劉峰，沈洪雷

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

翹曲變形是注塑件常見的缺陷，導(dǎo)致翹曲變形的因素很多，但主要是由注塑件收縮不均造成的。翹曲造成的注塑件的彎曲和扭曲，不僅包括尺寸上的改變，也包括外觀輪廓的改變，嚴(yán)重影響制品的質(zhì)量[1]。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，對(duì)注塑件翹曲變形的研究也越來越深入。國(guó)外不少高校已做了大量研究，文獻(xiàn)[2]提出采用修改模具的方法來降低翹曲變形量，文獻(xiàn)[3]采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的方法降低翹曲變形量。國(guó)內(nèi)也有院校對(duì)此做了相關(guān)探索，文獻(xiàn)[4]提出一種優(yōu)化翹曲變形量的注塑模具澆口位置設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[5]研究了澆口位置對(duì)翹曲變形的影響。但這些方法難以分析澆口和結(jié)構(gòu)已定的塑件，相對(duì)而言，以工藝參數(shù)為分析對(duì)象適應(yīng)性更為廣泛。因此，本文在研究注射成型過程中，以注射工藝參數(shù)為研究對(duì)象，利用Moldflow軟件提供的正交、單因素實(shí)驗(yàn)方法分析各工藝參數(shù)對(duì)平板類注塑件翹曲變形的影響，為快速優(yōu)化工藝參數(shù)以及模具設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)[6-9]。

1 模擬分析前處理

以國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的平板類注塑件為例，其外形尺寸為276 mm×106 mm×9 mm，壁厚2 mm，材料為PP(牌號(hào)GPP20CF57HBGY)，要求表面光潔無瑕疵，翹曲變形量不超過0.5 mm?？紤]塑件結(jié)構(gòu)與要求，采用一模一腔多點(diǎn)進(jìn)澆成型，分析中采用雙層面網(wǎng)格模型，如圖1所示。對(duì)注塑成型工藝按照冷卻、填充、保壓、翹曲順序，進(jìn)行模擬分析。

圖1 澆注系統(tǒng)與網(wǎng)格模型

2 工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響程度

采用Moldflow中基于正交實(shí)驗(yàn)法的Taguchi設(shè)計(jì)法，分析注射成型工藝參數(shù)對(duì)塑件翹曲變形的影響，找出主要影響因素并進(jìn)行優(yōu)化。

在Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析中，選擇熔體溫度A、注射時(shí)間B(這里用設(shè)定注射時(shí)間的百分率表示)、保壓時(shí)間C、保壓壓力D(這里用注射壓力的百分率表示)和注射+保壓+冷卻時(shí)間E共5個(gè)因素作為分析對(duì)象，分別設(shè)定3個(gè)水平值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見表1。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕强疾焖芗穆N曲變形量，考慮塑件翹曲變形主要是由收縮不均造成的，實(shí)驗(yàn)中也將頂出時(shí)體積收縮率一并作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以便全面考察塑件的翹曲情況。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值

經(jīng)模擬計(jì)算可得到各工藝參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響權(quán)重，見表2。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由表2可見：

1)對(duì)于頂出時(shí)體積收縮率，各參數(shù)的影響程度由大到小依次為：保壓壓力D、保壓時(shí)間C、注射時(shí)間B、注射+保壓+冷卻時(shí)間E、熔體溫度A。

2)對(duì)于翹曲變形量，各參數(shù)的影響程度由大到小依次為：保壓時(shí)間C、保壓壓力D、注射+保壓+冷卻時(shí)間E、熔體溫度A、注射時(shí)間B。

對(duì)上述2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)而言，保壓壓力和保壓時(shí)間的影響權(quán)重較大，為主要工藝參數(shù)；熔體溫度、注射時(shí)間和注射+保壓+冷卻時(shí)間的影響權(quán)重較小，為次要參數(shù)。

3 工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律

根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響權(quán)重，選擇保壓壓力、保壓時(shí)間、熔體溫度和注射+保壓+冷卻時(shí)間4個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。利用Moldlfow中單因素實(shí)驗(yàn)方法來分析各參數(shù)對(duì)塑件評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，能夠?yàn)閮?yōu)化工藝參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為獲得較好的形狀和尺寸精度，需考慮塑件評(píng)價(jià)指標(biāo)的極值和差值，極值要小，同時(shí)差值也越小越好。

3.1 保壓時(shí)間的影響

保壓時(shí)間取值范圍為5～19 s，它對(duì)上述2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響如圖2所示。保壓時(shí)間長(zhǎng)，型腔中能補(bǔ)進(jìn)更多的物料，可以減小收縮，降低翹曲變形，但保壓時(shí)間過長(zhǎng)，也容易使聚合分子鏈取向變化而導(dǎo)致應(yīng)力，使翹曲變形和體積收縮率增大。由圖中可看出，2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線圖均呈拋物線形狀，且拐點(diǎn)大致相同，翹曲變形量最小值時(shí)的保壓時(shí)間為15.8 s。

圖2 保壓時(shí)間的影響

3.2 保壓壓力的影響

保壓壓力導(dǎo)致應(yīng)力集中，翹曲變形增大。由圖3可看出，隨保壓壓力增大，頂出時(shí)體積收縮率曲線呈直線下降，翹曲變形量曲線呈拋物線形狀。保壓壓力為115%時(shí)，翹曲變形量最小。

保壓壓力取值范圍為67.5%～120%。高的保壓壓力能更好地進(jìn)行補(bǔ)縮，降低體積收縮率和翹曲變形，但過高的保壓壓力，也容易導(dǎo)致頂出時(shí)體積收縮率的增大。由圖3可知，保壓壓力為115%時(shí)，體積收縮率為1.13%，符合要求。

綜上，取保壓壓力為115%。

圖3 保壓壓力的影響

3.3 熔體溫度的影響

熔體溫度取值范圍為190～270 ℃，對(duì)兩評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響如圖4所示。溫度低時(shí)，聚合物的解纏能力低，熔體比容小、密度大，其收縮也小，有利于翹曲變形的減小。由圖中可看出，隨熔體溫度的升高，兩指標(biāo)逐漸增大，至峰值后回落。根據(jù)曲線圖，熔體溫度取值越低越好，但為保證流動(dòng)性，熔體溫度應(yīng)在熔融溫度之上。因此，可選擇推薦熔體溫度范圍里較低值。

圖4 熔體溫度的影響

3.4 注射+保壓+冷卻時(shí)間的影響

注射+保壓+冷卻時(shí)間取值范圍為40～80 s，對(duì)兩評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響如圖5所示。隨時(shí)間增加，頂出時(shí)體積收縮率逐漸增大，翹曲變形量先減小后增大。注射+保壓+冷卻時(shí)間為48 s時(shí)，翹曲變形量最小，此時(shí)與40 s時(shí)翹曲變形量相差小于0.000 2 mm，與80 s時(shí)翹曲變形量相差小于0.001 5 mm。由此可知該工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量的影響較小，為提高效率，塑件表面冷卻到一定剛度后即可將塑件取出。

圖5 注射+保壓+冷卻時(shí)間的影響

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由上述模擬分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后的注射工藝參數(shù)如表3所示。對(duì)此工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，得到塑件變形結(jié)果如圖6所示。翹曲變形最大值為0.342 9 mm，其變形范圍為0.018 8～0.342 9 mm，完全符合塑件的要求。將該組工藝參數(shù)輸入注射機(jī)進(jìn)行試模，經(jīng)測(cè)量，樣件最大翹曲值為0.425 mm，滿足了塑件的要求。Moldflow的分析誤差為19.32%，誤差偏大，有待進(jìn)一步改善。

表3 工藝參數(shù)

圖6 優(yōu)化后的翹曲變形(單位：mm)

5 結(jié)論

1)延長(zhǎng)保壓時(shí)間和增加保壓壓力有助于減小頂出時(shí)體積收縮率，對(duì)減小塑件翹曲變形量最為明顯，但過長(zhǎng)的保壓時(shí)間和過大的保壓壓力也容易形成過保壓，導(dǎo)致塑件翹曲變形量增大。為獲得最低變形量，建議選取曲線拐點(diǎn)時(shí)的參數(shù)值。

2)降低熔體溫度，有利于降低塑件翹曲變形量。在保證流動(dòng)性前提下，建議取推薦范圍內(nèi)較小值。

3)注射+保壓+冷卻時(shí)間對(duì)塑件翹曲變形量影響較小。為提高效率，實(shí)際生產(chǎn)中，待塑件表面冷卻到一定硬度即可開模。

4)通過分析得到了翹曲變形量的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，有效減少了翹曲變形，避免了反復(fù)調(diào)整和試模。希望為平板類薄壁件的工藝參數(shù)優(yōu)化提供一些有益的借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張昉昀，鐘漢如.基于Moldflow 和DOE 技術(shù)的翹曲變形工藝優(yōu)化[J].塑料，2011(4)：90-92.

[2]FU Junyu,MA Yongsheng.Mold modification methods to fix warpage problems for plastic molding products[J].Computer-Aided Design and Applications，2016，13(1)：138-151.

[3]SOBOLAK Steven J,JAVAD Badih A. Warpage Reduction through robust engineering of a thin-walled injection molded component[C]// ASME 2007 International Mechanical Engineering Congress and Exposition.Washington,2007:67-73.

[4]李吉泉，李德群,郭志英.基于特征翹曲度優(yōu)化的注塑模澆口位置設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，19(2)：242-244.

[5]劉成娟，吳秋平，何海琴，等.注塑澆口對(duì)帶金屬嵌件打印機(jī)板翹曲變形的影響[J].塑料工業(yè)，2014,42(4)：35-38，47.

[6]涂恒強(qiáng)，辛勇.基于響應(yīng)面設(shè)計(jì)的汽車精密制品翹曲分析及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，34(4)：565-569.

[7]付士軍.注射模工藝參數(shù)對(duì)塑件翹曲量的影響及優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(2)：244-246.

[8]沈洪雷，王永壯，譚巍，等.工藝參數(shù)對(duì)厚壁注塑件表面縮痕的影響及其優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(2)：246-248.

[9]ALTAN Mirigul.Reducing shrinkage in injection moldings via the Taguchi，ANOVA and neural network methods[J].Materials & Design,2010，31(1)：599-604.