郭 凱,李旭東

(蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

注射壓縮成型(ICM,injection compression molding)相當(dāng)于在傳統(tǒng)注射成型的充填中或充填后加上壓縮過程。不同的是模具型腔厚度通常會被設(shè)計成大于目標(biāo)零件的厚度,其目的是為了使塑料更易充填到型腔的各個末端。航空中廣泛使用的大尺寸透明件常使用丙烯酸酯類透明材料和聚碳酸酯類透明材料進行制造[1-4]。傳統(tǒng)的大尺寸透明件制備方式為板材熱彎成型,與注壓成型相比成本高、效率低。而使用注射壓縮成型技術(shù)可以制造出熱彎成型難以制造的形狀復(fù)雜且厚度變化的無骨架透明件[5]。

注射成型CAE(computer aided engineering)技術(shù),可以幫助模流分析工程師收集產(chǎn)品注射成型中的相關(guān)信息,比如翹曲變形量、鎖模力、注射位置處壓力、熔接線位置、成型周期等。在實際應(yīng)用中,通過MoldFlow的二次開發(fā)編寫簡單的VB(visual basic,一種通用的基于對象的程序設(shè)計語言)腳本程序,能夠?qū)崿F(xiàn)對一些用戶需要指令的反復(fù)調(diào)用,也可以用于優(yōu)化工藝尋找最佳參數(shù),此外還可以與其他有限元分析軟件(如ABAQUS)進行數(shù)據(jù)交換,即聯(lián)合仿真。

制件收縮可認為是制件幾何尺寸的縮小,是材料從凝固過程中的體積變化導(dǎo)致的,因此通常認為其只是使制件變小而不會產(chǎn)生變形。影響收縮的主要因素包括:體積收縮率、結(jié)晶度、應(yīng)力松弛與分子(纖維)取向[6]。而翹曲是制件內(nèi)部各區(qū)域不均勻收縮產(chǎn)生的應(yīng)力超過制件剛度或屈服強度后引起的變形。不均勻收縮(即翹曲)的類型有以下3種:區(qū)域收縮、冷卻收縮與取向收縮[7-9]。翹曲變形屬于塑料制件比較常見的缺陷。利用MoldFlow的二次開發(fā)技術(shù),改變不同的工藝條件可以改善這部分缺陷對制件的影響。季正偉等[10]采用CAE技術(shù)與正交試驗設(shè)計對遙控器面板的翹曲進行了模擬,得到了工藝參數(shù)的最佳組合;單志等[11]通過后處理量化翹曲變形,以節(jié)點變形距離的標(biāo)準(zhǔn)差表征翹曲變形程度,結(jié)合正交試驗設(shè)計得到了最佳參數(shù)組合,總結(jié)了部分工藝設(shè)置對翹曲的影響規(guī)律。除翹曲缺陷外,孫壽云等[12]和嚴(yán)志云等[13]也分別通過二次開發(fā)與正交試驗相結(jié)合的辦法對注塑件的熔接痕性能進行了優(yōu)化設(shè)計。關(guān)于翹曲變形表征,目前大多數(shù)研究人員都將MoldFlow翹曲模擬結(jié)果的最大值作為評價標(biāo)準(zhǔn),但其不能很好地反映制件整體的翹曲變形程度。本次研究通過MoldFlow的二次開發(fā),得到翹曲的體積平均值并將其作為整體翹曲變形的量化指標(biāo),結(jié)合正交試驗尋找大尺寸透明件注射壓縮過程中的最佳工藝參數(shù)組合。

1 基于MoldFlow進行初始模流分析

1.1 模型特征

使用大型商用軟件Catia進行建模,幾何總體尺寸887.3 mm×873.5 mm×406.84 mm,制件厚度為8 mm,如圖1所示。模擬注射壓縮的充填過程,需要將原模型的壁厚加厚3 mm,制成寬型腔的模型,如圖2所示。再于MoldFlow中建立熱流道與澆口并劃分網(wǎng)格,分別進行充填與注射壓縮過程的模擬。

圖1 注射壓縮完成后的制件模型Fig.1 Model after injection compression

圖2 只進行充填模擬的模型Fig.2 Filled model before injection compression

1.2 材料屬性

該模型采用熱塑性工程塑料聚碳酸酯(PC),牌號Lexan OQ1025,制造商SABIC Innovative Plastics B.V.,材料的粘度曲線如圖3所示,PVT曲線如圖4所示,材料的機械屬性如表1所列。

圖3 粘度曲線Fig.3 Viscosity curve

圖4 PVT曲線Fig.4 PVT curve

表1 PC材料機械屬性Table 1 Mechanical properties of PC material

1.3 初始分析方案

(1) 網(wǎng)格:MoldFlow網(wǎng)格類型分為中性面網(wǎng)格、雙層面網(wǎng)格、3D網(wǎng)格;由于三維實體網(wǎng)格的模擬結(jié)果最接近實際情況,分析精度也較前二者更佳,故選用3D網(wǎng)格。網(wǎng)格密度設(shè)置:網(wǎng)格邊長為28 mm,厚度方向的最小單元數(shù)為6層;網(wǎng)格劃分結(jié)果:窄型腔四面體網(wǎng)格數(shù)量71 716,四面體網(wǎng)格總體積為6 638.06 cm3,平均縱橫比15.52,最大二面角175.1,符合翹曲分析要求;寬型腔四面體網(wǎng)格數(shù)量84 564,四面體網(wǎng)格總體積為8 545.16 cm3,平均縱橫比11.26,最大二面角174.7,符合充填分析要求。

(2) 工藝參數(shù)設(shè)置:由于本次為初始設(shè)計方案,故工藝參數(shù)均采用默認值,成型工藝為熱塑性塑料注射壓縮成型,按順序進行注射壓縮工藝,分析序列為充填+(壓縮)+保壓+翹曲;模具表面溫度在充填保壓時為145 ℃,冷卻階段降至25 ℃,熔體溫度300 ℃,注射時間為50 s;保壓壓力17 MPa,保壓時間400 s;壓縮位移為3 mm,壓縮速度為1.5 mm/s,壓縮時間為5 s;冷卻時間為800 s。

(3) 邊界條件設(shè)置:閥澆口初始狀態(tài)為開啟,按時間控制,在保壓結(jié)束后關(guān)閉;在制件充填的末端設(shè)置排氣槽,排氣槽尺寸設(shè)置如下:厚度為0.8 mm,長度為5 mm,寬度為10 mm。

1.4 注射壓縮工藝初始模擬結(jié)果分析

(1) 首次分析結(jié)果:在寬型腔中模擬的充填結(jié)果如圖5所示,在窄型腔中模擬注射壓縮過程得到的翹曲結(jié)果如圖6所示。

圖5 寬型腔短射結(jié)果Fig.5 Short range shot results of wide cavity

圖6 窄型腔翹曲結(jié)果Fig.6 Warping deformation results of narrow cavity

(2) 注射位置處壓力:在充填與速度控制下的壓縮階段壓力值在7.48～8.57 MPa之間,在壓力機作用力控制下的壓縮階段與保壓階段為17 MPa左右。

(3) 鎖模力:在充填與速度控制下的壓縮階段鎖模力在0～685.48 kN之間,在壓力機作用力控制下的壓縮階段與保壓階段鎖模力在806.11～9 806.65 kN之間。

(4) 網(wǎng)格翹曲變形程度與原因:最大翹曲變形量為11.35 mm。翹曲變形主要由厚度方向上的收縮不均引起。

2 溫度壓力翹曲分布輔助評價系統(tǒng)

2.1 程序設(shè)計思路

由于MoldFlow軟件的結(jié)果后處理功能是通過云圖輸出溫度、壓力、翹曲結(jié)果的值,難以確定溫度、壓力的最大最小值所在的位置,只能通過云圖的顏色進行大致判斷;并且只通過云圖也難以將2個三維模型的模擬結(jié)果進行比較。

對MoldFlow中的特定實例Synergy編寫VB腳本,通過Synergy應(yīng)用程序編程接口API(application programming interface)調(diào)用VB腳本將結(jié)果文件xxx.of中的溫度、壓力、翹曲量等結(jié)果自定義的進行輸出,可輸出為自己想要的云圖或.txt文本文件,通過結(jié)果的后處理,我們可以得到一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的特征信息,比如在型腔中溫度最大最小值的坐標(biāo)。在比較2個三維模型的模擬結(jié)果時,還可以通過后處理,對二者制件翹曲的體積平均值進行比較。在MoldFlow軟件中,以3D網(wǎng)格劃分制件部分,網(wǎng)格單元為四面體單元,要計算制件溫度或翹曲體積平均值需要先求出網(wǎng)格中每個四面體單元的體積。

已知四面體單元4個節(jié)點的坐標(biāo)分別為:N0(x0,y0,z0),N1(x1,y1,z1),N2(x2,y2,z2),N3(x3,y3,z3),四面體單元的體積的行列式求法表示為

(1)

其中:i為四面體單元號。

制件溫度體積平均值的定義為

(2)

其中:i為四面體單元號;n為四面體單元總數(shù);VTeti為編號為i的四面體單元的體積;Ti1、Ti2、Ti3、Ti4為編號為i的四面體單元4個節(jié)點上溫度的結(jié)果;壓力體積平均值與翹曲體積平均值的定義同上。

2.2 程序使用說明

第一步打開MoldFlow軟件;第二步點擊MoldFlow插件中的“輸出體積平均值文件”按鈕,如圖7所示。輸入腳本程序運行需要的參數(shù);輸入完成后開始輸出結(jié)果,結(jié)果輸出完后會有提示。注意不要提前關(guān)閉程序。

圖7 腳本初始界面Fig.7 Initial interface of the script

3 正交試驗設(shè)計與結(jié)果優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化目標(biāo)與影響因素

由于該研究的試驗?zāi)康氖谦@得最小的翹曲變形量并且更直觀的表征翹曲變形程度與溫度、壓力分布的關(guān)系,因此我們的試驗指標(biāo)(或優(yōu)化目標(biāo))確定為體積收縮率與收縮不均引起的翹曲變形,其影響因素包括網(wǎng)格尺寸與其他5個注射壓縮成型工藝參數(shù):A網(wǎng)格尺寸(mm)、B模具表面溫度(℃)、C保壓壓力(MPa)、D壓縮時機(s)、E壓縮力(kN)、F壓縮速度(mm/s),這些變量的取值范圍決定了優(yōu)化的搜索空間。

3.2 優(yōu)化變量的水平數(shù)與水平值

正交試驗水平數(shù)根據(jù)各因素的取值范圍大小以及減小體積收縮率與翹曲變形量需要優(yōu)化的精度來確定,研究中的6個試驗因素均選擇水平數(shù)為5,正交試驗水平如表2所列。

表2 正交試驗水平Table 2 The orthogonal experiment level

3.3 正交試驗方案的確定

在確定試驗方案之前先要選擇合適的正交表,我們需要選用的正交表為6因素5水平正交表,試驗方案數(shù)為25。根據(jù)L25(56)正交表填寫正交試驗方案,如表3所列。

表3 正交試驗方案Table 3 The orthogonal experiment scheme

試驗后還需對兩指標(biāo)進行計算分析,找出最佳方案,最佳方案可能在以上做過的25組試驗中,也可能需要經(jīng)過正交試驗的極差分析計算出來。最大體積收縮率極差分析如表4所列。翹曲變形量體積平均值極差分析如表5所列。

表4 最大體積收縮率極差分析Table 4 Range analysis of maximum volume shrinkage ratio

表5 翹曲變形量體積平均值極差分析Table 5 Range analysis of mean volume of warping deformation

根據(jù)表4的計算結(jié)果,在注射壓縮過程中對于PC材料的體積收縮率影響最大的工藝參數(shù)是模具表面溫度B,之后依次為網(wǎng)格尺寸A、壓縮力E、保壓壓力C、壓縮時機D和壓縮速度F,工藝參數(shù)的最佳組合為A1B2C3D2E3F5。同理可得,根據(jù)表5的計算結(jié)果,在注射壓縮過程中對于PC材料的翹曲變形影響最大的工藝參數(shù)是保壓壓力C,之后依次為壓縮時機D、網(wǎng)格尺寸A、模具表面溫度B、壓縮力E和壓縮速度F,各因素水平的最佳組合為A5B4C1D1E4F1。

為了更直觀判斷各因素對試驗指標(biāo)的影響[14-15],繪制兩試驗指標(biāo)(最大體積收縮率與翹曲變形量體積平均值)與因素水平的關(guān)系,如圖8所示。

圖8 指標(biāo)與因素水平關(guān)系Fig.8 Relation diagram of indicator and factor level

4 最終優(yōu)化結(jié)果分析與討論

4.1 確定最佳模擬方案

基于MoldFlow軟件對飛機前風(fēng)擋注射壓縮成型工藝進行工藝優(yōu)化分析,將指標(biāo)關(guān)系圖得出的2個最佳模擬方案A1B2C3D2E3F5和A5B4C1D1E4F1進行對比,如表6所列。比較得出使得翹曲變形最小的各因素水平的組合為A5B4C1D1E4F1,即第28號試驗項目。

表6 兩組優(yōu)選方案不同指標(biāo)的比較Table 6 Comparison of different indicators of two optimal schemes

4.2 注射壓縮工藝最佳模擬方案結(jié)果分析

(1) 最佳模擬方案:即最優(yōu)解對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸A=36 mm、模具表面溫度B=150 ℃、保壓壓力C=26 MPa、壓縮時機D=47 s、壓縮力E=11 767.98 kN、壓縮速度F=2.25 mm/s。

(2) 注射位置處壓力:在充填與速度控制下的壓縮階段壓力值在6.14～9.52 MPa之間,在壓力機作用力控制下的壓縮階段與保壓階段為26 MPa左右。

(3) 鎖模力:在充填與速度控制下的壓縮階段鎖模力在0～810.03 kN之間,在壓力機作用力控制下的壓縮階段與保壓階段鎖模力在244.186～11 767.98 kN之間。

(4) 最佳模擬方案分析結(jié)果:調(diào)整工藝參數(shù)之后,收縮不均引起的翹曲變形得到了改善。翹曲結(jié)果如圖9所示,翹曲變形量的最大值為 3.584 mm。體積收縮率結(jié)果如圖10所示,最大體積收縮率為11.61%。

圖9 優(yōu)化后窄型腔翹曲結(jié)果Fig.9 Warping deformation results of narrow cavity after optimized

圖10 優(yōu)化后窄型腔體積收縮率結(jié)果Fig.10 Volume shrinkage ratio results of narrow cavity after optimized

5 結(jié)論

(1) 采用MoldFlow軟件對飛機前風(fēng)擋的翹曲變形進行了分析,并通過軟件的二次開發(fā)對溫度壓力翹曲的結(jié)果進行自定義的輸出,得到了上述結(jié)果的節(jié)點、坐標(biāo)信息與體積平均值,并將體積平均值作為制件整體翹曲變形的量化指標(biāo),結(jié)合正交試驗獲得一組優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合與工藝參數(shù)對翹曲變形的影響規(guī)律。

(2) 根據(jù)正交試驗得出,在飛機前風(fēng)擋的注射壓縮成型過程中保壓壓力對其翹曲量影響最大,之后依次為壓縮時機、網(wǎng)格尺寸、模具表面溫度、壓縮力和壓縮速度,最佳工藝參數(shù)的組合為A5B4C1D1E4F1，其中保壓壓力與壓縮力的增加可使翹曲變形量逐漸減小。

(3) 通過正交試驗設(shè)計的注射壓縮成型優(yōu)化方法,飛機前風(fēng)擋的翹曲變形量的最大值由最初的11.35 mm優(yōu)化至3.584 mm,較之前減少了68.4%。