計算機模擬技術在高分子材料注塑成型中的應用

楊曉云

（太原學院，山西 太原 030032）

傳統塑料制品注射成型工藝參數的調整主要是通過對試模生產的塑件質量進行評價來實現，調試過程緩慢，效率低且成本高［1-2］。利用計算機模擬軟件對注塑成型工藝參數進行優化，可減少材料損耗，且靈活性大，調整效率高［3-5］。利用計算機有限元仿真軟件進行仿真實驗，通過仿真結果進行工藝參數的優化，并將獲得的最優工藝參數在注塑機上進行驗證［6］；利用計算機輔助工程分析軟件分析影響注塑制品質量的工藝參數，并采用Moldflow軟件優化工藝參數，可降低模具調試成本，縮短調試工藝參數時間［7-9］。本工作利用Moldflow仿真分析軟件的AMI功能模塊，對注塑成型工藝參數進行分析，并結合正交試驗實現對注塑成型工藝參數的優化，以滿足對注塑制品的高質量要求。

1 注塑成型模具設計

1.1 塑件結構分析

圖1為塑件結構模型，該塑件為一薄壁盒體，塑件厚度1 mm，盒體內部有一個直徑3 mm的圓形突起，材料為日本普瑞美公司的高密度聚乙烯（HDPE）Hi-Zex5202B。推薦的注塑工藝參數為：模具溫度10～60 ℃，熔體溫度200～280 ℃，最高熔體溫度300 ℃，頂出溫度95 ℃，最大剪切應力0.2 MPa，剪切速度4 m/s。

圖1 塑件結構示意Fig.1 Structure of plastic parts

注塑過程中，為便于型腔氣體排出，減少熔接痕的產生，采用雙側雙型腔結構形式。主流通道設計為圓錐形，在主流道與噴嘴對接處設計半徑為5 mm、深度3 mm的球面凸坑，主流通道小端直徑3 mm，錐角3°，高52 mm。分流通道采用半圓截面，分流道長度25 mm，半圓分流道半徑取1 mm，如圖2所示。分流通道體積流量5.89 cm3/s，剪切速率2.56 m/s。根據雙型腔結構特點，考慮到模具結構的簡潔性，采用側澆口進料，無分流板的兩板結構。澆口長2 mm，寬1 mm，高1 mm，等效截面半徑0.75 mm。

1.2 工藝參數設定

采用上海潤品公司的RPZNZSJ-8110型微注塑機進行澆注。螺桿直徑為25 mm，注塑行程為100 mm，轉速為50～80 r/min，注塑量為43 g。采用供應商推薦工藝參數模擬注塑成型過程，即模具溫度為35 ℃，熔體溫度為240 ℃，根據絕對螺桿速度曲線進行充填控制，保壓壓力和保壓時間按照給定的壓力控制曲線進行［10］，冷卻時間為16.3 s。

圖2 型腔布局結構Fig.2 Layout of cavity

2 模擬結果分析

2.1 翹曲變形分析

不同影響因素的塑件翹曲變形見圖3。

圖3 不同影響因素的塑件翹曲變形量Fig.3 Warping deformation of plastic parts with different influential factors

從圖3看出：整個塑件最大翹曲變形量為0.935 1 mm。其中，由于冷卻不均勻造成的變形量僅為6.896×10-6mm，可以忽略；由收縮不均勻產生的最大翹曲變形量為0.956 5 mm，單純的收縮不均對塑件產生的變形量大于整體變形量。由取向因素產生的最大翹曲變形量為0.564 7 mm，變形相對較大。因此，整個塑件產生的翹曲變形主要受收縮不均勻和材料取向影響。收縮不均勻主要集中于沿流體流動向和注射垂直向分布，根據材料測試結果，塑件沿流體平行流動向的體積收縮率為3.31%，沿注射垂直向的體積收縮率為1.66%。

2.2 成型工藝參數分析

注塑成型工藝仿真分析中，料筒溫度和噴嘴溫度與塑料的塑化和流動情況有關，模具溫度對塑件冷卻速度有很大影響，注射壓力、注射時間是降低體積收縮率，保證充填工藝是否壓實的主要因素。根據Moldflow軟件提供的Taguchi和Factory兩種試驗設計方法，利用Taguchi分析目標參數影響權重，利用Factory獲得參數的最佳水平組合。選取熔體溫度、模具溫度、注射時間和保壓時間4個因素，正交試驗因素與水平見表1。

表1 正交試驗因素與水平Tab.1 Levels and factors of orthogonal test

實驗過程中，評價注塑質量的主要指標包括流動前沿溫度、最大注射壓力、體積收縮率、制品總質量等。根據上述翹曲變形分析可以看出，影響塑件翹曲變形的主要因素為收縮不均勻和取向不均勻兩個方面，因此，通過改善塑件的收縮不均勻性和取向不均勻性就能改善塑件翹曲變形。同時，注射壓力和鎖模壓力對塑件密實度也有較大影響，故也需要考慮這兩個指標對塑件翹曲變形的作用。通過表2中Taguchi的評級結果，確定對塑件體積收縮率、注射壓力和鎖模壓力有較大影響的因素為注射時間、熔體溫度和模具溫度。

表2 實驗標準評級結果Tab.2 Results of experimental standard rating

先利用Moldflow軟件的工藝優化模塊進行工藝優化分析，獲得工藝優化后塑件的翹曲變形量，從圖4可以看出：優化后塑件的總翹曲變形量為0.896 6 mm，收縮不均勻形成的翹曲變形量為0.909 4 mm，得到優化后的工藝參數為：模具溫度240 ℃，熔體溫度35 ℃，冷卻時間5.53 s。

圖4 工藝優化后塑件的翹曲變形量Fig.4 Warping deformation of plastic parts after optimization

2.3 正交試驗優化設計

為利用較少實驗數據獲得準確實驗結果，采用正交試驗進行工藝參數選擇，選擇注射時間、模具溫度和熔體溫度作為因素，優化后的正交試驗的因素與水平見表3，其他工藝參數采用Moldflow工藝優化后的參數。

由于實際注塑工藝過程中，熔體溫度和模具溫度存在交互作用，因此，確定采用具有交互作用的3因素3水平正交試驗，以塑件翹曲變形量為評價指標，建立正交表L9（33）。試驗1～試驗9的翹曲變形量分別為0.875 2，0.893 1，0.905 7，0.873 0，0.894 5，0.898 7，0.885 2，0.892 7，0.891 0 mm。從表4看出：模具溫度的極差最大，表明模具溫度對塑件翹曲變形影響最大。模具溫度為240 ℃時的翹曲變形量較小。通過極差分析看出，單獨熔體溫度的影響小于熔體溫度和模具溫度對塑件翹曲變形的綜合影響作用，因此，熔體溫度的最佳影響值由熔體溫度和模具溫度的交互作用決定，當模具溫度取240 ℃，熔體溫度取32 ℃時，獲得的塑件翹曲變形量最小，為0.873 0 mm。當注射時間為0.68 s時的翹曲變形量最小。因此，滿足塑件翹曲變形量最小時的工藝參數組合為：模具溫度240℃，熔體溫度32 ℃，注射時間0.68 s。

表3 優化后的正交試驗的因素與水平Tab.3 Levels and factors of orthogonal test after optimization

表4 正交試驗結果的極差分析Tab.4 Range analysis for results of orthogonal test

從圖5可以看出：采用優化后的參數注塑成型的制品翹曲變形量僅為0.872 6 mm，小于Moldflow軟件工藝優化模塊下塑件的翹曲變形量（0.896 6 mm）。

圖5 正交優化后的塑件翹曲變形量Fig.5 Warping deformation of plastic parts after orthogonal optimization

3 結論

a）通過Moldflow軟件和正交試驗法對HDPE塑件盒體注塑工藝過程進行工藝參數優化，以翹曲變形量為評價指標，利用Taguchi分析目標參數影響權重，利用Factory獲得參數的最佳水平并確定了最優工藝參數。

b）在商家推薦的工藝參數下，塑件最大翹曲變形量為0.935 1 mm。冷卻不均勻造成的變形量基本可以忽略；收縮不均勻產生的最大翹曲變形量為0.956 5mm，取向因素產生的最大翹曲變形量為0.564 7 mm。

c）根據Taguchi指標權重結算結果，選取熔體溫度、模具溫度、注射時間為因素，利用Moldflow軟件優化模塊確定工藝參數為：模具溫度240 ℃，熔體溫度35 ℃，冷卻時間5.53 s。

d）建立3因素3水平正交試驗，確定塑件翹曲變形量最小時的工藝參數組合為：模具溫度240℃，熔體溫度32 ℃，注射時間0.68 s，此條件下，小于軟件優化模塊的塑件翹曲變形量，滿足要求。