改善塑件磁性嵌件翘曲的模流分析

周大路

(华东交通大学工程训练中心，江西 南昌 330013)

机械与模具

改善塑件磁性嵌件翘曲的模流分析

周大路

(华东交通大学工程训练中心，江西 南昌330013)

以剪刀架与磁性嵌件的注塑为分析实例，阐述了丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)材料在嵌入磁性嵌件后注塑中产生的翘曲问题及解决方法；采用Moldflow软件对制品结构、模具结构和成型工艺参数3个方面的影响因素进行了对比分析。结果表明，通过对工艺参数的极差分析以及制品结构、浇口位置的改变分析所得到的数据发现，改变工艺参数翘曲优化程度为15%，改变制品结构翘曲优化程度为53.7%，改变浇口位置翘曲优化程度可达76.5%；改善浇口位置是解决翘曲因素最主要的方法，可以得到远小于翘曲要求的翘曲值。

Moldflow软件；模流分析；翘曲；嵌件；浇口

0 前言

磁性嵌件注塑是在注塑前在模具型腔内装入磁性嵌件，然后通过注塑将其包络。本次分析所选用的材料为ABS，针对ABS材料来进行制品的模流翘曲分析。翘曲变形是嵌件注射成型中严重的成型缺陷。而衡量嵌件塑件品质的一个重要指标就是翘曲变形，其不但影响制品的外观品质，还影响制品的使用性能。因此，改善塑料制品的翘曲变形就是需要解决的问题。我们考虑过如改变冷却结构、改变保压压力、改变冷却时间、改变制品厚度、改变浇口位置等方案。本文针对模具型腔内装入磁性嵌件而产生的翘曲问题，通过对工艺参数的极差值以及制品结构、浇口位置的改变分析所得到一系列的数据进行了分析，发现了解决翘曲问题的关键[1]。

1 翘曲变形的影响因素分析

翘曲变形的原因有很多，主要有收缩不均匀、分子取向、冷却不均匀。而影响翘曲变形的因素也有很多，每一个环节从制品设计到注射成型都会对翘曲变形产生影响。但主要有制品结构、模具结构和成型工艺参数3个方面，而改善翘曲变形的措施，则应从上述各因素考虑。

2 翘曲变形的具体影响因素和解决方案

本文选用的材料为ABS，生产厂家为韩国LG化学公司，牌号为HI-100,熔体流动速率为10 g/10 min，密度为1.03 g/cm3，热变形温度为87 ℃，收缩率为0.3 %～0.5 %，根据以往的经验，该收缩率不会影响对翘曲的要求。

2.1 制品厚度

制品的结构是决定其翘曲变形程度的关键因素。本制品为锥形结构，一头大一头小。壁厚不均匀、大头壁薄，小头壁厚，容易引起不均匀收缩，从而导致翘曲。此嵌件的外形受制品功能限制，壁厚不可能做到完全均匀。但翘曲范围必须在合理范围内，否则变形过大会影响吸附力。

2.2 浇口位置

浇口的位置、形式和数量均会影响熔融塑料在模具型腔中的填充状态，这里将设置不同的浇口位置和数量。

2.3 成型工艺参数

模具温度过低，冷却速率就增大，较大的热应力就会形成，导致翘曲变形；保压压力过高，也会使得流动残余应力增大，使得塑件翘曲变形；保压压力太低，就会产生回流，熔体难以压实，产生较大的体积收缩率，使制品翘曲变形；冷却时间过短，塑件来不及冷却到脱模温度，就会产生较大的翘曲变形。针对以上工艺所产生的缺陷进行正交试验，然后进行方差分析。

3 制品分析

所研究的制品是一个剪刀架，剪刀架要可以吸附在冰箱门上，因此中间部位有一个如图1所示的磁性嵌件。嵌件与塑件之间有倾斜角契合以防止脱落。为保证剪刀架与冰箱壁表面能牢固吸合，对注塑件的平整度要求较高，要求小于0.5 mm。因此要求制品的Z向变形也小于0.5 mm(Z向为垂直于嵌件吸合面方向)。

图1 含有嵌件的制件Fig.1 Parts with insert workpieces

3.1 模型前处理

对含有嵌件制品的变形分析前，首先要在Pro/E中建模并从中导出制件和嵌件的数据，然后导入Moldflow软件；在Moldfow软件中将制件和嵌件的igs格式处理为双面模型。然后如图2所示，划分网格，边长设置为4.17 mm。然后设置成型方式，选择“热塑性塑料重叠注塑”；导入嵌件模型并对嵌件模型表面进行参数设置(图3)。最后设计好浇注系统，进行模流分析[2]。

图2 网格划分Fig.2 Generation of meshes

图3 嵌件表面Fig.3 Surface of the insert

3.2 分析方案

本文所选用的ABS材料属于收缩性较小的材料。因此只要对制品结构、模具结构和成型工艺参数3个方面进行分析比较即可。设计要求Z向翘曲值要小于0.5mm。

3.2.1成型工艺参数的各项翘曲值

翘曲方向，厚度/mm：(a)Z向，4 (b)综合，4 (c)Z向，3 (d)综合，3 (e)Z向，1.5 (f)综合，1.5图4 不同厚度的翘曲变形结果Fig.4 Warpage of parts with different thickness

本文分析用模具温度、保压压力、保压时间、冷却时间、熔体温度为参数进行正交试验，然后进行极差分析，如表1所示。优化成型工艺参数的确可以减小翘曲变形，但效果不明显。因此不是解决翘曲变形最有效的手段，经过若干次优化工艺参数，翘曲变形的改善在0.2～0.6mm之间。以4mm的材料厚度来计算，优化程度在5 %～15 %之间[3-4]。

表1 极差分析Tab.1 Range analysis

3.2.2制品厚度的各项翘曲值

从图4可以看出，图4(a)、4(c)、4(e)的制品Z向翘曲值分别为0.4387、0.4346、0.9388mm。当制品厚度从1.5mm增大到3mm时，制品的翘曲值从2.640mm减小到1.248mm；继续增大嵌件高度至4mm，制品的翘曲值减小到1.222mm，变形减少了52.7%。因此，制品厚度是一个重要的因素。Z向翘曲值从0.9388mm减小到0.4346mm，减少了53.7%。但增大到一定程度后，变形程度降低并趋于稳定。考虑到制品厚度的增加，导致嵌件所使用的原材料用量增大，成本上升，所以尽管Z向翘曲变形达到要求，但结果依然不太理想。

3.2.3浇口位置的各项翘曲值

翘曲方向：(a)、(b)、(c)Z向 (d)、(e)、(f)综合图5 不同浇口的翘曲变形结果Fig.5 Different gate warpage results

从浇注系统着手，分析翘曲变形在不同浇口位置状态下的情况。如图5所示，根据零件形状设置了3种浇口位置。图5(a)、5(d)2个浇口位置的综合翘曲值为0.6974mm，Z向翘曲值为0.2205mm；图5(b)、5(e)2个浇口位置的综合翘曲值为1.5520mm，Z向翘曲值为0.5288mm；图5(c)、5(f)浇口位置的综合翘曲值为0.6612mm，Z向翘曲值为0.4107mm。可以看出，图5(a)、5(c)、5(d)、5(f)浇口的位置可以明显降低翘曲值，且图5(a)浇口的Z向翘曲值只有0.2205mm，比预测的翘曲值降低了76.5%，远低于设计所要求的数值(0.5mm)。图5(c)、5(f)浇口的结构工艺明显比图5(a)、5(d)复杂，且Z向翘曲值不如图5(a)的理想，因此选择图5(a)、5(d)的浇口方案最为理想[5]。

4 结论

(1)优化工艺参数和增加制品厚度均可降低翘曲值，前者效果有限，如果对翘曲值要求不高的情况下可以使用；增加制品厚度虽然效果明显，但会导致成本增加，且降低的翘曲值有限；

(2)降低翘曲效果最明显的是改变和优化浇注系统，工艺并不复杂、负面影响小;在模具结构允许的情况下，是可以优先考虑的实施方案。

[1] 贺灿辉，刘 斌.带金属嵌件的手机外壳注塑成刑翘曲变形分析[J].工程塑料应用，2011，39(11)：29-31.

He Canhui，Liu Bin.Mobile Phone Case with Metal Insert Analysis of Warpage of Injection Molded into Penalty[J]. Engineering Plastics Application, 2011,39(11)：29-31.

[2] 陈燕霞，陈如香，吴盛金.Moldflow2012完全学习手册[M].北京:电子工业出版社,2012,403-411.

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[5] 杨凤霞，王爱荣.工艺参数对ABS, PP注塑件翘曲变形影响的对比研究[J].塑料工业，2008, 36(3)：43-46. Yang Fengxia,Wang Airong. Process Parameters on the ABS, PP Comparative Study on Effects of Warpage of Injection Molded Parts[J].China Plastics Industry，2008, 36(3)：43-46.

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FlowAnalysisofImprovementofWarpageinMagneticInsertsofPlasticParts

ZHOU Dalu

(Engineering Training Center East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Taking the injection-molding process of a cutting tool holder with magnetic inserts as a case study, this paper reported an investigation on the warpage defect occurring in injection-molded magnetic inserts by using acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS) resin as a thermoplastic material and also proposed the resolution for this defect. A comparative analysis was conducted by means of Moldflow software for the influence factors derived from part structures, mould structures and process parameters. The results indicated that, through range analysis of process parameters and data analyses of product structures and gate locations, the warpage level could be improved by 15 % through optimizing the process parameters, improved by 53.7 % through optimizing the part structure, and improved by 76.5 % through optimizing the gate location. It was concluded that the optimization of gate location was the optimal method to diminish the warpage defect.

Moldflow software; mold flow analysis; warpage; insert; gate

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)09-0133-04

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.021

2017-02-28

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