通信作者：殷燕芳(1971-)，女，副教授，E-mail：1061942941@qq.com.

基于Moldflow與正交試驗(yàn)的注塑成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

田冰，殷燕芳

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：注塑成型工藝對(duì)制品質(zhì)量有著很大的影響。以一塑料蓋板為例，基于Moldflow軟件的翹曲分析功能模塊，以翹曲變形量為指標(biāo)，結(jié)合正交試驗(yàn)方法分析模具溫度、熔體溫度、填充時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析得出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響重要程度依次為：保壓壓力、熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間，對(duì)優(yōu)化的成型工藝參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證，其翹曲變形量降低了62%，研究表明，結(jié)合正交試驗(yàn)的模流分析對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：注塑工藝；翹曲變形；模流分析；正交試驗(yàn)

收稿日期：2015-04-22.

作者簡(jiǎn)介：田冰(1989-)，男，碩士研究生，E-mail:1045444797@qq.com.

文章編號(hào)：2095-7386(2015)03-0071-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.015

中圖分類號(hào)：TP 391.9

Optimized design of plastic injection molding process

based on Moldflow and orthogonal experiment

TIANBin，YINYan-fang

(School of Mechanical Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

Abstract：The plastic injection molding process has a great influence on the quality of product. This paper takes a shell for example, the warping deformation as the index, based on warping analysis module of Moldflow software, combined with orthogonal experiment scheme,and has analyzed the influence of mold temperature, melt temperature, filling time, packing pressure, packing time on the experimental index. According to the experimental results, the influence degree sequence of injection molding process on warping deformation is holding pressure, melt temperature, mold temperature, holding time, injection time. The optimized molding process parameter combination was obtained and validated,and the warping deformation reduced by 62%, which indicates that the mold-flow combined with orthogonal experiment scheme has a certain guiding significance for actual production.

Key words：molding process；warping deformation；mold-flow analysis；orthogonal experiment

1引言

隨著高分子材料科學(xué)的發(fā)展，塑料制品在工業(yè)及生活中應(yīng)用愈加廣泛，人們對(duì)其質(zhì)量與性能的要求也越來(lái)越高。翹曲變形作為塑料制品的一種常見(jiàn)缺陷是指塑料制品的形狀偏離模具型腔所規(guī)定的形狀范圍。尤其是對(duì)于板、殼類制品而言，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或內(nèi)部中空，抵抗變形的能力較弱，更易發(fā)生翹曲變形[1-2]。

引起翹曲變形的的機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，主要?dú)w結(jié)為制品收縮不均勻、取向不一致、殘余應(yīng)力的釋放等原因[3-5]。如果制品各部位、各方向收縮均勻一致，則制品尺寸僅會(huì)變小而不會(huì)發(fā)生翹曲變形。另外，制品在成型過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力在脫模后失去了模具的約束就會(huì)逐漸釋放，也會(huì)引起翹曲變形。翹曲變形與制品材料、制品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、注塑成型工藝等因素緊密相關(guān)[6-7]。

筆者試圖從注塑成型工藝的角度出發(fā)，以翹曲變形量為指標(biāo)，利用基于塑料流變學(xué)與傳熱學(xué)理論的注塑成型仿真分析軟件Moldflow中的翹曲變形分析功能模塊，結(jié)合正交試驗(yàn)原理制定試驗(yàn)方案，探究注塑成型工藝對(duì)翹曲變形的影響，并取得優(yōu)化的成型工藝參數(shù)組合。

2注塑系統(tǒng)的建立

2.1產(chǎn)品建模與分析

以一塑料蓋板為例，所用材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，LG Chemcical公司生產(chǎn)，牌號(hào)為PMMA IH-830。該制品采用一模兩腔的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品的基本尺寸為80 mm×60 mm×8 mm，厚度2 mm,體積V=10.97cm3，利用Pro/E軟件建立產(chǎn)品的三維模型，如圖1所示。

圖1　產(chǎn)品模型

2.2網(wǎng)格劃分及修復(fù)

通過(guò)Pro/E軟件建立制件的三維模型，模型建立完成后轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入到Moldflow軟件中，進(jìn)行雙層面網(wǎng)格劃分。為了提高分析的準(zhǔn)確性，需要對(duì)有問(wèn)題的網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)[8-9]。對(duì)于翹曲分析而言，網(wǎng)格最大縱橫比不超過(guò)6，網(wǎng)格匹配率不小于90%，本制品所劃分的網(wǎng)格最大縱橫比5.594，平均縱橫比為1.894，網(wǎng)格匹配率為96.75%，滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

2.3澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)[10]，設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)如下。

(1)主流道為圓形錐流道，頂端直徑為4 mm，末端直徑為6 mm，主流道長(zhǎng)度為40 mm。

(2)分流道的截面形狀均為梯形，上底寬度為5 mm，下底寬度為6 mm，高度為5 mm。

(3)澆口的形式為圓形截面錐體潛伏式澆口，始端直徑為4 mm，末端直徑為1 mm。

2.4冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

冷卻系統(tǒng)采用軟件附帶的冷卻系統(tǒng)向?qū)?chuàng)建，共上下兩套回路，水管直徑為10 mm，水管間距為30 mm，水管距離制件距離20 mm ，冷卻水初始溫度為25℃。經(jīng)過(guò)以上步驟的建立，一套完整的注塑成型系統(tǒng)基本創(chuàng)建完畢，如圖2所示。

圖2　注塑成型系統(tǒng)

2.5成型方案的初步模擬

經(jīng)過(guò)前面幾個(gè)步驟已經(jīng)建立了一套完整的成型方案，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)的成型工藝參數(shù)(模具溫度：70 ℃；熔體溫度：245 ℃；注射時(shí)間：自動(dòng)控制；保壓壓力：80 MPa；保壓時(shí)間：10 s)進(jìn)行翹曲變形的仿真模擬，翹曲變形量為0.40 mm，如圖3所示。

圖3　默認(rèn)工藝組合翹曲變形圖

3正交試驗(yàn)方案

3.1正交試驗(yàn)因素及水平

利用規(guī)格化的正交實(shí)驗(yàn)表，既能減少盲目試驗(yàn)的次數(shù)，又能在較少的試驗(yàn)次數(shù)內(nèi)使各因素得到較為全面的檢驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理還可以找出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。在注塑成型工藝中，各工藝因素對(duì)翹曲變形影響是不同且有交互作用的。在本次試驗(yàn)中，選取模具溫度、熔體溫度、填充時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間五個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取四個(gè)水平，所選取的各因素及水平如表1所示。

表1正交試驗(yàn)因素及水平

水平因素A(模具溫度/℃)B(熔體溫度/℃)C(注射時(shí)間/s)D(保壓壓力/MPa)E(保壓時(shí)間/s)水平一552301.3658.5水平二652401.4759.5水平三752501.58510.5水平四852601.69511.5

3.2正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

通過(guò)以上五因素四水平建立L16(45)正交試驗(yàn)組合，并模擬各正交試驗(yàn)組合注塑成型過(guò)程，得到各組合的翹曲變形量。如表2所示。

表2正交試驗(yàn)組合及結(jié)果

試驗(yàn)序號(hào)因素ABCDE翹曲變形量/mm1111110.32602122220.25443133330.19384144440.15165212340.23976221430.18037234120.26838243210.21039313420.199910324310.214011331240.232112342130.247813414230.280314423140.293715432410.164216441320.1808

3.3正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，計(jì)算各因素在不同試驗(yàn)水平下的翹曲變形量最大均值與最小均值之差。計(jì)算所得的各因素極差就代表了各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，極差值越大則表示該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度越大，反之，越小。如表3所示。

通過(guò)表3可以看到RD>RB>RA>RC>RE，也就是表明試驗(yàn)因素對(duì)翹曲變形的影響程度是：保壓壓力>熔體溫度>模具溫度>注射時(shí)間>保壓時(shí)間。根據(jù)表3建立各因素極差分析圖，如圖4所示。

圖4　因素極差圖

根據(jù)圖4可以看到各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響：隨著模具溫度提高，冷卻速度及冷凝層的厚度都會(huì)減小，有利于型腔內(nèi)壓力傳遞，能夠降低翹曲變形

表3各因素極差分析表

水平因 素A(模具溫度/℃)B(熔體溫度/℃)C(注射時(shí)間/s)D(保壓壓力/MPa)E(保壓時(shí)間/s)K1/mm0.23150.26150.22980.28400.2286K2/mm0.22470.23560.22650.24430.2259K3/mm0.22350.21460.22440.20710.2256K4/mm0.22980.19760.22860.17400.2293Kmax/mm0.23150.26150.22980.28400.2293Kmin/mm0.22350.19760.22440.17400.2256極差R/mm0.00800.06390.00540.11000.0037

程度，提高成型質(zhì)量，但是過(guò)高的模具溫度則使冷卻速度變慢，延長(zhǎng)了成型周期，提高了熔體結(jié)晶度，制品收縮率變大反而加重了翹曲變形；隨著熔體溫度的升高，熔體流動(dòng)粘度變小，有利于熔體及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)料，減小了收縮及翹曲變形量；隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng)，熔體流動(dòng)速率和成型壓力也相應(yīng)的減小，分子的取向和結(jié)晶作用減弱，引起的收縮和殘余應(yīng)力也會(huì)變小，減小了翹曲變形程度；保壓壓力對(duì)翹曲變形的影響是最顯著，隨著保壓壓力的增大，提高了產(chǎn)品密實(shí)程度，翹曲變形程度顯著下降，但是過(guò)大的保壓壓力或過(guò)長(zhǎng)的保壓時(shí)間反而使制品產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致翹曲變形增大。

3.4驗(yàn)證最佳工藝組合

根據(jù)圖4的各因素極差分析，取翹曲變形程度最小的各因素水平，得到優(yōu)化的成型工藝組合A3B4C3D4E3，即當(dāng)熔體溫度75 ℃，模具溫度260 ℃，注射時(shí)間1.5 s,保壓壓力95 MPa，保壓時(shí)間10.5 s時(shí)，能夠使翹曲變形量最小。該組合在試驗(yàn)中并不存在，需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證，優(yōu)化的成型工藝組合生成的翹曲變形量為0.151 2 mm，如圖5所示。

圖5　優(yōu)化工藝組合翹曲變形圖

優(yōu)化的成型工藝參數(shù)組合翹曲變形程度小于所有正交試驗(yàn)組合的翹曲變形，相較于正交試驗(yàn)組合中最大的翹曲變形0.326 0 mm，其翹曲變形程度降低了53.62%，相較于系統(tǒng)默認(rèn)的成型工藝翹曲變形0.40 mm，其翹曲變形量降低了62%。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)例分析可以看到，注塑成型工藝對(duì)制品的翹曲變形確實(shí)有很大的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)確定合理的成型工藝參數(shù)組合能減少翹曲變形，提高制品質(zhì)量。同時(shí)利用Moldflow仿真分析軟件可以為工藝設(shè)計(jì)提供有力支撐，避免實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)反復(fù)試模才能確定合理工藝，降低生產(chǎn)成本。另外在本次試驗(yàn)中所采用的因素及水平較少，所得結(jié)果并不能完全真實(shí)反映引起翹曲變形的所有工藝因素及其影響程度。在以后的試驗(yàn)中，可以增加試驗(yàn)因素及水平，以得到更接近實(shí)際情況的仿真分析。

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