潘秀石，林桂霞

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009)

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基于正交試驗(yàn)法的加濕器底座注塑工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)*

潘秀石，林桂霞

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009)

摘要：以加濕器底座為例，結(jié)合正交試驗(yàn)法和模流分析軟件Moldflow，對(duì)不同注塑工藝條件下的底座零件成型過程進(jìn)行分析，確定塑料件的翹曲量為塑料件表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)塑料件的翹曲量的極差分析，確定了模具溫度、熔體溫度、填充時(shí)間、保壓方式和保壓壓力等工藝參數(shù)對(duì)塑料件翹曲量的影響程度的大小，繪制了水平影響趨勢(shì)圖，分析得出最優(yōu)的注塑工藝參數(shù)配置，并對(duì)該工藝參數(shù)配置進(jìn)行了模擬對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：注塑成型；正交試驗(yàn)法；翹曲變形；工藝參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

聯(lián)系人：潘秀石，講師，主要從事注塑模具設(shè)計(jì)工作

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平日益提高，國內(nèi)每戶小家電的保有量逐年升高。早期人們對(duì)家電的需求主要集中在電器的功能上，而今隨著小家電功能技術(shù)的日趨成熟，人們?cè)谶x擇小家電時(shí)開始增加對(duì)電器外觀和個(gè)性方面的要求。塑料由于其質(zhì)量輕、化學(xué)性穩(wěn)定、絕緣性、成型性及著色性好等特點(diǎn)常用作于小家電的外殼及主要部件的生產(chǎn)材料。生產(chǎn)廠家為了提高小家電外觀的美觀度，制造塑料件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，制造要求也越來越高。目前絕大部分塑料制件多采用注塑的方法生產(chǎn)，在塑料件生產(chǎn)過程中由于原材料的性能、塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、模具材料和結(jié)構(gòu)、注塑模具的冷卻方案、注塑工藝參數(shù)及生產(chǎn)設(shè)備等因素都有可能使得塑料成品產(chǎn)生如翹曲變形、熔接痕等缺陷，從而影響塑料制品的質(zhì)量[1-6]。塑料制品在注塑過程中合理選擇工藝參數(shù)可降低塑料件在成型過程中的缺陷，提高塑料件生產(chǎn)質(zhì)量[7-10]。為此，筆者以加濕器底座零件為例，以此塑料件的翹曲變形量為衡量塑料件質(zhì)量指標(biāo)，應(yīng)用正交試驗(yàn)和Moldflow系統(tǒng)對(duì)各選定因素條件下的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行注塑仿真并分析各個(gè)因素相應(yīng)的仿真結(jié)果，尋找一組優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)并確定各因素對(duì)加濕器底座翹曲變形量的影響程度，再通過Moldflow系統(tǒng)對(duì)優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行仿真獲得最終塑料件的翹曲量。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1加濕器底座模型前處理

加濕器底座模型尺寸為333 mm×263 mm×78 mm，零件主體壁厚2.2 mm，加強(qiáng)筋厚度0.7 mm，零件各個(gè)方向上的厚度基本均勻，塑料件體積為2.48×105mm3。底座作為加濕器的基體支撐，因此塑料件加工尺寸精度為MT4(高端精度級(jí))。將加濕器底座模型導(dǎo)入到Moldflow系統(tǒng)并以表面網(wǎng)格類型對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。自動(dòng)劃分網(wǎng)格并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行編輯后網(wǎng)格的單元數(shù)為39 494，節(jié)點(diǎn)為19 741，最大縱橫比為1∶6，平均縱橫比為1∶2.38，匹配百分比為91.1%，網(wǎng)格劃分如圖1所示，滿足Moldflow對(duì)網(wǎng)格的要求。加濕器底座所采用的材料為聚丙烯(PP)材料，從系統(tǒng)中選擇材料牌號(hào)為：Globalene 7533。PP材料具有質(zhì)輕、耐高溫、剛性佳、無應(yīng)力龜裂、高抗張強(qiáng)度、折撓壽命長、低蠕變、耐沖擊以及極佳的電氣性，被廣泛應(yīng)用于家用電器的產(chǎn)品中。

圖1　加濕器底座的有限元網(wǎng)格模型

在進(jìn)行正交試驗(yàn)前需要建立合理的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。在Moldflow系統(tǒng)中對(duì)底板模型進(jìn)行澆口位置與填充分析并比較分析結(jié)果，確定加濕器底板加工采用點(diǎn)澆口兩點(diǎn)進(jìn)澆，澆口位置在底板中間方孔側(cè)面。由于加濕器零件外形尺寸較大，在模型外圍表面設(shè)計(jì)10條?10 mm冷卻水路，其中模型下表面6條，上表面4條。零件上用于安裝立柱的位置上有兩處深孔結(jié)構(gòu)，冷卻采用?16 mm隔水板，完成后的分析模型如圖2所示[11-13]。

圖2　加濕器底板分析模型

1.2加濕器底板注塑工藝設(shè)計(jì)

在塑料制品生產(chǎn)過程中，模具溫度、塑料熔體溫度、注塑時(shí)間、保壓方式及填充時(shí)間等工藝參數(shù)是塑料件生產(chǎn)中對(duì)質(zhì)量影響很大的一些因素。根據(jù)前期分析及注塑生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇注塑工藝參數(shù)為：模具溫度60℃，熔體溫度250℃，填充時(shí)間1.6 s，速度壓力轉(zhuǎn)換在填充體積的98%處，保壓壓力120 MPa，保壓時(shí)間為7 s，然后在3 s內(nèi)線性降低至0 MPa，總保壓時(shí)間為10 s，進(jìn)行冷卻+填充+保壓+翹曲分析。圖3為此工藝條件下加濕器底座的翹曲變形數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，導(dǎo)致塑料件翹曲變形的主要因素是由于塑料件收縮不均勻所引起的。

1.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)過程中，影響塑料件翹曲變形量的工藝參數(shù)很多，有模具溫度、熔體溫度、填充時(shí)間、保壓方式、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻條件等。在試驗(yàn)中借鑒生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，從中選擇5個(gè)因素即模具溫度(A)、熔體溫度(B)、填充時(shí)間(C)、保壓方式(D)、保壓壓力(E)作為試驗(yàn)因子，各試驗(yàn)因子及其水平數(shù)據(jù)見表1，正交表選擇正交表L16(45)。

圖3　加濕器底座的翹曲變形數(shù)據(jù)

表1　正交試驗(yàn)因素水平表

2　加濕器底座翹曲變形正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1正交試驗(yàn)安排與試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交表安排因素水平數(shù)據(jù)并在Moldflow系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析，獲得加濕器底座在各因素水平條件下的總變形量列于表2中。

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用極差分析法分析仿真數(shù)據(jù)，極差分析結(jié)果見表3。

表3　極差分析結(jié)果

從表3中可以看出，保壓方式的極差值最大，是影響塑料件翹曲變形量的主要因素，其它因素對(duì)底座塑料件翹曲變形的影響依次為：模具溫度、填充時(shí)間、保壓壓力、熔體溫度。從圖4水平影響趨勢(shì)圖中也可以看出保壓方式因素的變化趨勢(shì)最大，其余因素變化相對(duì)平緩。因此，從圖4可以看出，在模具溫度60℃、熔體溫度260℃、填充時(shí)間1.4 s、保壓壓力120 MPa、保壓時(shí)間為9 s，然后在3 s內(nèi)線性降低至0 MPa，總保壓時(shí)間為12 s，底座成型后的總翹曲變形量最小。

圖4 各因素對(duì)翹曲變形的影響趨勢(shì)圖

圖5為調(diào)整為優(yōu)化工藝參數(shù)后加濕器底座在Moldflow系統(tǒng)中仿真的翹曲變形情況。

圖5　優(yōu)化工藝參數(shù)下的變形數(shù)據(jù)

模擬試驗(yàn)結(jié)果為：加濕器底座的總翹曲變形從1.057 mm降低至0.951 4 mm，降幅為10.0%；收縮不均因素引起的塑料件翹曲變形由1.037 mm降低至0.948 1 mm，降幅為8.6%，改善效果明顯，加濕器底座翹曲變形主要是由收縮不均和冷卻不均共同作用導(dǎo)致，而沒有由于取向原因引起的翹曲變形量。所生產(chǎn)的底座塑料件尺寸公差滿足GB/T 14486–2008中PP材料MT4精度要求。

3　結(jié)論

對(duì)于精度要求較高的塑料制品，工藝參數(shù)的配置對(duì)其翹曲變形的影響程度是非常明顯與不同的。筆者通過正交試驗(yàn)研究模具溫度、熔體溫度、填充時(shí)間、保壓方式和保壓壓力對(duì)塑料件翹曲變形的影響程度，在獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后采用極差分析獲得優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)組合。證明了正交試驗(yàn)法是可以獲得優(yōu)化注塑工藝參數(shù)的一種很好方法，得出了注塑工藝參數(shù)的最佳參數(shù)組合。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王文君，葛正浩，張凱凱，等.基于Moldflow 手機(jī)后蓋注塑模擬與成型工藝分析[J].塑料，2010，39(5):91–93.

Wang Wenjun，Ge Zhenghao，Zhang Kaikai，et al .The injection simulation and analysis of molding process for the mobile phone rear cover based on moldflow[J]. Plastics，2010，39(5):91–93.

[2] 姜羨，趙明娟，陳炳輝，等.Moldflow在注塑模澆口優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].塑料，2010，39(4):15–17.

Jiang Xian，Zhao Mingjuan，Chen Binghui，et al. Application of Moldflow in optimized design of injection molding gate[J]. Plastics，2010，39(4):15–17.

[3] 鄭建平，程蓉，伍曉宇，等.隨形介質(zhì)通道與快速熱冷循環(huán)成型技術(shù)在高光模具上的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2010，36(12):38–42.

Zheng Jianping，Cheng Rong，Wu Xiaoyu，et al. Application of conformal medium channel and rapid heating cycle molding technology in highlight mould[J]. Die & Mould Industry，2010，36(12):38–42.

[4] 丁清國，劉泓濱.基于CAE和DOE的注塑成型工藝多目標(biāo)優(yōu)化研究[J].塑料工業(yè)，2012，40(7):54–58.

Ding Qingguo，Liu Hongbin. Multi-objective optimization study of the injection molding process based on CAE and DOE[J]. China Plastics Industry，2012，40(7):54–58.

[5] 魏妍麗.淺析Moldflow和正交試驗(yàn)法在注塑工藝優(yōu)化中的應(yīng)用[J].塑料制造，2010(5):71–73.

Wei Yanli. Analysis the application of using the moldflow and orthogonal test methods to optimize the injection mould technics[J]. Plastics Manufacture，2010(5):71–73.

[6] 劉國亮.CAD /CAE集成注塑工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料，2010，39(3):121–123.

Liu Guoliang. Optimization of injection parameters by CAD/CAE Integration[J]. Plastics，2010，39(3):121–123.

[7] 李福青，李鵬飛.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在注塑成形中的應(yīng)用[J].電加工與模具，2008(6):53–57.

Li Fuqing，Li Pengfei. The application of neural network technology in injection molding[J]. Electromachining & Mould，2008(6):53–57.

[8] 林權(quán)，陳沖.小模數(shù)塑料齒輪傳動(dòng)噪聲及成型品質(zhì)改進(jìn)研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，29(4):577–581.

Lin Quan，Chen Chong. Molding quality and transmission noise improvement for the small modulus plastic gear[J]. Journal of Jiamusi University: Natural Science Edition，2011，29(4):577–581.

[9] 周大路，何柏林，李樹楨，等.基于Moldflow的注射器翹曲分析[J].塑料，2007，36(2):95–98.

Zhou Dalu，He Bailin，Li Shuzhen，et al. Warp analysis of injection moulded part based on moldflow[J]. Plastics，2007，36(2):95–98.

[10] 李德群，唐志玉.中國模具設(shè)計(jì)大典[M].南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[11] 吳夢(mèng)陵，張瓏.基于正交法的汽車前罩板注塑工藝參數(shù)優(yōu)化研究[J].塑料，2009，38(1):5–8.

Wu Mengling，Zhang Long. Parameter optimization for the automobile hood in injection molding based on orthogonal method[J]. Plastics，2009，38(1):5–8.

[12] 狄金葉，郭星星，譚洪恩.汽車門把手氣輔注塑工藝模擬分析[J].塑料，2011，40(5):12–15.

Di Jinye，Guo Xingxing，Tan Hongen. Simulation of gas-assisted injection molding for automotive door handle[J]. Plastics，2011，40(5):12–15.

[13] 潘秀石，林桂霞.基于正交試驗(yàn)法的吸塵器電機(jī)罩板注塑工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料科技，2014(12):90–93.

Pan Xiushi，Lin Guixia. Optimized design of injection molding process for cover plate of motor on vacuum cleaner with orthogonal experiment method[J]. Plastics Science and Technology，2014(12):90–93.

Optimized Design of Injection Molding Process for Humidifier Pedestal with Orthogonal Experiment Method

Pan Xiushi， Lin Guixia
(School of Mechatronics and Information， Suzhou Institute of Trade & Commerce， Suzhou 215009， China)

Abstract：In case of the design for humidifier pedestal，the different injection process under various technical conditions were analyzed by using orthogonal experiment method and analyzing tool of Moldflow. The surface sink index was selected as the assessment parameter. Through analyzing the range of the index for the injected part，the impacts extent from the process parameters of mold temperature，melt temperature，filling time ，packing way and the pressure etc. were identified. By using the diagrams of influential factors， the most optimized parameters configuration of injection molding process were obtained. Finally the simulation analysis verified its correctness.

Keywords：injection molding；orthogonal experiment method；warpage；process parameters；optimized design

中圖分類號(hào)：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539(2016)04-0065-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.015

收稿日期：2016-01-27

*蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(SYN201524)