吳俊超，陳愛(ài)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(duì)工藝參數(shù)要求較高，注塑過(guò)程中易出現(xiàn)充填不足、翹曲變形、殘余應(yīng)力過(guò)大等缺陷。如果塑件的殘余應(yīng)力過(guò)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(kāi)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?qǐng)D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(kāi)裂。廠方原始方案使用的塑料原料為L(zhǎng)ehmann ＆Voss＆Co公司生產(chǎn)的PC＋ABS。

鑒于模具已經(jīng)投入生產(chǎn)且開(kāi)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(zhǎng)，質(zhì)量缺陷多，耗費(fèi)成本高等問(wèn)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(píng)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(guò)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(wèn)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(duì)平均體積收縮率 （Y2）來(lái)說(shuō)，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(duì)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(duì)翹曲變形的影響最為顯著，最佳水平是第2水平。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(wèn)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(guò)大導(dǎo)致的開(kāi)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(guò)大導(dǎo)致的開(kāi)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(duì)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(guò)工廠實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)。塑料制件的廢品率明顯降低 （見(jiàn)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(duì)復(fù)雜薄壁注塑件相機(jī)機(jī)身的影響趨勢(shì)。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(guò)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(wèn)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(guò)程數(shù)值模擬 ［C］.第二屆中國(guó)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.

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