注塑保壓曲線的優化設計與分析

萬 彬，范希營，郭永環，單以波

(江蘇師范大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

注塑保壓曲線的優化設計與分析

萬 彬，范希營*，郭永環，單以波

(江蘇師范大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

針對空調溫控器下殼體這類注塑模具在注射成型時產生的過大變形缺陷，采用多因素田口試驗法，再運用Moldflow軟件對溫控器下殼體進行分析、模擬，并觀察可能發生的缺陷，進行優化設計。結果表明，最佳工藝參數組合模具溫度為60 ℃、熔體溫度為230 ℃、保壓壓力為60 MPa、保壓時間為20 s；且在最佳工藝參數下塑件的最大翹曲變形量得到顯著改善，翹曲變形量減少了0.036 mm。

注塑模具；工藝參數；翹曲變形；田口試驗；極差分析法

0 前言

溫控器下殼體屬于外觀件，因此對其外表面的表面粗糙度、精度都有著較高的要求；并且它需要與溫控器上殼體、電池蓋裝配使用，為避免裝配時出現問題，所以對于形狀尺寸、配合尺寸的公差要求較高。溫控器下殼體總體形狀接近長方形，4個側面都有一定的傾斜角，為使重心后移，電池倉設在下殼體外表面的下端，電池倉上有凹凸槽以便和電池蓋緊密結合為一體。在溫控器下殼體內表面側壁上有凸起卡扣，以便和上殼體裝配在一起。下殼體是溫控器的重要保護結構，其成型品質直接影響著溫控器的使用性能，傳統的人工試模法通過不斷的實驗來改進工藝參數，不僅浪費了大量的人力物力，而且效率低。軟件的開發和利用在一定程度上降低了模具的設計和開發周期，提高了模具生產率，利用Moldflow軟件可以劃分出產品的三角形單元，并通過計算內部流動方程，建立節點壓力與流量的函數，得到各個節點溫度的分布及變化；然后根據熔體充模流動過程的基本方程以及熱傳導微分方程得到熔體流動、冷卻的分析數據。

注塑溫度、模具溫度、注塑時間、注塑機選擇、保壓時間、保壓壓力，這6個工藝參數對制品的收縮率和翹曲變形量具有一定的影響[1]，同時制品凝固時其內部分子的結晶、收縮及不平衡應力等也是影響制品成型的主要因素[2]。通過田口試驗法對工藝參數進行優化，并依次完成對模具和制品的溫度場、成型流動及填充過程、壓實過程等分析后，可得到翹曲變形分析，從而減少收縮[3]。本文運用Moldflow軟件對澆口型式及位置、熔體的填充保壓和冷卻情況、注射參數做出正確的選擇，從而使模具品質得以保證。

1 網格劃分及澆注系統設計

雙面層網格劃分形式主要應用于薄殼類件，可用來診斷出不匹配的單元并且進行修復，因此選擇雙面層網格。計算網格劃分是模流分析的基礎，通過計算每個節點可得到模塑的特性，如圖1(a)所示，單個模型劃分網格選擇全局網格的邊長為1.6 mm，劃分情況統計如圖1(b)所示，三角形單元數為28066個，節點數為14015個，相互匹配率高于翹曲分析的最低要求90 %，該網格平均縱橫比為1.88，符合要求，而最大縱橫比達到13.9。由于軟件計算時以網格為單位進行推算，因此網格跨越的寬度和長度越接近越好，所以一般要求最大橫縱比為6∶1，而此處的13.9遠遠高于6，影響了分析計算結果的精確性，因此需要進行網格修復。

(a)下殼體模型 (b)下殼體的網絡劃分情況圖1 下殼體的網格劃分情況Fig.1 Network division of the lower shell

Moldflow Insight 2012網格修復有自動修復和手工修復2種方式，系統自動修復采用的是一般修補方法，因此并不是每次采用“修改縱橫比”指令都能得到和目標值最近的最大縱橫比；而手動修補的精度更高，尤其對于最大縱橫比較小的網格。因此采用手工修復的方式修復溫控器下殼體網格，使用合并節點、插入節點、移動節點和交換邊等工具，根據最大縱橫比診斷顯示修復不合理的單元，降低最大縱橫比，經過一系列的網格修復后，單元最大縱橫比低于6，符合后續運算要求。經過復制、鏡像單元網格命令，形成1模4腔布局，通過創建直線來建立澆注系統和冷卻系統，用于塑件的模流分析，如圖2所示。

圖2 澆注系統和冷卻系統的模型Fig.2 Model of gating system and cooling system

2 注塑保壓曲線的優化設計與分析

2.1 流動分析

流動分析是利用小規模的實驗設計方法獲得建模數據集，然后通過所得的數據集針對后期將出現的問題提出的一種數據預處理方法[4]，這對于預測塑件缺陷、選擇并確定合理的澆注系統有著重要作用。通過流動分析可得到熔體流動前沿的狀況、壓力和溫度變化、縮痕、體積收縮、氣穴和熔接痕的位置等參數，經分析得到熔體充滿整個型腔的充填時間為1.032 s，如圖3所示。流動前沿溫度指的是熔體在充填過程中，流動前沿的瞬時溫度值，在保證充填平衡的前提下，流動前沿溫度分布需均勻，溫度差不能相差太大，一般允許值為20 ℃[5]；流動前沿顯示的溫度結果為到達指定點時在塑料橫截面中心的聚合物的溫度，流動前沿得溫度變化大往往說明注射時間太短，或有不連貫的地方，如果流動前沿是零件薄的區域，不連貫可能會導致澆不足；同時注射位置的最大壓力不能超過選擇的注塑機的最大壓力，否則需要重新選擇注塑機，如圖4所示最大注射壓力為78.6 MPa，較為合理。由圖5可知流動前沿溫度最大值為221.6 ℃，最小值為214.5 ℃，差值為7.1 ℃，遠小于20 ℃，因此具有較好的填充效果。

圖3 充填時間Fig.3 Fill time

圖4 壓力分布圖Fig.4 Distribution diagram of pressure

圖5 流動前沿溫度Fig.5 Temperature of the flow front

2.2 冷卻分析和保壓曲線的優化設計與分析

通過對塑件的冷卻系統進行分析來檢驗模具的冷卻效果，并優化冷卻系統的布局和確定冷卻系統合理的設計，提高成型產品品質。由圖6可知，回路冷卻液溫度差在1 ℃以內，回路管壁溫度差在4 ℃以內，有效回路熱去除效率在0.25以上，因此冷卻管道的布局較為合理。零件達到頂出溫度的時間為39.48 s，塑件成型周期在50 s左右。

保壓階段是在充填結束后通過對型腔繼續補料來減少塑件的體積收縮。保壓階段需要保持較高的壓力，從而減少因體積收縮不均引起的翹曲變形，獲得性能良好的塑件制品。恒定壓力的結束時間一般為填充末端壓力最大時刻和壓力為零時刻兩者的平均值，由圖4可以看出壓力最大時刻為1.35 s，壓力為零的時刻為32.25 s，計算得平均值為16.8 s，因此第一段保壓曲線設定使用60 MPa 的恒定壓力進行保壓，持續時間為15.5 s，之后迅速衰減，減輕塑件的局部壓力。保壓壓力的結束是以澆口凝固的時間作為標準，在Moldflow中可通過凍結層因子有效地判斷出澆口凝固的具體時間為21.4 s。優化后得到的保壓曲線如圖7所示，通過Moldflow軟件將優化后的保壓時間和保壓壓力進行工藝參數設定，進行分析驗證，得到的優化后的翹曲變形結果如圖8(b)所示，最大翹曲變形量為0.0959 mm，較之前得到的結果0.0995 mm[圖8(a)]更小，翹曲變形量減少了0.036 mm。因此保壓曲線的優化是非常有必要的。

(a)回路冷卻液溫度 (b)回路管壁溫度 (c)回路去熱效率 (d)零件達到頂出溫度的時間圖6 冷卻系統的主要參數Fig.6 Main parameters of cooling system

圖7 保壓曲線優化方案Fig.7 Optimization scheme of holding pressure curve

2.3 翹曲分析

翹曲變形是指塑件脫離模具型腔后，其形狀未按照設計的形狀成型，是塑料制品常見的缺陷之一。進行翹曲分析主要是為了預測制品成型后翹曲變形程度以及產生翹曲的原因，結合圖8、圖9可知本文的溫控器下殼體翹曲量為0.0959 mm，符合要求。導致翹曲變形的主要原因主要有由保壓不合理導致各區域的收縮不均勻；由冷卻系統設計不合理導致各區域冷卻不一致；由澆口的設計不良而引起各區域的取向效應。

圖8 優化前、后的翹曲變形Fig.8 Buckling deformation of the part before and after optimization

(a)所有因素 (b)冷卻 (c)收縮不均 (d)取向圖9 不同因素引起的翹曲量Fig.9 Warpage caused by different factors

3 田口試驗設計

3.1 田口試驗

田口試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，整齊可比”的特點，它能夠很好地描述注塑過程保壓段特性，且方法簡單、可靠性強[6]。采用田口試驗法來優化注塑工藝參數，對多個不同的工藝參數進行模流分析，基于田口法規劃優化實驗，并通過對試驗結果分析得到其中最佳的注塑工藝參數[7]。翹曲影響塑件的成型品質，導致外觀有瑕疵，內部力學性能降低，選擇翹曲變形為試驗指標，具有工程實用價值。

本文田口試驗法所考察的工藝參數為模具溫度(A，℃)、熔體溫度(B，℃)、保壓壓力(C，MPa)、保壓時間(D，s)，各因素均勻地取3個水平。A、B因子的水平值根據材料的推薦溫度范圍均勻選取，C、D因子的水平值由流動分析結果確定，如表1所示。

表1 因素與水平表Tab.1 Factors and levels

根據表1的因素及水平劃分設置模擬實驗田口表，考察4因素3水平對塑件翹曲變形量的影響，所有不同的試驗條件共有34個，而由田口試驗設計，只需作9次試驗，實驗的目的是為了找出各個工藝因素對塑件翹曲變形量的影響程度，并得到最佳工藝參數組合。

3.2 田口試驗結果及生產驗證

根據Moldflow模流分析，得到的數據如表2所示，并采用Minitab軟件對表2進行數據處理。

表2 田口試驗方案及試驗結果Tab. 2 Taguchi experiment scheme and test results

表3中的ki(i=1, 2, 3)表示任意因素列(即表2中的因素所在列)上水平為i時，所對應的實驗結果的算術平均值，例如k1=(0.1381+0.1455+0.2144)/3=0.1660，同理可以計算出表3中的其他數值。R為因素均值在3個水平下最大值和最小值的差，即因素水平的極差。極差分析可以比較各個工藝參數對翹曲變形的影響程度，極差值越大，表明該工藝參數對翹曲變形的影響程度越大，通過表3可得，RA=0.212，RB=0.0170，RC=0.0790，RD=0.0198，因此各因素對翹曲變形的影響程度為保壓壓力>模具溫度>保壓時間>熔體溫度。經分析得出最佳工藝參數組合為A2B2C1D3，即模具溫度為60 ℃、熔體溫度為230 ℃、保壓壓力為60 MPa、保壓時間為20 s。再通過Moldflow軟件進行分析驗證，可知，在最優成型工藝參數組合下塑件的翹曲變形量得到了顯著改善，翹曲變形量減少了0.036 mm，如圖8所示。

表3 因素水平的極差分析Tab.3 Range analysis of factor level

如圖10所示為空調溫控器下殼體注塑模具，其生產的下殼體制品如圖11所示，經測量其最大翹曲變形量均小于0.0959 mm，滿足了產品翹曲變形較小的品質要求。

(a)凹模 (b)凸模圖10 空調溫控器下殼體注塑模具Fig.10 Lower shell injection molds of the air conditioner thermostats

(a)下殼體外表面 (b)下殼體內表面圖11 空調溫控器下殼體制品Fig.11 Lower shell products of the air conditioner thermostat

4 結論

(1)根據田口試驗及Moldflow模擬分析，得出主要工藝參數對翹曲變形的影響程度為保壓壓力>模具溫度>保壓時間>熔體溫度；

(2)根據外殼塑料件用Moldflow數值模擬模具設計方案，設計并制作出外殼注塑模具，再用優化出的工藝參數進行注塑生產得到了合格的外殼注塑件，驗證了模擬結果的正確性。

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提速醫療行業創新 第三屆醫用塑料論壇加碼出擊

據中國醫藥信息2016年發布的《中國健康產業藍皮書》顯示，醫療器械產業是健康產業中增長最為迅速的領域，“十二·五”期間醫療器械規模年均增長超過20%，2015年醫療器械市場總量達到3千億，預計到2019年醫療器械總規模會再翻一番。中國政府積極推進醫療設備高端化的過程，在《中國制造2025》、《“健康中國2030”規劃綱要》等多個文件中均有體現。醫療器械“進口替代”成為趨勢，高端醫療器械長期被外資企業壟斷的局面正逐漸轉變。

一籃子前沿與實用俱全的醫用塑料專題方案

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Optimal Design and Analysis of Pressure Holding CurveDuring Injection Molding Process

WAN Bin, FAN Xiying*, GUO Yonghuan, SHAN Yibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China)

To resolve the problem of excessive deformation generating in the injection-molded lower casing of temperature controller of an air conditioner, the lower casing was analyzed by a multi-response Taguchi method and then simulated by a Moldflow software. The results indicated that the optimum combination of processing parameters included a mold temperature of 60 ℃, a melt temperature of 230 ℃, a packing pressure of 60 MPa and a holding time of 20 s. The maximum warping deformation was significantly suppressed to decrease by 0.036 mm when the lower casing was injection molded with these optimum process parameters.

injection mold; processing parameter; warping deformation; Taguchi method; range analysis method

2016-10-28

江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2016028-02)；徐州市科技計劃資助項目(KC16SG277)；國家級高等學校大學生創新創業訓練計劃項目(201610320075)

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)05-0071-07

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.05.014

*聯系人，fxy8441@163.com