变形预补偿在风扇注射模具设计中的应用

摘要：　　注射制品的变形是长期困扰模具工程师的一大难题。尽管在模具设计过程中采用各种先进的技术手段，但成型制品却很难满足设计图纸要求。本文通过对制品的变形进行分类，并对收缩变形和翘曲变形分别提出了不同的解决办法，成功地利用变形预补偿降低风扇的变形量，为解决制品的变形问题提供了一种新的思路。

Application of Deviation Precompensation Approaches in Fan Injection Tooling Design

Lu Duan-min

Abstract: Large deviations of molded parts have puzzled tooling design engineers at all the times. It’s very difficult to make molded parts meet the specification on the drawing, even tooling design engineers used many advanced approaches to design the injection tooling. In this paper, the author divided the deviation into shrinkage and warpage, and found different solutions to them, and reduced the deviation of automotive engine fan successfully. It offers a new approach in order to reduce the deviations for molded plastic parts.

在注射模具设计过程中，制品的变形是模具工程师必须要考虑的一个重要因素。高温塑料熔体在注射模内冷却定型及模外冷却过程中，不可避免会发生变形，影响制品的成型精度从而导致大量废品的出现。

塑料制品的变形主要有两种形式：收缩变形与翘曲变形。收缩变形是指制品尺寸相对于模具型腔尺寸而言存在的差异;翘曲变形则是指制品的形状偏离了模具型腔的形状。

为了降低制品收缩变形量，模具工程师经常在分割模具型腔前将成型物料的缩水率补偿到制品模型中去，以使制品尺寸在变形后尽可能接近设计尺寸。目前，很多大型注射模CAD商用软件都具有设置缩水率的功能，并且能根据不同的情况在不同方向上设置缩水率的。这种方法的实质是对制品的收缩变形进行逆向预补偿。笔者认为，在降低翘曲变形时，也可以采用这种方法。

1  汽车风扇变形特点

汽车风扇外形如图1所示。风扇由内圈、外圈和六个叶片组成，整体结构呈轮辐状。连接内圈与外圈的叶片之间有较大的通风区使材料分布不均匀，所以无论是在制品的内、外圈上，还是在壁厚不均匀的叶片上，都会发生收缩变形和翘曲变形。

相比之下，内、外圈上的翘曲变形较小，这两个部分变形的主要形式表现在收缩变形。叶片与内、外圈一样，既存在着收缩变形，同时也存在翘曲变形，是风扇翘曲变形最大的部位，所以在考虑叶片的变形时，必须同时考虑收缩变形和翘曲变形。

根据风扇的结构特点，浇口设置在制品中心处。成型物料选用PA66/GF30，这是一种很容易发生翘曲变形的工程塑料。资料显示[1]，一块200mm×200mm×2.5mm的PA66/GF30平板件，最大翘曲变形可达10.9mm。因为翘曲变形过大，该产品模具先后进行过两次设计。在第一次模具设计过程中，由于只对制品收缩变形进行预补偿，并未进行叶片翘曲变形的预期处理，结果导致叶片前、后沿翘曲变形过大，不能满足客户图纸的设计要求。该制品为某汽车发动机冷却系统中的关键部件，生产批量大，质量要求严格。经过一年多时间的修模、试模，最终制品的成型精度仍不理想。即使在批量生产过程中，制品的合格率也只有86%。

图1 风扇外形图

2 变形预补偿的数据处理

2.1 变形预补偿的原理

变形预补偿的原理很简单，即在制品尺寸减小区域将增加一个变形量，在制品尺寸增加区域减小一个变形量。

在制品上任意选取一条曲线f，变形前位于f。在曲线f上任意选取一点r#p#分页标题#e#，变形前的位移矢量为。变形后曲线f的位置变为f₁，点r的位移矢量为 。点r的变形矢量为

曲线f₂为曲线f的变形预补偿曲线，点r在该曲线上的位移矢量为 。相对于未变形曲线f₀，点r的变形为

　　在已知后，将曲线f₀的位置移至f₂，且满足如下关系

　　将补偿到曲线f₀上，使之与f₂位置重合，重构制品模型并设计模具，则可使制品的变形量降低为最小。#p#分页标题#e#

图2　变形预补偿原理图

2.2 变形数据的测量

变形数据来源，既可以对注射样件进行测量，也可以借助有限元软件分析计算。前者数据可靠，但成本较高;后者成本低，但数据的可靠性取决于有限元软件的分析精度。随着计算机硬件与软件的飞速发展，有限元软件的数据处理精度不断提高。目前，借助于注射模CAE软件测量制品变形数据的案例越来越多。

图3 制品径向收缩变形曲线图

　　图3为制品径向收缩变形曲线图，制品径向的平均收缩率为

　　= 0.64%

　　制品轴线方向上的平均收缩率为0.5%。

图4 叶片前、后沿变形数据曲线

风扇叶片为双三次B样条曲面，由一条封闭的三次B样条曲线(截面曲线)沿两条引导曲线(即沿前、后沿B样条曲线)扫描而成。叶片翘曲变形的数据测量也正是基于前、后沿引导曲线来进行的。结果如图4所示。从测量结果分析，叶片前沿向下翘曲变形，后沿向上翘曲变形。

2.3 变形预补偿模型的生成

收缩变形的预补偿可以直接通过注射模CAD软件来实现，操作简单。对翘曲变形的预补偿的处理相对复杂一些，需要根据翘曲变形的大小与方向对两条原始的引导曲线进行逆向补偿，生成新的预补偿曲线。制品发生变形后，引导曲线上的点的位移是空间位移，坐标值不仅是竖直方向上(z向)了发生了变化，而且在水平方向上(x、y向)也发生变化。

为了简化处理过程，现将叶片引导曲线上的点在水平方向的坐标变化归结为收缩变形，竖直方向的坐标变化归结为翘曲变形。所以，生成新的引导曲线时，只需要变动引导曲线上的z坐标。由于忽略了制品内、外圈的翘曲变形，从而也就忽略了叶片两端的翘曲变形，即可认为构造叶片曲面的截面曲线是没有变形的，并不需要对其进行变形预补偿。

变形预补偿后的模型见图5，图中深色的为原始的CAD模型，浅色为变形预补偿后的CAD模型。两者在叶片以外的其他区域是重合的，只需要在利用CAD软件在分割模具型腔与型芯前，在模型径向设置0.64%的缩水率和在轴向设置0.5%的缩水率即可。

图5 制品变形预补偿模型

3  风扇注射模具设计

风扇模具的设计工作是应用UGII软件的Moldwizard模块来完成的。当对预补偿CAD模型的缩水率设置好后，即可构造分模曲线与分模曲面，对型腔进行体积分割。选用Moldwizard模块提供的标准模架，添加顶料杆、定位环、主流道衬套、导柱、复位杆等标准件，再开设冷却系统与浇注系统。完成后的风扇注射模具装配图如图6所示[2]。

图6 风扇注射模具装配图

1.定模座　2.定模固定板　3.制品　4.定位环　5.主流道衬套　6.型腔　7.冷却水道　8.顶板　9.导套　10.导柱　11.支撑块 12.复位杆　13.顶杆固定板　14.顶杆底板　15.动模座　16.顶杆　17.型芯　18.动模固定板

4 小结

利用收缩变形和翘曲变形同时进行了变形预补偿的模型再次设计并制造出的模具，试模时间大大缩短，且背离尺寸较前一次模具成型的制品大幅减少。仅经过两次小幅修模便通过了客户的质量审核，制品合格率为99.5%。

在成型物料与注射工艺条件都确定的情况下，变形预补偿不失为降低注射制品变形的一种有效方法。

参考文献

[1] 左大平等.关于PA66/GF30制品翘曲变形的研究.工程塑料应用.2005，12:21~23.

[2] 左大平等.CAD技术在风扇注射模具设计中的应用.模具工业.2006.02:06-08.