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        單反相機(jī)機(jī)身注塑件注塑成型工藝研究

        2014-10-15 01:11:40吳俊超陳愛霞
        關(guān)鍵詞:單反相機(jī)收縮率熔體

        吳俊超,陳愛霞

        (1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西九江 332007;2.九江學(xué)院,江西九江 332005)

        單反相機(jī)機(jī)身注塑件在進(jìn)行注塑成型時(shí),對工藝參數(shù)要求較高,注塑過程中易出現(xiàn)充填不足、翹曲變形、殘余應(yīng)力過大等缺陷。如果塑件的殘余應(yīng)力過大,脫模后會(huì)引起時(shí)效變形,使制品的力學(xué)性能、光學(xué)性能及表觀質(zhì)量受到破壞,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起變形開裂[1]。

        筆者利用Moldflow軟件,以單反相機(jī)機(jī)身為例,采用模流分析軟件Moldflow,結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)法,研究單反相機(jī)機(jī)身注塑件的注塑成型并獲得最佳成型工藝參數(shù)。

        1 三維模流分析的理論基礎(chǔ)

        本研究采用雙層面網(wǎng)格。為準(zhǔn)確表達(dá)熔體在注射填充階段和保壓階段的流變特性,選擇本構(gòu)方程為7參數(shù)的Cross-WLF模型[2]。

        2 建立單反相機(jī)機(jī)身CAE模型

        單反相機(jī)機(jī)身是單反相機(jī)的重要結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均且有細(xì)小特征。首先利用UG軟件按照圖紙尺寸創(chuàng)建單反相機(jī)機(jī)身的CAD模型,最終結(jié)果如圖1所示。

        圖1 相機(jī)機(jī)身的三維造型

        將建好的三維CAD模型導(dǎo)出為*.stp格式,導(dǎo)入Moldflow中進(jìn)行雙層面網(wǎng)格劃分。并修復(fù)較大的縱橫比、交叉單元、自由邊等缺陷。

        按照工廠原始方案,在不改變尺寸和形狀的前提下利用Moldflow軟件創(chuàng)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。最終結(jié)果如圖2所示。

        圖2 冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)的最終CAE分析模型

        3 優(yōu)化工藝參數(shù)

        3.1 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)

        按照工廠原始方案,單反相機(jī)機(jī)身注塑件在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品合格率僅有57.27%,主要缺陷為縮痕、充填不足和變形開裂。廠方原始方案使用的塑料原料為Lehmann &Voss&Co公司生產(chǎn)的PC+ABS。

        鑒于模具已經(jīng)投入生產(chǎn)且開發(fā)模具的成本較大,廠方要求:①在盡量不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下提高產(chǎn)品合格率;②在保證塑件使用性能的條件下可以改變單反相機(jī)機(jī)身的生產(chǎn)原料。

        制品最終的質(zhì)量很大程度上取決于工藝參數(shù),不合理的工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致加工周期長,質(zhì)量缺陷多,耗費(fèi)成本高等問題[3]?;趶S方要求,確定優(yōu)化的工藝參數(shù)為模具溫度℃(A)、原材料添加玻纖的比值% (B)、注射時(shí)間S(C)、注塑壓力MPa(D)、熔體溫度℃ (E)、保壓方式 (F)和冷卻時(shí)間S(G),每個(gè)參數(shù)取三個(gè)水平。以熔體流動(dòng)前沿溫度℃(Y1)、平均體積收縮率% (Y2)和翹曲變形mm (Y3)作為評價(jià)指標(biāo)。表1是因素水平取值。模擬分析時(shí),采用L18(37)正交表安排正交實(shí)驗(yàn),通過Moldflow進(jìn)行模擬分析。最終可獲得表2所示的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。

        表1 因素水平取值

        3.2 選擇合適的工藝參數(shù)

        本例要解決的是有交互作用的多因素多目標(biāo)問題,可以采用多指標(biāo)處理方法中的綜合平衡法,先找出各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)生產(chǎn)條件,然后將各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合平衡,找出最佳生產(chǎn)條件。

        根據(jù)極差值的大小分析熔體流動(dòng)前沿溫度 (Y1),各因素的影響大小依次為E>D>F>A>C>B>G。根據(jù)均值可知,熔體流動(dòng)前沿溫度最高 (低于推薦熔體溫度275℃,可能導(dǎo)致充填不足)的最優(yōu)方案為A3B2C3D3E3F2G2。同理,對平均體積收縮率 (Y2)來說,各因素的影響大小依次為E>G>A>B>F>C>D,平均體積收縮率最小的最優(yōu)方案為A2B3C2D1E3F1G3。各因素對翹曲變形 (Y3)的影響大小為A>B>C>G>F>D>E,翹曲變形最小的最優(yōu)方案為A2B3C3D3E3F2G3。

        模具溫度對翹曲變形的影響最為顯著,最佳水平是第2水平。對熔體流動(dòng)前沿溫度和平均體積收縮率的影響分別排在第四位和第三位,對應(yīng)的最佳水平分別為第3水平和第2水平。根據(jù)極差值,模具溫度的第3水平和第2水平對熔體流動(dòng)前沿溫度的影響差別不是很大。綜上模具溫度A取第2水平較好。

        同理可得B取第3水平較好;C取第3水平;D取第3水平;E取第3水平;F取第2水平;G取第3水平。

        由以上分析可以得出,工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為A2B3C3D3E3F2G3。具體的工藝參數(shù)為模具溫度為100℃;原材料添加了20%玻纖;1.0秒的注射時(shí)間;150MPa的注塑壓力;320℃的熔體溫度和15秒的冷卻時(shí)間。保壓方式采用100MPa6秒后再用90MPa保壓8秒。

        3.3 優(yōu)化前后模擬結(jié)果對比

        圖4是在最優(yōu)工藝參數(shù)組合A2B3C3D3E3F2G3下充填分析結(jié)果。由于采用了合理的工藝參數(shù),有效的提高了熔體流動(dòng)前沿溫度 (最終的模擬結(jié)果熔體流動(dòng)前沿溫度普遍高于推薦熔體溫度最低值275),使得充填充分,充填時(shí)間也有所降低 (從原始方案的1.53秒降低到0.7714秒)。從Moldflow模擬分析結(jié)果上看,優(yōu)化方案有效解決了充填不足問題。

        圖4 最優(yōu)方案下充填分析結(jié)果

        圖5是在優(yōu)化后體積收縮率 (Y2)的模擬分析結(jié)果。優(yōu)化后相機(jī)最大體積收縮率從工廠原始方案下的9.699%降低到6.196%,大部分區(qū)域的體積收縮率都小于4%,遠(yuǎn)低于Moldflow的推薦工藝要求5%。從Moldflow模擬結(jié)果上看,在優(yōu)化方案下體積收縮率大幅降低,這將會(huì)有效的解決產(chǎn)品變形過大導(dǎo)致的開裂。

        圖6是優(yōu)化后翹曲變形 (Y3)模擬分析結(jié)果。從模擬結(jié)果上看,塑料制件的翹曲變形量從工廠原始方案下的0.8948mm降低到0.2937mm。翹曲變形的減少使得由翹曲變形過大導(dǎo)致的開裂基本不可能產(chǎn)生。

        圖5 最優(yōu)方案下體積收縮率 (Y2)結(jié)果

        圖6 最優(yōu)方案下翹曲變形 (Y3)分析結(jié)果

        3.4 優(yōu)化前后實(shí)際生產(chǎn)情況對比

        表3 優(yōu)化前后相機(jī)機(jī)身廢品率比較

        將優(yōu)化后的成型工藝參數(shù)交付工廠后,經(jīng)過工廠實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)。塑料制件的廢品率明顯降低 (見表3)。產(chǎn)品合格率從原始方案的57.27%提高到87.35%。

        4 結(jié)論

        將CAE技術(shù)和正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,得到多因素對復(fù)雜薄壁注塑件相機(jī)機(jī)身的影響趨勢。運(yùn)用綜合平衡法找出最優(yōu)工藝組合并在最優(yōu)工藝參數(shù)下再次進(jìn)行模擬驗(yàn)證。模擬結(jié)果顯示相機(jī)機(jī)身注塑件的缺陷指標(biāo)大大降低。

        經(jīng)過工廠實(shí)際檢驗(yàn),產(chǎn)品合格率從47.23%提高到94.35%。本文的研究為薄壁復(fù)雜制品的注塑成型提供了理論上的指導(dǎo),為以后解決類似問題提供了必要的借鑒。

        〔1〕吳俊超 .復(fù)雜薄壁注塑件翹曲變形及注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化與研究 [D].南昌大學(xué),2012,(06):12-58.

        〔2〕孫懋,覃海藝 .注塑產(chǎn)品成形過程數(shù)值模擬 [C].第二屆中國CAE工程分析技術(shù)年會(huì),2012.

        〔3〕S.C.Lee.Shrinkage Analysis of Molded Parts Using Neu2ral Network[J].Journal of Reinforced Plastics and Com2posites,1999,18(2):186-195.

        〔4〕李峰、申屠寶卿 .模流分析在含嵌件制品優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J]:塑料工業(yè),2009,(09):35-37.

        〔5〕黃虹,邱方軍,王海民,等 .塑料油箱單管坯擠出兩型腔吹塑的成型工藝 [J].塑料,2010,(02):48-50.

        〔6〕趙苗,黃翔,辛勇 .薄殼多孔塑料件高光注射成型工藝研究 [J].工程塑料應(yīng)用,2012,(01):32-35.

        〔7〕周士沖.CAE在薄殼件注塑成型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2006.

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