撰文/重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院　趙鵬展

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基于Moldflow軟件的薄壁零件直流和隨形冷卻通道分析

撰文/重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院趙鵬展

用戶產(chǎn)品尺寸有著越來越小的趨向，市場(chǎng)對(duì)薄壁塑件需求量也日益增加，目前大多數(shù)薄壁塑件采用注塑成型，控制薄壁件的翹曲是成型難點(diǎn)。因此，本研究就隨形冷卻通道和直流冷卻通道的成型質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。研究中采用的澆注系統(tǒng)類型是點(diǎn)澆口，該種澆口是三板模常用的澆口，通過對(duì)Autodesk Moldfl ow Insight （AMI） 2013仿真結(jié)果進(jìn)行田口法和方差分析，發(fā)現(xiàn)隨形冷卻通道與傳統(tǒng)的直流冷卻通道相比，在翹曲方面能提高成型件質(zhì)量，這些結(jié)果有利于精密塑件的生產(chǎn)。

一、前言

注射成型工藝有四個(gè)階段，即加料、塑化、冷卻和脫模，這些階段中，冷卻階段對(duì)成型周期時(shí)間和成型件質(zhì)量影響非常大。注射模冷卻通道設(shè)計(jì)會(huì)影響冷卻時(shí)間和所生產(chǎn)成型塑件質(zhì)量，翹曲是薄壁件常見的一種缺陷，有效的冷卻通道能減小成型件的收縮不均和翹曲。為提高注射模工藝?yán)鋮s階段的冷卻效率，提出隨形冷卻通道。

二、研究方法

在本研究中，采用田口方法確定最佳注射成型參數(shù)，同時(shí)采用方差分析確定直流通道和隨形冷卻通道中影響薄壁件翹曲的最重要因素。有許多因素影響成型件翹曲，如成型件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、所用塑料材料種類、模具鑲件材料類型、注射成型機(jī)、成型工藝參數(shù)、冷卻液以及模具溫度和室溫，而本研究中只考慮了幾個(gè)重要因素，并采用了如下假設(shè)。

（1）忽略了澆口尺寸。

（2）假定環(huán)境溫度不變。

（3）研究中所用塑料材料是非結(jié)晶熱塑性ABS Cycolac MG47，該種材料性能如表1所示。

表1　ABS Cycolac MG47的物理性能

圖1和圖2分別給出了尺寸為60mm×55mm及厚度為1mm薄壁零件的直流澆注系統(tǒng)和隨形澆注系統(tǒng)，兩個(gè)通道各產(chǎn)生了長(zhǎng)度為1mm的19527個(gè)和21933個(gè)表面三角形。

圖1　直流冷卻通道薄壁件

圖2　隨形冷卻通道薄壁件

進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，比較有相同布局和橫截面積的隨形和直流冷卻通道性能。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，成型溫度（A）、融化溫度（B）、保壓壓力（C）和保壓時(shí)間（D）四個(gè)因素確定為變量參數(shù)，對(duì)每個(gè)因素選擇4個(gè)因素3種工藝水平的9個(gè)實(shí)驗(yàn)。正交方差和參數(shù)控制因素分別如表2～4所示，由此可確定兩類冷卻通道影響薄壁件最佳設(shè)置參數(shù)和最重要因素。

表2　L9 正交方差

表3　Abs Cycolac Mg47有效因素的三種工藝水平

表4　控制因素組合參數(shù)

在研究中，假定模具的型芯和型腔面溫度相同。當(dāng)注射時(shí)間超過0.1秒時(shí)，一些組合參數(shù)會(huì)導(dǎo)致成型件“短射”缺陷，因此注射時(shí)間設(shè)定為0.1秒。采用置信水平0.05的方差，對(duì)薄壁件模擬中各個(gè)方向產(chǎn)生的翹曲進(jìn)行了分析。

為確定最佳參數(shù)設(shè)置，根據(jù)表5給出的薄壁件翹曲分析結(jié)果計(jì)算信噪比（S/N），將方差分析結(jié)果和信噪比方法進(jìn)行比較，可以確定各因素的影響效果并由此分析每個(gè)因素對(duì)最終效果的重要性，通過比較相對(duì)方差，可以確定全部因素的貢獻(xiàn)率。

三、研究結(jié)果及討論

在研究中，較小的翹曲值意味著良好的質(zhì)量，因此，在這種情況下采用下面方程獲取信噪比值。

S/N=-10log（MSD）

且MSD=均方偏差，Y=觀測(cè)值，n=實(shí)驗(yàn)數(shù)。

之后采用方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即可以確定全部因素的貢獻(xiàn)率。以下是直流冷卻通道因素A信噪比計(jì)算實(shí)例。直流和隨形冷卻通道薄壁件信噪比結(jié)果概況如表5所示。

表5　直流冷卻通道（實(shí)驗(yàn)I）及隨形冷卻通道（實(shí)驗(yàn)II）薄壁件翹曲結(jié)果匯總

圖3～6給出了實(shí)驗(yàn)I直流冷卻通道薄壁件翹曲信噪響應(yīng)圖，圖7～10給出了實(shí)驗(yàn)II隨形冷卻通道薄壁件翹曲信噪響應(yīng)圖，數(shù)據(jù)分別獲取于表6和表7。

表6和表7信噪比響應(yīng)最高值（也可從實(shí)驗(yàn)I圖3～6和實(shí)驗(yàn)II圖7～10信噪響應(yīng)圖得出）視為是最優(yōu)值并選為最優(yōu)參數(shù)組合。表10給出了基于實(shí)驗(yàn)I和II結(jié)果的薄壁件最優(yōu)參數(shù)匯總。

圖3　實(shí)驗(yàn)I模具溫度（因素A）信噪響應(yīng)

圖4　實(shí)驗(yàn)I融化溫度（因素B）信噪響應(yīng)

圖5　實(shí)驗(yàn)I保壓壓力（因素C）信噪響應(yīng)

圖6　實(shí)驗(yàn)I保壓時(shí)間（因素D）信噪響應(yīng)

圖7　實(shí)驗(yàn)II模具溫度（因素A）信噪響應(yīng)嗎

圖8　實(shí)驗(yàn)II融化溫度（因素B）信噪響應(yīng)

圖9　實(shí)驗(yàn)II保壓壓力（因素C）信噪響應(yīng)

圖10　實(shí)驗(yàn)II保壓時(shí)間（因素D）信噪響應(yīng)

表6　實(shí)驗(yàn)I薄壁件翹曲信噪比響應(yīng)表

表7　實(shí)驗(yàn)II薄壁件翹曲信噪比響應(yīng)表

從表10可以看出，對(duì)組合參數(shù)最優(yōu)設(shè)置，直流冷卻通道能獲得最小翹曲是0.2967mm，隨形冷卻通道能獲得最小翹曲是0.2950mm。另一方面，表6和表7給出了影響薄壁件翹曲的最重要因素。表6水平和表7水平間最大差值顯示了薄壁件翹曲結(jié)果。

需要用方差分析計(jì)算全部因素的自由度，本研究中自由度計(jì)算實(shí)例如下：

總自由度fT: fT=N-1=9-1=8 （此處N是實(shí)驗(yàn)數(shù)）

對(duì)于因素A，fA：fA=kA-1=3-1=2（此處kA是因素A水平數(shù)）

對(duì)于誤差：fe=fT-（fA+fB+fC+fD）=8-（2+2+2+2）=0

全部因素平方和計(jì)算如下：

對(duì)于因素A ，SA：

=42.42×10-6

對(duì)于誤差，Se=ST-（SA+SB+SC+SD）

=71.24×10-5-（4.242×10-5+1.350×10-5+63.60×10-5+2.044×10-5）=0

之后計(jì)算全部因素的方差，如下是因素A方差算例：

對(duì)于方差誤差，之后，計(jì)算全部參數(shù)的F檢驗(yàn)值，計(jì)算實(shí)例如下：對(duì)因素A，

由于V=0，因此FA, FB, FC和FD,無法確定。

計(jì)算全部因素貢獻(xiàn)率PA，實(shí)例如下：

表8　實(shí)驗(yàn)I 方差分析表（直流冷卻通道）

表9　實(shí)驗(yàn)II方差分析表（隨形冷卻通道）

根據(jù)表8和表9，直流冷卻通道影響薄壁件翹曲最重要因素是保壓壓力，達(dá)到89.28%。其次是模具溫度，達(dá)到5.95%。由于其他因素貢獻(xiàn)率小于5%，故不重要。

另一方面，隨形冷卻通道影響薄壁件翹曲最重要因素也是保壓壓力，達(dá)到95.27%，其他因素不重要。

表10給出了兩種冷卻通道采用田口分析法獲得的最優(yōu)翹曲數(shù)值和最佳設(shè)置參數(shù)。從分析中看出，薄壁件翹曲值從0.2967mm 減小到0.2950 mm。

表10　直流和隨形冷卻通道最佳參數(shù)設(shè)置及翹曲值

雖然改進(jìn)不大，但從改善模制零件質(zhì)量的角度出發(fā)，是應(yīng)當(dāng)予以考慮的。模制件、澆注系統(tǒng)、冷卻通道類型及塑料樹脂類型的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的翹曲值。因此，在某些情況下，隨形冷卻通道的影響效果不能被忽略。

四、結(jié)語

本研究采用了田口法和方差方法，可以得出如下結(jié)論。

（1）通過采用田口正交陣列法能降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)，可采用ANOVA法確定影響模制件翹曲值的重要因素。

（2）薄淺部的翹曲從0.2967mm變?yōu)?.2950mm，隨形冷卻通道相比于直流線形冷卻通道得到了一定的改進(jìn)。

（3）隨形冷卻通道都能夠改善模制零件的翹曲變形，精密尺寸部分應(yīng)考慮隨形冷卻通道，以提高模制零件的質(zhì)量。