汽车塑料件的翘曲变形问题

对象：针对外表面质量要求较高的零件

软件：采用MoldFlow的MPI模块对流动过程进行模拟分析

目的：以便更精确地确定浇口位置、数量以及工艺条件,预测型腔压力分布、温度分布和锁模力大小等。分析确定是否出现流动前沿温度不足，填充时间不足-填充不足，熔接痕和气穴等问题

另外，还有台湾的Moldex3D，对壁厚差异大，粗厚件，难以确定中间面和形状复杂零件效果显著。

根据产品结构，初步设计浇口位置，浇口数量，流道结构。

针对薄壁件，热流道顺序阀工艺>热流道工艺>冷流道工艺。

顺序阀工艺，降低剪切速率，能改善熔接痕。

根据以上设计的数模导入Moldflow，进行CAE成型质量分析。

分析以下项目：流动波前分布，压力分布，温度分布，剪切分布，锁模力分析。

具体示例

锁模力定义：锁模力是指注射时为克服型腔内熔体对模具的涨开力，注射机施加给模具的锁紧力 。当原料以高压注入模穴内时会产生一个撑模的力量,因此注塑机的锁模单元必须提供足够的“锁模力”使模具不至于被撑开。

注：锁模力需求的计算如下：

由成品外观尺寸求出成品在开关模方向的投影面积；

撑模力量=成品在开关模方向的投影面积(cm2)×模穴数×模内压力(kg/cm2)

模内压力随原料而不同, 一般原料取350~400kg/cm2

机器锁模力需大于撑模力量，且为了保险起见，机器锁模力通常需大于撑模力量的1.17倍以上。

根据填充分析结果，确定保压方案（分段方式，压力，时间）。

体积收缩率分析

目的是减少缩痕。一般来讲，保压压力越大，收缩率越小。

在保证模具结构设计合理的前提下，进行翘曲变形量（XYZ三向位移和总位移）分析时，需要设计正交试验进行分析。因子选择熔体温度，模具温度，注射压力，注塑时间，保压压力，保压时间和冷却管路时间。

将翘曲量纳入minitab进行分析，确定是否存在线性关系，寻找最优解。

在大部分区域，表层取向好，内层取向差；但是在制品的末端，流动缓慢或者充满后不再流动的区域，取向反而不如中心区。

在一模多腔模具中分为平衡式和非平衡式。

一般采用下列方式进行平衡：

更改流道直径；增加浇口数量；更改浇口位置；更改浇口类型。

建议要先确定好浇口形状和主流道尺寸后再行分析，这两者不易调整，建议提前确认好。

对象：对前保险杠等特大型注塑模具的一些重要零件

软件：建立零件实体模型,然后导入到ANSYS软件中进行CAE分析,并通过软件的接口设置,将模型导入有限元分析软件。

目的：进行受力分析

模态分析，脱模力分析，刚度分析。

1．模具方面：

（1）制件的厚度、质量要均匀。

（2）冷却系统的设计要使模具型腔各部分温度均匀，浇注系统要使料流对称避免因流动方向、收缩率不同而造成翘曲，适当加粗较难成型部份的分流道、主流道，尽量消除型腔内的密度差、压力差、温度差。

（3）制件厚薄的过渡区及转角要足够圆滑，要有良好的脱模性，如增加脱模余度，改善模面的抛光，顶出系统要保持平衡。

（4）排气要良好。

（5）增加制件壁厚或增加抗翘曲方向，由加强筋来增强制件抗翘曲能力。

（6）模具所用的材料强度不足。

2．塑料方面：

结晶型比非结晶型塑料出现的翘曲变形机会多，加之结晶型塑料可利用结晶度随冷却速度增大而降低，收缩率变小的结晶过程来矫正翘曲变形。

3．加工方面：

（1）注射压力太高，保压时间太长，熔料温度太低速度太快会造成内应力增加而出现翘曲变形。

（2）模具温度过高，冷却时间过短，使脱模时的制件过热而出现顶出变形。

（3）在保持最低限度充料量下减少螺杆转速和背压降低密度来限制内应力的产生。

（4）必要时可对容易翘曲变形的制件进行模具软性定形或脱模后进行退米处理。

成形收缩的形式成形收缩主要表现在下列几方面：

（1）塑件的线尺寸收缩由于热胀冷缩，塑件脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小，为此型腔设计时必须考虑予以补偿。

（2）收缩方向性成形时分子按方向排列，使塑件呈现各向异性，沿料流方向（即平行方向）则收缩大、强度高，与料流直角方向（即垂直方向）则收缩小、强度低。另外，成形时由于塑件各部位密度及填料分布不匀，故使收缩也不匀。产生收缩差使塑件易发生翘曲、变形、裂纹，尤其在挤塑及注射成形时则方向性更为明显。因此，模具设计时应考虑收缩方向性按塑件形状、流料方向选取收缩率为宜。

（3）后收缩塑件成形时，由于受成形压力、剪切应力、各向异性、密度不匀、填料分布不匀、模温不匀、硬化不匀、塑性变形等因素的影响，引起一系列应力的作用，在粘流态时不能全部消失，故塑件在应力状态下成形时存在残余应力。当脱模后由于应力趋向平衡及贮存条件的影响，使残余应力发生变化而使塑件发生再收缩称为后收缩。一般塑件在脱模后10小时内变化最大，24小时后基本定型，但最后稳定要经30-60天。通常热塑性塑料的后收缩比热固性大，挤塑及注射成形的比压塑成形的大。

（4）后处理收缩有时塑件按性能及工艺要求，成形后需进行热处理，处理后也会导致塑件尺寸发生变化。故模具设计时对高精度塑件则应考虑后收缩及后处理收缩的误差并予以补偿。

由于成型过程中产生的各种内应力，使制品各方向收缩不均匀；因脱模不良，冷却不足等原因使塑料发生形状奇变，翘曲不平或孔偏壁厚不均等现象。如果制品沿边缘平行方向产生的变形称翘曲；沿对角线方向的变形称扭曲。

1产生原因

1.1 冷却时间不够。

1.2 模温高。

1.3 塑件形状不当,壁厚不匀,强度不足,制品出模后冷却不当。

1.4 料温低,模温低,喷嘴孔径及进料口小。

1.5 料温高,模温高,进料口部分填充作用过分。保压补缩过量,残余应力大。

1.6 进料口位置不当，尺寸小,料温低，模温低,注射压力小,注射速度快,保压补缩不足。1.7 塑件形状不良,冷却不匀纤维填料分布不匀等,使收缩方向性明显,收缩不匀。1.8 模温不匀,动模模温冷却不匀,壁薄部分冷却快,壁厚部分冷却慢,凹弯部分冷却慢。

1.9 塑料塑化不匀,供料填充不足或过量。

1.10 冷却时间短,脱模时塑件受力不匀,脱模后冷却不当,塑件后处理不良,存放不良，包 装不合理，受力变形。

1.11 模具强度不良易变形,模具精度不良, 定位不可靠,磨损。

1.12 进料口位置不当,料直接冲击型芯或型芯侧受力不匀。

1.13 注射速度、注射压力高或低。

1.14 保压时间短。

1.15 模温高或低。

1.16 材料烘干不

9.2 解决措施

2.1 增加冷却时间。使制品在模腔内定型。

2.2 适当降低模温。使制品在模腔内定型。

2.3 在不影响使用的情况下，改变制品的结构和壁厚均匀度。制品出模冷却后再包装。2.4 适当增加料温、模温，增大喷嘴孔径及进料口尺 寸, 以减小剪切力。

2.5 适当降低料温、模温，降低注射压力和保压压力， 减少补料。减小制品内应力。2.6 改变浇口位置和尺寸，适当提高料温、模温，调整 注射压力和射速，使补缩适当，制品收缩均匀。

2.7 在不影响使用的情况下改变制件结构，使冷却均匀，调整工艺使纤维填充分布均匀，减少制品收缩时方向性，使各向收缩均匀。

2.8 使动模温均匀，壁厚和凹弯部分处要多给冷却水薄处少给冷却水，使整个制品冷却均匀。2.9 找出塑化不匀的原因，如料粒大小不均匀或螺杆转速不均匀等。然后采取相应对策。2.10 调整冷却时间，使脱模时受力均匀；脱模后冷却 时间或整形时间要一致。包装物要合理以免受力变形。

2.11 确保模具强度和制造精度，保证模具定 位准确。

2.12 改变模具进料口位置，不使料直接冲击型芯。

2.13 降低或提高注射压力和射速。

2.14 增加保压时间。

2.15 降低或提高模温。

2.16 将材料烘干。

翘曲变形是薄壳塑料件注塑成型中的常见缺陷之一，因为涉及到对翘曲变形量的准确预测，而不同材料、不同形状的注塑件的翘曲变形规律差别很大。当翘曲变形量超过允许误差后，就成为成形缺陷，进而影响产品装配。对各类大量日益增加的薄壁件(壁厚小于2mm)翘曲变形做出准确预测是有效控制翘曲缺陷的前提。翘曲变形分析大都采用定性分析，从制品设计、模具设计及注塑工艺条件等方面采取措施，尽量避免发生大的翘曲变形。

模具

注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响塑料在模具型腔内的填充状态，从而导致塑件产生变形。

流动距离越长，由冻结层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越大；反之，流动距离越短，从浇口到制件流动末端的流动时间越短，充模时冻结层厚度减薄，内应力降低，翘曲变形也会因此大为减少。如果只使用一个中心浇口或一个侧浇口，因直径方向上的收缩率大于圆周方向上的收缩率，成型后的塑件会产生扭曲变形；若改用多个点浇口则可有效地防止翘曲变形。

当采用点浇进行成型时，同样由于塑料收缩的异向性，浇口的位置、数量都对塑件的变形程度有很大的影响 由于采用的是30％玻璃纤维增强PA6，而得到的是重量为4.95kg的大型注塑件，因此沿四周壁流动方向上设有许多加强肋，这样，对各个浇口都能获得充分的平衡。

另外，多浇口的使用还能使塑料的流动比（L／t）缩短，从而使模腔内物料密度更趋均匀，收缩更均匀。同时，整个塑件能在较小的注塑压力下充满。而较小的注射压力可减少塑料的分子取向倾向，降低其内应力，因而可减少塑件的变形。

模具温度：模具温度对制品的内在性能和表观质量影响很大。模具温度的高低决定于塑料结晶性的有无、制品的尺寸与结构、性能要求，以及其它工艺条件（熔料温度、注射速度及注射压力、模塑周期等）

压力控制： 注塑过程中压力包括塑化压力和注射压力两种，并直接影响塑料的塑化和制品质量

用实验方法研究塑料制品的翘曲变形主要体现在研究材料性质、产品的几何形状和大小、注塑成型工艺条件等对制品翘曲变形的影响。早通过设计大量的实验，获取浇口几何形状、保压参数(保压压力和保压时间)和模具的弹性对制品最终尺寸的影响。PET作为聚合物基，研究了不同材料和不同壁厚平板的翘曲特性。实验研究了33%玻璃增强纤维PA66注塑磁盘的增强比率、线性热膨胀系数的各向异性、制品厚度和翘曲之间的关系，首次提出了翘曲指数概念，采用翘曲指数研究PA66塑料制品的翘曲特性，并研究了翘曲指数、翘曲和纤维定向状态之间的关系和屈服与翘曲指数的关系。

实验方法研究翘曲变形，往往局限于某一特定的几何形状、特定的材料和工艺条件，并不能全面考虑诸多因素对翘曲变形的影响，而且也不能在产品设计阶段预测可能发生的翘曲变形的大小。在实际使用中，经验公式的局限性也显而易见，不仅受实验条件的影响，还与实验数据的处理方法、经验公式的应用条件等许多因素有关，并且一种经验公式只适用于与实验状况相当接近的生产过程。

收缩/翘曲

由于翘曲变形与不均匀收缩有关，从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手，来分析收缩与制品翘曲的关系。在注塑流动、保压、冷却模拟的基础上，通过实验和线性回归方法，提出了预测注塑制品收缩的模型，在收缩预测的基础上，通过结构分析模拟程序计算出制品的变形。

用高收缩率的材料很难获得尺寸精度高的制品，力求高精度，应尽量应用非晶态树脂和各方向收缩一致的树脂。很多材料在改变流动速度、保压压力、保压时间、模具温度、充模时间、制品厚度等参数的条件下，测出制品的收缩。根据测试结果，将制品的收缩分为三个部分:体积收缩、分子取向引起的不均匀收缩、不平衡冷却引起的不均匀收缩。体积收缩、结晶含量、模具限制、塑料取向等的收缩预测方法，利用流动和冷却分析结果来预测收缩应变。

冷却系统的设计

在注射过程中，塑件冷却速度的不均匀也将形成塑件收缩的不均匀，这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使塑件发生翘曲。

如果在注射成型平板形塑件时所用的模具型腔、型芯的温度相差过大，由于贴近冷模腔面的熔体很快冷却下来，而贴近热模腔面的料层则会继续收缩，收缩的不均匀将使塑件翘曲。因此，注塑模的冷却应当注意型腔、型芯的温度趋于平衡，两者的温差不能太大。

除了考虑塑件内外表面的温度趋于平衡外，还应考虑塑件各侧的温度一致，即模具冷却时要尽量保持型腔、型芯各处温度均匀一致，使塑件各处的冷却速度均衡，从而使各处的收缩更趋均匀，有效地防止变形的产生。因此，模具上冷却水孔的布置至关重要。在管壁至型腔表面距离确定后，应尽可能使冷却水孔之间的距离小，才能保证型腔壁的温度均匀一致。同时，由于冷却介质的温度随冷却水道长度的增加而上升，使模具的型腔、型芯沿水道产生温差。因此，要求每个冷却回路的水道长度小于2m。在大型模具中应设置数条冷却回路，一条回路的进口位于另一条回路的出口附近。对于长条形塑件，应采用如图4所示的冷却回路，减少冷却回路的长度，即减少模具的温差，从而保证塑件均匀冷却.

顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的不平衡而使塑件变形。因此，在设计顶出系统时应力求与脱模阻力相平衡。另外，顶出杆的截面积不能太小，以防塑件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形。顶杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的部位。在不影响塑件质量（包括使用要求、尺寸精度与外观等）的前提下，应尽可能多设顶杆以减少塑件的总体变形。

用软质塑料来生产大型深腔薄壁的塑件时，由于脱模阻力较大，而材料又较软，如果完全采用单一的机械式顶出方式，将使塑件产生变形，甚至顶穿或产生折叠而造成塑件报废，如改用多元件联合或气（液）压与机械式顶出相结合的方式效果会更好。

残余热应力对制品翘曲变形的影响

在注射成型过程中，残余热应力是引起翘曲变形的一个重要因素，而且对注塑制品的质量有较大的影响。由于残余热应力对制品翘曲变形的影响非常复杂，模具设计者可以借助于注塑CAE软件进行分析和预测。

塑料熔体在成型过程中，由于取向、收缩的不均匀，导致内应力的不均匀，所以制品出模后，在不均匀内应力的作用下，发生翘曲变形。因此，许多学者从力学角度分析、计算制品的内应力和翘曲。在国外一些文献中，翘曲被看成是不均匀收缩产生的残余应力造成的。

在注塑成型冷却阶段，当温度高于玻璃化转变温度时，塑料是粘弹性流体，并伴有应力松弛现象：当温度低于玻璃化转变温度时，塑料变成固态。塑料在冷却过程中的这种液一固相转变和应力松弛，对准确预测制品残余应力和残余变形很有影响。冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。对未固化的区域，塑料呈现粘性行为，用粘性流体模型描述，对己固化的区域，塑料呈粘弹行为，用标准线性固体模型来描述，采用粘-弹相转换模型和二维有限单元法来预测热残余应力和相应的翘曲变形。

塑化阶段对制品翘曲变形的影响

塑化阶段即玻璃态的料粒转化为粘流态，提供充模所需的熔体。在这个过程中，聚合物的温度在轴向、径向(相对螺杆而言)的温差会使塑料产生应力；另外，注射机的注射压力、速率等参数会极大地影响充填时分子的取向程度，进而引起翘曲变形。

注射的初期使用低速，模腔充填时使用高速，充填接近终了时再使用低速注射的方法。通过注射速度的控制和调整，可以防止和改善制品外观如毛边、喷射痕、银条或焦痕等各种不良现象。

塑料原料检验方法

耐化学药品测试

耐化学药品性是指塑料抵抗酸、碱、有机溶剂、油料、气体、盐水等化学药品侵蚀的能力。在化学药品长期作用下，塑料的外观和物性会发生失光、变色、雾化、开裂、皲裂、翘曲、分解、溶胀、溶解、发粘等变化。

塑料在化学药品中是否受到腐蚀，评定的依据通常是塑料在化学药品中一定时间后的重量、体积、强度、色泽等变化的情况。塑料受化学药品腐蚀的程度和快慢除了与介质种类有关外，还与介质的温度、压力、制品内残存的内应力、孔隙多少等因素有关。

2.吸水性

塑料的吸水性对塑料制品的力学性能、电性能、热性能、化学稳定性和加工性能等有很大影响。表示塑料吸水性的指标有吸水量、单位面积吸水量和吸水率。将规定尺寸的试样浸入到具有一定温度（25℃ ±2℃）的蒸馏水中，经过一定时间后（24h）所吸收的水量，称为吸水量。吸水量与试样质量之比称为吸水率，用百分数表示。

3. 色牢度

指材料抵抗暴露在加工、测试、储存或使用过程中可能遇到的任何条件下产生的颜色特性的改变，或其染色剂传递到相邻材料，或以上两者的能力。耐光色牢度，指材料抵抗因暴露在阳光或人造光下产生的颜色特性的改变的能力。

4. 雾度

雾度（haze）是偏离入射光 2.5°角以上的透射光强占总透射光强的百分数，雾度越大意味着薄膜光泽以及透明度尤其成像度下降。

透明或半透明材料的内部或表面由于光漫射造成的云雾状或混浊的外观。以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示。haze用标准“c”光源的一束平行光垂直照射到透明或半透明薄膜、片材、板材上，由于材料内部和表面造成散射，使部分平行光偏离入射方向大于2.5°的散射光通量Td与透过材料的光通量T2之比的百分率，是透明或半透明材料光学透明性的重要参数。

注：

PE 等结晶性聚合物所得薄膜，都具有一定的雾度特性；

无定形聚合物所得薄膜，如PC(聚碳酸酯) 、PS 和 PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯) 等，其雾度为 0，不具有雾度特性；

无定形聚合物混合体系薄膜，在组分间相容性好且折射率一致时会透明；但在组分间相容性不好或者折射率不一致时，将呈现雾度特性；

结晶性聚合物混合体系薄膜，如果配比恰当且树脂品种匹配时将具有大的雾度，远大于单组分体系薄膜的雾度，并且其雾度在很低的薄膜厚度时仍能有良好保持。

5.透光率

是表征树脂透明程度的一个最重要性能指标。一种树脂的透光率越高，其透明性就越好。塑料制品透明的条件有两个：一为制品是非结晶体；二为虽部分结晶但颗粒细小，小于可见光波长范围，不妨碍太阳光光谱中可见光和近红外光的透过。任何一种透明材料的透光率都达不到100%，即使是透明性最好的光学玻璃的透光率一般也难以超过95%。

6.红外光谱

当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。

所以，红外红外光谱光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

MPA可以理解为 "简易的快速的" MPI。它包括了part advisers 和 mold advisers两部分提供注塑成型过程中的分析。可提供如下分析：产品结构是否合理 、怎样选择合适的注塑材料 、怎样确定合理的浇口位置 、浇口位置自动优化 、预测熔接痕位置 、模具型腔是否充满 、最终制品的质量如何 、怎样选择合适的注塑机 、缩痕分析 、成本顾问。

MPI支持多种现有的多种塑料的成型分析。如压注、注塑、气辅成型、芯片包裹、热固性材料成型等。在分析结果上，不仅提供了各相与冷却相对应的分析还提供如翘曲变形量，分子取向、玻纤取向等众多对产品设计、模具设计、工艺等具有重要参考价值的数值。

MPI的模块：

MPI/MIDPLANE:

对于线框和表面造型，MPI可以直接读取任何CAD表面模型并进行分析。在用户采用线框和表面造型文件时，MPI可以自动生成中型面网格并准确计算单元厚度，进行精确的分析。MPI的中型面模块用于处理薄壁制件，节省了用户大量的CAE建模时间。使他们致力于CAE分析和优化。

MPI/FUSION:

对于薄壁实体，MPI的FUSION模块基于Moldflow的独家专利的Dual Domain分析技术，使用户可以直接进行薄壁实体模型分析。这将原来需要几小时甚至几天的建模工作缩短为几分钟，无需进行中型面网格的生成和修改。FUSION可以直接从塑件顾问中读取模型而进行进一步的分析。

MPI/3D:

　 对于厚壁实体Moldflow的MPI/Flow3D、和MPI/Cool3D模块采用全三维的自适应网格进行全三维分析。

MPI/FLOW:

　 注塑流动模拟MPI的流动分析模拟了塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况，确保用户获得高质量的制件。使用流动分析用户可以优化浇口位置和加工参数、预测制件可能出现的缺陷、自动确定取得流动平衡的流道系统尺寸。

MPI/COOL:

冷却模拟注塑和保压过程得到了优化后，可以进行冷却系统造型：包括流道、模具外形、镶块等，并进行冷却分析。

MPI/WARP:

结构模拟MPI的翘曲分析可以预测塑料制件的收缩和翘曲。可以使用线性和非线性方法来精确预测翘曲的变形量，并指出引起翘曲的主因。它提供一个线性分析方法在概念设计阶段，快速预测制件是否符合设计的结构要求。并采用非线性方法来确定由于外载荷而导致的永久变形。

MPI/FIBER:

纤维取向分析塑料的纤维取向对注塑制件的机械和结构性能有着重大影响，MPI先进的可视化工具使客户可以清晰的看到纤维取向在制件的各个部位的分布，从而获得制件的刚度信息。

MPI/OPTIM:

注塑参数优化MPI的注塑工艺优化功能对于每一特定制件，自动的确定其最优加工工艺参数和注塑机参数。它的分析结果可以作为MPX的输入参数使试模快捷高效。

MPI/GAS:

气辅工艺模拟使用MPI可以模拟体积控制和压力控制气辅工艺。它首先模拟聚合物在模具中的流动，然后模拟气体在型腔内的穿透情况

MPI/TSETS:

热固性材料注塑模拟MPI提供工具进行热固性塑料成型的模拟：如注塑成型、IC卡成型、树脂模塑成型、BMC材料模塑成型和反应注塑成型等。