結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)精密塑件成型精度影響規(guī)律的數(shù)值模擬

王 鑫，武 燕，杜林芳

（1.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州451191；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河南 鄭州451191）

0 前言

如今在儀器儀表、電子電氣、航空航天、通訊、計(jì)算機(jī)、汽車、錄像機(jī)、手表等工業(yè)產(chǎn)品中大量應(yīng)用精密塑料件。與常規(guī)注射成型制品相比，精密塑料件在尺寸精度、工作穩(wěn)定性等方面有更高的要求[1-2]。精密注射成型一個(gè)很重要的內(nèi)容就是制品的尺寸精度，然而型芯偏移現(xiàn)象同樣也存在于精密注射模具中，使塑件產(chǎn)生偏心和尺寸偏差，嚴(yán)重影響精密塑料件的尺寸精度[3]。因此要提高精密塑件的尺寸精度，必須合理減少型芯偏移對(duì)塑件尺寸的影響。

減少型芯偏移除了正確選用型芯材料和注射成型工藝外[4]，對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)也有嚴(yán)格的要求，因此對(duì)于精密塑件來說，設(shè)計(jì)合理的的結(jié)構(gòu)尺寸十分重要。本文借助計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）手段，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)塑件尺寸精度的影響，優(yōu)化精密塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其滿足精密塑件的要求。

1 案例分析模型

塑件選擇為矩形塑件，塑件結(jié)構(gòu)尺寸分析的對(duì)象選擇為長(zhǎng)度A，截面長(zhǎng)寬比B，截面長(zhǎng)度C和塑件厚度D 4個(gè)因素，B為截面長(zhǎng)度與寬度的比值，如圖1所示。型芯材料采用模具鋼P(yáng)20，對(duì)應(yīng)的型芯模型如圖2所示。

圖1 塑件模型Fig.1 Plastic parts model

圖2 型芯模型Fig.2 The core model

將兩模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中，對(duì)其進(jìn)行充填分析。為了單純考察塑件結(jié)構(gòu)尺寸因素，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[4]，盡量使所有模型塑件在最佳的同一工藝條件下進(jìn)行分析，工藝條件如表1所示。分析時(shí)采用3D網(wǎng)格模型，為了提高分析的精度，在塑件和型芯模型交接面處使塑件和型芯共用節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格的精確匹配[5-6]，如圖3所示。選擇在塑件長(zhǎng)度側(cè)面的頂部、中部和底部3個(gè)位置分別進(jìn)膠，分3種情況進(jìn)行分析。

表1 工藝條件Tab.1 Process conditions

圖3 3D分析模型Fig.3 3D analysis model

2 模擬實(shí)驗(yàn)方法

采用聚丙烯（PP）作為塑料成型材料，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析。以塑件的壁厚不均勻程度最為研究目標(biāo)，4個(gè)因素分別選取5水平的正交實(shí)驗(yàn)，選用L25（56）正交表安排實(shí)驗(yàn)[7]，模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.2 Orthogonal test design

塑件壁厚不均勻程度表征以型芯偏移量和原始壁厚的比值S來衡量，S值越大，說明型芯偏移量越大，塑件兩側(cè)的壁厚不均勻程度就越大，塑件的精度就越差。

3 結(jié)果與討論

3.1 極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，極差的大小可以反映出各個(gè)因素的對(duì)結(jié)果的影響程度，極差越大，表明該因素對(duì)結(jié)果的影響程度越大。如表3所示為該正交實(shí)驗(yàn)極差結(jié)果。從表中可看出，頂部進(jìn)膠情況下，影響程度從大到小依次是壁厚、截面長(zhǎng)寬比、截面長(zhǎng)度和高度；中部進(jìn)膠時(shí)，影響程度從大到小依次是截面長(zhǎng)寬比、壁厚、截面長(zhǎng)度和高度；底部進(jìn)膠時(shí)，影響程度從大到小順序與頂部進(jìn)膠相同，但與前兩種情況相比，截面長(zhǎng)度的極差只有0.189，對(duì)壁厚不均勻S的影響程度相當(dāng)小。從表中可看出，無論從那個(gè)位置進(jìn)膠，截面長(zhǎng)寬比和壁厚對(duì)壁厚不均勻程度S的影響程度都比較大，而高度的影響程度最小，因此在設(shè)計(jì)精密塑件時(shí)，應(yīng)重視塑件截面長(zhǎng)寬比和壁厚的控制，防止截面長(zhǎng)寬比和壁厚發(fā)生大的變化。

表3 極差結(jié)果Tab.3rangeresults

3.2 各因素影響結(jié)果

如圖4所示為各個(gè)因素水平的影響趨勢(shì)圖。從圖中可看出，無論在那個(gè)位置進(jìn)膠，各個(gè)因素對(duì)壁厚不均勻程度S的影響趨勢(shì)基本相同。隨著塑件長(zhǎng)度的增大，壁厚不均勻程度S值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但是整體曲線區(qū)域平緩，增大程度不多；而S隨著截面長(zhǎng)寬比的增大，呈現(xiàn)大幅增加；隨著壁厚的增加，S逐漸減少，且減少幅度明顯。S隨截面長(zhǎng)度的變化規(guī)律不明顯，但都在截面寬度為50 mm時(shí)，達(dá)到最小值。

圖4 各因素的影響趨勢(shì)Fig.4 Theinfluence of various factors

型芯發(fā)生偏移，主要是型芯兩側(cè)壓力分布不均勻。本塑件型芯可簡(jiǎn)化為懸臂梁，其撓度，即型芯偏移量，與長(zhǎng)度呈正比關(guān)系，與型芯慣性矩呈反比。所以隨著型芯長(zhǎng)度的增加，型芯偏移程度越來越大，導(dǎo)致壁厚不均勻程度S也增大；型芯截面長(zhǎng)寬比越大，導(dǎo)致型芯的慣性矩越小，即型芯變形量越來越大，故導(dǎo)致壁厚不均勻程度S也增大，且增大幅度明顯。

隨著塑件厚度的增加，模具型腔體積越來越寬，塑料熔體的流動(dòng)阻力越來越小，型芯兩側(cè)的壓力差分布越來越均勻，導(dǎo)致型芯偏移量越來越小，壁厚不均勻程度S值越來越小。

另外從圖4中還可看出，在同樣條件下，3個(gè)進(jìn)膠位置相比，中部進(jìn)膠S值最大，其次是頂部進(jìn)膠，底部進(jìn)膠時(shí)S值最小。說明對(duì)于本塑件來說，底部作為注射位置更加適合，更能提高塑件的成型精度。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，S值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的各個(gè)因素的水平值即為最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此從使壁厚不均勻程度最小角度出發(fā)，得出最佳的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為A1B1C3D5。按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸重新建模和分析，得出了S在3種進(jìn)膠位置下的優(yōu)化結(jié)果，如表4所示。從表中可看出，優(yōu)化后的結(jié)果與優(yōu)化前的最大S值相差較多，最大相差0.6924，優(yōu)化效果很明顯。參照德國(guó)DIN16901精密塑料件尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)[2]，優(yōu)化后的塑件符合精密塑件的公差要求。

表4 優(yōu)化結(jié)果Tab.4 The optimizationresults

4 結(jié)論

（1）塑件的截面長(zhǎng)寬比和厚度對(duì)塑件的成型尺寸精度有較大影響，而塑件的長(zhǎng)度影響較小，并找出了適合塑件的澆口位置；

（2）經(jīng)過正交試驗(yàn)的分析，優(yōu)化了塑件的結(jié)構(gòu)尺寸，并使塑件的尺寸精度得到大大提高；在精密塑件設(shè)計(jì)之前，可以借助CAE分析手段，找出影響塑件尺寸精度的主要結(jié)構(gòu)因素，為精密塑件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

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