（材料加工工程专业论文）汽车护风圈翘曲变形研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho na u t os h r o u dw a r p a g e a 砀e s i si n m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g b y j iz h e n g w e i a d v i s e d b y p r o f z h a n gy i h u a s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 r r i 导下进 注和致 研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 厂 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 和成型环境均较为复杂，致使成型后产品的质量很难控制，易出现 而尤以翘曲产生机理最复杂，也最难控制。 对于翘曲问题，传统的解决办法是：优化成型工艺参数、修整模具结构、产品的后处理等。 这种处理方法有两大不妥之处：将成型后的尺寸误差修复工作都留给后续工艺工程师，分工 不合理，会造成局部工段时间浪费的现象，从而影响产品开发周期；无论是工艺条件的优化， 还是模具结构的修整，都不具有普遍适用性，即便是同类产品，也会因为结构上的差异而必须 改变相应的措施。 针对以上问题，提出了一种新的减小翘曲变形的方法。该方法以现有护风圈产品为研究对 象，首先在护风圈翘曲变形理论研究的指导下，获得产品结构上的各项优化设计建议。其次按 照优化建议逐项优化原始护风圈模型，并运用软件m o l d f l o w 判断结构优化设计建议的合理性。 最后整合各项建议，重新构造新的完整的护风圈模型。通过最终的验证发现：运用这些建议重 构的护风圈，成型后产生的翘曲最小，具有明显的抗变形特性。该方法为护风圈系列产品提供 了一些普遍适用的结构设计建议，为同类产品开发提供了便利。同时将翘曲变形考虑在产品设 计前期阶段，最大限度的为后续生产环节减压，从而缩短了产品的开发周期。 关键词：注塑成型；翘曲；m o l d f l o w ；模拟仿真；护风圈； 汽车护风圈翘曲变形研究 a b s t r a c t d u et ot h ec o m p l e x i t yc o n s i s t si nt h es h r o u d ss t r u c t u r ea n dt h ee n v i r o n m e n to fi n j e c t i o nf o r m i n g ， i ti sh a r dt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fm o l d i n g s p r o d u c td e f e c t sa r ee s p e c i a l l yr e p r e s e n t i n ga sf l a s h ，s h o r t s h o ta n dw a r p a g e ，w h i c hi st h eh a r d e s tt oc o n t r 0 1 t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o n sf o rw a r p a g ea r e ：o p t i m i z i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so ff o r m i n g ， m o d i f y i n gt h em o l ds t r u c t u r e so rc o n d u c t i n gp o s t - t r e a t m e n to fp r o d u c t s t h e s ek i n d so fs o l u t i o n s h a v et w os h o r t a g e s ： 1 t h ec o r r e c t i o no fa l ls i z ee r r o r sw h i c hp r o d u c e dd u r i n gf o r m i n gp r o c e s sw i l lb er e m a i n e dt o f o l l o w i n g - p r o c e s se n g i n e e r s i tc a u s e si r r a t i o n a ld i v i s i o no fl a b o ra n d t i m ew a s t e di np a r t i a ls e c t i o n s a l lt h e s eb r i n g i m p a c tt op r o d u c t sd e v e l o p m e n tc y c l e 2 n e i t h e rt h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sc o n d i t i o n sn o rm o d i f i c a t i o no fm o l ds t r u c t u r ei sa l w a y s a p p l i c a b le d i f f e r e n td e s i g nf o rs i m i l a rp a r t sa l w a y sr e c a l l sd i f f e r e n to p t i m i z a t i o na n d c o r r e c t i o n i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，an e wm e t h o di sp r e s e n t e db yt h i sp a p e r ：1 c o n d u c tt h e o p t i m i z a t i o nf o rt y p i c a lp r o d u c t ss t r u c t u r eb a s e do nm e c h a n i c st h e o r y 2 “dg e n e r a t et h eo p t i m i z e d s t r u c t u r ea n dv 硝匆t h e mb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 帕g e n e r a t ec o m p l e t ed e s i g no fs h r o u dw i t ht h e c o n c e p t i o no fo p t i m i z e dt y p i c a ls t r u c t u r e sg e tb yt h ea b o v es t e p s as a m p l eh a sb e e nd e s i g n e da n d v e r i f i e db ym o l d f l o ws o f t w a r ea n ds h o w st h es u c c e s so f o p t i m i z a t i o n t h i sm e t h o dp r o v i d e ss e v e r a ls u g g e s t i o n sf o rs h r o u d s d e s i g n i n gw i t hg e n e r a la p p l i c a b i l i t y w h i c hb r i n g sc o n v e n i e n c ef o rs i m i l a rp r o d u c t sd e v e l o p m e n t m e a n w h i l e ，i tw i l lg r e a t l yr e d u c et h e p r e s s u r ef o rp r o d u c i n gs e c t i o na n ds h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ef o rt h ec o n s i d e r a t i o no f t h e w a r p a g ea tt h ep r o p h a s eo f p r o d u c t sd e s i g n k e y w o r d s ：i n j e c t i o nf o r m i n g ；w a r p a g e ；m o l d f l o w ；s i m u l a t i o n ；s h r o u d ； l i 1 1 1 1 2 i ! ； ! ； t ； 1 4 注塑制品翘曲变形的研究方法7 1 4 1 注塑制品翘曲变形的产品设计方法研究7 1 4 2 注塑制品翘曲变形的试验研究8 1 4 3 注塑制品翘曲变形的理论研究9 1 4 4 注塑制品翘曲变形研究方法的对比总结1 0 1 5 课题的研究内容与技术路线1 0 第二章汽车护风圈翘曲变形模拟仿真1 3 2 1 汽车护风圈产品分析1 3 2 1 1 护风圈产品结构分析1 3 2 1 2 护风圈产品材料简析1 4 2 2 护风圈系列产品注塑成型模拟。1 4 2 2 1 模拟仿真前处理模型建立1 5 2 2 2 护风圈冷却+ 流动+ 翘曲模拟分析1 8 2 3 翘曲模拟仿真数据采集。2 2 2 4 翘曲模拟仿真准确度分析。2 3 2 5 护风圈产品注塑成型特征分析2 5 第三章护风圈翘曲变形的力学理论研究及设计建议提出2 7 3 1 聚合物注塑热残余应力理论研究2 7 3 1 1 聚合物脱模前热残余应力计算2 7 3 1 2 聚合物脱模后热残余应力计算3 1 3 2 聚合物热应力算例分析3 3 3 2 1 脱模前聚合物热应力计算实例分析3 3 3 2 2 脱模后聚合物热应力计算实例分析3 5 3 3 护风圈翘曲变形理论研究及设计建议的提出。3 6 3 3 1 护风圈翘曲变形理论研究3 6 3 3 2 护风圈优化设计建议提出3 8 第四章护风圈结构优化设计建议的翘曲模拟验证3 9 4 1 护风圈壁厚优化设计及翘曲模拟验证。3 9 4 1 1 非均匀壁厚设计与翘曲模拟验证3 9 i i i 汽车护风圈翘曲变形研究 4 1 2 均匀壁厚设计与翘曲模拟验证 4 2 护风圈表面加强筋布置位置优化设计与翘曲模拟验证 4 3 护风圈翻边截面形式优化设计与翘曲模拟验证 4 4 护风圈撑杆高度优化设计与翘曲模拟验证 4 5 护风圈加强筋设置方向优化设计与翘曲模拟验证4 7 第五章护风圈抗变形设计建议总结及设计实例5 1 5 1 护风圈抗变形优化设计总结51 5 2 抗变形护风圈设计实例及其模拟验证5 1 5 2 1 抗变形护风圈设计实例5 2 5 2 2 抗变形护风圈翘曲模拟验证5 7 5 3 注塑实物样件5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 参考文献。6 0 致谢6 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 4 i v 航天大学硕士学位论文 图清单 图1 5 冷却示意图。3 图1 6 开模顶出示意图3 图1 7 不均匀收缩形成的翘曲4 图1 8 护风圈实物图。1l 图1 9 课题研究流程图。1 2 图2 1 护风圈及其剖面详图1 3 图2 2 模拟仿真c a d 模型1 5 图2 3 前处理模型1 7 图2 4 不同材料出入水温差1 8 图2 52 号零件冷却分析结果。1 9 图2 6 冷却热点及喷泉水路示意图1 9 图2 7 未添加喷泉冷却图。2 0 图2 8 添加喷泉后冷却图2 0 图2 9 未添加喷泉翘曲图。2 1 图2 1 0 添加喷泉后翘曲图2 1 图2 1 l 填充时间等高线放大图2 2 图2 1 2 总体翘曲模拟仿真结果。2 2 图3 1 脱模前热应力求解流程图一3 0 图3 2 脱模后热应力求解流程图3 2 图3 1 3 塑件模型图3 2 图3 4 塑件初始温度值3 2 图3 5 有限差分网格3 3 图3 6 塑件厚度方向温度分布曲线3 5 图3 7 塑件厚度方向热应力分布图3 5 图3 8 厚度方向温度拟合曲线。3 6 图3 9 厚度方向热应力分布3 6 图3 1 0 撑杆热残余应力分布简图3 7 图3 。n 撑杆简化尺寸示意图3 7 v 2 2 2 3 汽车护风圈翘曲变形研究 图3 1 2 撑杆分布简化示意图3 7 图4 1 厚度更改区域示意图3 7 图4 2 不同收缩导致的塑件翘曲3 9 图4 3 塑件非均匀壁厚体积收缩示意图3 9 图4 4 均匀壁厚塑件体积收缩示意图。3 9 图4 5 不均匀温度、应力分布与翘曲的关系4 l 图4 6 更改过程放大示意图4 2 图4 7 加强筋变更前后厚度方向温度分布对比4 2 图4 8 长边翻边截面原设计图。4 4 图4 9 长边翻边截面更改放大图4 4 图4 1 0 撑杆高度更改分类图4 6 图4 1 1 加强筋延伸段示意图4 7 图4 1 2 填充纤维取向4 7 图4 1 3 添加加强筋后塑件结构及纤维取向图4 8 图5 1 护风圈原始设计模型5 2 图5 2 撑杆分布、摆放形式更改示意图5 3 图5 3 撑杆和大面相对位置变化位置简图5 3 图5 4 撑杆总体设计方案变更图5 4 图5 5 底部加强筋更改示意图5 4 ，一 图5 6 翻遍截面更改示意图。5 5 图5 7 环向加强筋分布简图。5 6 图5 8 a - a 剖面图5 6 图5 9 重构护风圈结构及尺寸简图。5 6 图5 1 0 重构护风圈三位模型简图5 7 图5 1 1 原护风圈翘曲模拟结果5 8 图5 1 2 抗变形护风圈翘曲模拟结果5 8 图5 1 3 优化模型实物图5 8 v i ( ； 1 4 表2 2 浇注系统分布及尺寸1 6 表2 3 注塑成型工艺表l7 表2 4 填充时间对比计算2 l 表2 5 长边翘曲模拟仿真结果2 3 表2 6 短边翘曲模拟仿真结果2 3 表2 7 外边界圆直径变形结果2 4 表2 8 模拟与实测翘曲量对比2 5 表3 1 p a 6 甜g f 的t a i t s 方程中材料常数3 4 表3 2 材料性能参数。3 5 表4 1 优化前后翘曲模拟对比( 非均匀壁厚) 3 8 表4 2 优化前后翘曲变形对比( 均匀壁厚) 4 0 表4 2 优化前后翘曲变形对比( 均匀壁厚) ( 续) 4 3 表4 3 加强筋位置优化前后翘曲对比4 4 表4 4 不同截面的加强筋翘曲结果对比4 5 表4 5 不同截面形状相对刚度大小。4 6 表4 6 护风圈x 、y 向收缩率。4 7 表4 7 添加加强筋后各点双向收缩率4 8 表4 8 加强筋设置前后翘曲对比。4 9 v i i 汽车护风圈翘曲变形研究 注释表 面内变形x 、y 方 旯 材料导热系数 q 、q 向 应力偏量第i 层聚合物表面热残余应力大小 s 4研 应变偏量第i 层聚合物面积大小 勺4 g 松弛函数第i 层聚合物距中间层的距离 4 延迟时间 泊松比 毒、善 足弹性体积模量 i 截面惯性据 t o 温度下聚合物的 f 端面挠度 热膨胀系数 口 伪温度 q 1 d 2 b o b 1 s 、t r 材料常数 口( r - )热膨胀系数j比热容 参考温度w导热系数 l 丁温度 p 密度 v i l l 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 塑料因其具有密度小、质量轻、比强度高、绝缘性能好、化学稳定性高、减摩性耐磨性好、 减震隔音性好、成型工艺好、成型生产率高和价格低廉等优点，已被广泛应用于汽车、机械、 轻工等各个工业领域。塑料正逐渐成为金属的良好的代用材料，在许多领域出现了金属塑料化 的趋势。据统计，美国等国家的塑料年使用量在体积上已经超过了钢、铝、铜的总和【1 1 塑料成型加工的方法很多，包括注塑成型、挤出成型、压注成型和吹塑成型等。由于注塑 成型能够依次成型形状复杂、尺寸精确的产品，是一项速度快、自动化程度高的生产技术，适用 于高效率、大批量的生产方式。因而成为生产塑料产品主要手段之一，在塑料产品生产中被广 泛应用【2 】。 然而，注塑成型是一个十分复杂的过程，所有塑料都是在熔融状态下进行填充，再经过冷 却而成型的。在这个过程中，聚合物的温度、状态等都不断发生着变化，并且均呈现出各向异 性的特点，从而使得塑件成型后的尺寸也产生了各向异性收缩。如果此时型腔尺寸的设计仍然 按照一个简单的“按比例”增减的过程，必然会使塑件在成型后的尺寸与基本尺寸发生偏离， 即产生了翘曲变形【3 1 。 而随着产品竞争的不断加强，塑料制品的成型技术正面临着高质量、高精度、低成本、短 周期的严峻挑战。仅仅依靠设计者有限的经验和一些简单的计算公式的注塑成型开发方法显然 已经无法满足实际生产过程中，塑料熔体性能千差万别，制品和模具结构千变万化，工艺条件 各不相同的要求。因此，研究翘曲变形的成因和机理，对发现翘曲变形的变化规律和探索新的 控制翘曲变形的方法，并最终减少翘曲变形、改善制品的质量有着重要的指导意义。 1 2 注塑制品翘曲变形产生机理及其影响因素 1 2 1 注塑制品翘曲变形产生机理 翘曲的形成和注塑成型整个过程息息相关，因此在讨论注塑制品翘曲产生机理之前首先需 对注塑成型的整个过程进行介绍。注塑成型是一个复杂的过程，包括合模、充模、加压、保压、 冷却和脱模等一系列连续的加工步骤，这一过程可简单地用图1 1 所示流程图表示。 汽车护风圈翘曲变形研究 一 l 开模 i 1 i 顶出 l 图1 1 注塑成型流程图 合模是指注塑模具的动模侧在注塑机开合模系统作用下向前移动与固定侧合拢并在合 模系统产生的高压下锁紧。 画到 = e 耶而 l l 袭 上l 竺堂 = = 图1 2 合模示意图 射胶、保压一在液压缸或机械力作用下，推动螺杆前进使熔体通过喷嘴注入模具。当模具 充满后流速放慢，螺杆对塑胶继续保持一定的压力，使得塑胶继续被螺杆挤入模腔，弥补收缩， 熔体密度提高。 l d i n gp r e s s u r e _ 囱圜 图1 3 射胶、保压示意图 塑化、加料松i 巨伴随螺杆在料管内转动，不断从料斗内卷来塑料颗粒，并逐步将其压 实、排气、塑化，熔化的塑胶不断由螺杆向前推进，并逐渐积存在顶端和喷嘴之间。而螺杆也 会因为受到熔体的压力而缓慢后移，当积存的熔体达到一次注塑量时，螺杆停止转动。 r o t a t i o na n d 2 s r o t a t i o nf e e d sa n d 孙e a r s l 瞰瓤1i m 妣乞豳圈圈圈豳翟步 l t 钿l l e c t si n t o 咖o fb a r r e l f c i a ls c r e wb a c k 图1 4 塑化、加料松退示意图 一 具 模 阶段。塑化阶段，聚合物的温度在轴向和径向( 均相对于螺杆而言) ，会使塑料取向增强，引 起了塑件在不同方向收缩的差异，并产生温度应力：充模、冷却阶段，此时温度、压力、速 度三者相互耦合作用，对塑件的生产效率和质量产生了很大的影响。较高的压力和流速会产生 较高的剪切速率，从而引起平行、垂直于流动方向的取向差异，同时产生冻结效应。纤维取向 上的差异会引起塑件在不同方向上弹性模量和刚度的差异。冻结效应将产生冻结应力，形成塑 件的内应力，该内应力将在塑件脱模后进一步加剧塑件的翘曲变形；当塑件从模具中取出， 即进入脱模阶段后，塑件的温度会进一步变化，从而加剧不均匀收缩，同时在前两个阶段冻结 在塑件内部的应力此时将会因为失去外界的约束，以变形的形式释放出来，从而加剧翘曲变形。 因此，塑件翘曲变形的形成机理较为复杂，但主要归纳为收缩的取向和内应力的释放两个 方面。收缩主要包括体积平均收缩平行于流动方向的收缩垂直于流动方向的收缩沿厚 度方向的收缩。对于翘曲而言，收缩本身并不是很重要，因为相同的收缩只会引起塑件体积上 的变化，并不会产生翘曲。只有当收缩产生各向异性塑件才会产生翘曲变形【4 l 。塑件收缩上的 各向异性主要包括不同区域的收缩差异，平行和垂直与材料取向收缩的差异以及塑件两个表面 的收缩差异；其次是内应力的释放。内应力主要是因为塑件上下表面的温度差引起的热应力， 因此又称其为热残余应力【5 】。它在塑件冷却至室温阶段产生，并在塑件脱模失去约束后，以变 形的形式释放，从而形成翘曲变形。 3 汽车护风圈翘曲变形研究 h j 口i s 枞- 舯 图1 7 不均匀收缩形成的翘曲 1 2 2 注塑制品翘曲变形的影响因素 由上文可知，塑件翘曲主要是由于收缩的各向异性和残余应力造成的。据此本文将其归纳 为以下几个影响因素： ( 1 ) 材料 塑料的取向能力和结晶性能显著影响翘曲变形，取向材料比未取向材料更容易翘曲，结晶 型聚合物翘曲变形倾向比无定型聚合物的要大，如果聚合物中有添加剂( 如色料) ，则会加大注 塑制品变形程度。 ( 2 ) 产品形状与尺寸 产品形状、尺寸、加强筋、表面装饰性浮雕等，能显著影响充模性能、冷却效果，导致制 品取向、内应力、收缩等分布不均匀，翘曲变形也就无法避免。而且不良的产品设计所带来的 产品缺陷几乎无法通过模具修改和工艺参数调整来消除。一般带板筋的构件比平板类构件更能 抵抗翘曲变形，薄壁件和壁厚均匀的塑件比壁厚较大且变化较大的塑件抵抗变形的能力要强。 ( 3 ) 模具结构 浇口的位置和数目、类型和尺寸、流道系统、及冷却系统的设置、排气性能好坏、模具顶 出机构的设计等都能影响制品取向与收缩，从而影响制品出模后的翘曲变形。 ( 4 ) 注塑成型工艺 注塑熔体塑化质量、熔体温度、注塑压力、保压压力、保压时间、模具温度等许多成型工 艺参数都影响制品翘曲变形。 综上可知，影响翘曲的因素很多，设计人员很难一次性全都考虑完全。但如材料性能、模 具结构、产品形状、注塑工艺等，他们都是通过产生不均应力分布和不均匀收缩，从而导致塑 料制品产生翘曲变形的。由此可见，翘曲变形可认为是制品不均匀残余应力分布和不均匀收缩 的一种反应。因此减少塑件成型后的翘曲变形大小，也可以从改善不均匀残余应力分布和不均 匀收缩两个方面入手。 4 i - l 到目前为止，翘曲变形机制依然是众说纷纭，还有待于进一步研究；翘曲变形的数值化 模拟必须与精确的实验测试手段相结合，但在这一点上存在着较大的难度川。 1 3 1 国外研究状况及发展 在国外，1 9 8 2 年，s t j a c q u e s 研究了非晶型料的平板制件因冷却不均匀而产生的翘曲，文 中用有限差分法求解一维瞬态温度场，模具和塑料的热物性值按常数处理，变形大小的计算按 简单的线性梁理论【8 】。1 9 8 8 年，t a m m a 等人应用有限元有限差分法求解温差应力，用悬臂梁 理论求出变形量【9 】。1 9 8 9 年，s d r c 公司的m r e z a y a t 研究了非结晶型塑料制件的冷却过程。 脱模冷却至室温两阶段的温差应力，在弹性本构关系下用有限元法求出变形量【1 0 l 。 进入九十年代后，随着流动、保压、冷却过程数值模拟技术的发展、完善，许多学者将更 多的注意力集中在用数值方法研究粘弹本构关系、变物性值的翘曲问题，且塑料原料由非结晶 型塑料扩大到结晶热塑性塑料、纤维增强塑料。 1 9 9 0 年，日本学者m a t s u o k a 应用简单的弹性模型对流动、保压、冷却全过程进行集成分 析，预测纤维增强塑料制品的翘曲【1 1 】。1 9 9 0 年，n s a n t h a n a r a 和k k w a n g 在l e e ，r o g e r ，w o o ( l r w ) ) 粘弹模型的基础上，应用有限差分法研究了中心圆盘厚度方向的温差应力及变形【1 2 】。1 9 9 1 年， 台湾学者s c c h e n 等人在流动、保压、冷却模拟集成化的基础上，用有限元有限差分法研究了 弹性本构关系下箱体制件因温差应力引起的翘曲【”】。 澳大利亚的m o l d f l o w 公司在1 9 9 1 年推出商品化的翘曲分析软件m f w a r p ，该软件可计算 弹性本构关系下正交各向异性塑料的翘曲变形，并能进行翘曲分析，考虑温差、取向、收缩不 同因素形成的变形。1 9 9 2 年，美国c o m e l l 大学c i m p 小组在n s a n t h a n a m 研究成果的基础上， 将应力翘曲程序与以往开发的流动、保压、冷却等程序集成，实现了注塑c a e 的集成化，集成 后的软件即商品化的软件c - m o l d ，该软件能预测塑件的残余应力，但翘曲变形量的计算还需应 用通用的结构分析程序a b a q u s 5 汽车护风圈翘曲变形研究 表1 1 注塑成型各阶段研究进展 研究阶段研究进展 5 0 年代，流动过程的解析法研究 6 0 年代，熔体在形状简单的模具型腔内流动的基础研究 流动过程 7 0 年代，二维流动分析，为开发实用分析软件奠定基础 8 0 年代，三维流动分析，对生产实践有指导意义 6 0 - - - 7 0 年代，保压过程的解析法定性分析 保压过程8 0 年代，保压过程的一维分析，适用于形状简单的模具 9 0 年代，在流动分析软件的基础上，开发二维保压分析 6 0 年代，定性分析形状简单的模具型腔冷却过程的基础研究 冷却过程7 0 年代，一维冷却过程模拟，用有限差分法求解 8 0 年代，二维冷却分析，模拟制品的模具截面的温度分布 9 0 年代，基于边界法的三维冷却分析，用于生产实际 7 0 年代以前，基于黏性流体匀质流场模型分析纤维定向 纤维定向 8 0 年代，基于多种模型的流场的分层纤维定向分析 7 0 年代，基于l e o n o v 模型的流动应力分析 残余应力8 0 年代，热应力的解析法分析，基于粘弹模型的研究 9 0 年代，基于热黏弹性模型的二、三维热残余应力的研究 7 0 年代以前，多采用定性分析方法研究翘曲变形 翘曲变形 8 0 年代，弹性粘变性理论研究几何形状简单的平板类制品 9 0 年代，集成模拟和复杂黏弹性本构方程的研究 1 9 9 2 年，比利时学者i c k k a b a n e m i 和m j c r o c h e t 用三维壳单元研究了粘弹本构关系下的 温差应力及变形，同时i c k k a b a n e m i 和e d u p r e t 又将流动、保压、冷却藕合分析，研究了保 压阶段对残余应力的影响。与此同时，一些学者比较了弹性本构关系、粘弹本构关系下翘曲变 形的预测值，并与实验结果比较，表明了翘曲分析软件的正确性、可靠性【14 1 。 1 3 2 国内研究状况及发展 与国外翘曲变形的研究状况相比，国内的研究起步很晚，直到九十年代初期，国内学者才 开始关注翘曲变形问题。 郑州大学的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概述，主要考虑温度不均匀分布引起 翘曲变形，并采用数值计算方法计算出了翘曲变形系数。而后，采用弹性小变形理论、有限单 元法计算温度应力，利用大连理工大学的结构分析程序j i g f e x 9 5 来计算出翘曲大小1 5 】。 大连理工大学李海梅则从减少流动应力角度，提出一种减少翘曲变形的方法【1 6 1 。西北工业 大学的吴建军等人用一维粘弹性本构方程求解了塑件的残余应力，用悬臂梁理论求解了制品的 变形1 7 1 。 华中科技大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形，将制品的面内变形看作平面 6 _ i 南京航空航天大学硕士学位论文 应力问题，将侧向变形看作薄板弯曲问题，两类变形叠加后，采用平面问题及薄板弯曲问题的 有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形【埔】。也有学者从分析注射制品残余应力入手，探寻 减少残余应力及翘曲变形的方法。 在c a e 方面，郑州大学模具研究所开发了z - m o l d ，用于橡胶模具成型过程的模拟及模具 优化设计。是目前国内处于领先水平的实用化、商品化的橡胶模c a e 软件。浙江大学于1 9 9 4 年开发了一套精密注塑模c a d c a e 系统，其目的是为了解决录像盒精密注塑模具国产化所面 临的设计与制造问题。该系统基于u g9 0 平台，用m o l d f i o w 实现c a e 过程，其特点是以特 征造型来构造产品模型，从而解决了困扰其他注塑模c a e 系统在工艺信息表达上的难题。 1 4 注塑制品翘曲变形的研究方法 纵观整个注塑成型研究历程，总结查阅的大量文献可以看出，翘曲变形研究可归纳为三个 方面：从产品设计方法学角度研究翘曲变形，以优化注塑制品设计和成型工艺条件设置；采 用试验方法，分析翘曲变形与塑料材料、产品及模具结构、成型工艺参数等之间关系；从理 论上对翘曲变形进行定性和定量的研究。本节将从这三个方面分别阐述各种方法的特征及其发 展状况。 1 4 1 注塑制品翘曲变形的产品设计方法研究 翘曲变形的产品设计方法学研究，最开始是根据实际生产经验，从定性角度分析影响注塑 制品翘曲变形的因素，探讨减少翘曲变形的方法。后来才发展到将工程优化设计方法用于注塑 成型工艺中，力图设计出优化的塑料产品和模具，选用合适的成型工艺条件，以达到最大程度 减少翘曲变形的目的。 从七十年代开始，n c b a l d w i n 从产品、模具设计及注塑成型工艺角度，定性探讨减少翘 曲变形的方法【1 9 1 。他指出，不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的，几乎不可能通过成型 工艺条件来修正，不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均匀收缩，从而导致制品翘曲：在模具 设计中，无论是对何种材料，最重要的影响因素是模具浇口大小和位置：在成型工艺条件选取方 面，不均匀压力分布和温度分布也能导致翘曲变形。 八十年代中期，k b s p a t o l a 在实际生产中发现，塑料材料的结晶程度越高，越容易发生翘 曲变形，而无定型塑料材料如p c 等在成型过程中则不易发生翘曲；在流动过程中，平行于流动 方向取向比垂直于流动方向的取向要大，从而导致各向异性收缩和翘曲变形，并根据这些原则 对塑料进行改性，以减少翘曲变形程度。 九十年代初，m o l d f l o w 公司的c a u s t i n 分析了注塑制品产生翘曲变形的原因，并从塑 料材料选择( 主要考虑结晶性能、取向性能、成型收缩性能) 、注塑产品设计( 主要指壁厚) 、注塑 模具设计( 包括浇口位置和流道尺寸、冷却流道尺寸与布置) 、注塑成型工 7 汽车护风圈翘曲变形研究 艺条件选取等方面探讨减少翘曲变形的方法。 九十年代末，有学者开始采用工程优化设计思想来设计塑料产品和选择成型工艺。b h l e e 在设计注塑制品时，首次打破制品壁厚应尽可能均匀的不成文规矩。他认为，在预定的尺寸误 差范围内，有意改变壁厚，是减少翘曲的一种方法，并利用基于正交试验和信噪比分析原理 t a g u c h i 方法，将不同壁厚看作可控制的设计因素，而将注塑时间、熔体温度、冷却问题等工艺 变量看成噪声因素，得到不同壁厚因子组合的制品壁厚，且对每种壁厚模型，采用差异分析法， 获得最优壁厚和最佳工艺设置。在此基础上，r s h a u ，d o n g a n g y 和b k i l n 突破了传统设计方 法中先给定产品几何形状，通过反复试差，在一定范围内选择变量的定性思维。为了研究不均 匀收缩而产生的翘曲变形，他们将壁厚、充模时间、保压时间、熔体温度、模具温度、保压压 力作为优化设计的设计变量，采用基于优化的基因算法和t a g u c h i 法求解减少翘曲变形的优化 问题，并给出注塑制品的理想厚度和体积。 2 2 翘曲变形的试验研究 1 4 2 注塑制品翘曲变形的试验研究 与产品设计方法学研究不同，翘曲变形的试验研究是通过大量试验，获取原始试验数据， 分析试验现象，从中挖掘试验规律，以了解塑料材料、产品和模具机构以及注塑成型工艺参数 对翘曲变形的影响程度与趋势。 从九十年代开始，许多学者陆续采用试验方法研究结晶型和无定型塑料、注塑成型工艺条 件与翘曲变形之间的关系。w d i s c i p i o ，a w a g l e ，s e m c c a r t h y 研究了塑料冷却、分子取向松弛 和结晶性能( 对结晶材料) 所造成的收缩，将收缩翘曲特性与材料热膨胀系数联系起来，并认为 收缩翘曲结果依赖于分子和纤维取向、压力和温度分布、残余应力等的正确预测。 c s l e e ，a d u b i n ，i c s a