注塑件成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究*

劉榮亮，胡澤豪

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410000)

0 引言

注塑成型工藝非常復(fù)雜，成型制品質(zhì)量受到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能及充填、保壓和冷卻過程中的工藝參數(shù)等諸多因素的影響。這些年來，隨著注塑產(chǎn)品應(yīng)用范圍的變化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。傳統(tǒng)的試錯(cuò)法生產(chǎn)方式難以滿足現(xiàn)代行業(yè)對(duì)塑料制品產(chǎn)量、質(zhì)量和更新?lián)Q代速度的需求。CAE技術(shù)的出現(xiàn)使模具設(shè)計(jì)建立在科學(xué)的分析基礎(chǔ)上，提高了模具的設(shè)計(jì)水平，從而使成型制品質(zhì)量有了大幅度的提高。目前，模具設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛采用數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)，但現(xiàn)有的應(yīng)用大多是“被動(dòng)式”的，并不能代替人的創(chuàng)造性工作，只能作為一種輔助工具幫助人去判斷設(shè)計(jì)方案是否合理，難以提供一個(gè)明確的改進(jìn)方向和尺度，仍需通過反復(fù)交互(分析－修改－再分析)才能將設(shè)計(jì)人員的正確經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)到成型工藝及模具設(shè)計(jì)中去，而設(shè)計(jì)方案的確定在很大程度上仍需依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和水平。將成型模擬理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、模具設(shè)計(jì)方法及過程控制理論有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模具、工藝參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化及制品質(zhì)量控制，可從根本上解決依賴經(jīng)驗(yàn)和技巧的方法和手段［1］。

1 優(yōu)化分析過程

筆者對(duì)注塑件的注塑成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小翹曲變形，從而提高成形精度。根據(jù)正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選取了不同的工藝參數(shù)和取值水平，建立正交實(shí)驗(yàn)矩陣，并利用仿真分析軟件Moldflow模擬成形及翹曲變形過程。

1.1 制件模型

制件三維模型如圖1。該產(chǎn)品的外圍尺寸為100 ×16×230，厚度為2 mm。制件要求表面光滑、平整、不得有飛邊等缺陷，最大公差為0.3 mm。制件的材料采用牌號(hào)為Novalloy S 1220的PC+ABS，其注塑工藝要求模具溫度50～100℃，熔體溫度230～300℃，最大剪切應(yīng)力0.4 MPa。

圖1 制件三維模型

1.2 建立分析模型

對(duì)制件三維模型進(jìn)行簡化處理。刪除不影響分析質(zhì)量的標(biāo)牌槽和小圓角等，然后轉(zhuǎn)化為stl格式，導(dǎo)入到MPI中。在MPI中進(jìn)行雙層面網(wǎng)格劃分并檢驗(yàn)及修改網(wǎng)格，選擇注射材料和成型設(shè)備以及對(duì)制件的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行前置處理，最終得到的仿真分析模型如圖2所示。

圖2 仿真分析模型

1.3 模擬結(jié)果及分析

對(duì)制件進(jìn)行充填模擬分析，初始成型工藝參數(shù)設(shè)置為模具溫度為75℃，頂出溫度為117℃，熔體溫度為265℃，開模時(shí)間為5 s，注射時(shí)間采用1s，注射壓力為120 MPa，保壓控制采用%填充壓力與時(shí)間，其余用MPI系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，方案充填模擬翹曲變形分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 翹曲變形及影響因素

在圖3中，左上圖為制品的總翹曲變形，靠近澆口處的翹曲變形較小，但制件兩端，尤其是頂端由于距離澆口處距離較遠(yuǎn)，流體到達(dá)頂端時(shí)壓力較小，導(dǎo)致翹曲變形增大。右上圖為不均勻冷卻引起翹曲變形，分析可知不均勻冷卻對(duì)制件整體翹曲變形影響較小，符合制品要求。左下圖為分子取向?qū)е碌闹破仿N曲變形，從圖中可知分子取向因素并不導(dǎo)致制品的翹曲變形。右下圖為區(qū)域收縮不均對(duì)制品翹曲變形的影響，制品在兩端的翹曲變形較大，可見區(qū)域收縮是引起該制品翹曲的主要原因。通過對(duì)該方案的結(jié)果分析，需進(jìn)一步從成型工藝參數(shù)上對(duì)制品進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)的確定

翹曲變形是薄殼塑料件注塑成型中常見的缺陷，不同材料、不同形狀注塑件的翹曲變形規(guī)律差別很大。翹曲變形問題的存在會(huì)影響注塑件的形狀精度和表面質(zhì)量，當(dāng)翹曲變形量超過允許誤差后，會(huì)影響產(chǎn)品裝配。翹曲作為塑件變形的重要特征之一，其研究極具工程價(jià)值［2－3］。本文選取了工件的總翹曲變形量為考察指標(biāo)(總翹曲量小于制品尺寸3‰)［4－5］。

1.5 設(shè)計(jì)變量及其取值的選取

注塑過程所涉及到的主要工藝參數(shù)有熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間(注射速率)、注塑壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間等。這些參數(shù)都不同程度的影響著制件的質(zhì)量。在工藝參數(shù)優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)變量的取值范圍也相當(dāng)重要，因?yàn)檫@不僅關(guān)系到所選范圍是否包含最優(yōu)解或者次優(yōu)解，也影響到優(yōu)化過程的搜索效率。為了得到滿足制件質(zhì)量要求的較優(yōu)的成型工藝參數(shù)，采用以下設(shè)計(jì)變量及變量的設(shè)計(jì)范圍，見表1所列。

表1 正交試驗(yàn)的因素及水平

1.6 正交表的選用及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所有不同組合的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，稱為全面試驗(yàn)［6］。在本試驗(yàn)中，全面試驗(yàn)將包含45種不同組合的試驗(yàn)，要逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，顯然是比較困難的。本文為5因素4水平的試驗(yàn)，選取了L16(45)正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，只需要16次試驗(yàn)。試驗(yàn)中A，B，C，D，E分別代表模具溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間、注射壓力和注射時(shí)間，得到了在不同的工藝參數(shù)取值組合下的翹曲變量值，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.7 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及工藝參數(shù)優(yōu)化

通過對(duì)翹曲變量值的極差分析，得到了各成型工藝參數(shù)對(duì)塑件翹曲變形量的影響。注射時(shí)間對(duì)制件翹曲量影響最大，注射壓力對(duì)翹曲量的影響最小，即E＞A＞B＞C＞D，結(jié)果如表3所示。同時(shí)根據(jù)成型要求，塑件成型后的翹曲量越小越好，得到了各工藝參數(shù)的優(yōu)化組合為A1B3C4D3E4。(注:Ij為第j列“1”水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值之和;kj為第j列同一水平出現(xiàn)的次數(shù);Ij/kj為第j列“1”水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值;Dj為第j列的極差，等于第j列各水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)平均值中的最大值減最小值。)同時(shí)將該工藝參數(shù)的組合 A1B3C4D3E4，即模具溫度55℃，熔體溫度280℃，冷卻時(shí)間80 s，注射壓力160 MPa，注射時(shí)間2.2 s，通過采用MPI軟件進(jìn)行產(chǎn)品注塑成型模擬，得到總翹曲變形量為0.639 mm，結(jié)果如圖4所示，滿足產(chǎn)品要求。

表2 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 工藝參數(shù)對(duì)翹曲量的極差分析

圖4 翹曲分析結(jié)果

2 結(jié)語

將仿真模擬實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，對(duì)注塑件翹曲變形做了多工藝參數(shù)綜合影響分析，用較少的試驗(yàn)次數(shù)，獲得了基本能反映全面情況的數(shù)據(jù)，并通過對(duì)仿真模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)注塑成型翹曲變形的影響程度，進(jìn)而得到了一組優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，有效的解決了以往工藝參數(shù)設(shè)置不合理現(xiàn)象，從而為實(shí)際生產(chǎn)中減少試模次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本提供了理論依據(jù)。

［1］ 王利霞，余曉榮.CAE技術(shù)在注塑成型中的應(yīng)用［J］.化工進(jìn)展，2004，23(3):260－266.

［2］ 李海梅，謝 英.注射壓力對(duì)塑件殘余應(yīng)力和翹曲變形的影響［J］.模具工業(yè)，1997(7):27－30.

［3］ 菲恩菲爾德.注射模塑技術(shù)［M］.徐定寧譯.北京:中國輕工業(yè)出版社，1990.

［4］ 衛(wèi) 煒，胡澤豪.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的注塑成型工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2009(2):94－97.

［5］ 王睿鵬，孟慶霞.基于Moldflow與正交試驗(yàn)的注塑工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.寧夏工程技術(shù);2011，10(4):326－329.

［6］ 王科榮，王 偉.基于正交實(shí)驗(yàn)的注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化方法［J］.工業(yè)技術(shù)，2011，4(11):86－87.

［7］ 李美芳.CAE技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.世界制造技術(shù)與裝備.2005(4):82－83.

［8］ 付秀娟，鄧 寧.殼體制品注塑工藝參數(shù)CAE優(yōu)化分析［J］.工程塑料應(yīng)用，2008，36(6):43－45.