基于CAE和DOE技術(shù)的薄壁塑件翹曲變形分析及優(yōu)化

孫健華　顧海　張捷

摘要：

以某型號(hào)儀表顯示器外殼為研究對(duì)象，采用CAE和DOE技術(shù)對(duì)其在注塑過(guò)程中出現(xiàn)的翹曲變形缺陷進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間等成型工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，進(jìn)而對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳工藝參數(shù)組合.該工藝參數(shù)組合可提高塑件注塑質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短試模周期，對(duì)薄壁塑件的生產(chǎn)實(shí)踐具有參考意義.

關(guān)鍵詞：

薄壁塑件； 儀表外殼； 注塑成型； 翹曲變形

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

1 引 言

注塑成型具有可以生產(chǎn)和制造形狀較為復(fù)雜的制品、易與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已成為主要的塑料成型方法.[1]薄壁件壁面較薄、流長(zhǎng)比大，所以熔體達(dá)到較長(zhǎng)流動(dòng)距離的能力弱，成型難度大.翹曲變形程度是衡量薄壁件注塑質(zhì)量的重要指標(biāo)之一.[2]張繼祥等[3]采用Moldflow模流分析研究各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律，通過(guò)優(yōu)化分析得到最優(yōu)工藝方案，可顯著減少塑件翹曲變形；ERZURUMLU等[4]利用Moldflow分析研究不同材料及結(jié)構(gòu)的塑料發(fā)生翹曲變形量，并通過(guò)優(yōu)化參數(shù)減小變形量.

研究表明，在薄壁塑件成型研究過(guò)程中，結(jié)合CAE技術(shù)，可以確定對(duì)研究指標(biāo)的影響較大的工藝條件.利用DOE，應(yīng)用正交矩陣執(zhí)行最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)而獲得有效的實(shí)驗(yàn)信息，使用該技術(shù)查看某些干預(yù)（如更改實(shí)驗(yàn)工藝變量）對(duì)零件質(zhì)量的影響.與傳統(tǒng)的試湊法實(shí)驗(yàn)相比，DOE可從測(cè)試數(shù)據(jù)的生成陣列獲得數(shù)量顯著增多的高質(zhì)量信息.

本文選取薄壁塑件——某型號(hào)儀表顯示器外殼——作為研究對(duì)象，采用基于AMI軟件的DOE技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)其注塑缺陷，并提出優(yōu)化方案，為改善薄壁件注塑質(zhì)量提供依據(jù).

2 薄壁塑件翹曲原因及成型工藝參數(shù)影響分析

薄壁注塑成型容易出現(xiàn)翹曲變形、熔接痕及欠注等問(wèn)題，這是由于塑料熔體進(jìn)入模腔后，容易形成流動(dòng)性較差的冷凝層，熔體在模腔內(nèi)流動(dòng)的區(qū)域變小，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大、壓力損失增大，以及在冷卻時(shí)收縮不均勻等[56]，除此之外，內(nèi)部殘余應(yīng)力也是造成薄壁塑件翹曲變形的重要因素.[7]

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，影響塑件翹曲變形的因素包括模具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制品材料及成型工藝參數(shù)等，其中成型工藝參數(shù)的影響巨大.[89]

2.1 模具溫度的影響

在薄壁件注塑時(shí)，模具溫度高會(huì)降低聚合物熔體的冷卻速度，導(dǎo)致收縮過(guò)大，延長(zhǎng)冷卻時(shí)間；但是模具溫度會(huì)使熔體填充不充分，形成欠注，同時(shí)在離澆口位置較遠(yuǎn)處的保壓壓力得不到有效傳遞，易引起塑件各部位收縮差異大而產(chǎn)生翹曲及熔接痕等問(wèn)題.

2.2 熔體溫度的影響

諸多研究表明，薄壁件注塑過(guò)程中當(dāng)熔體溫度較低時(shí)，在充模過(guò)程中所受的應(yīng)力由于冷卻速度過(guò)快而來(lái)不及釋放，會(huì)使塑件產(chǎn)生翹曲變形；當(dāng)熔體溫度過(guò)高時(shí)，流動(dòng)性提高，利于充模，但是會(huì)導(dǎo)致塑件體積收縮增大，易產(chǎn)生變形，必須加大保壓壓力來(lái)滿(mǎn)足較好的保壓效果.因此，選取合適的熔體溫度可降低翹曲變形程度.

2.3 保壓時(shí)間的影響

保壓時(shí)間的設(shè)定與薄壁件注塑過(guò)程中澆口的凝固時(shí)間有關(guān)：若保壓時(shí)間縮短，則澆口在保壓完成時(shí)沒(méi)有完全凝固，會(huì)使熔體回流，影響澆口處收縮；若保壓時(shí)間延長(zhǎng)，則澆口在保壓時(shí)間完成前就完成凝固，對(duì)塑件影響不大，但保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低生產(chǎn)效率.因此，選擇合適的保壓時(shí)間可提高塑件注塑質(zhì)量及生產(chǎn)效率.

2.4 保壓壓力的影響

一般情況下，增加保壓壓力會(huì)減少塑件的體積收縮率，改善翹曲變形問(wèn)題，但是過(guò)高的保壓壓力會(huì)使塑件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，過(guò)低的保壓壓力會(huì)使塑件在各部位的收縮大小不同，進(jìn)一步增加塑件翹曲變形.

綜上所述，成型工藝參數(shù)的合理確定直接影響薄壁塑件的翹曲變形量大小，因此，基于CAE與DOE技術(shù)，合理選擇成型工藝參數(shù)非常重要.

3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 塑件三維建模

分析對(duì)象選擇某型號(hào)儀表顯示器外殼，結(jié)構(gòu)尺寸為72.5 mm×138.0 mm×27.2 mm，壁厚為1 mm，見(jiàn)圖1.制件表面要求光滑，不能有明顯的注塑缺陷，同時(shí)需具備良好的力學(xué)性能以及優(yōu)良的耐熱性、電性能和化學(xué)穩(wěn)定性等，聚丙烯PP材料能滿(mǎn)足要求，牌號(hào)為Polyfort FIPP MKF 4025.

3.2 網(wǎng)格劃分與最佳澆口位置選擇

塑件進(jìn)行數(shù)值模擬分析的前提是將CAD模型生成合適的有限元分析模型.AMI軟件可以利用Midplane分析技術(shù)進(jìn)行模流分析仿真三維熔體流動(dòng)，具有分析速度快、效率高的特點(diǎn)，同時(shí)可得到較準(zhǔn)確的結(jié)果.模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2.修改模型后的網(wǎng)格單元數(shù)為10 034 個(gè)，縱橫比最大為29.7，平均為3.48，匹配百分比達(dá)到89.7%，符合AMI分析要求.利用Best Location功能分析塑件的最佳澆口位置，結(jié)果見(jiàn)圖3.

3.3 澆注及冷卻系統(tǒng)設(shè)置

澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確與否直接關(guān)系到注塑成型的效率和塑件質(zhì)量，只有順利將壓力傳遞到型腔的各個(gè)部位，才能獲得組織細(xì)密、外形清晰、表面光潔、尺寸穩(wěn)定的塑件.根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果，結(jié)合最佳澆口位置分析結(jié)果，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)置結(jié)果見(jiàn)圖4.

3.4 確定試驗(yàn)方案

將翹曲變形量作為衡量塑件表面質(zhì)量的指標(biāo).根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將注塑工藝參數(shù)熔體溫度θmelt，模具溫度θmold，保壓壓力P，保壓時(shí)間t列為試驗(yàn)因素，確定試驗(yàn)因素和水平表，見(jiàn)表1.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)算各因素在不同水平下的平均值，并計(jì)算極差R，結(jié)果見(jiàn)表3.Kij代表j因素在i水平的作用下的翹曲變形量指標(biāo)的平均值，由Kij計(jì)算極差Rj，根據(jù)極差大小，可以判斷各因素的影響大小：Rj越大，表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，說(shuō)明該因素就越重要；反之，Rj越小，影響就小，說(shuō)明該因素的重要性相對(duì)較小.[1012]根據(jù)表3結(jié)果，為直觀分析指標(biāo)與各因素水平波動(dòng)的關(guān)系，繪制因素與試驗(yàn)指標(biāo)趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖5.

對(duì)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，列出方差分析表，見(jiàn)表4.由表4可以看出，在不考慮工藝參數(shù)相互影響的情況下，對(duì)于該P(yáng)P材料，各因素對(duì)翹曲變形的影響大小順序依次為熔體溫度>保壓壓力>模具溫度>保壓時(shí)間.過(guò)高的熔體溫度將增大成型固化時(shí)的溫降，導(dǎo)致因快速冷卻殘留大量?jī)?nèi)應(yīng)力而出現(xiàn)翹曲，因此，適當(dāng)降低熔體溫度有助于減少翹曲變形.另外，適當(dāng)增加保壓壓力，型腔內(nèi)的熔體被壓實(shí)，也有助于減少體積收縮率，進(jìn)而改善翹曲變形缺陷.

5 優(yōu)化結(jié)果分析

選取各因素中均值最小的水平即為各工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，最佳工藝方案是A3B2C3D2，即選用熔體溫度260 ℃，模具溫度90 ℃，保壓壓力90 MPa，保壓時(shí)間13 s.根據(jù)最佳工藝方案模擬試驗(yàn)，得到的最終翹曲變形量為0.290 8 mm.

6 結(jié) 論

（1）選取的4個(gè)主要影響因素中，熔體溫度對(duì)薄壁塑件翹曲變形的影響最大，若要減少變形量，須首先考慮降低熔體溫度.

（2）4個(gè)因素對(duì)薄壁塑件翹曲變形量均有不同程度影響且共同作用，當(dāng)熔體溫度為260 ℃，保壓壓力為90 MPa，保壓時(shí)間為13 s時(shí)，翹曲變形量最小，為最優(yōu)組合.

（3）利用CAE與DOE相結(jié)合的技術(shù)，可以?xún)?yōu)化薄壁塑件成型工藝參數(shù)，通過(guò)較少的模擬試驗(yàn)，能夠獲得較好反映研究指標(biāo)的結(jié)果，解決傳統(tǒng)試湊的盲目性，對(duì)提高塑件質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本具有積極的意義.

（4）薄壁塑件的外觀質(zhì)量缺陷不止翹曲變形，還有欠注、熔接痕等缺陷.本文僅對(duì)翹曲變形的4個(gè)影響因素進(jìn)行研究.實(shí)際上，成型工藝參數(shù)僅是一方面，薄壁塑件的外觀質(zhì)量的影響因素涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、制品材料等方面，各方面相互牽連，影響程度不盡相同，需要系統(tǒng)性考慮.

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（編輯 武曉英）