周勰，李方杰，沈琴，劉敏，向延平，江星輝

（1.201602 上海市 上海工程技術大學 材料工程學院；2.201602 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院；3.201418 上海市 上海應用技術大學 材料科學與工程學院；4.215535 江蘇省 蘇州市 蘇州海鑫精密電子科技有限公司；5.516127 廣東省 惠州市 惠州市祥輝電子科技有限公司）

0 引言

注塑模具存在注塑成型周期短、節(jié)省原料以及高自動化等優(yōu)點，在航空、航天、機械、電子、汽車、醫(yī)療器械等領域有著廣泛的應用[1]。與傳統(tǒng)的金屬加工類似，注塑成型產(chǎn)品也存在生產(chǎn)缺陷，如收縮率不均、熔接痕以及翹曲變形等。樣品盒是注塑成型產(chǎn)品，主要用于密封保存樣品，需要一定的防氧化性等，對密封性能要求較高。為提升樣品盒質(zhì)量，需要對于樣品盒的變形量進行優(yōu)化，考慮組裝配合性，并對成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化。注塑成形中工藝參數(shù)對翹曲變形有很大的影響，利用Moldflow 軟件[2]可以優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，使制品具有良好的尺寸穩(wěn)定性、減少試錯成本、增加企業(yè)效益。

本研究結(jié)合所設計的樣品盒結(jié)構(gòu)特點，設計正交實驗，通過仿真軟件Moldflow[2]對樣品盒的翹曲變形缺陷進行優(yōu)化分析，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 樣品盒結(jié)構(gòu)分析

樣品盒由蓋子與底座組成，圖1 為蓋子、底座和樣品盒裝配三維模型。蓋子為直徑φ83.00 mm、高度10.00 mm 的圓柱，蓋子表面有扇形圓臺孔，如圖1（a）所示；底座為直徑φ86.00 mm，高度為9.00 mm 的圓柱，如圖（b）所示；圖1（c）為透射樣品盒裝配效果圖。

圖1 樣品盒裝配三維結(jié)構(gòu)Fig.1 3D structure of sample box assembly

2 基于Moldflow 模流分析

Moldflow 是一款常用于塑料模具設計及加工工藝參數(shù)設計前處理的模流分析軟件。利用Moldflow軟件對透射樣品盒的三維模型進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2 所示。其中底座雙層面結(jié)構(gòu)中實體計數(shù)三角形為7 584，已連接的節(jié)點3 794，不包括模具鑲塊和冷卻管道表面積為204.538 cm2；單元類型統(tǒng)計的三角形體積44.197 3 cm3，縱橫比最大為6.97，平均為1.80，最小為1.16，共用邊為11 376，匹配百分比為87.5%，相互百分比93.2%。蓋子雙層面結(jié)構(gòu)中實體計數(shù)三角形為5 082，已連接節(jié)點2 541，不包括模具鑲塊和冷卻管道表面積為151.775 7 cm2；單元類型統(tǒng)計的三角形體積17.079 8 cm3，縱橫比最大為18.72，平均為2.03，最小為1.16，共用邊為7 623，匹配百分比為92.5%，相互百分比92.2%，滿足模流分析的要求。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Meshing results

2.1 澆口位置優(yōu)化分析

澆口位置是影響塑件成型的重要因素，澆口位置的選擇主要取決于制件的結(jié)構(gòu)、原材料的種類、流動阻力、塑件厚度以及塑件可成型性。不合理的澆口位置將導致型腔無法充滿，塑件出現(xiàn)缺膠，影響表面外觀質(zhì)量。合理的澆口位置能夠減少內(nèi)應力，減少熔接線的劃痕，改善塑件的外觀質(zhì)量[3]。剪切速率體積、流動前沿溫度、平均速度、溫度、壓力以及充填時間等參數(shù)可用來判斷澆口位置的選擇是否合理[4-5]。模擬分析結(jié)果域如圖3 所示。

圖3 澆口匹配性Fig.3 Fitting of gate

通過對節(jié)點(2.7 -1.770)和節(jié)點(1.56 -0.888)2 次偏移復制的方式創(chuàng)建關鍵結(jié)構(gòu)節(jié)點，再由關鍵的結(jié)構(gòu)節(jié)點創(chuàng)建“直線”或“曲線”。本文選擇創(chuàng)建的是“直線”，因為曲線一般針對香蕉型澆口。創(chuàng)建完成之后給“直線”定義屬性，對流道尺寸形狀進行編輯，隨后進行網(wǎng)格劃分創(chuàng)建澆注流道，最終確定蓋子和底座的澆注系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 澆注系統(tǒng)Fig.4 Pouring system

2.2 冷卻回路設計

考慮到樣品盒需要具有一定的抗酸堿腐蝕、良好的耐磨性以及光潔度。因此選用丙稀晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）共聚物進行注塑成型分析。表1 為ABS 材料的注塑成型推薦工藝參數(shù)。

表1 注塑成型推薦工藝參數(shù)Tab.1 Recommended process parameters for injection molding

塑件在注塑成型過程中，冷卻時間占整個成型時間的大部分，合理設計冷卻回路能減少產(chǎn)品成型時間，從而提高生產(chǎn)效率，降低成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量[6]。對蓋子和底座分別創(chuàng)建如圖5 所示的冷卻回路，設定水管的直徑為10 mm，水管與零件間的距離為25 mm，管道的數(shù)量為4，管道中心之間距離為20 mm，零件之外距離為30 mm，并勾選軟管連接管道，完成冷卻回路設計。

圖5 冷卻系統(tǒng)Fig.5 Cooling system

回路冷卻液溫度差過大，會導致塑件成型出現(xiàn)缺陷。如圖6 所示，模擬分析結(jié)果表明，蓋子和底座回路冷卻液溫度差分別為0.34 ℃和0.50 ℃，冷卻液的溫度并沒有明顯的升高，溫差較低，表明所設計的冷卻系統(tǒng)能達到良好的冷卻效果。

圖6 回路冷卻液溫度Fig.6 Loop coolant temperature

2.3 流動性分析

（1）蓋子氣穴熔接線分析

通過進行填充保壓，分析熔體在模腔內(nèi)部的流動過程[7-8]。圖7 的模擬結(jié)果表明，氣穴主要集中在塑件的邊緣部分，可以通過在熔體匯集處開設少量的氣孔或者凹槽進行改善；同時存在少量的熔接線，這對成型件表面質(zhì)量影響不大。

圖7 氣穴、熔接線Fig.7 Air pocket&Welding wire

（2）底座流動前沿溫度分析

流動前沿溫度表示的是熔體經(jīng)過節(jié)點時聚合物的溫度，若流動前沿溫度較高，會導致此區(qū)域聚合物易發(fā)生降解和產(chǎn)生表面缺陷；若流動前沿溫度較低，則此區(qū)域內(nèi)很可能出現(xiàn)滯流或者短射的現(xiàn)象。流動前沿溫度變化越小，表明模具內(nèi)溫度分布越均勻[9-10]。從圖8 可以看出，底座表面與底座底面2個不同位置所對應的流動前沿溫度分別為220.3 ℃和220.0 ℃，溫差分別為0.5 ℃和0.2 ℃，溫差變化合理，表明模具溫度變化比較均勻。

圖8 流動前沿溫度Fig.8 Temperature of flow front

3 翹曲變形工藝參數(shù)優(yōu)化

塑件產(chǎn)品必須考慮其質(zhì)量以及表面光滑度[11]，塑件質(zhì)量主要受翹曲變形影響，翹曲變形是塑件常見缺陷之一。影響翹曲變形的主要因素是熔體溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力等。本文通過調(diào)控這些工藝參數(shù)對塑件進行優(yōu)化[12-13]。圖9 為默認參數(shù)下蓋子和底座的翹曲變形量，分別為0.444 6 mm和0.474 1 mm，變形較大影響后續(xù)裝配，需進行優(yōu)化。

圖9 優(yōu)化前的翹曲變形量Fig.9 Warping deformation before optimization

選擇熔體溫度（A）、注射時間（B）、保壓時間（C）、保壓壓力（D）等因素為變量，設置四因素三水平正交實驗，表2 為蓋子和底座的L9（34）正交實驗因素水平設計。表3為L9（34）蓋子正交實驗結(jié)果（M=K/3），表4 為L9（34）底座正交實驗結(jié)果。

表2 L9 (34)正交實驗因素水平設計Tab.2 Factor level design of L9(34) orthogonal experiment

表3 蓋子正交實驗結(jié)果Tab.3 Lid orthogonal experiment results

表4 底座正交實驗結(jié)果Tab.4 Experimental results of orthogonal base

由表3 可得蓋子極差排序為RB＞RD＞RC＞RA，即4 個因素的影響順序為：注射時間＞保壓壓力＞保壓時間＞熔體溫度。

從表4 可得底座極差排序為RC＞RD＞RB＞RA，即4 個因素的影響順序為：保壓時間＞保壓壓力＞注射時間＞熔體溫度。

圖10 為透射樣品盒蓋子的翹曲變形量與因素水平的關系，可知蓋子的翹曲變形量隨著熔體溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，當熔體溫度為A1時，翹曲變形量最??；隨著注射時間的增加，翹曲變形量逐漸降低；隨著保壓時間的增加，翹曲變形量也逐漸降低；隨著保壓壓力的增加，翹曲變形量先下降后增加，保壓壓力為D2時，翹曲變形量最小。綜上所述，蓋子優(yōu)化后的參數(shù)為熔體溫度220℃，注射時間為5 s，保壓時間為12 s，保壓壓力80%，組合為A1B3C3D2。

圖10 蓋子翹曲變形量與因素水平關系Fig.10 Relationship between lid warping deformation and factor level

圖11 為透射樣品盒底座的翹曲變形量與因素水平的關系，可知隨著熔體溫度的增加，底座翹曲變形量逐漸增大；當注射時間不斷增加時，翹曲變形量呈現(xiàn)出先降低再增加的現(xiàn)象，B2的變形量為最??；保壓時間和保壓壓力逐漸增加翹曲變形量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。綜上所述，底座優(yōu)化后的組合為A1B2C3D3，具體參數(shù)為熔體溫度220 ℃，注射時間為4 s，保壓時間為12 s，保壓壓力90%。

圖11 底座翹曲變形量與因素水平關系Fig.11 Relationship between base warping deformation and factor level

蓋子和底座針對優(yōu)化完成后的最優(yōu)參數(shù)組合A1B3C3D2、A1B2C3D3，利用Moldflow 進行模擬分析，圖12 為優(yōu)化后的翹曲變形量。蓋子優(yōu)化后的翹曲變形量為0.263 7 mm，與優(yōu)化前相比降低了40.7%。底座優(yōu)化后的翹曲變形量為0.418 2 mm，與優(yōu)化前相比降低了11.8%。

圖12 優(yōu)化后翹曲變形量Fig.12 Warping deformation of optimized

4 結(jié)論

分析樣品盒的結(jié)構(gòu)，選擇合適的材料，利用Moldflow 軟件設計最佳澆口位置，針對澆口位置創(chuàng)建流道及冷卻回路進行模擬分析，通過對成型工藝參數(shù)優(yōu)化促使變形量降為最低，以提高設計效率。

（1）分析最佳澆口位置創(chuàng)建流道及冷卻回路，進膠口往往需要更多的平衡進膠，選擇中心位置為平衡進膠，利于減少熔接線的存在，提升成型質(zhì)量；

（2）選用 Moldflow 軟件對樣品盒蓋子以及底座進行注塑成型模擬分析。熔體充模流動可以對成型質(zhì)量缺陷做出管控，控制回路冷卻溫度穩(wěn)定，減少氣穴、熔接線的存在，從而保證注塑成型的質(zhì)量；

（3）對成型參數(shù)進行調(diào)控，結(jié)果表明，蓋子的翹曲變形量降低了40.7%，底座的翹曲變形量降低了11.8%。優(yōu)化后的工藝參數(shù)相較于初始參數(shù)得到明顯的改善，優(yōu)化后可使模具內(nèi)溫度變化均勻，提升了塑件制品的質(zhì)量。