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评《基于Moldflow的柜机空调传动齿轮翘曲变形优化方法》 徐昌煜 2021年11月17日   关键词(keywords)：moldflow、柜机空调传动齿轮(transmission gear of cabinet airconditioner)、变形(warpage)、实验设计(Design of Experiment或DOE)、工艺参数(process parameters)、充填平衡(fill balance)、收缩不均(differential shrinkage)、保压压力(holdingpressure)、保压时间(holding time)、一级分流道(primary runner)、保压补缩(shrinkage compensation by holdingpressure)、材料常数(material constant)、   《模具技术》2021年第3期中有篇文章《基于Moldflow的柜机空调传动齿轮翘曲变形优化方法》阐述了珠海格力精密模具有限公司的赵庆晨等八位利用Moldflow 和DOE实验优化了齿轮的筋条厚度以及注塑工艺参数，将齿轮的翘曲变形控制在可以接受的公差范围之内。  运用科学方法和工具有效地找寻解决方案，是业者可以效法的典范。   兹摘录该文部份章节，并附上我的批注或点评(一般为粗斜体，C. Hsu是我的代号)与大家分享：   结合公司质量要求，本文从解决实际问题的角度出发，结合moldflow分析，提出一套翘曲优化方法 ---。   此方法的核心在于，当翘曲量不满足设计公差要求时，将引起翘曲变形的原因进行拆解，从产品结构、模具结构、注塑工艺参数各层面分析引起零件翘曲的原因。  将优化后的参数，在Moldflow中重新分析，直到满足产品设计公差要求。  形成“产品结构、模具结构、注塑工艺”的闭环回路。     2  基于Moldflow的柜机空调传动齿轮翘曲变形案例应用   2.1  研究对象   以某款柜机传动齿轮为研究对象。  齿轮为运动部件，强度要求高，同时材料自润滑性必须很好，因此选择“赛钢料”POM，产品最大外形尺寸为209mm x 65mm x 25mm，产品料厚诊断如图2所示，可以看出，料厚分布不均。  产品进胶位置如图3所示，进胶方式为冷流道点浇口，浇口直径为1.2mm，分流道为梯形结构，具体尺寸为6.8mm x 5.0mm x 3.0mm，此种进胶方式充填平衡，注塑压力小(C. Hsu：充填平衡和注塑压力降低还有改善空间，见后说明)。  由于产品有运动结构要求，高度方向(C. Hsu：即Z方向)变形量必须小于0.8mm，而经分析此产品反翘变形量达2.6mm = 0.926mm + 1.673mm(C.Hsu：2.6mm是Z方向正向或向下最大变形位移量0.926mm和负向或向上最大变形位移量1.673mm的加总，一般用来当作整体产品在Z方向或高度方向翘曲变形量的指标)，如图4所示。  实际生产过程中，产品出模后还需增加一道人工整形工序(见图5)，整形后的产品需在冷水中浸泡3min，以达到定型效果。  此种生产方式费时又费力，同时翘曲值的均一性很难保证。 <img height="702" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1118/3fecfdbda2654168b69dbe2d837c38b6" width="519" /> <img height="859" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1118/50ce6e6e34db4939994f227b9eb840e9" width="538" />   2.2  翘曲原因分析及解决方案   在Moldflow中，将引起翘曲变形的因素拆解为：冷却不均、收缩不均、取向效应及角落效应。  在此案例中，收缩不均是引起变形的最大因素。  传动齿轮因功能要求选用POM材料，POM结晶度高，收缩率为2%。  由图2可知，产品料厚分布不均，主体壁厚为2.0~2.5mm，而筋条部分厚度只有1.5mm，料位薄的地方先冷却，收缩值小，注塑过程中保压参数对收缩变形同样有很大影响，同时模具温度影响浇口冻结时间(C. Hsu：浇口直径对浇口冻结时间影响更大，因为冷却固化封凝时间与浇口直径的平方成正比)，从而影响保压压力对收缩变形的效果。  基于上述分析，从产品的角度分析，在外观不变的前提下，优化筋条的厚度可以改善收缩差异，同时结合实际生产工艺，调整模具温度与保压时间同样可以优化收缩差异。  因此将此3个因素作为研究对象，考虑到各影响因素之间对翘曲变形影响的相互耦合作用，进行单纯的参数排列组合不一定能够找到最优的组合方案，结合Moldflow的DOE实验设计版块，将现有条件设置为中间值，每个影响因素都设定一个上下浮动区间，通过软件分析找到最优组合条件。  ---   分析完成之后，在结果栏右下角选择相应的影响因素，将其中筋条尺寸设置为第1个影响因素，保压时间设置为第2个影响因素，冷却液温度设置为第3个影响因素，在软件中任意调整自变量组合，找到翘曲变形量最小的组合。  ---     2.3  实验验证   根据软件分析，筋条需加厚50%，但如果筋条料厚超过主体料厚，外观面缩水会很严重。  基于此，制定最终改模方案：将筋条料厚由1.5mm增加至2.0mm，同时，试模时将动定模模温设置为40°C，以改善翘曲变形量。  优化后模型参数组合在Moldflow中的DOE实验结果如图8所示。   <img height="391" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1118/340c1a6e2a984b82b1a87d7cdffcff0a" width="479" />   将确定好的改模方案参数组合，带入Moldflow软件中重新分析，产品翘曲变形量分析值为0.49mm(C. Hsu：改善81%)。  经过改模优化后，实际上机试模，按照DOE分析设置工艺参数，生产出的产品用三坐标测试变形量，实际测试值为0.6mm，与分析值接近，满足设计公差要求(变形量小于0.8mm)。     3  结语   以实际生产过程中出现的问题为研究对象，基于Moldflow仿真分析，采用DOE实验设计方法，对影响柜机传动齿轮翘曲变形的因素进行分析，找到最优参数组合。  改模后经过实际试模测试变形量，验证了Moldflow软件DOE实验的准确性。结果表明：   (1)  零件的收缩与产品筋条的料厚有很大关系，当筋条料厚趋于主体壁厚，产品翘曲变形量小； (2) 优化模温、保压时间可以改善翘曲变形； (3) 由于是开模后产品翘曲的优化，后续新开传动齿轮可以采用此种分析方法，开模前优化好模型，节约试模及生产成本。     C. Hsu：   1.    在不用矫形工装的情形下，优化设计的209mm高 x 65mm宽 x 25mm高 x (2.0~2.5)mm厚的POM齿轮在X-Y面的平面度居然可以达到0.6mm，非常不容易；   2.    如果想精益求精、更上一层楼，以成型更为精密和附加价值更高的齿轮，可以考虑以下作法：          a.   浇口数目和位置   下左图是原来的流道和浇口设计，一共采用4个浇口，要达到流动平衡并不容易。 下右图是建议的流道和浇口设计，一共采用3个浇口，左边浇口置齿轮的中心，3个浇口的间距相等(下右图中两支白色双头箭的长度代表相邻二浇口的间距)，而且约略等于齿轮的齿顶圆的直径，流动平衡可以经由调整三支一级分流道(primary runner)的直径并借助moldflow的模拟优化轻松完成。 加上此一设计流道和浇口用料少，经济实惠； <img height="243" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1118/e97751c56b3e49b99b7c401b047055e3" width="687" />    b.   浇口的直径 浇口小而固化断流早是保压补缩不能完全的主要原因，所以浇口的直径d要大于材料常数n乘以加浇口处的制品壁厚t，也就是 d > n x t (这里的n是POM的材料常数0.7) = 0.7 x 2.5mm(t：2~2.5mm，取大者) = 1.75mm，可大方地取Ф2mm(目前的浇口直径Ф1.2mm偏小)，以免保压补缩不足而增加了翘曲变形；浇口直径确定后，所有浇口尺寸都应当保持一致。 达到流动平衡要靠调整浇口上游的流道尺寸，不可改动浇口已定的尺寸；        c.   筋的厚度 一般结晶性塑料(如POM)的加强筋根部厚度以不超过底板厚度的50%为原则，否则加强筋的对面易生缩痕(sink mark)，而且往往因为筋与底板交会处较厚和收缩较大而加长了冷却时间和加大了收缩不均，后者是变形的渊薮。 目前底板厚度是2~2.5mm，加强筋根部厚度以取1~1.25mm为宜；        d.   因素的选择      无论是DOE分析或者是田口质量工程技术分析，因素的选定非常重要，一般对翘曲变形影响较大的注塑工艺因素是保压压力、模温和料温。保压到所有浇口都固化封凝时就可以停掉，保压时间可以根据浇口厚度或直径算出，不需要占一因素的名额1