薄壁深孔復(fù)雜殼形塑件的多目標(biāo)注塑工藝參數(shù)組合設(shè)計(jì)

莊 燕

（1. 九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇省徐州市 221116；2. 湖北師范大學(xué)，湖北省黃石市 435002）

能源緊張已經(jīng)成為世界各國(guó)共同面臨的難題，在汽車制造業(yè)中，以塑代鋼可以顯著降低能源成本，并成為汽車輕量化發(fā)展的趨勢(shì)。如今，塑件已經(jīng)從汽車的內(nèi)飾件發(fā)展到外飾件，然而對(duì)于薄壁深孔復(fù)雜殼形（FBS）塑件，在加工過程中易產(chǎn)生注塑缺陷，尤其是容易產(chǎn)生翹曲變形及體積收縮，此時(shí)模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已固定，對(duì)注塑缺陷不產(chǎn)生影響，因此，設(shè)計(jì)合理的注塑工藝參數(shù)是減少注塑缺陷的行之有效的方法［1］。利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)對(duì)注塑成型過程進(jìn)行模擬，能及早發(fā)現(xiàn)不合理的工藝設(shè)置，通過修改注塑參數(shù)，可以減少翹曲變形、體積收縮等注塑缺陷對(duì)制品的影響［2-3］。雖然數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)在一定程度上解決了物理實(shí)驗(yàn)的高成本問題，但CAE技術(shù)的應(yīng)用只是在計(jì)算機(jī)上反復(fù)的試錯(cuò)，仍依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，難以獲得最優(yōu)化的注塑工藝。而CAE技術(shù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）技術(shù)的結(jié)合，可方便實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化。現(xiàn)有的DOE技術(shù)應(yīng)用最多的為Taguchi設(shè)計(jì)方法［4］。制品質(zhì)量方面研究翹曲變形［5-7］的居多；制品形狀方面研究薄壁結(jié)構(gòu)［8-9］、深孔（腔）［10］以及塑件形狀不夠復(fù)雜［11］的較多。而基于正交試驗(yàn)法研究FBS塑件的翹曲變形和體積收縮的較少，成為業(yè)界亟待解決的問題。本工作建立了FBS塑件的三維模型并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，以同時(shí)降低其翹曲變形量和體積收縮率。采用正交試驗(yàn)法，結(jié)合DOE技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行信噪比分析，確定影響因子的顯著性，獲得最佳注塑工藝參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)分析

FBS塑件外觀三維模型見圖1，整體尺寸為137.0 mm×66.0 mm×52.0 mm，平均壁厚1.8 mm。成型材料選擇臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物PA-765A。該塑件形狀復(fù)雜，側(cè)邊對(duì)稱設(shè)有4個(gè)卡扣，用于與其他產(chǎn)品進(jìn)行組裝和固定；外殼上端凹臺(tái)有一個(gè)較深的盲孔和4個(gè)安裝孔，用來安裝顯示屏及相應(yīng)的電子裝置；外殼下端用來安裝按鍵部分；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。生產(chǎn)時(shí)，要求塑件表面光滑精致，無毛刺和熔接痕，翹曲變形量不能超過0.2 mm，體積收縮率不超過4%，且越小越好。

圖1 FBS塑件三維圖Fig.1 Three-dimensional model of FBS plastic part

2 注塑成型CAE分析

傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造主要通過試模修模的方法調(diào)整注塑工藝參數(shù)，生產(chǎn)效率低且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，無法滿足當(dāng)今對(duì)塑料加工的要求。而利用CAE分析軟件（如Moldflow軟件）對(duì)注塑成型的各種工藝參數(shù)（如溫度、壓力、時(shí)間等）進(jìn)行模擬，可極大提高一次試模成功的概率，縮短周期。

對(duì)FBS塑件進(jìn)行注塑成型CAE分析時(shí)，首先需要將三維模型導(dǎo)入Moldflow軟件中，利用網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行有限元處理，網(wǎng)格劃分類型選擇雙層面。為保證結(jié)果的精確性，需通過網(wǎng)格修復(fù)向?qū)Ш托迯?fù)工具，將網(wǎng)格匹配百分比提高至90%以上，為后續(xù)的充填、保壓、翹曲、冷卻等分析做準(zhǔn)備，最終的有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.1 澆口位置選擇

將FBS塑件三維模型導(dǎo)入Moldflow軟件中進(jìn)行澆口分析，流動(dòng)阻力代表塑件各部分對(duì)流動(dòng)的阻抗力大小，澆口匹配性表明塑件各部分的澆口合理性，藍(lán)色代表最佳的澆口位置，紅色代表最差的澆口位置。從圖3a和圖3b可以看出：最佳澆口位置處于外殼上端凹臺(tái)的底部中間位置，且該位置的流動(dòng)阻力最小。由于塑件的上下體積不均勻，在實(shí)際澆注時(shí)可能存在熔接痕、澆不足的情況。綜合考慮，將澆口位置設(shè)置于FBS塑件上端凹臺(tái)的中間位置，見圖3c。

2.2 澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)是塑料經(jīng)注塑機(jī)噴嘴到塑件型腔的流動(dòng)通道，包括主流道、分流道、澆口等。本設(shè)計(jì)殼體的澆注系統(tǒng)采用直接澆口形式，冷卻系統(tǒng)采用4根ф8 mm的冷卻水管分布在塑件周圍，建立圖4a所示的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。以默認(rèn)注塑工藝參數(shù)在Moldflow軟件中進(jìn)行成型仿真，選擇“冷卻+保壓+填充+翹曲”分析序列。從圖4b可以看出：塑件整體充填時(shí)間為0.990 3 s，且塑料熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)性良好。從圖4c可以看出：塑件所受壓力最大值為46.69 MPa，且以澆口為中心壓力逐漸減小，最后在殼體邊緣處降至最低。

圖3 澆口分析Fig.3 Analysis of gate

圖4 注塑仿真Fig.4 Simulation of injection

3 基于正交試驗(yàn)的工藝參數(shù)優(yōu)化

加工生產(chǎn)時(shí)，該FBS塑件易產(chǎn)生翹曲變形和體積收縮，影響塑件的成型質(zhì)量。因此，本工作主要以翹曲變形量和體積收縮率為優(yōu)化目標(biāo)。

3.1 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)置

參考Moldflow軟件材料數(shù)據(jù)庫參數(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間作為影響因素，每個(gè)因素選取5個(gè)水平，最終的因素與水平表見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

3.2 方案設(shè)計(jì)

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L25（55）方案，考察5因素5水平對(duì)塑件翹曲變形量與體積收縮率的影響，并在Moldflow軟件中對(duì)每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行注塑成型仿真。為了判斷各因素對(duì)翹曲變形量和體積收縮率的敏感度，采用望小特性信噪比公式計(jì)算正交試驗(yàn)表中各組實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的信噪比，信噪比按式（1）計(jì)算，結(jié)果見表2。從表2可以看出：對(duì)于翹曲變形量，第19組實(shí)驗(yàn)的信噪比最大，即翹曲變形量最??；對(duì)于體積收縮率，第5組實(shí)驗(yàn)的信噪比最大，即體積收縮率最小。

式中：η（x）為信噪比；n表示每組實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)；xi是第i次重復(fù)實(shí)驗(yàn)值。

3.3 信噪比極差分析

翹曲變形量越小，表明塑件的精度越高。分析各因素的極差可知，影響翹曲變形量的因素由大到小依次為D，E，A，C，B，對(duì)應(yīng)的翹曲變形量分別為2.920 0，1.240 0，0.910 0，0.790 0，0.780 0 mm。說明保壓壓力是影響翹曲變形量的最顯著因素，保壓時(shí)間次之，熔體溫度、注射壓力和模具溫度影響相仿，對(duì)翹曲變形量影響甚微。根據(jù)各因素的顯著性取圖5中各折線的最高點(diǎn)：D5E3A4C5B4，即保壓壓力100 MPa，保壓時(shí)間15 s，熔體溫度240 ℃，注射壓力80 MPa和模具溫度80 ℃為最佳工藝參數(shù)，此條件下塑件的翹曲變形量最小。

體積收縮率越小，塑件的成型質(zhì)量越高。分析各因素的極差可知，影響體積收縮率的因素由大到小依次為D，E，B，C，A，對(duì)應(yīng)的體積收縮率分別為1.700%，1.290%，0.480%，0.410%，0.330%。說明保壓壓力是影響體積收縮率的最顯著因素，保壓時(shí)間次之，模具溫度、注射壓力和熔體溫度的影響相仿。根據(jù)各影響因素的顯著性取圖6中各折線的最高點(diǎn)：D5E2B5C1A1，即保壓壓力100 MPa，保壓時(shí)間10 s，模具溫度85 ℃，注射壓力60 MPa和熔體溫度225 ℃為最佳工藝參數(shù)，此條件下塑件的體積收縮率最小。

表2 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of orthogonal test

圖5 翹曲變形量的變化趨勢(shì)Fig.5 Trend of warpage deformation

圖6 體積收縮率的變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of volume shrinkage

在表2的實(shí)驗(yàn)方案中不包含D5E3A4C5B4（翹曲變形量最小時(shí)的參數(shù)組合）和D5E2B5C1A1（體積收縮率最小時(shí)的參數(shù)組合）的工藝組合，所以在Moldflow軟件中進(jìn)行驗(yàn)證。從表3和圖7可以看出：D5E3A4C5B4工藝組合產(chǎn)生0.196 8 mm的翹曲變形量和3.911%的體積收縮率；D5E2B5C1A1產(chǎn)生0.236 6 mm的翹曲變形量和4.044%的體積收縮率。而第19組實(shí)驗(yàn)（見表2）的翹曲變形量最小，為0.196 8 mm，第5組實(shí)驗(yàn)的體積收縮率最小，為3.855%。第19組實(shí)驗(yàn)與D5E3A4C5B4產(chǎn)生的翹曲變形量與體積收縮率一致，而兩組參數(shù)的差別在于注射壓力不同，驗(yàn)證了注射壓力對(duì)翹曲變形量影響甚微。對(duì)比Moldflow軟件默認(rèn)工藝參數(shù)產(chǎn)生的翹曲變形量和體積收縮率，正交試驗(yàn)和信噪比分析都有效降低了塑件缺陷，驗(yàn)證了分析方法的有效性。綜合考慮生產(chǎn)要求，能夠有效降低塑件翹曲變形量和體積收縮率的最佳工藝參數(shù)組合為D5E3A4C5B4，即保壓壓力100 MPa，保壓時(shí)間15 s，熔體溫度240 ℃，注射壓力80 MPa，模具溫度85 ℃，結(jié)果見圖7。與默認(rèn)工藝相比，最佳工藝參數(shù)組合D5E3A4C5B4產(chǎn)生的翹曲變形量降低了62.28%，而體積收縮率降低了37.74%。

表3 驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Verification results

圖7 驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Results of verification

4 結(jié)論

a）根據(jù)FBS塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)注塑時(shí)最易出現(xiàn)體積收縮、翹曲變形的缺陷，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。應(yīng)用Moldflow軟件確定了塑件的澆口位置、澆注系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)，并且進(jìn)行充填分析，預(yù)測(cè)塑件在注塑時(shí)可能出現(xiàn)的問題。

b）以熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力以及保壓時(shí)間為影響因素，翹曲變形量和體積收縮率為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在Moldflow軟件中進(jìn)行注塑成型仿真，確定了最佳注塑工藝參數(shù)組合：保壓壓力100 MPa，保壓時(shí)間15 s，熔體溫度240 ℃，注射壓力80 MPa，模具溫度85 ℃。

c）在最優(yōu)參數(shù)組合下產(chǎn)生的翹曲變形量為0.196 8 mm，體積收縮率為3.911%，較默認(rèn)工藝參數(shù)下的翹曲變形量減少了62.28%，體積收縮率降低了37.74%，塑件質(zhì)量得到顯著提高，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的可靠性。