利用moldflow研究加强筋对产品变形的影响

利用moldflow研究加强筋对产品变形的影响
段少杰摘要：阐述加强筋在产品成型阶段和使用阶段对变形的影响，包括加强筋对产品变形时所起的作用以及变形的原因。

应用moldflow软件对一个产品进行ＣＡＥ分析，说明不同的加强筋厚度及不同成型条件对产品变形的影响，以此为产品设计人员做参考之用以及对为解决产品变形问题提供对策。

关键词：加强筋moldflow软件体积收缩变形
1引言
在塑料产品设计过程中，为了有效减小产品原料用量，加强筋的设计是不可缺少的。

合理地增加加强筋不但可以减小原料用量而且可保证产品的刚度强度不降低更有使产品刚度和强度增加的可能。

目前，加强筋已经广泛应用与塑料产品的设计中，在设计过程中要注意很多问题点，比如加强筋的厚度、高度、数量及排布方式等等。

因为这些因素不但关系产品的刚度，设计不合理的话还会出现各种产品缺陷如缩水痕、应力痕、产品变形等问题。

本文就利用moldflow分析和研究加强筋在不同情况下对产品变形的影响。

2加强筋对产品变形的作用
一般情况下，大家都会认为增加加强筋就会增加产品的刚度，从而减小产品变形。

这种说法也是正确的但也要分场合才可。

在本文中将产品的变形分为两个阶段：使用阶段和成型阶段。

2.1 使用阶段。

通常我们所说的产品变形便指的是这个阶段。

在使用时产品受到外力作用，外力迫使产品发生变形，这时加强筋起到抵抗外力的作用，保护产品不变形。

文件外力足够大时，产品将屈服变形。

在这个阶段产品变形的原因是外力。

2.2 成型阶段。

在这个阶段，产品的变形主要是由内力引起，如注射时机台过大的注射压力在塑料产品里形成残余应力；产品肉厚不均引起的收缩不均造成的内应力等，当产品强度不足以抵抗内应力时，便产生了变形。

大家都知道，加强筋的厚度不能大于产品基面厚度，甚至是不能超过产品厚度的0.5-0.7倍，不然加强筋的背面将出现缩水痕，以致成为不良产品。

那我们可以试分析一下，在相同的温度和压力下，加强筋和基面被挤入相同比例的料，而较薄的加强筋很快就冷却了，高分子链段在低温下不能运动也就是被拉直的高分子来不及松弛收缩就被冻结了，进而产生较小的体积收缩；而基面由于有较大的肉厚，浇口也不能提供足够的畅通时间，所以基面的高分子有比加强筋更多的时间来进行松弛收缩，进而产生大的体积收缩，由此便产生了加强筋与基面的收缩差异，这个差异将产生内应力，当差异足够大时，内应力超过材料强度引起变形，如下图1所示
厚基面收缩大将产生一个相对的向里的拉力，薄筋位收缩小将产生一个相对的向外的撑力，在这两个不同方向的内力作用下，产品向上翘曲就不难想象了。

图1：产品收缩应力图
所以在考虑利用加强筋来解决产品变形问题时，要分清成型阶段和使用阶段，因为在这两个阶段加强筋所起的作用是相反的。

如果产品设计已经满足了强度要求而在成型时依然变形的话，不可轻易地增加加强筋来企图调整变形。

3 moldflow分析实例
以下是一个内装件为例，分析不同加强筋厚度及不同成型条件下对产品变形的影响。

如图1所示，产品为略带弧度的板，背部有boss柱和加强筋组成。

外型210*121*22mm，主要肉厚2mm，初始加强筋厚度为1.4mm带单边1.5度拔模。

采用俩点侧进胶，两板模成型，一模四穴，为节省时间采用OCC两穴分析。

为了对比采用两个不同保压、五个不同加强筋厚度产品，加强筋厚度修改仅限图3所示红色区域，因为主要变形由这部分加强筋引起。

分析结果见表1。

从表格中可以看出：
a 加强筋在中等厚度时引起变形最大，加厚和减薄都可以减小变形。

b 加强筋增厚后，产品变形对保压时间的增加敏感性下降。

原因分析：a 加强筋在薄的时候，因为其凝固时间很短，在保压时压力没有很好地传递到筋位时就已经凝固了，也就是筋位不能被挤入很多料，所以收缩就会相对变大，与基面的收缩差异变小；加强筋在厚的时候，其和基面的肉厚差异变小，所以其收缩差异也变小。

故而加强筋在较薄和较厚时都对变形有利，但为了防止加强筋背部出现缩水痕，应首先考虑采用较薄的加强筋。

b 如果加强筋较薄的话，其很快就凝固了，那么之后保压压力再大或者时间再长都不能把料挤入加强筋里，而只能挤入基面里，所以在加强筋较薄时增加保压时间会使基面与加强筋的收缩差异变小，并且时间越长差异就会越小，当然要考虑是否出现了过保压或浇口已经凝固等。

反之加强筋越厚增加保压时间，保压压力既能对基面起作用也能对加强筋起作用，他们的收缩差异减小程度就会很小。

表1：各个分析的Z轴变形结果
另外又对1mm和1.9mm加强筋的产品采用不同的射出时间进行分析，分别是1.5s和1.8s。

得出结论是：薄壁加强筋产品的变形对射出时间比较敏感，而厚加强筋产品的变形对射出时间的改变基本没有反映。

有分析结果的冷凝曾数据可明显得出，薄壁加强筋的凝固时间很短，在2s的时候已经达到0.5了，那么填充时间加长相当于加强筋得到保压的时间减短，被挤入的料更少，与基面的收缩差异更小一些，所以变形更好。

4 结论
实践证明加强筋对产品变形有明显影响，带加强筋的产品一般情况下会呈现笑脸状翘曲（如图1所示变形），偶有采用特殊保压使得变形得到矫正，但有使产品内应力增大的风险。

另外强调一点，在产品出现变形时切莫盲目地以增加加强筋的方式来调整变形。

参考文献
1．王洪,顾越洲.加强筋对注塑件质量和力学性能的影响.机电工程,1998（5）2．Moldflow标准化应用手册（MFS2008版）。