張 景，黃 勇，安振須，陳 振

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

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基于Moldflow的接觸器基座數(shù)值模擬與注塑工藝研究

張 景，黃 勇，安振須，陳 振

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

以Moldfow模擬軟件為分析平臺(tái)，運(yùn)用田口正交實(shí)驗(yàn)法研究接觸器基座注塑過程中熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓和冷卻時(shí)間對(duì)塑件整體翹曲變形的影響，得到了一組優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)制造出基座注塑模具，得到了合格的基座產(chǎn)品并投入大批量生產(chǎn)。

Moldflow；數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化

接觸器基座采用注塑成型，是接觸器重要的連接件。注塑成型是塑料由粘流態(tài)到固態(tài)的多因素相互作用的復(fù)雜過程，加工過程中材料性能、模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)等因素都對(duì)制件成型質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。目前，注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，相對(duì)傳統(tǒng)的人工試模法，減少了試模次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率[1]。

本文以接觸器基座為研究對(duì)象，運(yùn)用田口正交實(shí)驗(yàn)法和Moldflow軟件對(duì)注塑成型過程進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測(cè)填充、保壓、冷卻情況，以及不同工藝參數(shù)組合對(duì)翹曲變形的影響，并進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

1 Moldflow分析前處理

1.1 網(wǎng)格劃分

所用的接觸器基座如圖1所示，外型尺寸為74mm×80mm×78mm，平均厚度5mm。利用Moldflow前處理后，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行澆口分析，找出最佳澆口位置，確定澆注方案，然后根據(jù)塑件形狀以及模具設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)[3]，如圖2所示。

圖1 接觸器基座3D造型圖

1.2 材料選取及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用的PA66 GF-25塑料是特種功能增強(qiáng)性材料。由于尼龍66加了25%的玻纖，使原塑料具備高剛度、高耐熱的特點(diǎn)，在某些領(lǐng)域中能代替金屬，但是玻纖增強(qiáng)材料中的玻璃纖維會(huì)在流動(dòng)過程中發(fā)生取向，導(dǎo)致材料在流動(dòng)方向與垂直流動(dòng)方向的收縮不一致而引起翹曲變形，所用玻纖增強(qiáng)材料的翹曲比非增強(qiáng)材料更復(fù)雜[4]。在Moldflow材料庫(kù)中選擇牌號(hào)為Ultramid 1703-2 BASF，

化學(xué)公式：[—NH(CH2)6—NHCO(CH2)4CO]n,表1是其基本物理性能。

圖2 基座的澆注及冷卻系統(tǒng)

參數(shù)指標(biāo)密度/(g/cm3)1 10～1 14拉伸強(qiáng)度/MPa60 0～80 0熔點(diǎn)溫度/℃252泊松比0 23彎曲彈性模量/MPa2000～3000

在影響注塑件質(zhì)量的多個(gè)成型工藝參數(shù)中，模具溫度、熔體溫度、填充時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間和保壓壓力對(duì)收縮變形和翹曲變形影響尤為重要[5]。根據(jù)參考材料庫(kù)中的推薦值區(qū)間以及實(shí)際產(chǎn)品的使用需求，不考慮各因素間的相互作用，從6個(gè)重要的影響因子中篩選出對(duì)產(chǎn)品變形缺陷有較大影響的5個(gè)工藝參數(shù)，每個(gè)工藝參數(shù)取四個(gè)水平[6]，如表2所示。

表2 正交因素水平表

2 模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)表2進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，選擇L15(45)正交表，利用正交實(shí)驗(yàn)矩陣進(jìn)行模擬分析，如表3所示。選取翹曲變形作為質(zhì)量指標(biāo)，翹曲變形量越小越好，采用望小特性信噪比的分析方法，其值越大越好[7]。

(1)

式中:S/N為信噪比；yi為第i次實(shí)驗(yàn)的翹曲變形量；n為實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)，此處n=1。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和變量分析，求出最佳參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信噪比均值如表4 所示。ki為任一列因素取水平i時(shí)翹曲變形量信噪比的算術(shù)平均值。k為所有水平的翹曲變形量信噪比的平均值。R是各列因素最大值和最小值的差值，用來表示各組工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量的影響程度，R越大即影響因素越大[8]。從表4可以看出，E(冷卻時(shí)間)>C(保壓時(shí)間)>B(熔體溫度)>D(保壓壓力)>A(模具溫度)。

各因素水平下的翹曲變形信噪比趨勢(shì)如圖3所示。

表4 均值分析表

圖3 各因素水平對(duì)翹曲變形的影響

從圖3可以看出，A2、B3、C4、D4、E4時(shí)翹曲變形量的信噪比最大，翹曲變形量最小，也就是保壓時(shí)間為20s、保壓壓力95%、模具溫度60℃、熔體溫度295℃、冷卻時(shí)間35s，可見較高的熔體溫度所需冷卻時(shí)間也較長(zhǎng)，冷卻時(shí)間越長(zhǎng)翹曲變形量越小。此時(shí)通過Moldflow軟件再次模擬可得翹曲量0.5358mm，如圖4所示，相比優(yōu)化澆注和冷卻系統(tǒng)后的翹曲量0.5849mm有了較大改進(jìn)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 翹曲變形量

方差分析是從觀測(cè)變量的方差入手，研究諸多控制變量中哪些變量是對(duì)觀測(cè)變量有顯著影響的變量。本實(shí)驗(yàn)中的方差分析通過百分比的大小來評(píng)價(jià)各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)模擬翹曲變量的影響。方差平方和的公式為

(2)

式中：SSd為翹曲變形量的信噪比方差平方和；Mi為每列因子在第i水平下的平均信噪比；m表示所用因子在所有水平下的平均信噪比。

(3)

式中SST為翹曲變形量的信噪比方差平方和的總和。

(4)

由于自由度為3，則均方為SSd與自由度的比值。

利用方差分析法再次分析各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更加準(zhǔn)確地確定各個(gè)因素的影響程度和顯著程度，如表5所示。

表5 翹曲變形量方差分析表

從表5可以看出，工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響：冷卻時(shí)間>保壓時(shí)間>熔體溫度>保壓壓力>模具溫度，與極差結(jié)果分析一致。可見影響接觸器基座翹曲變形最大因素為冷卻時(shí)間，其次為保壓時(shí)間和熔體溫度。注塑時(shí)熔體溫度295℃，此時(shí)熔體溫度較高、粘度較小，注射時(shí)間較快，在保壓后塑件溫度仍然很高，若冷卻時(shí)間太短，塑件內(nèi)部未完全固化，頂出時(shí)易造成翹曲變形，影響制件質(zhì)量。所以為了保證制件質(zhì)量，應(yīng)合理控制熔體溫度和保壓時(shí)間的同時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間[9]。

將優(yōu)化方案應(yīng)用于接觸器基座模具設(shè)計(jì)，在側(cè)抽芯上添加冷卻管道如圖2所示，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，采用25℃水冷，保證冷卻效果的同時(shí)進(jìn)出水口溫差在1℃內(nèi)，按照優(yōu)化出的注塑工藝參數(shù)進(jìn)行試模，注塑機(jī)采用CJ320型，生產(chǎn)出合格的基座產(chǎn)品，如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)出的基座注塑件

3 結(jié)論

(1)通過正交實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬分析，優(yōu)化出注塑工藝參數(shù)為：保壓時(shí)間20s、保壓壓力95%、模具溫度60℃、熔體溫度295℃、冷卻時(shí)間35s。

(2)結(jié)合均值和極差分析，冷卻時(shí)間對(duì)翹曲變形指標(biāo)的影響程度較大，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制熔體溫度和保壓時(shí)間，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。

(3)根據(jù)優(yōu)化出的注塑工藝參數(shù)，進(jìn)行注塑生產(chǎn)驗(yàn)證，得到合格的接觸器基座注塑件，驗(yàn)證模擬結(jié)果可以用于實(shí)際生產(chǎn)中。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Research on the Numerical Simulation and Injection Molding Process of the Contactor Base on Moldflow

ZHANG Jing,HUANG Yong,AN Zhenxu,CHEN Zhen

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159,China)

Based on Moldflow simulation software,the effects of melt temperature,mold temperature,holding pressure,holding and cooling time on the whole warping deformation of the plastic parts were studied by using Taguchi orthogonal design theory,and a set of injection molding process parameters were obtained.According to the simulation results,injection mold for the base had been designed and manufactured and the qualified base products were put into mass production.

Moldflow;numerical simulation;parameter optimization

2015-10-29

張景(1987—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：半固態(tài)成型、注塑成型數(shù)值模擬。

1003-1251(2016)04-0097-05

TB324

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