基于Moldflow軟件的薄壁零件直流和隨形冷卻通道分析

撰文/重慶科創職業學院　趙鵬展

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基于Moldflow軟件的薄壁零件直流和隨形冷卻通道分析

撰文/重慶科創職業學院趙鵬展

用戶產品尺寸有著越來越小的趨向，市場對薄壁塑件需求量也日益增加，目前大多數薄壁塑件采用注塑成型，控制薄壁件的翹曲是成型難點。因此，本研究就隨形冷卻通道和直流冷卻通道的成型質量進行了對比評價。研究中采用的澆注系統類型是點澆口，該種澆口是三板模常用的澆口，通過對Autodesk Moldfl ow Insight （AMI） 2013仿真結果進行田口法和方差分析，發現隨形冷卻通道與傳統的直流冷卻通道相比，在翹曲方面能提高成型件質量，這些結果有利于精密塑件的生產。

一、前言

注射成型工藝有四個階段，即加料、塑化、冷卻和脫模，這些階段中，冷卻階段對成型周期時間和成型件質量影響非常大。注射模冷卻通道設計會影響冷卻時間和所生產成型塑件質量，翹曲是薄壁件常見的一種缺陷，有效的冷卻通道能減小成型件的收縮不均和翹曲。為提高注射模工藝冷卻階段的冷卻效率，提出隨形冷卻通道。

二、研究方法

在本研究中，采用田口方法確定最佳注射成型參數，同時采用方差分析確定直流通道和隨形冷卻通道中影響薄壁件翹曲的最重要因素。有許多因素影響成型件翹曲，如成型件結構設計、所用塑料材料種類、模具鑲件材料類型、注射成型機、成型工藝參數、冷卻液以及模具溫度和室溫，而本研究中只考慮了幾個重要因素，并采用了如下假設。

（1）忽略了澆口尺寸。

（2）假定環境溫度不變。

（3）研究中所用塑料材料是非結晶熱塑性ABS Cycolac MG47，該種材料性能如表1所示。

表1　ABS Cycolac MG47的物理性能

圖1和圖2分別給出了尺寸為60mm×55mm及厚度為1mm薄壁零件的直流澆注系統和隨形澆注系統，兩個通道各產生了長度為1mm的19527個和21933個表面三角形。

圖1　直流冷卻通道薄壁件

圖2　隨形冷卻通道薄壁件

進行了兩個實驗，比較有相同布局和橫截面積的隨形和直流冷卻通道性能。在兩個實驗中，成型溫度（A）、融化溫度（B）、保壓壓力（C）和保壓時間（D）四個因素確定為變量參數，對每個因素選擇4個因素3種工藝水平的9個實驗。正交方差和參數控制因素分別如表2～4所示，由此可確定兩類冷卻通道影響薄壁件最佳設置參數和最重要因素。

表2　L9 正交方差

表3　Abs Cycolac Mg47有效因素的三種工藝水平

表4　控制因素組合參數

在研究中，假定模具的型芯和型腔面溫度相同。當注射時間超過0.1秒時，一些組合參數會導致成型件“短射”缺陷，因此注射時間設定為0.1秒。采用置信水平0.05的方差，對薄壁件模擬中各個方向產生的翹曲進行了分析。

為確定最佳參數設置，根據表5給出的薄壁件翹曲分析結果計算信噪比（S/N），將方差分析結果和信噪比方法進行比較，可以確定各因素的影響效果并由此分析每個因素對最終效果的重要性，通過比較相對方差，可以確定全部因素的貢獻率。

三、研究結果及討論

在研究中，較小的翹曲值意味著良好的質量，因此，在這種情況下采用下面方程獲取信噪比值。

S/N=-10log（MSD）

且MSD=均方偏差，Y=觀測值，n=實驗數。

之后采用方差分析對數據進行評價，即可以確定全部因素的貢獻率。以下是直流冷卻通道因素A信噪比計算實例。直流和隨形冷卻通道薄壁件信噪比結果概況如表5所示。

表5　直流冷卻通道（實驗I）及隨形冷卻通道（實驗II）薄壁件翹曲結果匯總

圖3～6給出了實驗I直流冷卻通道薄壁件翹曲信噪響應圖，圖7～10給出了實驗II隨形冷卻通道薄壁件翹曲信噪響應圖，數據分別獲取于表6和表7。

表6和表7信噪比響應最高值（也可從實驗I圖3～6和實驗II圖7～10信噪響應圖得出）視為是最優值并選為最優參數組合。表10給出了基于實驗I和II結果的薄壁件最優參數匯總。

圖3　實驗I模具溫度（因素A）信噪響應

圖4　實驗I融化溫度（因素B）信噪響應

圖5　實驗I保壓壓力（因素C）信噪響應

圖6　實驗I保壓時間（因素D）信噪響應

圖7　實驗II模具溫度（因素A）信噪響應嗎

圖8　實驗II融化溫度（因素B）信噪響應

圖9　實驗II保壓壓力（因素C）信噪響應

圖10　實驗II保壓時間（因素D）信噪響應

表6　實驗I薄壁件翹曲信噪比響應表

表7　實驗II薄壁件翹曲信噪比響應表

從表10可以看出，對組合參數最優設置，直流冷卻通道能獲得最小翹曲是0.2967mm，隨形冷卻通道能獲得最小翹曲是0.2950mm。另一方面，表6和表7給出了影響薄壁件翹曲的最重要因素。表6水平和表7水平間最大差值顯示了薄壁件翹曲結果。

需要用方差分析計算全部因素的自由度，本研究中自由度計算實例如下：

總自由度fT: fT=N-1=9-1=8 （此處N是實驗數）

對于因素A，fA：fA=kA-1=3-1=2（此處kA是因素A水平數）

對于誤差：fe=fT-（fA+fB+fC+fD）=8-（2+2+2+2）=0

全部因素平方和計算如下：

對于因素A ，SA：

=42.42×10-6

對于誤差，Se=ST-（SA+SB+SC+SD）

=71.24×10-5-（4.242×10-5+1.350×10-5+63.60×10-5+2.044×10-5）=0

之后計算全部因素的方差，如下是因素A方差算例：

對于方差誤差，之后，計算全部參數的F檢驗值，計算實例如下：對因素A，

由于V=0，因此FA, FB, FC和FD,無法確定。

計算全部因素貢獻率PA，實例如下：

表8　實驗I 方差分析表（直流冷卻通道）

表9　實驗II方差分析表（隨形冷卻通道）

根據表8和表9，直流冷卻通道影響薄壁件翹曲最重要因素是保壓壓力，達到89.28%。其次是模具溫度，達到5.95%。由于其他因素貢獻率小于5%，故不重要。

另一方面，隨形冷卻通道影響薄壁件翹曲最重要因素也是保壓壓力，達到95.27%，其他因素不重要。

表10給出了兩種冷卻通道采用田口分析法獲得的最優翹曲數值和最佳設置參數。從分析中看出，薄壁件翹曲值從0.2967mm 減小到0.2950 mm。

表10　直流和隨形冷卻通道最佳參數設置及翹曲值

雖然改進不大，但從改善模制零件質量的角度出發，是應當予以考慮的。模制件、澆注系統、冷卻通道類型及塑料樹脂類型的不同，會產生不同的翹曲值。因此，在某些情況下，隨形冷卻通道的影響效果不能被忽略。

四、結語

本研究采用了田口法和方差方法，可以得出如下結論。

（1）通過采用田口正交陣列法能降低實驗次數，可采用ANOVA法確定影響模制件翹曲值的重要因素。

（2）薄淺部的翹曲從0.2967mm變為0.2950mm，隨形冷卻通道相比于直流線形冷卻通道得到了一定的改進。

（3）隨形冷卻通道都能夠改善模制零件的翹曲變形，精密尺寸部分應考慮隨形冷卻通道，以提高模制零件的質量。