韓國(guó)泰，翟林，胡海朝

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

高壓連接器插座外殼(以下簡(jiǎn)稱(chēng)插座外殼)是用于汽車(chē)內(nèi)部電路連接的主要部件，插座外殼多采用注塑成型方式。產(chǎn)品尺寸精度要求較高，翹曲量小于0.2 mm，表面不能有明顯的凹痕、飛邊，整體收縮均勻，無(wú)明顯變形。

在模具設(shè)計(jì)方面，筆者擬使用Moldex 3D 分析澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)方案，同時(shí)獲得成型工藝參數(shù)，為后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)提供初始數(shù)據(jù)。前期眾多研究者使用模流分析軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為模具設(shè)計(jì)提供參考，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如蔡凱武等[1-3]針對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Moldflow 或Moldex3D進(jìn)行模流分析，滿(mǎn)足了塑件注射成型和表面精度要求。周淑容[4]針對(duì)手機(jī)電池后殼的精密成型，運(yùn)用CAE 分析獲得了基于三板模的牛角澆口和點(diǎn)澆口的尺寸，完成模具設(shè)計(jì)。

在優(yōu)化注塑工藝參數(shù)方面，采用正交試驗(yàn)+響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)翹曲量和收縮率進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。相關(guān)研究包括李麗等[5]通過(guò)Moldflow模流分析，以產(chǎn)品的翹曲變形量作為響應(yīng)目標(biāo)，獲取較理想的成型工藝參數(shù)并完成模具設(shè)計(jì)。邱彤等[6]基于Moldflow對(duì)透鏡注塑壓縮成型工藝進(jìn)行仿真研究，以體積收縮率和翹曲變形量為優(yōu)化目標(biāo)，以正交試驗(yàn)法與綜合平衡法相結(jié)合獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并與響應(yīng)曲面法工藝優(yōu)化方案對(duì)比，確定最佳試驗(yàn)方法。

1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 塑件結(jié)構(gòu)及使用性能分析

插座外殼產(chǎn)品為上下層結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。外形尺寸為45 mm×50 mm×35 mm。結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱(chēng)式上下層結(jié)構(gòu)，壁厚最厚處為5 mm，最薄處為1 mm，脫模斜度設(shè)為1.2°[7]。

圖1 產(chǎn)品圖Fig. 1 Product drawing

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具型腔布局為一模四腔，為簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，選定牛角式潛伏澆口，單澆口進(jìn)膠，分流道和澆口布局如圖2所示。澆口采用牛角式潛伏澆口[8]，除具有點(diǎn)澆口的保壓效果好，熔體流動(dòng)性好，獲得較好表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，還可以簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)為二板模。但由于牛角式澆口難以加工，所以設(shè)計(jì)成嵌件結(jié)構(gòu)，方便電火花成型加工，且澆口若斷裂在模具內(nèi)時(shí)方便清理。設(shè)置拉料桿以方便開(kāi)模后頂出澆口，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 澆注系統(tǒng)Fig. 2 Gating system

圖3 牛角式澆口Fig. 3 Horn gate

1.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為達(dá)到更好的冷卻效果，根據(jù)型腔和型芯的結(jié)構(gòu)，定模選用環(huán)繞式水路設(shè)計(jì)，動(dòng)模選用水井式冷卻水路，如圖4所示。

圖4 冷卻水路布局圖Fig. 4 Cooling water circuit layout

1.4 抽芯結(jié)構(gòu)與頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品側(cè)邊有防錯(cuò)位卡扣設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。由于抽芯距離較小，故采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”的外側(cè)動(dòng)模抽芯機(jī)構(gòu)。滑塊采用兩根Φ8 mm斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)，傾斜角度20°，抽拔距為7 mm。為避免楔緊塊在合模時(shí)與滑塊產(chǎn)生干涉，楔緊角度取22°。

圖5 側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)Fig. 5 Side core pulling structure

產(chǎn)品下層壁厚只有1 mm，高度為23 mm，易造成脫模困難，因此在分型面處設(shè)置4根Φ3 mm圓頂桿，在產(chǎn)品底部薄壁處設(shè)置1 mm×2 mm 扁頂桿，在除滑塊側(cè)外，另外3 條邊每邊布置兩根，布局如圖6所示。扁頂桿與頂桿孔間隙可兼做逃氣結(jié)構(gòu)。

圖6 頂出系統(tǒng)Fig. 6 Ejection system

1.5 模具整體結(jié)構(gòu)

模架選用LKM CI 型標(biāo)準(zhǔn)模架CI-2535-A60-B70-C80，成型零件采用鑲嵌式結(jié)構(gòu)，頂出方式為頂桿頂出，整體模具設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 模具裝配圖Fig. 7 Mold assembly drawing

2 初始注塑工藝參數(shù)分析

產(chǎn)品材料為臺(tái)灣奇美公司的丙烯酸酯類(lèi)橡膠體與丙烯腈、苯乙烯接枝共聚物(ASA)+聚碳酸酯(PC)，牌號(hào)WONDERLOY PC-6220。此材料流動(dòng)性好、成型后表面光潔度高、變形小[9]。推薦初始注塑工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 注塑工藝參數(shù)Tab. 1 Injection process parameters

將塑件、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以STP 格式分別導(dǎo)入Moldex 3D 軟件，進(jìn)行立體網(wǎng)格劃分，如圖8 所示。如圖8a 所示，充填時(shí)間為1.8 s，四個(gè)型腔距離澆口等距位置填充時(shí)間為1.494，1.478，1.484，1.480 s，時(shí)間相近，說(shuō)明分流道和澆口的尺寸和布局合理。為了保證模具的冷卻效果，回路冷卻液出入口溫差通常情況下不超過(guò)5 ℃，對(duì)于精度要求較高的塑件溫差應(yīng)不超過(guò)2 ℃[10]。此次分析定模水路冷卻液出入口溫差最大為0.727 ℃，動(dòng)模水路冷卻液出入口溫差最大為0.282 ℃，符合模具設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果顯示體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差為1.716%，最大翹曲量為0.260 5 mm。

圖8 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)方案仿真分析Fig. 8 Simulation analysis of gating system and cooling system

3 成型工藝多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差和最大翹曲量為目標(biāo)，體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差越小說(shuō)明體積收縮率越接近平均數(shù)，最大翹曲量越小說(shuō)明尺寸越精確[11]。

3.1 正交實(shí)驗(yàn)

基于初始注塑工藝參數(shù)分析結(jié)果，綜合前人文獻(xiàn)研究確定本次實(shí)驗(yàn)影響因素為6 個(gè)：模具溫度(A)、熔體溫度(B)、注塑壓力(C)、充填時(shí)間(D)、保壓壓力(E)和保壓時(shí)間(F)[12]。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行因子篩選。基于設(shè)計(jì)階段分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)各因子取值見(jiàn)表2，選用6 因子5 水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，以體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差Y1 和翹曲量Y2 為響應(yīng)值，權(quán)重各為50%。

表2 六因子五水平取值表Tab. 2 Six factor five level values table

使用Moldex3D 軟件分別對(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)25 次，考察指標(biāo)為體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差Y1 (%)和最大翹曲量Y2 (mm)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)分析得到Y(jié)1和Y2的極差值表分別見(jiàn)表4～表5，對(duì)于體積收縮率Y1 各因子影響顯著程度排序?yàn)锽＞E＞F＞D＞A＞C，對(duì)于翹曲量Y2各因子影響顯著程度排序?yàn)镋＞B＞F＞A＞D＞C。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Orthogonal test results

表4 收縮率(標(biāo)準(zhǔn)差)極差值表Tab. 4 Shrinkage rate (standard deviation) range table

表5 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)取值表Tab. 5 Response surface design value table

各因子對(duì)Y1和Y2影響趨勢(shì)如圖9所示，運(yùn)用綜合平衡法分析，對(duì)于B，D對(duì)于Y1 和Y2 影響趨勢(shì)相同，B1D4為最佳水平。A，C，E，F(xiàn)對(duì)于Y1 和Y2 影響趨勢(shì)相反，分別取中間值，即A3C3E3F3，因此正交試驗(yàn)最佳組合為A3B1C3D4E3F3。將此參數(shù)輸入MOLDEX 3D 進(jìn)行模擬仿真，得到Y(jié)1 為1.104%，Y2為0.240 mm，相比初始分析結(jié)果，體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差減少35.66%，最大翹曲量減少7.87%。

圖9 主效應(yīng)圖Fig. 9 Main effect diagram

3.2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)

基于正交試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，翹曲量仍然不滿(mǎn)足小于0.2 mm的要求，因此使用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)繼續(xù)優(yōu)化。選擇顯著度排前3 位的因子：熔體溫度(B)、保壓壓力(E)和保壓時(shí)間(F)作為響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)因子，考察指標(biāo)為體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差Y1 和最大翹曲量Y2[13]。

響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種實(shí)驗(yàn)條件尋優(yōu)方法，適宜解決非線性多變量問(wèn)題。該方法以多元二次回歸方程為工具，將各影響因素與響應(yīng)目標(biāo)通過(guò)函數(shù)表達(dá)出來(lái)，并對(duì)各因素進(jìn)行合理取值，從而使響應(yīng)目標(biāo)值達(dá)到最優(yōu)[14]。對(duì)于二階多項(xiàng)式響應(yīng)面，工藝參數(shù)在不同水平下與對(duì)應(yīng)響應(yīng)值之間的表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

式(1)中：y'為響應(yīng)目標(biāo)值；β0為響應(yīng)面的回歸系數(shù)；x為設(shè)計(jì)變量；i，j為變量下標(biāo)；n為設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)；ε為統(tǒng)計(jì)誤差。

響應(yīng)面常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有BBD (Boxbehnken design)法和CCD (Central composite design)法?；谡辉囼?yàn)的結(jié)果，選擇熔體溫度(B)、保壓壓力(E)和保壓時(shí)間(F)3 個(gè)因子作為響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)因子，考察指標(biāo)為體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差Y1和最大翹曲量Y2[15]。由于在因素水平數(shù)相同時(shí)，BBD法不存在軸向點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)更少，因此選擇BBD 法優(yōu)化注塑工藝參數(shù)。響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)取值見(jiàn)表5，響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab. 6 Response surface experimental design and results

分別對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，觀察殘差概率圖，如圖10a、圖10b所示，大部分點(diǎn)接近成一條直線，說(shuō)明殘差符合正態(tài)分布，模型成立[16]。體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差模型Y1 的R-sq 和R-sq(調(diào)整)為99.93% 和98.73%，最大翹曲量Y2 的R-sq 和R-sq(調(diào)整)為99.99%和98.95%，說(shuō)明模型沒(méi)有過(guò)擬合。通過(guò)響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差和最大翹曲量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)均為最小值，優(yōu)化預(yù)測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖10 殘差正態(tài)概率圖Fig. 10 Residual normal probability graph

圖11 優(yōu)化預(yù)測(cè)圖Fig. 11 Optimization prediction diagram

Y1 和Y2 優(yōu)化結(jié)果合意性為0.834 9，數(shù)值匹配性較好。優(yōu)化結(jié)果為：熔體溫度228 ℃，保壓壓力238.005 1 MPa，保壓時(shí)間5.88 s時(shí)，體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差為0.934 8%，最大翹曲量為0.181 5 mm。

3.3 優(yōu)化方案仿真驗(yàn)證

將優(yōu)化方案的數(shù)值輸入Moldex3D進(jìn)行仿真模擬，得到體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差為0.937%，最大翹曲量為0.181 mm。與預(yù)測(cè)優(yōu)化結(jié)果接近，說(shuō)明優(yōu)化模型可行。

4 結(jié)論

(1)使用Moldex3D 軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模流分析，澆口采用牛角式潛伏澆口。冷卻方案為定模采用環(huán)繞式水路，直徑8 mm，動(dòng)模水路采用水井式，直徑16 mm?；诹鞯兰袄鋮s方案設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，并根據(jù)模流分析結(jié)果確定了后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)中各因子的參數(shù)范圍。

(2)多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面結(jié)合的方法。以體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差和最大翹曲量為響應(yīng)，因子篩選采用6因子5水平正交試驗(yàn)，篩選出塑料熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間3 個(gè)主要因子。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)選用BBD 法，通過(guò)Moldex3D 分析得到15組實(shí)驗(yàn)翹曲變形值，通過(guò)響應(yīng)優(yōu)化器優(yōu)化預(yù)測(cè)數(shù)值為：塑料熔體溫度228 ℃，保壓壓力237.5 MPa，保壓時(shí)間5.88 s 時(shí)，體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差為0.934 8%，最大翹曲量為0.181 5 mm。

(3)將預(yù)測(cè)工藝參數(shù)輸入Moldex3D進(jìn)行模擬分析，該工藝條件下體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差0.937%，最大翹曲量0.181 mm，與優(yōu)化預(yù)測(cè)結(jié)果接近，比初始模擬數(shù)值體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差降低45.39%，最大翹曲量降低30.52%，相較正交試驗(yàn)結(jié)果體積收縮率標(biāo)準(zhǔn)差降低15.33%，最大翹曲量降低24.5%，說(shuō)明優(yōu)化模型可行。