李雷  宋碧倩

（中航光电科技股份有限公司  洛阳  470001）

摘要：本文使用Moldflow仿真软件以航光电某型号矩形绝缘体为例进行翘曲变形分析。通过分析初始方案的成型过程，确定该注塑件翘曲变形的原因主要是由于零件不同部分的玻纤取向效应不同导致的收缩不均。针对该注塑件的翘曲原因，对零件结构进行优化改善，使得翘曲变形大幅度降低。实践证明优化后零件结构能够有效降低产品翘曲变形，使其符合该产品的质量要求。

关键词：Moldflow；注塑件；翘曲变形；优化

0  引言

随着高端制造业的发展，各种精密、结构复杂、壁厚薄、插孔数量多的电连接器注塑件越来越多，同时，军工、航空航天等领域对连接器注塑零件的质量要求越来越高，如何在更短的生产时间内提高注塑零件的质量是现代连接器注塑件制造的一大难题。注塑成型仿真软件Moldflow是目前注塑零件成型模具的主流仿真软件，它的动态图形功能可以帮助设计者在最终决策前试验假定方案，从而达到优化目的^[1-2]。

电连接器注塑件通常为长矩形，同时分布着一定数量的插孔，为了满足产品高精密装配、使用环境复杂、结构复杂的要求，翘曲变形是电连接器绝缘体成型过程中亟待解决的一大难题。由于成型窗口较窄，现场调机对翘曲的改善效果不明显。为此，本文运用注塑成型仿真软件Moldflow对注塑件的翘曲变形原因进行深入分析，通过优化产品结构，解决注塑件的翘曲问题，对产品结构优化的合理性提供科学的依据^[3-4]。

1  产品结构分析

图1为我司插座绝缘体二维模型和三维模型。按照该产品技术要求，平面度应小于0.05 mm，而实际上该零件注射成型后翘曲变形严重，平面度达到0.18 mm，严重影响其使用性能，图2为零件翘曲变形示意图，零件长度方向呈弧形，圆弧中心朝向上面。

图1 零件二维图和三维模型

图2  零件翘曲变形示意图

该插座绝缘体长53.1 mm，宽度为13.9 mm，高度为3.2 mm，零件上表面分布着96个异形台阶孔，与底面相比，存在壁厚不均匀的情况，并且由于零件外形较长，抵抗翘曲变形的能力较差。

2  产品材料分析

该零件所用材料为国内某公司生产的15%玻纤增强液晶高分子聚合物材料LCP。它的突出特点是耐高温且介电常数低，广泛应用于电子电气、汽车、精密机械、化工以及航空航天等多个领域。通常认为含玻纤的材料比不含玻纤的材料更容易翘曲。玻纤会沿塑料流动方向取向，导致流动方向的收缩和垂直于流动方向的收缩相差很大，从而使零件翘曲变形，如图3所示。

图3 玻纤取向效应导致零件翘曲变形

3 产品填充分析

3.1    模具浇道设计分析

为了形成单向受控的流动模式，即胶体应沿一个方向流动，且整个填充过程中流动前沿保持笔直，促使分子取向在一个方向，从而让零件具有均匀的收缩和应力，因此浇注系统从零件一端进料，浇口采用扇形浇口。如图4所示。

图4  零件浇注系统示意图

3.2    注塑工艺参数分析

在注射成型过程中模具温度、熔体温度、注射速度（注射时间）、注射压力、保压时间、和冷却时间这些参数都对翘曲变形产生影响。由于该零件尺寸较小，且LCP材料流动性较好，因此采用一段注射成型，即在注射过程中，螺杆向模具推进熔体时，采用相同的注射速度、注射压力等工艺参数。采用某型注射机，工艺参数如表1所示。

3.3    Moldflow填充分析

对于产品可能存在的缺陷，使用 Moldflow对其注塑成型过程进行模拟仿真，实体网格（3D）可借助体积网格进行分析，可计算熔体在厚度方向的速度分量，分析熔体的压力随厚度方向变化，其计算方式较为复杂，分析时间较长，常用于小零件、短粗零件或多孔零件的仿真，而分析结果也更为准确，因此该零件选用实体网格（3D）分析^[5-6]。

填充分析为模拟塑料注射的全过程，预测熔胶在模具型腔中的充填流动行为，通过填充分析结果可以查看零件的充填、流动行为是否合理。设置分析序列为“填充+保压+翘曲”，分析结果主要包括充填时间、温度、压力等（见图5）。

图5  填充分析结果

图5为填充分析结果。其中，图5（a）为充填示意图，由图中可以看出产品填充时间为0.1013 s，且流动平衡，无短射现象；图5（b）显示了填充过程中流动前沿的温度变化，温度均处于该材料的推荐温度范围内（330 ～370 ℃），流动前沿温度差约为2.5 ℃，符合仿真要求；图5 （c）为零件上各处在整个注射过程中的压力变化图，可知模腔充填压力最大值为12.33 MPa；图5（d）显示了锁模力随时间的变化情况，给用户提供了锁模力的参考值，最大值约为1.967 Ton，未超出注射机许用值120 Ton的80%。

4  产品翘曲分析

4.1    翘曲变形预测

零件在成型过程中，由于冷却不均匀、收缩不均匀和玻纤取向效应等原因可导致翘曲变形，该零件平面度质量要求和实际翘曲方向均为Moldflow分析中的Z方向，因此本文主要对零件的Z方向变形进行分析。图 6 所示为零件翘曲变形路径图，从Moldflow中作路径图能直接得到零件在某个方向的翘曲量，可以看出Moldflow预测的零件翘曲为 0.11 mm，与实际产品变形较为接近。

图6  零件翘曲变形路径图（比例因子=20）

4.2    分离翘曲原因

本部分对产品翘曲原因进行分析。图7分别显示了冷却不均、收缩不均、取向效应三种不同因素下引起的翘曲变形结果，由图中可看出取向效应引起的翘曲变形与实际变形方向一致，变形量为 0.11 mm，是引起翘曲变形的主要因素。由图中可看出冷却不均引起的翘曲变形量比较低，可以忽略。零件收缩比较均匀，收缩不均引起的翘曲量较低，综合三者对零件的影响，可以看出翘曲的主要原因为零件内部玻纤取向效应。

图7 分离翘曲原因（比例因子=20）

导致取向不均的原因与零件内部纤维取向有关。图8通过对比玻纤取向张量图和翘曲变形图，可以发现底面玻纤的取向一致性较强，支撑作用大，收缩较小，顶面由于插孔的尺寸比较大，玻纤取向混乱，支撑作用弱，收缩较大，导致产品两端向上弯曲。

图8    玻纤取向与翘曲变形图对比（比例因子=20）

5 翘曲优化

经过以上分析可以确定，引起零件翘曲的主要原因是零件上下部分壁厚不均造成的玻纤取向不一致，因此优化的主要方向为将底面玻纤取向阻断，来降低取向效应对零件主体的影响。由于该零件的结构相对复杂，为了解决底面玻纤取向较强的问题，决定在零件底面增加工艺槽，将底面分隔成多段，削弱玻纤在长度方向上的取向作用。如图9所示，在零件主体部分增加若干工艺槽，来降低底面玻纤取向效应对收缩的影响。

图9  零件更改前后示意图

图10  工艺槽改善后的翘曲变形量（比例因子=20）

图10所示为增加工艺槽改善后零件的翘曲变形量，从图中可以看出Moldflow预测的翘曲变形量约为0.03 mm，翘曲由原来的0.11 mm降低了72.7%，翘曲得到明显改善，且符合平面度要求。

6  优化结果验证

结合模流优化结果，在产品底部增加工艺槽。试模后零件实物对比如图11所示，从图中可以看出，增加工艺槽后产品与桌面贴合度更高，实测翘曲在0.03 mm左右，符合该零件的平面度要求。 

图11  改善前后实物对比

7 总结

本文借助Moldflow分析软件对矩形连接器插座绝缘体翘曲原因进行分析，得到该零件翘曲变形主要原因为零件玻纤取向不均匀导致的收缩不均，需要对零件结构进行优化来保证收缩的均匀性，因此对零件主体区域开设工艺槽，通过模拟仿真结果可知，零件的整体翘曲变形量由0.11 mm降低至0.03 mm，降低了72.7%，通过实践验证，翘曲得到了极大的改善。对于长矩形连接器来说，翘曲变形是一个共性问题，我们可以对不同的零件结构结合Moldflow软件进行仿真分析，快速确定产品缺陷的原因，并针对性去解决问题，从而可有效避免盲目修模，缩短试模周期，降低成本。

参考文献

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[2] 谢英,郑国强,周应国,等. 塑件翘曲变性分析CAE在注射模冷却系统收入及中应用[J].模具工业,2008,34(9):29-32.

[3] 牛顺利,雷贤卿. MoldFlow在连接器注射模设计中的应用[J].模具制造,2012,5:17-22.

[4] 罗珊．路由器不对称型腔注塑模CAE优化设计［J］.塑料,2018,47(6):5-14.

[5] 王刚,单岩. Moldflow模具分析应用实例[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6] 李代叙. Moldflow模流分析从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2012.