置動模溫度高于定模溫度，以期改善塑件不同區域的收縮量。在該方案中動模水路設定為45 ℃，定模水路設定為25 ℃，結合體積收縮率、溫度、脫模方向變形等分析結果查看該方案塑件的具體情況，判斷其優化方案的可行性。
表3 成型溫度條件 ( ℃ )
圖8 冷卻水路建模
塑件脫模方向（Z方向）變形趨勢及變形量如圖9所示，與原方案變形趨勢一致，變形量為1.51 mm（最大變形數值需要將正值和負值相加，因為兩端翹中間凹，變形為二者綜合效果），較原方案有一定改善，但未能達到塑件允許的變形量要求。塑件體積收縮率如圖10所示，上端面的體積收縮率與筋條體積收縮率差異有一定程度的減小，約為0.7%。冷卻完成后塑件不同區域的溫度切片分布如圖11所示，上端面區域和筋條區域的溫度差異仍較大，較原方案無明顯變化。這說明該方案對收縮均勻性有一定改善，但效果不明顯。
圖9 方案1脫模方向變形
圖10 方案1體積收縮率
圖11 方案1溫度分布
3.2 方案2模擬分析
方案2的建模如圖12所示，將塑件動模側筋條在原方案基礎上加厚0.5 mm，以均衡不同區域的收縮。同時查看與該塑件尺寸相關的裝配位置，確認該筋條壁厚修改0.5 mm對整體裝配無干涉。與方案1相同，結合相關分析結果判斷方案效果。
圖12 方案2塑件厚度
塑件脫模方向（Z方向）變形趨勢及變形量如圖13所示，與原方案變形趨勢一致，其變形量為0.95 mm，較原方案有明顯改善，而且達到了塑件允許的變形量要求。塑件體積收縮率如圖14所示，上端面體積收縮率與筋條體積收縮率差異大幅減小，僅為0.3%左右。冷卻完成后塑件不同區域的溫度切片分布如圖15所示，上端面區域和筋條區域對應位置的溫度差異也有明顯減小，約為5 ℃，說明該方案從收縮均勻性方面有效地實現了控制變形的目標。
圖13 方案2脫模方向變形
圖14 方案2體積收縮率
圖15 方案2溫度分布
由于料厚的增加，塑件芯部溫度也有了一定上升，相較原方案約有10 ℃的上升，導致塑件的冷卻時間增加，但是該部分冷卻時間可以放在塑件推出以后，塑件冷卻到推出溫度的時間變化不大，對周期的影響可以不予考慮。另外，由于動模側成型塑件料厚的增加，可能會引起收縮痕的增大，通過圖16所示的分析結果對比，二者差異不大，均在可接受范圍內。
圖16 收縮痕對比
（a）更改前 （b）更改后
3.3 方案3模擬分析
方案3的結構修改及建模如圖17所示，將塑件在定模側的成型平面減薄0.7 mm，以均衡不同區域的收縮差異。由于裝配螺釘的壁面有厚度限制，無法減薄，僅能減薄部分區域。塑件脫模方向變形趨勢及變形量如圖18所示，與原始方案變形趨勢一致，其變形量為1.53 mm，較原方案有所改善，但未能達到塑件的變形量要求。
圖17 方案3塑件厚度
圖18 方案3脫模方向變形
塑件體積收縮率結果如圖19所示，上端面料厚減薄區域的體積收縮率與筋條體積收縮率差異大幅減小，僅為0.4%左右，但是料厚未減薄部分的體積收縮率與筋條區域的體積收縮率差異仍較大，約為1.0%。
圖19 方案3體積收縮率
冷卻完成后塑件不同區域的溫度切片分布如圖20所示，料厚減薄的端面區域和筋條區域的溫度差異減小明顯，約為1 ℃，但是料厚未減薄區域的溫度與筋條區域仍然有14 ℃左右的差異。這說明該方案僅使塑件局部收縮改善，受限于結構限制，未能徹底改善整體問題。
圖20 方案3溫度分布
3.4 方案4模擬分析
方案4的建模如圖21所示，將塑件在動模側成型的筋條在原方案基礎上加高3.0 mm，以增加其剛性，同時查看與該尺寸相關的裝配位置，確認對塑件整體裝配無干涉。塑件脫模方向變形趨勢及變形量如圖22所示，與原方案變形趨勢一致，其變形量為1.68 mm，較原方案有一定改善，但未能達到塑件允許的變形量要求。
圖21 方案4塑件更改后筋條高度
圖22 方案4脫模方向變形
塑件體積收縮率如圖23所示，由于塑件料厚未發生變化，上端面的體積收縮率與筋條體積收縮率差異與原方案基本無變化，約為1.0%。冷卻完成后塑件不同區域的溫度切片分布如圖24所示，上端面區域和筋條位置的溫度差異仍然較大，約為14 ℃。從體積收縮率與溫度分布結果來看，該方案對塑件收縮無改善，只是改善了塑件的剛性。
圖23 方案4體積收縮率
圖24 方案4溫度分布
3.5 方案5模擬分析
方案5的建模如圖25所示，在塑件上端面增加1條筋條，高度與原筋條一致，由于位于定模側成型，考慮脫模的順暢，設計了一定的拔模角，以此來增加塑件剛性。同時查看與該處相關的裝配位置，確認在增加對稱的筋條后對塑件整體裝配無干涉。
圖25 方案5塑件修改后模型
塑件脫模方向變形趨勢及變形量如圖26所示，與原方案變形趨勢一致，其變形量為0.27 mm，較原方案有明顯改善，而且達到了塑件的變形量要求。塑件體積收縮率如圖27所示，不同區域收縮率差異無較大變化，約為0.9%。冷卻完成后塑件不同區域的溫度切片分布如圖28所示，由于料厚未發生較大變更，不同區域溫度差異約為10 ℃。從體積收縮率及溫度分布結果來看，該方案對塑件的收縮無較大改善，可以判斷其變形量主要靠塑件的剛性保證。
圖26 方案5脫模方向變形
圖27 方案5體積收縮率
圖28 方案5溫度分布
4方案對比
根據以上5種優化設計方案的分析結果，再結合對應方案更改的加工量、成本、工時等因素進行匯總，如表4所示。雖然方案2與方案5的分析結果均達到了塑件的預期變形要求，但是方案5的更改成本高，加工難度也較大，故確定最終更改方案為方案2。
表4 方案匯總對比
5試模驗證
在完成上述仿真分析的還原、優化設計與驗證后，按照最終確定的優化方案進行塑件更改，并試模驗證。成型后的塑件在常溫條件下放置48 h，觀察并測量其Z方向變形，如圖29所示，已看不到縫隙，無明顯變形。將塑件反向放置在水平平臺上，采用塞規測量其實際變形量，約為0.50 mm，達到了塑件使用要求。
圖29 優化后的塑件
▍原文作者：王月
▍作者單位：青島海爾空調器有限總公司
